сведение о мицро

5 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОГРАММЕ
СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
MICRO-CAP 9
5.1 Общие сведения о программе
Программа Micro-Cap (Microcomputer Circuit Analysis Program) впервые
появилась в 1981 году как результат разработки фирмы Spectrum Software и
быстро завоевала популярность, потому что не предъявляла высоких
требований к компьютерам. С тех пор программа непрерывно
совершенствовалась, приобретая новый интерфейс и улучшенные
возможности анализа схем и визуализации результатов. На сегодняшний
день последней разработкой программы является Micro-Cap 9. Приведем
перечень основных характеристик Micro-Cap 9:
 полная совместимость с пакетом PSpice как по принятым моделям
компонентов, так и по текстовому описанию схемы;
 огромная библиотека компонентов;
 программа позволяет моделировать не только аналоговые, но и
цифровые и аналого-цифровые электронные устройства;
 при многовариантном анализе допускается одновременно варьировать
до 20 переменных и строить графики зависимостей характеристик
схемы от варьируемых параметров, включая температуру;
 введен режим построения 3-мерных графиков;
 создана подпрограмма синтеза аналоговых пассивных и активных
фильтров;
 большой набор макросов позволяет проводить анализ устройств,
заданных в виде функциональных схем;
 обеспечена визуализация непосредственно на схеме значений узловых
потенциалов, токов ветвей и рассеиваемой мощности; введен анализ
чувствительности и передаточных функций по постоянному току;
 статистический анализ по методу Монте-Карло;
 введен режим анимации при анализе устройств;
 великолепные
возможности
документирования
получаемых
результатов;
 исчерпывающая встроенная помощь.
Перечисленные особенности отражают далеко не все достоинства
программы Micro-Cap 9, которые можно почувствовать лишь при ее
использовании для разработки и проектировании электронных устройств.
Программа Micro-Cap 9 очень удобна для первоначального освоения
схемотехнического моделирования электронных схем, в частности, при
обучении студентов соответствующих специальностей. Для Micro-Cap 9
имеется студенческая версия программы, которая распространяется
бесплатно и которая предназначена для моделирования простейших схем.
Однако ее возможностей вполне достаточно для студентов младших курсов и
проведения анализа несложных схем.
В настоящем учебном пособии рассматриваются основные этапы
создания и анализа электронных схем на базе программы Micro-Cap 9,
поскольку она обладает одним из самых простых и легко осваиваемых
пользовательских интерфейсов с одной стороны, и огромными
возможностями при проектировании, оптимизации и документировании с
другой.
5.2 Структура интерфейса программы
MICRO-CAP 9 и основное меню
5.2.1 Интерфейс программы МС9
В системе МС9 используется многооконный интерфейс с
ниспадающими и разворачивающимися меню, который уже стал
традиционным для системы Windows.
Рабочее окно программы МС9 показано на рисунке 5.1.
Рисунок 5.1. Окно программы МС9
Верхняя строка окна — строка системного меню программы MC9.
На ней слева находится кнопка системного меню, дублирующая по
начертанию ярлык программы. С ее помощью изменяется и
восстанавливается размер окон, они перемещаются, сворачиваются и
закрываются. Аналогичные операции можно делать с помощью стандартных
в OC WINDOWS кнопок, расположенных справа на строке системного
меню. На этой же строке находится заголовок. Если открыто окно схем, то
указывается имя файла схемы и каталога, в котором он расположен. Если же
открыто окно анализа характеристик Analysis — указывается вид анализа.
Следующая строка — строка основного меню программы. Слева на
ней расположена кнопка меню схемы, управляющая размером окна схемы, а
справа - три стандартные в WINDOWS кнопки, выполняющие аналогичное
управление. Между этими кнопками располагается ниспадающее меню
команд программы MC9.
Ниже размещены строки инструментов. На них размещены иконки
наиболее употребительных команд. Иконки команд немедленного действия
остаются нажатыми непродолжительное время и затем восстанавливают свое
первоначальное положение. Иконки команд, переключающие режимы,
остаются в положение "включено" до выполнения следующей команды.
В левой части экрана расположена панель компонентов, в которой все
радиотехнические компоненты, включенные в базу моделей программы
МС9, разнесены по разным каталогам в соответствии с принятой
классификацией. При необходимости, каждый каталог может быть развернут
для выбора нужного компонента схемы. Здесь же указывается схемное
изображение выбранного компонента.
Линейки прокрутки. Две линейки прокрутки позволяют
панорамировать окно схем или текста по горизонтали или вертикали.
Закладки переключения окна. Нажатие на закладки Text, Page 1,
Models,... выводит в рабочее окно содержание текстового окна, в котором
можно размещать описание математических моделей компонентов текущей
схемы, директивы и другую текстовую информацию, или содержание окна
схем.
В середине окна располагается рабочее поле для создания исследуемой
схемы. При нажатии правой кнопки мыши в рабочем поле курсор
приобретает форму руки, и его перемещение при нажатой кнопке позволяет
перемещать (панорамировать) схему.
При работе с МС9 используется понятие выбора объекта (компонента
схемы, его позиционного обозначения, значения параметра, электрической
цепи, блока схемы или строки текста). Выбор отдельного объекта
выполняется щелчком мыши, находящейся в режиме
(Select Mode), выбор
блока — заключением его в прямоугольную рамку (для этого нужно
щелкнуть кнопкой мыши, поместив курсор в один из углов прямоугольной
области и, не отпуская ее, растянуть рамку до необходимых размеров, после
чего отпустить кнопку). Выбранный объект изменяет цвет; его можно
перетаскивать с помощью мыши и редактировать.
Для ускорения работы с программой используется не только мышь, но
и клавиатура. При установке курсора на какую-либо иконку или компонент
схемы, высвечивается подсказка, которая в развернутом виде записывается в
поле Select Mode в нижней части экрана. В подсказке прописывается
сочетание клавиш клавиатуры, одновременное нажатие которых вызывает
эту команду. Например, команда вывода на печать
может быть вызвана
одновременным нажатием клавиш Ctrl+P.
5.2.2 Основные команды меню
Ниже более подробно остановимся на ниспадающем меню команд
программы MC9. При описании меню в скобках указывается вид иконки
панели инструментов, нажатие которой производит аналогичные действия.
Причем, описание дано не всех команд, а наиболее употребляемых.
FILE:
Меню File предназначено для загрузки или записи файлов,
экспорта/импорта файлов в форматах других систем моделирования, для
подготовки к печати и печати схем и результатов анализа.
Первые четыре команды этого меню: New, Open, Save, Save As —
типичные для Windows команды работы с файлами и пояснений не требуют.
Protect — защита файла паролем, который указывается в последующем
открывающемся окне.
Paths — указание путей расположения данных, библиотек, рисунков,
документов.
Translate — преобразование форматов схемных файлов (текстового
SPICE в графический Microcap и наоборот, схемного MC9 в схемный более
ранних версий MICROCAP и др.).
Load MC File — загрузка файлов результатов расчета по методу
Монте-Карло.
Revert (
) — восстановление содержимого файла текущего окна с
диска.
Print Preview (
) — предварительный просмотр изображения
перед печатью.
Print (
) — вывод на печать изображения в активном окне в
соответствии с параметрами, заданными в окне Print Setup.
Print Setup — выбор принтера и параметров бумаги.
EDIT:
Меню Edit включает команды редактирования схем, объектов, текста и
т.д.
Can`t Undo (
(откат назад).
) — отмена последней команды редактирования
Can`t Redo (
вперед).
) — повтор последней отмененной команды (откат
Cut (
обмена.
Copy (
) — удаление выбранного объекта и размещение его в буфере
) — копирование выбранного объекта в буфер обмена.
Paste (
) — копирование содержимого буфера обмена в текущее
окно в место на которое показывает курсор.
Clear (
буфер.
) — удаление выбранного объекта без копирования в
Select all (
) — выделение всех объектов в текущем окне.
Copy to Clipboard — копирование текущего окна в виде различных
графических файлов (открываются подменю) в буфер обмена.
Add Scematic Page — добавление к схеме новой страницы (большие
схемы могут размещаться на нескольких страницах).
Add Text Page — добавление новой текстовой страницы.
Add Macro Section — добавление к схеме новой макро-схемы
(макроса).
Delete Page — удаление одной (нескольких) страниц схемы.
Box — редактирование объектов, заключенных в прямоугольную
рамку (устанавливается мышью в режиме
). Открывающееся подменю
иконок на панели инструментов
— копирование указанного
число раз, создание зеркально отраженного фрагмента, вращение против
часовой стрелки на 90, зеркальное отражение относительно осей,
расположенных посередине блока соответственно
Change — изменение ряда параметров отображения схемы (становится
понятным из открывающихся подменю)
Find (
) — поиск в текущем окне схем или текста разнообразных
объектов, перечисленных в открывающемся диалоге.
COMPONENT:
Меню COMPONENT содержит каталоги библиотек аналоговых и
цифровых компонентов. Он имеет систему разворачивающихся
иерархических меню, открывающихся при наведении на них курсора
мышью. В основном названия компонентов понятны из наименования на
английском языке, однако ниже приведен список основных компонентов для
лучшей ориентации в программном пакете.
Analog Primitives
Passive
Components
—
резисторы,
конденсаторы,
индуктивности, диоды, длинные линии, диод повернутый
трансформатор, магнитный сердечник, стабилитрон (рисунок 5.2).
катушки
на 45,
Рисунок 5.2. Компоненты закладки Passive Components
Active Devices — n-p-n и p-n-p биполярные транзисторы, МДПтранзисторы с каналом n- и p- типов (NMOS, PMOS), МДП-транзисторы с
индуцированным каналом n- и p- типов (DNMOS, DPMOS), полевые
транзисторы с управляющим p-n переходом с каналом n- и p- типов (NJFET,
PJFET), операционные усилители (OPAMP), арсенид-галлиевые полевые
транзисторы (GaAsFET).
