/
Содержание
Введение
Глава 1. Пассивные компоненты
Глава 2. Активные компоненты
Глава 3. Источники сигналов
3.1 Независимые источники постоянного напряжения и тока
3.2 Источники импульсного и синусоидального сигналов
3.3 Независимые источники напряжения и тока сложной формы (Voltage Source и Current Source)
3.4 Источник напряжения User Source
Глава 4. Компоненты для специальных целей (Special Purpose)
4.1 Коммутирующие устройства
4.2 Устройство выборки-хранения (Sample and Hold)
4.3 Стрелки (Arrow) и контакты (Bubble)
Заключение
Список литературы
Введение
Все компоненты (аналоговые и цифровые), из которых состоит электрическая принципиальная схема, имеют математические модели двух типов:
- встроенные математические модели стандартных компонентов (резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы, источники сигналов и др.), которые не могут быть изменены пользователями (можно изменить только значения их параметров);
- макромодели произвольных компонентов, составляемые пользователями по своему усмотрению из стандартных компонентов.
В свою очередь, встроенные модели подразделяются на две категории: простые и сложные модели в зависимости от количества параметров, характеризующих компоненты. Например, модель резистора можно описать одним - тремя параметрами, а модель биполярного транзистора характеризуется 52 параметрами. Как уже отмечалось выше, в программе MC8 используется двоякое описание моделируемого устройства: в виде чертежа схемы (формат схем) или в виде текстового описания модели в формате SPICE. В настоящей курсовой работе приводятся краткие сведения о моделях некоторых компонентов в формате схем.
Глава 1. Пассивные компоненты
/
К пассивным компонентам относятся: резисторы, конденсаторы, индуктивности, линии передачи, высокочастотные трансформаторы, взаимные индуктивности, диоды и стабилитроны. В формате схем MC8 основные параметры резистора (Resistor), конденсатора (Capacitor) и индуктивности (Inductor), изображенных на рис. 1, задаются в виде одинакового набора атрибутов (рис. 2.6):
Атрибут PART: <имя> - (на рис. 1 R1, C1, L1);
Атрибут VALUE: <значение> - (2.4k, 51p, 56u);
Атрибут MODEL: <имя модели> - (для каталога Analog Library);
Атрибут FREQ: <выражение> - значение компонента может быть задано в виде выражения, зависящего от времени, узловых потенциалов, разности узловых потенциалов или токов ветвей, температуры и других параметров. При расчете переходных процессов величина компонента равна значению атрибута VALUE.
Для резисторов также предусмотрены атрибуты SLIDER_MIN и SLIDER_MAX - минимальное и максимальное относительные значения сопротивления, которые в режиме анализа Dynamic DC (расчет схемы по постоянному току) позволяют с помощью движкового регулятора менять сопротивление резистора в заданных пределах. Данные атрибуты при их отсутствии можно ввести в диалоговое окно задания параметров резистора с помощью кнопки Add и последующей редакции атрибута в окне Name (рис. 2.6).
/
Модель линии передачи (Transmission Line - TLine) может быть задана как с потерями (атрибут MODEL=LOSSY), так и без потерь (атрибут MODEL=IDEAL). На рис. 2, а показана электрическая схема с линией передачи без потерь (T1), а на рис. 2, б - схема замещения линии передачи с потерями. После выбора модели линии (Ideal или Lossy) открывается окно задания параметров, значения которых приведены в табл. 1. В формате схем MC8 параметры линии можно задать и с помощью атрибута VALUE, присвоив в окне задания величины VALUE перечисленным в табл. 1 параметрам соответствующие значения. Например, атрибут VALUE: ZO=50 TD=100n F=1Е6 NL=0.25 - означает, что задана линия передачи без потерь с волновым сопротивлением 50 Ом и временем задержки 100 нс. Последние два параметра для идеальной линии задержки можно не указывать.
В программе MC8 имеется модель идеального двухобмоточного трансформатора без потерь (Transformer). В формате схем MC модель трансформатора может быть задана с помощью атрибута имени (PART) - например, K1 и атрибута VALUE: <индуктивность первичной обмотки>, <индуктивность вторичной обмотки>, <коэффициента связи>. Параметры трансформатора перечисляются в окне VALUE в указанном порядке через запятую: 0.01uH, 0.1uH, 0.98.