Основные пассивные и активные примитивы могут быть выбраны с
помощью группы иконок на верхней панели инструментов:
Waveform Sources (Источники сигналов) — источник постоянного
напряжения (Battery), независимые источники напряжения и тока сложной
формы, зависящие от времени (Voltage source, Current source), источник
синусоидального напряжения (Sin source), источник импульсного сигнала
(Pulse source), источник постоянного тока (Isource), источник напряжения,
программируемый пользователем и задаваемый текстовым файлом с
расширением .urs (User source), точка фиксированного потенциала в
аналоговой схеме (Fixed analog), трехфазный источник напряжения (3 Phase
Triangle):
Function Sources (Функциональные источники) — функциональный
источник напряжения (NFV), функциональный источник тока (NFI);
таблично задаваемые зависимые источники напряжения от тока (NTVofI),
тока от тока (NTIofI), тока от напряжения (NTIofV), напряжения от
напряжения (NTVofV):
Источники NFV и NFI описываются произвольной функциональной
зависимостью от времени, напряжений и токов схемы и т.д.
Таблично задаваемые зависимые источники напряжения от тока
(NTVofI), тока от тока (NTIofI), тока от напряжения (NTIofV), напряжения
от напряжения (NTVofV) задаются таблицей значений выходного сигнала
(напряжения или тока) от входного сигнала (напряжения или тока). Для
расчета выходного сигнала в промежутке между табличными точками
используется линейная интерполяция. Значения выходного сигнала за
пределом заданного диапазона принимаются равным значениям в крайних
точках.
Laplace Sources — задаваемые в операторном виде по Лапласу в виде
передаточных функций в S-области зависимые источники: напряжения от
тока (LFVofI), тока от тока (LFIofI), тока от напряжения (LFIofV),
напряжения от напряжения (LFVofV); задаваемые в виде табличных
комплексных передаточных функций от частоты зависимые источники:
напряжения от тока (LТVofI), тока от тока (LТIofI), тока от напряжения
(LТIofV), напряжения от напряжения (LТVofV).
При расчете частотных характеристик для функциональных зависимых
операторных источников переменная S заменяется на 2fj. При расчете
режима по постоянному току для них полагается S=0.
Для таблично задаваемых операторных зависимых источников задается
таблица передаточной функции. Частота задается в Герцах, модуль
передаточной функции в децибелах или абсолютных единицах, фаза — в
градусах или радианах. Для расчета передаточной функции между опорными
точками применяется линейная интерполяция в логарифмическом масштабе.
Значения передаточной функции вне заданного диапазона полагаются
равными значениям в крайних точках.
Z transform sources — задаваемые в виде передаточных функций в Zобласти зависимые источники: напряжения от тока (ZVofI), тока от тока
(ZIofI), тока от напряжения (ZIofV), напряжения от напряжения (ZVofV).
Установка подобного источника в схему соответствует установке
цифрового фильтра с соответствующей характеристикой в Z-области.
Частота дискретизации для таких источников задается в открывающемся
диалоговом окне как Clock Frequency, выражение для передаточной функции
— zexp.
Dependent sources — задаваемые коэффициентом передачи линейные
зависимые источники: напряжения от тока (VofI), тока от тока (IofI), тока от
напряжения (IofV),
напряжения от напряжения (VofV); задаваемые
математическим выражением в виде полинома нелинейные зависимые
источники напряжения от нескольких напряжений (EVofV), тока от
нескольких токов (FIofI), тока от нескольких напряжений (GIofV),
напряжения от нескольких токов (HVofI).
Macros — макромодели функционально законченных узлов
радиотехнических устройств, заданных в виде схем в формате MC9,
поставляемые вместе с программным пакетом (например, перемножитель,
интегратор, частотный модулятор и т.д.). Смысл и назначение их легко
определяются при вызове в схему и снятию характеристик, они упоминаются
в дальнейшем изложении при приведении примеров моделирования.
Subckts — подсхемы (макромодели) в виде текстового описания в
формате SPICE, поставляемые вместе с программным пакетом. Смысл и
назначение их легко определяются при вызове в схему и снятию
характеристик (есть примеры в каталоге DATA).
Connectors — аналоговая земля (Ground); точка, заданная на схеме
буквенной меткой (Tie), проводники без электрического соединения в точке
пересечения (Jumper).
Следует отметить, что использование Tie позволяет не загромождать
принципиальную схему цепями питания микросхем.
SMPS — макромодели в виде схем и подсхемы в виде текстового
описания для сложных устройств (например ШИМ-модуляторов для
управления ключевым источником электропитания и пр.), используемые в
примерах моделирования, поставляемых в каталоге DATA.
Special Purpose — устройство выборки-хранения (Sample and Hold);
ключ, управляемый напряжением (S); универсальный ключ, могущий
управляться напряжением, током, временем (SWITCH); ключ управляемый
током (W); стрелка для обозначения информации о сигнале (Arrow), точки
для обозначения контактов (bubble 1, 2).
Analog Library
Здесь размещаются библиотеки моделей типовых аналоговых
электронных компонентов и моделей компонентов различных фирмпроизводителей. Их смысл легко определяется при вызове, поэтому не будем
подробно останавливаться на содержимом этой закладки.
Digital Primitives
Standard Gates — модели стандартных логических элементов (2, 3, 4, 5,
9 – входовых) И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ, ИСКЛ-ИЛИ, ИСКЛ-ИЛИ-НЕ,
инвертора (НЕ) и повторителя.
Tri state Gates — модели логических элементов с 3-мя состояниями (2,
3, 4, 5, 9 – входовых) И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ, ИСКЛ-ИЛИ, ИСКЛ-ИЛИ-НЕ,
инвертора (НЕ) и повторителя. 3-е состояние — высокоимпедансное.
Edge-Triggered Flip-Flops — модели JK- и D-триггеров с динамическим
управлением по входу синхронизации CLKB и с предустановкой.
Gated Flip-Flops/ Latches — модели RS- и D-триггеров со статическим
управлением по входу синхронизации CLKB и с предустановкой.
Pullups/Pulldowns — источники постоянных логических сигналов.
Delay line — цифровая линия задержки.
Programmable Logic Arrays — программируемые логические матрицы
(ПЛМ).
Logic Expressions — модели 2-входовых логических элементов,
задаваемых логическими выражениями с одной или двумя выходными
функциями.
Pin Delay — модели элементов принудительной задержки
распространения сигналов для устройств, рассмотренных в предыдущем
пункте.
Contstraints — модель контроллера соблюдения временных
соотношений.
AtoD converters — 1, 4, 8, 12, 16 – разрядные аналого-цифровые
преобразователи (АЦП).
DtoA converters — 1, 4, 8, 12, 16 – разрядные цифро-аналоговые
преобразователи (ЦАП).
Stimulus Generators — модели генераторов цифровых сигналов с 1, 2, 4,
8, 16 выходами с параметрами, задаваемыми пользователем (Stim) или
считываемыми из файла (FStim).
Didital Filter Macros — модели компонентов для построения цифровых
фильтров (сумматоры, перемножители и элементы задержки).
Digital Library
Содержит библиотеки моделей цифровых компонентов разных фирмизготовителей. Следует отметить, что здесь значительно больше типов
цифровых микросхем, чем в группе Digital primitives (дешифраторы,
мультиплексоры, счетчики, триггера различных типов). Просмотреть эти
библиотеки и найти нужный компонент по его достаточно наглядному
условному графическому отображению можно при использовании панели
компонентов. Для этого необходимо в иерархической структуре всей
библиотеки компонентов выбрать нужный каталог. Затем, заходя в нужную
группу просматривать УГО библиотечных компонентов, по которым
нетрудно составить представление о типе и законах функционирования
самого компонента.
Animation
Здесь расположены модели элементов, осуществляющих наглядную
индикацию аналоговых напряжений (в виде панелей или светодиодов),
логических состояний в точках цифровой схемы (в виде одноразрядного или
7-сегментного индикаторов), переключатели, управляемые кнопкой мыши и
т.д. Использование этих компонентов при моделировании различных
устройств
позволяет
значительно
облегчить
понимание
правил
функционирования
наглядными.
устройства
и
сделать
результаты
анализа
очень
Find Component
Поиск во всех каталогах библиотеки компонента по имени и
размещение его на схему.
После выбора компонента с помощью команд меню Component
программа MC9 переходит в режим Component Mode. Размещение
выбранного компонента в заданном месте на схемном рабочем поле
производится щелчком мыши. Перемещение мыши с нажатой левой кнопкой
приводит к перемещению компонента по рабочему полю, одновременное
нажатие правой кнопки поворачивает компонент на 90. Отпускание левой
кнопки приводит к фиксации элемента на схеме и открытию окна задания
параметров компонента (позиционного обозначения, численных значений
или имени модели и др.). При выборе в окне компонента одного из
параметров в строке подсказки (Help Bar) приводится формат его ввода.
WINDOWS:
Содержит команды работы с окнами.
Cascade (
) — расположение открытых окон каскадом.
The Vertical (
по вертикали.
The Horizontal (
окон по горизонтали.
) — последовательное расположение открытых окон
) — последовательное расположение открытых
Overlap (
) — наложение окна результатов анализа поверх окна
схем (подсвечивается и может быть активизирован только после запуска
одного из видов анализа из меню Analysis)/
Maximize — развернуть активное окно на весь экран.
Zoom in (
) — увеличить масштаб изображения.
Zoom out (
) — уменьшить масштаб изображения.
Toggle Drawing/Text — переключения между окном схем и
соответствующим ему окном текста.
Splite Horizontal — разделение рабочего окна на окно схем и окно
текста, расположенных по горизонтали.
Splite Vertical — разделение рабочего окна на окно схем и окно текста,
расположенных по вертикали.
Remove Splits — распахивание окна схемы на весь экран с полным
перекрытием окна текста.
Component Editor — запуск программы редактора компонентов
(Навигация по всей библиотеке, создание новых компонентов на основе
заранее подготовленной макромодели MC9 или подсхемы в формате SPICE).
Shape Editor — запуск редактора изображений (УГО) компонентов
(редактирование существующих УГО и создание своих новых УГО).
Package Editor — вызов редактора упаковки выводов компонента
(типа корпуса и расположения обозначенных сигнальных выводов
компонента). Информация необходима для составления списка соединений,
передаваемых во внешние программы подготовки печатных плат.
Calculator (
)— вызов встроенного калькулятора
Check Model Library Parameters — вывод перечня библиотек,
перечисленных в файле NOM.lib, с указанием синтаксических ошибок.
1...9 — активизация и размещение на переднем плане одного из
открытых схемных файлов.
OPTIONS:
Содержит команды работы с окнами.
Main tool Bar — включение/выключение панели инструментов.
Default Main Tool Bar — восстановление конфигурации панели
инструментов, принятую по умолчанию.
Status Bar — показать/скрыть статусную строку описания текущей
команды с краткой подсказкой.
Panel — включение/выключение панели компонентов слева от поля
схем.
Window Tabs — показать/скрыть заголовки открытых окон.
Mode — выбор режима работы графического редактора схем или
результатов анализа
Select (
) – выбор объекта для последующего редактирования.
Component (
) – добавление компонента в схему.
Text (
) – добавление текста в схему или на результаты анализа.
Wire (
) – добавление ортогональных проводников в схему.
WireD (
в схему.
) — добавление проводников произвольной ориентации
Line, Rectangle, Diamond, Ellipse, Arc, Pie, Polygon, Picture (
)–
добавление линии, прямоугольника, ромба, эллипса, дуги, сектора,
полилинии, изображения из файла.
Flag (
) – ввод флагов для быстрой навигации по схеме
Следующие 5 режимов доступны только при выводе окна результатов
анализа:
Scale (
рамку.
) – режим вывода на экран части графика, заключенного в
Cursor (
) – режим двух электронных курсоров, активизируемых
левой и правой клавишей мыши..
Point Tag (
) – нанесение на график значений координат
выбранной курсором точки.
Horizontal Tag (
) – нанесение расстояния вдоль оси абсцисс между
двумя точками графика (как правило измерение частотного диапазона в AC,
времени в TRAN).
Vertical Tag (
) – нанесение расстояния вдоль оси ординат между
двумя точками графика.
Help (
) – вызов текстовой информации (помощи) о модели
выбранного щелчком курсора компонента.
Info (
) – вызов информации о параметрах модели выбранного
щелчком курсора компонента.
Point to End Paths – расчет задержек сигналов во всех путях,
подходящих к выбранному цифровому компоненту.
Point to Point Paths – расчет задержек сигнала в пути, соединяющего
два выбранных цифровых компонента.
View — выбор дополнительной информации выводимой на схему.
Attribute Text
(
обозначения компонентов.
Grid Text
схемном окне.
) – показывать (отменять) позиционные
) – показывать (отменять) текстовые надписи в
(
Node numbers (
) – показывать (отменять) номера узлов схемы.
Следующие 4 команды подсвечиваются лишь после проведения одного
из видов анализа:
Node voltage states (
) – узловые потенциалы аналоговых узлов и
логические состояния цифровых узлов в режиме по постоянному току
(подсвечивается после проведения одного из видов анализа).
Current (
Power (
) – токи ветвей.
) – рассеиваемая на компонентах мощность.
Condition (
) –состояния транзисторов и p-n-переходов (Lin –
линейный активный режим, Sat – режим насыщения, On – переход открыт,
Off – переход закрыт (или транзистор в режиме отсечки)).
Pin connections (
компонентов.
) – обозначить красной точкой концы выводов
Grid (
) – команды назначения/отмены разметочной сетки на поле
схем и задания ее шага.
Crosshair Cursor (
Border (
) – курсор в виде перекрестья во весь экран.
) – нанесение рамки на чертеж схемы.
Title (
) – нанесение углового штампа на чертеж.
Show All Paths – показать список всех возможных путей
распространения цифровых сигналов схемы с указанием задержек.
Выбранный в списке путь высвечивается на схеме.
Preferenсes (
) – открытие диалогового окна для изменения
назначения цвета разным объектам, типа и атрибутов шрифтов и других
параметров, значения которых сохраняются в файле текущей схемы.
Default Properties For New Circuits – открытие окна для изменения
параметров вновь создаваемых схем.
Global Setting (
) – открытие окна задания и корректировки
управляющих параметров расчета результатов моделирования.
Отметим, что закладка Main Tool Bar позволяет изменить кнопки,
выводимые на панели инструментов для всех заголовков основного меню:
File, Edit, Component, Windows, Options, Analysis.
User Definitions – открытие и просмотр глобальных определений
пользователя, сделанных с помощью директивы Define.
Model Parameters Limits Editor – открытие окна редактирования
ограничений на параметры моделей.
Components Palettes – включение различных наборов компонентов.
Удобно для рисования схем различного назначения. Самые употребительные
наборы Analog и Digital.
ANALYSIS:
Содержит команды запуска различных режимов моделирования:
Transient... — режим анализа переходных процессов (временной
анализ).
AC... — режим анализа частотных характеристик (частотный анализ).
DC ... — режим анализа передаточных функций по постоянному току .
Dynamic DC — расчет режима по постоянному току и его
динамическое отображение на схеме.
Dynamic AC — расчет по переменному току напряжений, токов и
фазового сдвига и динамическое отображение этих значений на схеме. В
диалоговом окне задаются значения частоты и температуры.
Sensitivity... — расчет чувствительностей по постоянному току одного
или нескольких выражений по отношению к одному или нескольким
параметрам.
Transfer Function... — расчет передаточных функций по постоянному
току, а также входного и выходного сопротивления.
Distortion… — расчет нелинейных искажений.
При выборе трех оставшихся режимов анализа рабочее поле делится на
две части: справа размещается окно с изображением схемы, а слева окно
построения графиков характеристик. Далее курсором на схеме указывается
узел схемы или компонент. При этом в левой части экрана немедленно
вычерчивается его характеристика. Эти режимы анализа — Probe
Transient... , Probe AC... , Probe DC... .
DESING:
Меню Design содержит две команды для синтеза активных и пассивных
аналоговых фильтров: Active Filters… и Passive Filters…. Обе эти команды
имеют однотипные диалоговые окна и будут подробнее рассмотрены ниже.
5.2.3 Создание схемы
Новая схема создается по команде File> New. При этом возможно как
графическое изображение схемы (расширение .cir), так и ее текстовое
описание (.txt, .ckt и т.д.). Наибольшую привлекательность программе МС9
придает именно графический ввод схем, поэтому не будем останавливаться
на текстовом вводе.
В результате выполнения команды File> New открывается пустой экран
для создания на нем новой схемы. При первоначальном создании схемы
рекомендуется нанести на рабочее поле координатную сетку. Для этого
нажимается иконка
и выбирается шаг сетки.
Добавление компонента в схему осуществляется путем выбора его в
панели компонентов, а затем перемещения курсора на рабочее поле. Щелчок
мыши устанавливает изображение компонента в выбранное место.
Компонент можно поворачивать на 90۫ нажатием правой кнопки мыши до
отпускания левой. Фиксация компонента на схеме осуществляется после
отпускания левой кнопки мыши, в результате чего появляется диалоговое
окно задания атрибутов компонента. Следует отметить, что компоненты из
библиотек Analog Library и Digital Library уже имеют необходимые
атрибуты, которые при необходимости можно редактировать. Пример
диалогового окна атрибутов резистора приведен на рисунок 5.2.
Рисунок 5.2 – Пример окна задания атрибутов резистора
Простые компоненты (резисторы, конденсаторы и т.д.) имеют
минимальный набор атрибутов:
 позиционное обозначение Part, например, C1, Rin, Lout и т.д. По
умолчанию программа МС9 назначает первый символ позиционного
обозначения компонента по правилам, принятым в программе PSpice.
Кроме того, если при вводе резистора указано его позиционное
обозначение R1, то при вводе следующего резистора программа
предложит назначить ему имя R2 и т.д.
 номинальное значение компонента RESISTANCE, CAPACTANCE,
INDUCTANCE или выражение для его расчета плюс необязательные
начальные условия, например, 50k, 2.5nF IC=2, 13mH IC=0.1.
 FREQ частотнозависимое выражение, которое замещает определенный
выше атрибут для использования его в режиме анализа частотных
характеристик.
 CHARGE выражение для вычисления величины заряда.
 FLUX выражение для вычисления величины магнитного потока.
 COST, POWER, PACKAGE – цена, мощность рассеяния и тип корпуса
выбранного компонента.
 SHAPEGROUP – группа условнографических отображений, из которой
берется отображение компонента для данной схемы. Например, выбирая
для резистора группу Euro можно обеспечить для резисторов привычное
отображение в виде прямоугольника (по умолчанию в программе МС9
резисторы обозначаются в виде ломаной линии).
 на панели Display отмечаются маркеры выводов, их имена, номера
выводов и т.д., которые необходимо отображать на схеме. Для некоторых
компонентов это облегчает понимание схемы или ее «читаемость».
 в окне, расположенном справа от окна атрибутов, приводится список
моделей, находящихся в доступных библиотеках. Подходящая модель
выбирается при активизации строки MODEL= .
В программе МС9 существует целый ряд встроенных моделей
источников сигналов:
1) модель синусоидальных сигналов Sin разной формы – чисто
синусоидальный,
затухающий
синусоидальный
и
трехфазные
синусоидальные сигналы;
2) модель импульсных сигналов Pulse разной формы – дельта-импульс,
меандр, равнобедренный треугольник, пилообразный;
3) модель импульсных сигналов экспоненциальной формы Exp;
4) модель сигналов кусочно-ломаной формы PWL;
5) модель сигнала с частотной модуляцией SFFM;
6) модель случайного сигнала Noise;
7) модель импульсного сигнала гауссовской формы Gaussian.
На рисунке 5.3а
приведен пример диалогового окна задания
параметров модели источника напряжения. Выбор формы сигнала
осуществляется нажатием соответствующей кнопки, а затем производится
корректировка численных значений параметров сигнала.