Таблица 1
Обозначение |
Параметр |
Размерность |
Значение по умолчанию |
|
Идеальная линия без потерь |
||||
ZO |
Волновое сопротивление |
Ом |
- |
|
TD |
Время задержки сигнала |
с |
- |
|
F |
Частота для расчета NL |
Гц |
- |
|
NL |
Электрическая длина на частоте F (относительно длины волны) |
- |
0,25 |
|
Линия с потерями |
||||
R |
Погонное сопротивление |
Ом/м |
- |
|
L |
Погонная индуктивность |
Гн/м |
- |
|
G |
Погонная проводимость |
См/м |
- |
|
C |
Погонная емкость |
Ф/м |
- |
|
LEN |
Длина линии |
м |
- |
/
/
После введения имени модели транзистора открывается панель редактирования параметров модели. Ниже приводятся основные параметры, полный список которых можно найти в [1].
Биполярный транзистор (BJT):
/
Обозначение |
Уровень модели |
Параметр |
|
LEVEL |
1 - 3 |
Уровень модели |
|
TYPE |
3 |
Тип входного транзистора: 1-NPN, 2-PNP, 3-JFET |
|
C |
3 |
Емкость коррекции |
|
A |
1 - 3 |
Коэффициент усиления по постоянному току |
|
ROUTAC (ROUTDC) |
1 - 3 |
Выходное сопротивление по переменному (постоянному) току |
|
VOFF |
3 |
Напряжение смещения нуля |
|
IOFF |
3 |
Разность входных токов смещения |
|
IBIAS |
3 |
Входной ток смещения |
|
SRP (SRN) |
2, 3 |
Максимальная скорость нарастания (спада) выходного напряжения |
|
VPS (VNS) |
3 |
Максимальное выходное положительное (отрицательное) напряжение |
|
CMRR |
3 |
Коэффициент подавления синфазного сигнала |
|
GBW |
2, 3 |
Площадь усиления (произведение коэфф. A на частоту первого полюса) |
|
PM |
2, 3 |
Запас по фазе на частоте единичного усиления |
|
PD |
3 |
Рассеиваемая мощность |
|
IOSC |
3 |
Выходной ток короткого замыкания |
/
Обозначение |
Параметр |
Размерность |
|
VZERO |
Начальное значение |
В |
|
VONE |
Максимальное значение |
В |
|
P1 |
Начало переднего фронта |
С |
|
P2 |
Начало плоской вершины импульса |
С |
|
P3 |
Конец плоской вершины импульса |
С |
|
P4 |
Момент достижения уровня VZERO (конец заднего фронта) |
С |
|
P5 |
Период повторения |
С |
/
/
Обозначение |
Параметр |
Размер-ность |
|
F |
Частота |
Гц |
|
A |
Амплитуда |
В |
|
DC |
Постоянная составляющая |
В |
|
PH |
Начальная фаза |
Радиан |
|
RS |
Внутреннее сопротивление |
Ом |
|
RP |
Период повторения затухающего сигнала |
С |
|
TAU |
Постоянная времени изменения амплитуды сигнала по экспоненциальному закону |
С |
/
После выбора независимого источника открывается окно задания
параметров модели, показанное на рис. 10. Форма генерируемого сигнала определяется с помощью закладок (Puls, Sin и т.д.), а параметры сигнала вводятся в окне задания параметров, которое имеет разный состав для разных моделей сигнала. Для всех этих сигналов можно задавать значение постоянной составляющей - параметр DC (для режима анализа DC), а также (для режима АС) указать значения амплитуды (AC magnitude) и начальной фазы (AC Phase) сигналов.
В табл. 5 представлены параметры импульсного сигнала (Pulse), аналогичного сигналу, рассмотренному ранее (см. рис. 7). Следует отметить отличия не только в обозначении, но и в способе задания параметров модели сигнала (табл. 4).
Таблица 5
Обозначение |
Параметр |
Размерность |
|
V1 |
Начальное значение |
В или А |
|
V2 |
Максимальное значение |
В или А |
|
TD |
Начало переднего фронта |
С |
|
TR |
Длительность переднего фронта |
С |
|
TF |
Длительность заднего фронта |
С |
|
PW |
Длительность плоской части импульса |
С |
|
PER |
Период повторения |
С |
Синусоидальный сигнал (Sin) определяется выражением:
Параметры гармонического сигнала приведены в табл. 6.