а)
б)
Рисунок 5.3 – Пример диалогового окна задания параметров источника
напряжения (а) и график выбранного сигнала (б)
Для упрощения и наглядного контроля этой процедуры, в середине
окна расположена иконка Plot, при нажатии на которую появляется окно с
изображением графика формируемого сигнала, как показано на рисунке 5.3б.
Кроме описанного способа задания атрибутов компонентов существует
еще и текстовый. Для этого в окне задания параметров компонентов в строке
описания переменной записывают имя компонента (например Rload, Cout,
Cin, Lown и т.д.). А затем вводят информацию в виде текста. Эта
информация ставит в соответствие этой переменной его номинал или модель.
Текстовый ввод информации выполняется директивой «.Define» и может
быть осуществлен как в схемном окне (что более наглядно), так и в
текстовом (рисунок 5.4). Задание компонентов таким способом является
более универсальным. Оно предоставляет пользователю ряд дополнительных
возможностей при выполнении анализа.
Рисунок 5.4 – Пример текстового задания конденсатора
Кроме того, текстовые надписи на схеме могут носить
информационный характер, например, название имя назначение схемы,
любые комментарии и т.д. На них можно ссылаться при выводе результатов
моделирования также как и на номера узлов. Присваивание цепям имен
существенно упрощает читаемость схемы.
Получение информации о компонентах и их моделях.
Нажатие на иконку
включает режим получения информации.
Компонент, информацию о котором нужно получить, выбирается щелчком
мыши. После этого на экран выводятся значения параметров модели
компонента, описание макромодели, таблица цифровых сигналов или
таблица описания функциональных источников в зависимости от типа
компонента. Для простейших компонентов, не имеющих модели, выводится
диалоговое окно редактирования атрибутов.
Как правило, при создании схем в программе МС9 сначала на рабочее
поле последовательно выставляются все компоненты схемы и
устанавливаются их атрибуты. После этого выводы компонентов
соединяются проводниками. Существует два вида проводников:
ортогональные и диагональные. В первом случае проводник выглядит как
ломаная линия с одним изгибом под углом 90°. Во втором  прямая под
произвольным углом. Режим ввода проводников включается нажатием на
иконку
или
. Начало проводника отмечается щелчком мыши в
выбранном месте схемы. Затем, не отпуская левую кнопку мыши,
передвигают курсор и наносят проводник на схему. Отпускание кнопки
фиксирует окончание проводника.
Электрические
соединения
образуются,
когда
проводник
заканчивается в средней части другого проводника, образуя Т-образную
цепь. Наличие такого соединения обозначается точкой, как на обычных
принципиальных электрических схемах. Соединения образуются также, если
проводник пересекает конечную точку другого проводника или вывод
какого-либо компонента.
Если в процессе проведения проводника он пересекает другой
проводник, не останавливаясь в точке пересечения, электрическое соединение не образуется и точка не проставляется. Примеры образования
соединений и пересечения проводников без соединения показаны на рисунке
5.5.
Рисунок 5.5  Примеры нанесения проводников на схему
Двойной щелчок мыши на графическом объекте открывает диалоговое
окно для его редактирования.
Щелчок по иконке
переводит редактор в режим «резиновых»
проводников: при перемещении любого компонента по рабочему полю его
связь со схемой не будет нарушаться.
Важно отметить, что величина любого пассивного компонента
(сопротивление резистора, емкость конденсатора, индуктивность катушки)
может определяться как любая функция узловых напряжений схемы, токов
ветвей, времени и температуры.
Копирование фрагментов схем. Этот режим позволяет определить
прямоугольную область, в которую заключен фрагмент схемы, и затем
скопировать его несколько раз. Эта команда наиболее полезна при создании
схем, содержащих большое количество повторяющихся структур, в
частности, схем с логическими элементами, триггерами и т.п.
Копирование выполняется в три этапа:
1. Сначала переходят в режим выбора нажатием на иконку
;
2. Щелчком мышью в определенной точке начинают задавать область
копирования, буксируя мышь до тех пор, пока образующийся прямоугольник
не приобретет нужные размеры. После того, как будет создана эта область, ее
размеры могут быть при необходимости скорректированы буксировкой углов
или сторон;
3. Нажатием на иконку
(команда Box/Step Box меню Edit)
открывается диалоговое окно задания параметров копирования (рисунок 5.6).
Рисунок 5.6 – Окно копирования фрагмента схемы.
В ячейках Times to step Horizontal и Times to step Vertical задается
количество копий выделенного фрагмента по горизонтали и вертикали
соответственно.
Нанесение рамки чертежа и основной надписи.
Часто чертеж схемы и результаты проведенного моделирования
необходимо представить, например, в виде отчета по лабораторной работе.
Для облегчения документирования в программе МС9 имеется возможность
сопроводить проделанную работу соответствующими комментариями,
которые вносятся в специальный угловой штамп.
Щелчком по иконке
наносится рамка чертежа схемы вместе с
угловым штампом. Формат рамки чертежа устанавливается в соответствии с
форматом бумаги, выбираемом в меню File по команде Print Setup. В
принципе, размер схемы может быть произвольным. Причем если размер
схемы превышает габаритные размеры рамки, на схему наносится ряд примыкающих друг к другу рамок, и пользователь должен сам позаботиться,
чтобы компоненты и цепи схемы не пересекались линиями рамки. Это
неудобно, поэтому для создания больших схем целесообразно использовать
несколько листов.
Заполнение полей углового штампа выполняется в окне, вызываемом
двойным щелчком по угловому штампу (рисунок 5.7б).
В диалоговом окне имеются пять полей Field 1 — Field 5. По
умолчанию в них помещаются ключевые слова, которые на схеме
заменяются их значениями, введенными пользователем с клавиатуры:
Field 1 — имя файла схемы;
Field 2 — $user $company — фамилия пользователя и название компании;
Field 3 — по усмотрению пользователя;
Field 4 — $date — текущая дата;
Field 5 — sheet $sheet of $maxsheet — номер страницы и общее количество страниц.
а)
б)
Рисунок 5.7 – Пример заполнения углового штампа чертежа
принципиальной схемы
После завершения создания схемы ее следует сохранить стандартным
способом, присвоив ей понятное имя и указав путь.
5.2.4 Представление чисел, переменных и
математических выражений
При создании принципиальных схем используются числа, переменные
и математические выражения следующего вида.
Числа
Числовые значения параметров компонентов представляются в виде:
 действительных чисел с фиксированным десятичным знаком (в
качестве десятичного знака в программе МС9 используется точка).
Например, сопротивление 2,5 кОм, записывается как 2500, а
емкость
1 мкФ как 0.000001;
 действительных чисел с плавающим десятичным знаком - научная
нотация. Например, емкость 1 мкФ может быть записана как 1Е-6;
 действительных чисел с плавающим десятичным знаком - инженерная нотация, согласно которой различные степени 10 обозначаются
теми же суффиксами, как приведено в таблице 2.1 для пакета PSpise.
Для экономии места на осях X, Y графиков результатов моделирования
малая буква «m» обозначает 10-3, большая буква «М» — 106 (вместо MEG).
Во всех остальных случаях большие и малые буквы не различаются.
Например, сопротивление 1,5 МОм может быть записано как 1.5MEG,
1.5meg или 1500К, емкость 1мкФ как 1U или luF. В последнем примере
показано, что для большей наглядности после стандартных суффиксов
допускается помещать любые символы, которые при интерпретации чисел не
будут приниматься во внимание. Пробелы между числом и буквенным
суффиксом не допускаются!
Переменные
В программе МС9 ряд констант и переменных имеют стандартные
обозначения:
Т — время в секундах;
F — частота в герцах;
Е — ЕХР(1 )= 2,718281828;
PI — число  = 3.14159265389795;
TEMP — температура компонентов в градусах Цельсия;
S — комплексная частота, равная 2*PI*F;
J — корень квадратный из –1.
Другая часть переменных носит специфический прикладной характер
обозначений:
Tmin — начальный момент времени расчета переходных процессов;
Tmax — конечный момент времени расчета переходных процессов;
Fmin — начальная частота расчета частотных характеристик;
Fmax — конечная частота расчета частотных характеристик;
GMIN — минимальная проводимость ветви;
PDT — общая рассеиваемая в схеме мощность;
DCINPUT1 — первая варьируемая переменная в DC-анализе.
Номера узлов, присваиваемые программой МС9 автоматически,
представляют собой целые числа, например 0, 2, 25. Кроме того,
пользователь может присвоить любому узлу имя в виде текстовой
алфавитно-цифровой переменной, начинающейся с буквы и содержащей не
более 50 символов, например Al, Out, In и т.д.
В математических выражениях могут использоваться следующие
переменные, приведенные в таблице 5.1:
Таблица 5.1 Список переменных
D(A)
Логическое состояние цифрового узла А
Напряжения на узле А (напряжения измеряются относительно
узла «земли», которой программа присваивает номер 0)
V(A,B)
Разность потенциалов между узлами А и В
V(D1)
Напряжение между выводами устройства D1
I(D1)
Ток через устройство D1
I(A,B)
Ток через ветвь между узлами А и В (между этими узлами
должна быть включена единственная ветвь)
IR(Q1)
Ток, втекающий в вывод R устройства Q1
VRS(Q1) Напряжение между выводами R и S устройства Q1
CRS(Q1) Емкость между выводами R и S устройства Q1
QRS(Q1) Заряд емкости между выводами R и S устройства Q1
R(R1)
Сопротивление резистора R1
C(X1)
Емкость конденсатора или диода X1
Q(X1)
Заряд конденсатора или диода X1
L(X1)
Индуктивность катушки индуктивности или сердечника X1
X(L1)
Магнитный поток в катушке индуктивности или сердечнике L1
B(L1)
Магнитная индукция сердечника L1
H(L1)
Напряженность магнитного поля в сердечнике L1
RND
Случайное число с равномерным законом распределения на
отрезке [0, 1]
ONOISE Корень квадратный из спектральной плотности выходного
напряжения
INOISE Корень квадратный из спектральной плотности входного
напряжения, равной ONOISE/коэффициент передачи по
мощности
PG(V1)
Мощность, генерируемая источником V1
PS(X1)
Реактивная мощность, накапливаемая в устройстве X1
PD(D1)
Мощность, рассеиваемая в устройстве D1
V(A)
В этом перечне символы А и В обозначают номера узлов схемы, D1 имя компонента с двумя выводами или управляемого источника, Q1 - имя
любого активного устройства или линии передачи. Символы R и S
заменяются аббревиатурами выводов устройств, согласно таблице 5.2:
Таблица 5.2 Обозначение выводов транзисторов
Аббревиатуры
Устройство
Названия выводов
выводов
МОП-транзистор
Сток, затвор, исток,
D, G, S, B
(MOSFETs)
подложка
Полевой транзистор
D, G, S
Сток, затвор, исток
(JFETs)
Арсенид-галлиевый
D, G, S
Сток, затвор, исток
транзистор (GaAsFETs)
Биполярный транзистор
B, E, C, S
База, эмиттер, коллектор,
(BJT)
Линия передачи
(Тгаn. Line)
АР, AM, BP, BM
подложка
Вход+, вход-,
выход+,выход-
Например, следующие выражения означают: I(R1) — ток через резистор R1; R(Rload) — сопротивление резистора Rload; IC(VTl) — ток
коллектора биполярного транзистора VT1; VBE(Ql) — напряжение между
базой и эмиттером биполярного транзистора Q1.
Математические выражения и функции
В сложных текстовых переменных директивы .DEFINE и при указании
переменных, выводимых на графиках при проведении моделирования,
возможно использовать следующие математические операции.
Арифметические операции:
+ — сложение;
 — вычитание;
* — умножение;
/ — деление;
DIV — целочисленное деление;
MOD — остаток целочисленного деления.
Тригонометрические функци):
Ехр(x) — экспонента;
Ln(x) — натуральный логарифм |х|;
Log(x) или Log10(x) — десятичный логарифм |х|;
Sin(x) — синус х в радианах;
Cos(x) — косинус x в радианах;
Tan(x) — тангенс x в радианах;
Asin(x) — арксинус;
Acos(x) — арккосинус;
Atn(x) — арктангенс;
Sinh(z) — гиперболический синус;
Cosh(z) — гиперболический косинус;
Tanh(z) — гиперболический тангенс;
Coth(z) — гиперболический котангенс.
Прочие функции от действительных и комплексных величин:
ABS(y) — абсолютное значение y;
SQRT(y) — корень квадратный из модуля y;
SGN(y) — знак числа y;
PWR(y,x) — действительная часть степенной функции у^x;
** — степенная функция, например 5**2=25;
PWRS(y,x) — действительная часть степенной функции у^х;
FАСТ(n) — факториал целого числа n;
RND — случайные числа на отрезке [0, 1] с равномерным законом
распределения;
STP(x) — функция единичного скачка, равная 1 при х>0 и равная 0 при х≤0.
Функции от комплексных чисел:
DB(z) — величина в децибелах, равная 20*LOG(|z|);
RE(z) — действительная часть z;
IM(z) — мнимая часть z;
MAG(z) — модуль z;
РН(z) — фаза z в град.;
GD(z) — групповое время запаздывания.
Операторы цифровойобработки сигналов:
НАРМ(u) — расчет гармоник сигнала u;
THD(S[,F]) — коэффициент нелинейных искажений спектра S в процентах
относительно уровня составляющей на частоте F; если частота F не указана,
то относительно составляющей на частоте первой гармоники, равной 1/Тmах;
IHD(S[,F]) — коэффициент нелинейных искажений отдельных составляющих спектра S в процентах относительно уровня составляющей на частоте
F; если частота F не указана, то относительно составляющей на частоте
первой гармоники, равной 1/Тmах;
FFT(u) — прямое преобразование Фурье дискретных отсчетов сигнала u(t).
Отличается от функции HARM множителем N/2 для гармоник с первой до
N-й и множителем N для нулевой гармоники, где N — количество
дискретных отсчетов входного сигнала u(t);
IFT(S) — обратное преобразование Фурье спектра S;
CC(u,v) — взаимная корреляционная функция сигналов u и v;
AC(u) — автокорреляционная функция сигнала u;
COH(u,v) — нормированная корреляционная функция сигналов u и v, равная
CC(u,v)/SQRT(AC(u(0))*AC(v(0))).
В заключение этого раздела необходимо отметить, что приведенные
выше сведения о переменных, математических операциях и операторах
построения графиков являются лишь наиболее употребительными. При
желании или необходимости полные сведения можно получить,
воспользовавшись встроенной в МС9 помощью.
5.2.5. Расчет режима по постоянному току Dynamic DC
После того как создана принципиальная схема устройства переходят к
расчету характеристик, выбирая в меню Analysis один из видов анализа.
Рассмотрим основные из них.
Данный режим предназначен для расчета по постоянному току и
динамическому отображению на схеме узловых потенциалов, токов ветвей,
рассеиваемой мощности и состоянию p-n переходов полупроводниковых
компонентов.
После создания схемы и выбора режима анализа Dynamic DC
появляется окно, показанное на рисунке 5.8., в котором с помощью
следующих иконок выбираются выводимые на экран параметры расчета.
Рисунок 5.8 – Окно задания параметров расчета Dynamic DC
— номер или имя узла;
— потенциал аналогового узла относительно «земли» или
логическое состояние цифрового узла;
— ток ветви;
— мощность, выделяемая на компоненте;
— состояние p-n переходов полупроводникового компонента: LIN
–линейный режим, ON – переход открыт, OFF – переход закрыт, SAT –
режим насыщения.
Отметим, что если в закладке меню Options>Preference выбран
параметр Options Show Slider, то на схеме у изображений источников
постоянного напряжения и пассивных компонентов размещаются движковые
регуляторы и при их перемещении курсором происходим изменение
номинальных значений этих компонентов. При этом, на схеме отображаются
новые значения режима по постоянному току.
Использование режима Dynamic DC позволяет в процессе изучения
основ теории цепей убеждаться в справедливости законов Ома, Кирхгофа и
т.д. Кроме того, при расчете и моделировании схем, содержащих
полупроводниковые компоненты, достаточно просто выбрать номинальные
значения резисторов схемы для обеспечения нужного режима работы
транзисторов.
На рисунке 5.9 показан результат расчета однокаскадного усилителя по
постоянному току. На схему выведены потенциалы узлов, направления и
величины токов в ветвях и режим транзистора.
Рисунок 5.9 – Расчет режима по постоянному току.
5.2.6 Расчет передаточных функций по постоянному току DC
В режиме DC рассчитываются передаточные характеристики по
постоянному току. Ко входам цепи подключаются один или два независимых
источника постоянного напряжения или тока. В качестве выходного сигнала
может рассматриваться разность узловых потенциалов или ток через ветвь, в
которую включен резистор. В анализе DC программа закорачивает
индуктивности, исключает из схемы конденсаторы и затем рассчитывает
режим по постоянному току при нескольких значениях уровня источников
тока или напряжения. Как правило, режим анализа DC и используется для
двух целей: построения вольтамперных характеристик полупроводниковых
приборов и снятия передаточных характеристик усилителей постоянного
тока.
После перехода в режим DC программа МС9 проверяет правильность
схемы. При отсутствии ошибок программа составляет топологическое
описание схемы, выполняет подготовку к численному расчету нелинейных
уравнений и открывает окно задания параметров моделирования DC Analysis
Limits (рисунок 5.10).
Рисунок 5.10 – Окно задания параметров расчета в режиме DC
Run — начало моделирования.
Add — добавление еще одной строки спецификации вывода
результатов после строки, отмеченной курсором. На этой строке
устанавливается способ отображения результатов и аналитические
выражения для построения графиков.
Delete — удаление строки спецификации вывода результатов,
отмеченной курсором.
Expand — открытие дополнительного окна для ввода текста большого
размера при расположении курсора в одной из граф, содержащих выражения,
например Y Expression.
Stepping — открытие диалогового окна задания вариации параметров.
Properties — открытие диалогового окна задания параметров вывода
результатов моделирования (окон графиков, текстовых надписей, толщины и
цвета линий и др.).
Help— вызов раздела системы помощи.
Variable 1 — задание первой варьируемой переменной.
В графе Method выбирается метод варьирования переменной (Auto —
выбираемый автоматически; Linear — линейный, задаваемый в графе Range
по формату Final[,lnitial[,Step]]; Log — логарифмический; List — в виде
списка значений, разделяемых запятыми).
В графе Name из списка выбирается имя варьируемой переменой —
величины источника постоянного напряжения или тока, температуры или
имени одного из компонентов, имеющих математические модели; при
выборе в графе Name имени такого компонента в расположенном справа
окне выбирается варьируемый параметр его математической модели.
Variable 2 — задание второй варьируемой переменной. Если она
отсутствует, то в графе Method выбирается None.
Number of Points — количество точек, выводимых в таблицы, т. е.
количество строк в таблице вывода результатов, минимальное значение
равно 5.
Temperature — диапазон изменения температуры в градусах Цельсия;
при выборе параметра Linear имеет формат High[,Low[,Step. При изменении
температуры изменяются параметры компонентов, имеющие ненулевые
температурные
коэффициенты
ТС,
а
также
ряд
параметров
полупроводниковых приборов. Значение установленной здесь температуры
может использоваться в различных выражениях, она обозначается как
переменная TEMP.
Maximum change, % — максимально допустимое приращение графика
первой функции на одном шаге (в процентах от полной шкалы). Если график
функции изменяется быстрее, то шаг приращения первой переменной
автоматически уменьшается.
X Expression — математическое выражение переменной,
откладываемой по оси X.
Y Expression — математическое выражение переменной,
откладываемой по оси Y.