Таблица 6
Обозначение |
Параметр |
Размерность |
|
V0 |
Постоянная составляющая |
В или А |
|
VA |
Амплитуда |
В или А |
|
F |
Частота |
Гц |
|
TD |
Задержка |
С |
|
DF |
Коэффициент затухания |
1/С |
|
PH |
Фаза |
град. |
Экспоненциальная функция (Exp) описывается выражением:
Форма сигнала Exp показана на рис. 11, а назначение параметров поясняется в табл. 7. Экспоненциальный сигнал похожей формы можно получить на выходе простейшей пассивной линейной цепи первого порядка (при TC1=TC2), например, RC-цепи. Модель генератора сигнала (Exp) позволяет сформировать экспоненциальный сигнал с произвольными значениями параметров TC1 и TC2 и оперативно задать значения других параметров.
Таблица 7
Обозначение |
Параметр |
Размерность |
|
V1 |
Начальное значение |
В или А |
|
V2 |
Максимальное значение |
В или А |
|
TD1 |
Начало переднего фронта |
С |
|
TC1 |
Постоянная времени переднего фронта |
С |
|
TD2 |
Начало заднего фронта |
С |
|
TC2 |
Постоянная времени заднего фронта |
С |
Синусоидальная функция с частотной модуляцией (SFFM) описывается выражением:
/
Параметры независимого источника гармонического сигнала с частотной модуляцией приведены в табл. 8, а пример частотно-модулированного колебания показан на рис. 12. В данном примере значение несущей частоты составляет 1 МГц, модулирующая частота равна 100 кГц, а индекс модуляции (отношение девиации частоты к модулирующей частоте) равен 5.
Таблица 8
Обозначение |
Параметр |
Размерность |
|
V0 |
Постоянная составляющая |
В или А |
|
VA |
Амплитуда |
В или А |
|
F0 |
Частота несущей |
Гц |
|
MI |
Индекс частотной модуляции |
- |
|
FM |
Частота модуляции |
Гц |
Кусочно-линейный сигнал (PWL) задается координатами точек излома (Ti, Vi), которые вводятся в окне параметров и определяют значение атрибута VALUE. Следует обратить внимание, что для каждой пары координат точки излома сначала определяется время, а затем величина сигнала, причем значение сигнала не может быть отрицательной величиной. Координаты соседних точек отделяются друг от друга пробелом.
Случайный сигнал (Noise) генерируется в виде кусочно-линейной функции, точки излома которой по оси времени задаются параметром Interval (расстояние между соседними точками), а амплитуда сигнала в этих точках определяется по случайному закону (рис. 13) в диапазоне ± Um. Величина Um задается параметром Amplitude. Кроме того, необходимо ввести параметры Start Time и End Time - начало и конец реализации случайного процесса.
/
Сигнал в виде гауссового импульса (Gaussian) представляет собой последовательность импульсов колоколообразной формы (рис. 14), форма которых задается следующими параметрами:
Amplitude - амплитуда импульсов;
Width at 50% - ширина импульсов по уровню 0,5 от амплитуды;
Time to peak - время фиксации вершины первого импульса;
Period - период повторения импульсов.
3.4 Источник напряжения User Source
импульсный синусоидальный сигнал ток
Источник напряжения User Source задается пользователем или в виде файла (атрибут FILE), или в виде выражения (атрибут EXPRESSION). Пользователь имеет возможность задать источник напряжения произвольной формы. Для этого отсчеты сигнала записываются в текстовый файл (который должен иметь расширение .usr) с помощью любого текстового редактора. В этом файле записывается общее количество отсчетов N и пары значений, определяющие выражения для отсчетов моментов времени и значения напряжений [1].
Ручное редактирование файла требует значительных временных затрат, поэтому в MC8 предусмотрено создание файла сигнала путем сохранения сигналов, полученных в результате расчета переходных процессов (режим анализа Transient). Для этого после получения графиков переходных процессов двойным щелчком левой клавиши мыши вызывается диалоговое окно Properties, в котором выбирается закладка Save Curves. Далее указывается требуемый график сигнала (в качестве пользовательского) и нажимается кнопка SAVE.