X Range — максимальное и минимальное значение переменной Х на
графике по формату High[,Low]. Если минимальное значение Low равно
нулю, его можно не указывать. Для автоматического выбора диапазона
переменных в этой графе указывается Auto.
Y Range — максимальное и минимальное значение переменной Y на
графике; если минимальное значение равно нулю, его можно не указывать.
Для автоматического выбора диапазона переменных в этой графе
указывается Auto.
Иконки
,
,
,
,
предназначены для переключения между
логарифмической и линейной шкалой по осям X и Y и изменения цвета
выбранного графика.
В колонке Р числом от 1 до 9 указывается номер графического окна, в
котором должна быть построена данная функция. Все функции, помеченные
одним и тем же номером, выводятся в одном окне. Если это поле пусто,
график функции не строится.
Пример.
Рассчитаем так называемую стоковую характеристику полевого
транзистора — зависимость тока стока Id от напряжения сток-исток Vds при
различных напряжениях затвор-исток Vgs. В качестве транзистора выберем
транзистор 2N 3369 — полевой транзистор с управляющим p-n переходом.
Для этого создаем схему «снятия» характеристик транзистора,
выбираем режим расчета DC и в появившемся окне задаем параметры
анализа: пределы изменения и шаг напряжения сток-исток Vds и напряжения
затвор-исток Vgs . В качестве параметра вывода выбираем величину тока
стока Id , а также активизируем режим автомасштабирования. Результаты
расчета показаны на рисунке 5.11.
Рисунок 5.11 – Пример расчета в режиме DC выходных характеристик
полевого транзистора
Пример.
Рассчитаем
передаточную
характеристику
дифференциального
усилителя — зависимость уровня выходного напряжения от уровня входного
напряжения.
В режиме DC задаем пределы изменения входного сигнала –
напряжение источника постоянного напряжения V1. Параметр вывода –
разность напряжений на дифференциальных (противофазных) выходах
усилителя V(Outb)- V(Outa). Чтобы не задумываться о вертикальных
границах графика выбираем режим автомасштабирования.
Запускаем режим расчета Run и получаем следующие результаты
(рисунок 5.12).
Рисунок 5.12 – Пример расчета в передаточной характеристики
дифференциального усилителя
Пример.
Наиболее перспективными для интегрального исполнения являются
схемы электронных ключей на полевых транзисторах с индуцированными
каналами разных типов проводимости. Такие схемы называют схемами на
комплементарных парах, сокращенно КМОП.
В этих схемах в каждом из установившихся состояний один из
транзисторов открыт, а другой закрыт и поэтому ключ практически не
потребляет тока.
Достоинствами таких схем являются очень низкая потребляемая
мощность и высокое быстродействие. Пример расчета передаточной
характеристики ключа, построенного на транзисторах КМОП показан на
рисунке 5.13.
Рисунок 5.13– Передаточная характеристика электронного ключа на
комплементарной паре
5.2.7 Расчет переходных процессов TRANSIENT
После перехода в режим анализа переходных процессов программа
МС9 проверяет правильность составления схемы. При отсутствии ошибок в
схеме программа открывает окно задания параметров моделирования
Transient Analysis Limits (рисунок 5.14). Некоторые команды этого окна
имеют тоже назначение, что и в окне DC анализа. Отметим особенности.
Time Range — конечное и начальное время расчета переходных
процессов по формату Tmax[,Tmin]; по умолчанию назначается Tmin=0.
Maximum Time Step — максимальный шаг интегрирования. Расчет
переходных процессов ведется с переменных шагом, выбираемым
автоматически, величина которого определяется допустимой относительной
ошибкой RELTOL.
Number of Points — количество точек, выводимых в таблицы, т. е.
количество строк в таблице вывода результатов по умолчанию принимается
равным 51. Если заданные моменты времени не совпадают со значениями,
при которых проводился численный расчет, то производится интерполяция.
Рисунок 5.14 – Окно задания параметров анализа переходных процессов
Transient Analysis Limits
Stepping — открытие диалогового окна задания вариации параметров.
Properties — открытие диалогового окна, имеющего 5 или 6 закладок
для управления выводом графиков, выбора масштабов по осям координат,
выбора цвета объектов, параметров шрифта и типа линий, нанесения
заголовков в выходных данных и т.д.
State Variables — установка начальных условий.
Operation Point — выполнение расчета режима по постоянному току
перед началом каждого расчета переходных процессов. Данные этого режима
заменяют значения всех начальных условий, если они были установлены.
Operation Point Only — расчет только режима по постоянному току.
Auto Scale Ranges — присвоение признака автоматического
масштабирования «Auto» по осям X для каждого нового варианта расчетов.
X Expression — имя переменной, откладываемой по оси X. Обычно
при анализе переходных процессов по этой оси откладывается время
(переменная Т), однако это не всегда так. Так при расчете спектра сигнала с
помощью преобразования Фурье (FFT) по оси X откладывается частота F,), а
при расчете петли гистерезиса ферромагнетика — напряженность
магнитного поля, например Н(К1).
Y Expression — математическое выражение для переменной,
откладываемой по оси Y. Это может быть простая переменная типа
напряжения в узле V(5), падения напряжения на двухполюсном компоненте
V(L1), тока ветви I(2,3), I(L1) или математическое выражение, например
V(VCC)*I(VCC). После щелчка правой кнопки мыши при расположении
курсора в любой графе Y Expression открывается всплывающее меню,
позволяющее выбрать из предлагаемых списков переменные и константы,
размещаемые в этих графах.
Иконка на панели инструментов
открывает режим анимации
(Animate), который позволяет замедлить вывод графиков, что удобно при
построении наряду с зависимостями во времени зависимостей различных
величин между собой.
После перехода в режим расчета переходных процессов в составе меню
команд появляются новы команды, в частности, следующие.
Limits
— вызов окна задания параметров моделирования и
построения графиков.
Stepping
— вызов окна многовариантного анализа.
Optimize
— вызов окна параметрической оптимизации.
Analysis Window (F4)
— открытие графического окна результатов
моделирования;
3D Windows — добавление/удаление окна трехмерной графики.
State Variables Editor
— вызов редактора значений переменных
состояния. В появившемся окне в трех колонках располагаются значения
узловых потенциалов Node Voltages, токов через катушки индуктивностей
Inductor Currents и логических состояний цифровых узлов Node Levels.
Пример.
Рассчитаем реакцию простейших интегрирующей (удлиняющей) и
дифференцирующей (укорачивающей) цепей на входное воздействие в виде
прямоугольных импульсов (рисунок 5.15).
Здесь же продемонстрирован режим пошагового анализа Stepping:
величины резисторов R1 и R2 изменяются в заданных пределах, тем самым
изменяя постоянные времени цепей. В соответствии с этим, изменяется и
скорость изменения кривых напряжения на выводах цепей. Для подписи
значений изменяемых параметров использована команда ниспадающего
меню Scope > Label Branches.
Рисунок 5.15 – Временные диаграммы работы простейших цепей.
Пример.
Смоделируем работу автоколебательного мультивибратора на
биполярных транзисторах.
Как известно, автоколебательный мультивибратор предназначен для
формирования периодической последовательности импульсов, форма
которых близка к прямоугольной. Мультивибратор на биполярных
транзисторах представляет собой двухкаскадное устройство с цепями
положительной обратной связи через конденсаторы.
Если номинальные значения компонентов в плечах мультивибратора
одинаковы,
то
схема
становится
совершенно
симметрична и
самовозбуждения не происходит. На практике такая ситуация невозможна изза разброса параметров компонентов схемы. При моделировании
симметричных схем, для обеспечения режима самовозбуждения необходимо
внести некоторую «искусственную асимметрию». Проще всего это сделать
путем задания несимметричных начальных условий.
На рисунке 5.16 показаны принципиальная схема автоколебательного
мультивибратора, окно задания параметров анализа и временные диаграммы
напряжений на выходах Out1 и Out2 и на базе транзистора Q1 — Vbe(Q1).
Кроме того, на рисунке показано окно режима Performance , в котором
задается команда измерения длительности переднего фронта импульсов
напряжения на выходе Out1 — Rise_Time = 173,305 мкС. Как видно из
рисунка, форма импульсов
на выходах мультивибратора далека от
прямоугольной именно из-за большой длительности передних фронтов.
Рисунок 5.16 – Временные диаграммы работы автоколебательного
мультивибратора
На
практике
известны
способы
улучшения
параметров
мультивибратора. В частности, необходимо уменьшать величину резистора
Rk1. В программе MC9 снижение длительности переднего фронта можно
произвести с помощью команды оптимизации, вызываемой нажатием иконки
. В появившемся окне (рисунок 5.17) необходимо задать оптимизируемый
параметр (в нашем случае - Rk1 ), целевую функцию (Rise_Time) и запустить
режим оптимизации.
Рисунок 5.17 – Демонстрация режима оптимизации
Видно, что крутизна переднего фронта импульсов на выходе Out1
существенно уменьшилась, что видно и в окне оптимизации — 41.278 мкС.
Более подробно режимы Performance и Optimise будут описаны ниже.
Пример.
Рассмотрим работу амплитудного
транзисторе (рисунок 5.18).
модулятора
на
биполярном
Рисунок 5.18 – Принципиальная схема амплитудного модулятора на
биполярном транзисторе
Здесь генератор Vmod вырабатывает гармонический сигнал частотой
25 кГц соответствующий модулирующему сигналу. Генератор Vnes —
несущий синусоидальный сигнал с частотой 250 кГц. Колебательный контур
L1-C1 настроен на частоту несущей. Смещение на транзисторе выбрано из
условия линейности модуляционной характеристики и учтено в постоянной
составляющей напряжения генераторов Vmod и Vnes.
Результаты моделирования показаны на рисунке 5.19.
На верхнем графике показаны АМ-колебания, на нижнем — несущая и
модулирующий сигнал. На рисунке видно, что уровень несущей и
модулирующего сигнала близки, поэтому глубина модуляции близка к 100%.
Меняя уровень модулирующего сигнала можно изменять глубину
модуляции.
На
рисунке
5.20
показаны
результаты
расчета
спектра
амплитудномодулированного сигнала. Видно, что в спектре АМ-сигнала
присутствуют две боковые составляющие на частотах 225 кГц и 275 кГц, а
также составляющая на частоте несущей 250 кГц.
Рисунок 5.19 – Временные диаграммы работы амплитудного модулятора
Рисунок 5.20 – Спектр АМ сигнала
Пример.
На практике часто возникает необходимость получить амплитудную
модуляцию без несущей, при которой существенно повышаются
энергетические показатели передатчиков. Для получения таких сигналов
используют балансные модуляторы.
Математическая модель АМ-сигнала без несущей представляет собой
произведение модулирующего и несущего колебаний: Vnes * Vmod.
Функциональная схема реализации этого математического выражения
показана на рисунке 5.21. Здесь же приведены результаты временного
анализа балансного модулятора и спектр го сигнала. Анализируя полученные
результаты можно сделать выводы:
1. Временная диаграмма АМ-сигнала без несущей имеет характерный
перескок фаза в моменты времени, когда модулирующий сигнал
меняет знак;
2. В спектре АМ-сигнала без несущей отсутствует составляющая на
частоте несущей.Это означает, что не затрачивается энергия на
формирование несущей, а следовательно повышаются энергетические
показатели.
Рисунок 5.21 – Формирование АМ-сигнала без несущей
5.2.8. Анализ частотных характеристик AC
В режиме АС сначала рассчитывается режим схемы по постоянному
току, затем линеаризуются все нелинейные компоненты и выполняется
расчет комплексных амплитуд узловых потенциалов и токов ветвей. При
линеаризации цифровые компоненты заменяются их входными и выходными
комплексными сопротивлениями, передача сигналов через них не
рассматривается.
Ко входу схемы должен быть подключен источник синусоидального
или импульсного сигнала PULSE. Этот источник в режиме AC задает место
подключения гармонического возмущения с переменной частотой.
При расчете частотных характеристик комплексная амплитуда этого
сигнала по умолчанию автоматически полагается равной 1 В, начальная фаза
нулевая, а частота меняется в пределах, задаваемых в меню AC Analysis
Limits.
Если имеется один источник сигнала, то выходные напряжения будут
совпадать с частотными характеристиками устройства. Если же источников
сигнала несколько, то отклики от каждого сигнала будут складываться как
комплексные величины.
После перехода в режим анализа частотных характеристик программа
МС9 проверяет правильность составления схемы. При отсутствии ошибок в
схеме программа открывает окно задания параметров моделирования AC
Analysis Limits (рисунок 5.22).
Рисунок 5.22 – Окно задания параметров моделировании в режиме AC.
Как видно из рисунка, набор команд практически не отличается от
аналогичных, соответствующих режиму Transient.
Формат задания диапазона частот Frequence Range — fmax[,fmin].
Кроме того, здесь можно выбрать метод вычисления следующей расчетной
точки по частоте — Auto, Linear, Log, List.
X Expression — имя переменной, откладываемой по оси X. Обычно
при анализе частотных характеристик по этой оси откладывается частота
(переменная F), однако это не обязательно. Так при расчете импульсной
характеристики с помощью преобразования Фурье по этой оси
откладывается время (переменная Т), а при построении годографа для
анализа устойчивости по методу Найквиста — действительная составляющая
комплексного сигнала.
Y Expression — математическое выражение для переменной,
откладываемой по оси Y. Это может быть простая переменная типа
напряжения в узле V(5), падение напряжения на двухполюсном компоненте
V(L1) или тока ветви I(2,3), I(L1), произведения комплексных величин,
например V(VCC)*I(VCC), и другие выражения.
X Range — максимальное и минимальное значение переменной Х на
графике по формату High[,Low]. Если минимальное значение Low равно
нулю, его можно не указывать. Для автоматического выбора диапазона
переменных в этой графе указывается Auto. В этом случае сначала
выполняется моделирование, в процессе которого графики строятся в
стандартном масштабе и затем автоматически перестраиваются. Удобно
также использовать Fmax,Fmin, в этом случае не надо дублировать диапазон,
указанный в Frequency Range.
Y Range — максимальное и минимальное значение переменной Y на
графике; если минимальное значение равно нулю, его можно не указывать.
Для автоматического выбора диапазона переменных в этой графе
указывается Auto.
Еще одной особенностью режима AC является возможность вывода
графиков как в прамоугольной системе координат
, полярной системе
координат
, а также круговой системе координат
т.н. диаграмме
Смита.
Последовательность вычислений, выполняемая при проведении
анализа частотных характеристик, следующая:
1. Рассчитывается режим работы схемы по постоянному току, исходя
из величин постоянных источников напряжения и тока в схеме, а также
значений постоянных составляющих источников сигнала схемы (атрибут DC
для SINE SOURCE и PULSE SOURСE).
2. Составляется линейная эквивалентная схема замещения каждого
прибора на переменном токе в окрестности рассчитанного режима по
постоянному току.
3. Составляется полная линеаризованная схема замещения
анализируемой схемы по переменному току в окрестности рассчитанного
режима по постоянному току (ей соответствует система линейных
дифференциальных уравнений).
4. Все источники сигнала схемы принимаются синусоидальными с
частотой f = fmin и амплитудой А=1 и нулевой начальной фазой .
5. Анализируется схема и находятся отклики в виде комплексных
величин узловых потенциалов и токов схемы для линеаризованной схемы на
заданной частоте.
6. Для заданной переменной и для заданных величин (Re, Im, Mag,
PHASE и пр.) на графиках строятся точки.
7. Увеличивается частота f на заданный шаг и снова производится
расчет. Если частота превысила значение fmax, то расчет завершается.
Пример.
Рассчитаем частотные характеристики однокаскадного резонансного
усилителя на биполярном транзисторе. На вход усилителя подается сигнал от
генератора V1. В качестве источника питания используется батарея V2.
Схема и результаты расчетов показаны на рисунке 5.23.
Рисунок 5.23 – АЧХ и ФЧХ резонансного усилителя
Здесь показаны графики проведения многовариантного (пошагового)
анализа при изменении номинального значения конденсатора C2. Текстовые
надписи соответствующих кривых выполняются по команде Scope > Label
Branches .
Пример.
Рассмотрим пример замены некоторого фильтра эквивалентным
зависимым источником, задаваемым передаточной функцией.
Пусть задан фильтр в виде следующей принципиальной схемы.
С помощью несложных преобразований можно записать передаточную
функцию для заданной схемы в операторной форме:
H ( p) 
p
,
2
R  pL  p RLC
где p — переменная Лапласа.
Теперь создадим в программе МС9 две схемы (рисунок 5.24) —
принципиальную схему фильтра, показанную выше, и линейный
управляемый источник напряжения заданный передаточной функцией H(p).
Рисунок 5.24 – Пример замены фильтра управляемым источником
Отметим, что при описании передаточной функции источника
напряжения, в качестве переменной Лапласа используется идентификатор
так как именно он используется для этих целей в европейских странах.
s,
Поведем анализ частотных характеристик представленных устройств
— рассчитаем АЧХ для узлов Out1 и Out2. Результаты показаны на рисунке
5.25. Как и следовало ожидать, частотные характеристики совершенно
одинаковы. Это дает основания при необходимости заменять
принципиальные схемы фильтров их аналогами в виде управляемых
источников, что в некоторых случаях существенно облегчает решение задач.
Рисунок 5.25 – Сравнение частотных характеристик
Пример.
Рассмотрим процедуру параметрической оптимизации в режиме
анализа частотных характеристик.
Пусть имеется схема, состоящая из трех компонентов – рисунок 5.26.
Здесь же приведена АЧХ, рассчитанная для указанных на схеме
номинальных значениях компонентов.
Рисунок 5.26 – Схема и ее АЧХ к примеру 3
Как видно, АЧХ имеет выраженный максимум на частоте 6.5 МГц.
Пусть необходимо так подобрать номинальные значения реактивных
компонентов, чтобы выполнить три условия:
1) обеспечить значение коэффициента передачи на частоте 6 МГц не
меньшим 50дБ;
2) обеспечить значение коэффициента передачи на частоте 5.5 МГц не
большим 5дБ;
3) обеспечить значение коэффициента передачи на частоте 6 МГц не
большим 3дБ.
Воспользуемся опцией параметрической оптимизации Optimize. Для
этого нажатием иконки
вызываем окно задания параметров
оптимизации (рисунок 5.27), в котором перечисляем оптимизируемые
компоненты (L1, L2, C1), задаем их минимальные и максимальные границы,
а также записываем условия определения оптимума — желательные значения
коэффициента передачи на обозначенных выше частотах. После проведения
оптимизации, присваиваем компонентам рассчитанные значения и вновь
запускаем расчет АЧХ.
Рисунок 5.27 – АЧХ схемы примера 3 после оптимизации
Как видно из рисунке 5.28 заданные требования к АЧХ выполняются с
высокой точностью.
5.2.9 Синтез аналоговых фильтров
Рассмотрим возможности расчета аналоговых фильтров с помощью
встроенной подпрограммы Design.
Эта подпрограмма позволяет
синтезировать активные и пассивные фильтры с различными типами
аппроксимации частотных характеристик. Меню Design содержит две
команды Active Filters и Passive Filters, которые имеют одинаковые
диалоговые окна, показанные на рисунке 5.28.
а)
б)
Рисунок 5.28 – Диалоговые окна расчета фильтров
На закладке Design выбираются и задаются следующие параметры:
1. Тип фильтра — Low-Pass – ФНЧ,
High-Pass – ФВЧ,
Band-Pass – полосовой фильтр,
Notch – режекторный фильтр.
2. Тип аппроксимирующего полинома — Баттерворта, Чебышева,
инверсный Чебышева или эллиптический.