/
Для вызова подготовленного файла в качестве источника напряжения необходимо в окне задания параметров в позиции FILE указать имя и путь сохраненного *.usr файла. При поиске нужного файла можно воспользоваться кнопкой Browse. На рис. 15 в качестве примера показан сигнал, вырабатываемый источником User Source, заданным файлом Sample.usr (папка DATA в программе MC8).
Глава 4. Компоненты для специальных целей (Special Purpose)
В раздел Special Purpose помещены ключи (Switch), устройства выборки и хранения (Sample and Hold), стрелки (Arrow) и контакты (Bubble).
4.1 Коммутирующие устройства
При расчете переходных процессов удобно пользоваться электрическими коммутирующими устройствами (ключами). В программе MC8 предусмотрены три модели ключей (рис. 16).
/
Switch - ключи (обозначение на схеме - SW), управляемые разностью потенциалов (V) или током (I) через индуктивность, а также коммутируемые в определенные моменты времени (T). Для задания параметров модели ключа SW необходимо в строке атрибута VALUE указать X, n1, n2, Ron, Roff, где
X - тип управляющего сигнала (V, I или T);
n1, n2 - значения управляющей величины, при которых происходят переключения;
Ron, Roff - сопротивления ключа в замкнутом и разомкнутом состояниях (задавать необязательно).
Для ключей типа V управляющий сигнал представляет собой разность потенциалов между управляющими выводами ключа. Для ключей типа I управляющим сигналом является ток, протекающий через индуктивность, которая должна быть включена между управляющими выводами. При использовании ключа типа T управляющим сигналом является время, а управляющие выводы ключа должны быть заземлены.
/
Соотношение между значениями управляющих величин n1 и n2 определяет алгоритм функционирования ключа. Если n1<n2, то ключ замкнут (находится в состоянии ON) при управляющем сигнале n1<X<n2 и разомкнут (находится в состоянии OFF), когда X<n1 или X>n2. Если же n1>n2, то при n1>X>n2 ключ разомкнут (OFF), а при X>n1 или X<n2 - ключ замкнут (ON).
На рис. 17 показана схема, содержащая три ключа Switch разных типов: SW1 (V, 2, 4), SW2 (I, 0.2m, 0.6m), SW3 (T, 0.1u, 0.4u). Источник сигнала V1 вырабатывает синусоидальное колебание амплитудой 5В и частотой 1 МГц. Ключи SW1 и SW2 коммутируют постоянное напряжение (источник V2), а ключ SW3 - переменное напряжение (V1). Эпюры управляющих напряжения (v(3) для SW1) и тока (I(L1) для SW2), а также коммутируемые напряжения в контрольных точках схемы v(4), v(2) и v(5) приведены на рис. 18.
Как следует из рис. 18, ключ SW1 находится в состоянии ON при условии 2В<v(3)<4В, ключ SW2 замкнут при условии 0.2mA<I(L1)<0.4mA, а ключ SW3 находится в замкнутом состоянии на интервале времени 0.1 мкс…0.4 мкс.
/
Ключ, управляемый напряжением S(V-Switch), имеет тот же принцип управления, что и рассмотренный выше ключ Switch типа V. Для задания параметров модели данного ключа необходимо присвоить атрибуту MODEL имя <VSWITCH>, а в открывшемся окне параметров ввести их значения. Обозначения параметров ключа (табл. 9) несколько отличаются от рассмотренных выше параметров, однако имеют тот же смысл, а процедура ввода их значений более наглядна.
Таблица 9
Обозначение |
Параметр |
Размерность |
|
VON |
Напряжение замыкания ключа |
В |
|
VOFF |
Напряжение размыкания ключа |
В |
|
RON |
Сопротивление замкнутого ключа |
Ом |
|
ROFF |
Сопротивление разомкнутого ключа |
Ом |
Ключ, управляемый током W(I-Switch), аналогичен ключу Switch типа I. После присвоения атрибуту MODEL имени <ISWITCH> открывается окно параметров, обозначение которых приводится в табл. 10.
Таблица 10
Обозначение |
Параметр |
Размерность |
|
ION |
Ток замыкания ключа |
А |
|
IOFF |
Ток размыкания ключа |
А |
|
RON |
Сопротивление замкнутого ключа |
Ом |
|
ROFF |
Сопротивление разомкнутого ключа |
Ом |
4.2 Устройство выборки-хранения (Sample and Hold)
/
Устройство выборки-хранения (рис. 19) представляет собой аналоговое запоминающее устройство, которое запоминает аналоговый сигнал в заданные моменты времени и хранит это значение в течение определенного времени, равного периоду дискретизации. Иными словами данное устройство реализует первый этап преобразования аналогового сигнала в цифровую форму, а именно осуществляет дискретизацию сигнала во времени.
Для задания параметров устройства в формате схем MC используются следующие атрибуты:
PART: <имя>, (на рис. 19 - S1);
INPUT EXPRESSION: <функция>;
SAMPLE EXPRESSION: <логическое выражение>;
PERIOD: <значение>.
В поле атрибута INPUT EXPRESSION вносится функция напряжения или тока, которая будет обрабатываться устройством выборки-хранения. Например, напряжение в контрольной точке схемы V(1) или ток через резистор I(R1) и т.п.
В поле атрибута SAMPLE EXPRESSION вносится логическое выражение, формирующее команды выборки и хранения. Определять данный атрибут не обязательно, если задан период дискретизации в поле атрибута PERIOD, поскольку на этот же период времени происходит и запоминание выборки.
/
Пример работы устройства выборки-хранения показан на рис. 20. В данном случае при моделировании компонента Sample and Hold в качестве дискретизируемой функции указано падение напряжения на конденсаторе С1, которое определено как напряжение V(3). Период дискретизации (атрибут PERIOD) равен 10 нс. Для получения эпюры напряжения на выходе устройства выборки-хранения достаточно подсоединить к нему в качестве нагрузки резистор (на рис. 20 - R2).
4.3 Стрелки (Arrow) и контакты (Bubble)
/
Компоненты Arrow (стрелки) и Bubble (контакты) используются, как правило, для нанесения на схему дополнительной информации и не участвуют в моделировании (рис. 21). В частности, компонент Arrow может указывать направление тока, а компонент Bubble, помеченный текстовой меткой, может обозначать вход (Input) или выход (Output) схемы, а также номер контрольной точки и др.
Заключение
MicroCAP-7 -- это универсальный пакет программ схемотехнического анализа, предназначенный для решения широкого круга задач. Характерной особенностью этого пакета, впрочем, как и всех программ семейства MicroCAP (MicroCAP-3… MicroCAP-8) [1, 2], является наличие удобного и дружественного графического интерфейса, что делает его особенно привлекательным для непрофессиональной студенческой аудитории. Несмотря на достаточно скромные требования к программно-аппаратным средствам ПК (процессор не ниже Pentium II, ОС Windows 95/98/ME или Windows NT 4/2000/XP, память не менее 64 Мб, монитор не хуже SVGA), его возможности достаточно велики. С его помощью можно анализировать не только аналоговые, но и цифровые устройства. Возможно также и смешанное моделирования аналого-цифровых электронных устройств, реализуемое в полной мере опытным пользователем пакета, способным в нестандартной ситуации создавать собственные макромодели, облегчающие имитационное моделирование без потери существенной информации о поведении системы.
Перечисленные достоинства делают пакет программ MicroCAP-7 весьма привлекательным для моделирования электронных устройств средней степени сложности. Удобство в работе, нетребовательность к ресурсам компьютера и способность анализировать электронные устройства с достаточно большим количеством компонентов позволяют успешно использовать этот пакет в учебном процессе. Настоящее пособие не претендует на полное руководство по работе с MicroCAP-7.
Список литературы
1. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования Micro-Cap V. - Москва, «Солон», 1997. - 273 с. 621.3 Р17 /1997 - 1 аб, 3 чз
2. Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств Design Lab 8.0. - Москва, «Солон», 1999. 004 Р-17 /2003 - 1 аб/ 2000 - 11 аб, 5 чз
3. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение.-- Москва: Солон-Р, 2001. - 726 с. 004 K23/ 10 аб, 5 чз.
4. Micro-Cap 7.0 Electronic Circuit Analysis Program Reference Manual Copyright 1982-2001 by Spectrum Software 1021 South Wolfe Road Sunnyvale, CA 94086