3. Выбирается способ задания параметров АЧХ фильтра — Mode 1 или
Mode 2 и задаются числовые значения этих параметров в
соответствующих окнах. Названия этих окон расшифровываются на
схематическом рисунке.
4. В области Pole and Zeros выводятся численные значения рассчитанных
нулей и полюсов синтезированного фильтра.
На закладке Implementation щелчком мыши по графе Circuit
выбирается тип реализации пассивного фильтра (Standart или Dual) или тип
схем отдельных звеньев активного фильтра (Sallen-Key, Fleischer-Tow или
Tow-Tomas). Кроме того, при синтезе активных фильтров выбирается тип
операционных усилителей (Opamp Model to Use). Масштабный коэффициент
Impedance Scale Factor используется для изменения значений параметров
всех пассивных компонентов.
На закладке Options выбирается формат представления числовых
значений параметров компонентов фильтра и параметров передаточных
функций, а также выбираются перечень характеристик, графики которых
необходимо построить при нажатии кнопки Bode. Пример построения
графиков АЧХ и ФЧХ, а также переходной характеристики полосового
фильтра приведен на рисунке 5.29.
Рисунок 5.29 – Частотные и переходная характеристики
синтезированного фильтра
На панели Create выбирается тип реализации фильтра: Circuit — в виде
принципиальной схемы, Macro — в виде макромодели (рисунок 5.30).
а)
б)
Рисунок 5.30 – Результаты синтеза пассивного фильтра
Отметим, что схема фильтра в виде макромодели содержит цепи для
снятия частотных и переходных характеристик — генераторы Impulse и Step.
Кроме того, на схемах приводятся передаточные функции низкочастотного
фильтра-прототипа и синтезированного фильтров.
5.2.10 Расчет уровня внутреннего шума
В математических моделях компонентов, принятых в программе МС9,
так же как и в программе PSpice, учитываются тепловые, дробовые и
низкочастотные. Спектральные плотности шума от отдельных источников
суммируются. В качестве спектральной плотности выходного шума
(размерность В2/Гц) рассчитывается спектральная плотность напряжения
между узлами схемы, указанных в спецификации Noise Output. Если в
качестве источника входного сигнала включается источник напряжения, то
на вход пересчитывается спектральная плотность напряжения, а если
источник тока, то спектральная плотность тока. В результате расчета уровня
шума на графиках и в таблицах выводятся значения квадратного корня из
спектральной плотности напряжения шума (размерность В/Гц) или
спектральной плотности тока шума (размерность А/Гц).
5.2.11 Многовариантный анализ
В меню трех видов анализа Transient, AC и DC имеется диалоговое
окно Stepping (вызывается также нажатием иконки
), с помощью
которого производится вариация от одного до 20 параметров. В нем (рисунок
5.31) содержатся следующие строки.
Рисунок 5.31 – Окно задания параметров пошагового анализа
Step What — на верхней строке указывается имя компонента и имя его
варьируемого параметра. Содержание этой строки зависит от выбранного
ниже типа параметра: Component, Model или Symbol.
Parameter Type — тип вариации параметров. Если выбран тип
Component, то нажатие на кнопку
в первой строке открывает список имен
компонентов, содержащихся в схеме, например, С1, С2, СЗ, D1, L1, R1, V2,
V3. Если в этом списке выбрать простой компонент, имеющий единственный
параметр, например конденсатор, то справа на первой строке появится
стандартное имя Value (обозначающее значение параметра). Если же
выбранный компонент имеет модель или макромодель (описываемую по
директивам .MODEL или .SUBCKT), то справа на первой строке нужно
выбрать имя ее параметра.
Если выбран тип Model, то нажатие на кнопку
в первой строке
открывает список имен моделей, и справа на первой строке нужно выбрать
имя варьируемого параметра выбранной модели. Например, в первой строке
слева можно указать тип модели NPN 2N699 (n-p-n транзистор), а справа —
имя одного из его параметров, например BF (статический коэффициент
усиления). По этому способу варьируются параметры всех компонентов,
имеющих выбранную модель. Так в данном примере варьируются параметры
BF всех транзисторов, имеющих модель 2N699.
Если выбран тип Symbolic, то становится доступен список параметров,
определенных по директиве .define.
From — начальное значение параметра. При выборе логарифмической
шкалы оно должно быть больше нуля.
То — конечное значение параметра. При выборе логарифмической
шкалы оно должно быть больше нуля.
Step Value — величина шага параметра. При линейной шкале она
прибавляется к начальному значению, а при логарифмической шкале
умножается на текущее значение параметра.
Step It — включение режима вариации параметров (Yes) или его
выключение (No).
Method — характер изменения варьируемого параметра:
Linear — линейная шкала;
Log — логарифмическая шкала;
List — список значений.
Change — метод изменения нескольких параметров:
Step all variables simultaneously — одновременное изменение всех
варьируемых параметров, в этом случае количества вариаций всех
параметров должны быть равны между собой
Step variables in nested loops — поочередное (вложенное) изменение
варьируемых параметров, в этом случае во внешнем цикле изменяется
переменная на 1-ой закладке.
Перед выполнением вариации параметров рекомендуется убедиться,
что моделирование выполняется без ошибок при номинальном значении
параметров.
При вариации параметров резисторов, конденсаторов или
индуктивностей, задаваемых математическими выражениями, эти выражения
во внимание приниматься не будут, а значения параметров будут
рассчитываться или назначаться в соответствии с командами режима
Stepping.
В заключение отметим, что графики, полученные путем
многовариантного анализа можно пометить, чтобы знать какому значению
варьируемого параметра соответствует каждая кривая. Осуществляется это с
помощью команды SCOPE/Label Branches.
5.2.12 Параметрическая оптимизация
Данный режим моделирования предназначен для того, чтобы добиться
максимального приближения интересующей характеристики исследуемого
устройства к заданной. Параметрическая оптимизация выполняется в
программе МС9 методом Пауэлла (Powell) в любом из видов анализа: анализ
переходных процессов, АС-анализ и расчет характеристик на постоянном
токе DC.
Порядок работы в данном режиме и последовательность действий
таковы:
1. Составляется схема моделируемого устройства, выбирается вид
анализа и производится расчет интересующих характеристик.
2. Нажатием на иконку
вызывается окно задания параметров режима
параметрической оптимизации (рисунок 5.32). В окне вводится
необходимая информация и запускается расчет нажатием кнопки
Optimize.
3. Нажатие на кнопку Apply переносит рассчитанные оптимальные
значения параметров на схему. После этого вновь запускается анализ.
В окне оптимизации вводится следующая информация.
Кнопки
предназначены для удаления/добавления строки
оптимизируемого параметра.
Parameter — выбор оптимизируемых параметров.
Low — минимальное значение оптимизируемого параметра.
High — максимальное значение оптимизируемого параметра.
Step — шаг изменения оптимизируемого параметра (вводится при
выборе метода Stepping Powell).
Current — текущее значение оптимизируемого параметра.
Optimized — оптимизированное значение параметра. Оно индицируется
после выполнения процедуры оптимизации.
Get — вызов целевой функции оптимизации.
To — величина, к которой должно приблизиться значение целевой
функции.
Current — текущее значение целевой функции.
Optimized — оптимальное значение целевой функции.
Error — ошибка в достижении критерия.
Method — выбор метода оптимизации:
Standard Powell — стандартный метод оптимизации Пауэлла.
Рисунок 5.32 – Диалоговое окно составления задания на оптимизацию
Stepping Powell — согласно этому методу параметры изменяются от
значения Low до значения High с шагом Step. На каждом шаге изменения
параметров применяется стандартный метод Пауэлла.
RMS Error — корень квадратный из суммарной ошибки (разности
между целевой функцией и ее фактической величиной).
Constraints — ограничения типа неравенств и равенств, записываемые
на четырех строках, например, PD(R1)<=100m,
V(Out)>=1.2,
VCE(Q1)*IC(Q1)<=200m.
Optimize — начало оптимизации.
Stop — остановка оптимизации.
Apply — изменение на схеме значения параметров в соответствии с
результатами оптимизации.
Format — выбор формы представления чисел.
Close — завершение режима оптимизации.
Примеры использования режима параметрической оптимизации будут
рассмотрены ниже.
5.2.13 Функции раздела PERFORMANCE
Micro-Cap 9 имеет группу специальных функций PERFORMANCE,
которые используются для точного измерения некоторых характеристик
построенных графиков. Эти функции могут вызываться с помощью панели
инструментов
графического
окна
после
построения
графиков
соответствующего анализа нажатием иконки
(рисунок 5.33).
Рисунок 5.33 – Диалоговое окно PERFORMANCE
Ниже в таблице приведен список этих функций с их аргументами и
результат их выполнения. При этом приняты следующие обозначения.
Function — выражение для переменной откладываемой по оси
ординат, для которого необходимо выполнить функцию группы
PERFORMANCE.
Expression — логическое выражение при выполнении которого будет
вычисляться функция группы PERFORMANCE. Обычно вычисления
производят после установления быстрых переходных процессов, что
заставляет исключать начальный этап из рассмотрения. Поэтому данное
выражение обычно имеет вид следующего типа «T>100 ns».
Borlean — логическое условие, при котором вычисляется функция из
группы PERFORMANCE.
N — целое число, указывающее какое по порядку измерение делается.
Например необходимо измерить длительность фронта нескольких идущих
подряд импульсов. N=1 соответствует первому импульсу слева. Величина N
в режиме Cursor Mode увеличивается на 1 при каждом нажатии на кнопки GO
TO, Left, Right.
Low — нижнее граничное значение переменной, используемое
соответствующими функциями.
High — верхнее граничное значение переменной, используемое
соответствующими функциями.
Level — уровень значения переменной, используемый при вычислении
различных параметров сигналов.
Rise_Time — длительность возрастания вдоль оси X переменной Y от
указанного нижнего (Low) до указанного верхнего (High) уровней при
выполнении заданного логического выражения Boolean.
Fall_Time — длительность убывания вдоль оси X переменной Y от
указанного верхнего (High) до указанного нижнего (Low) уровней при
выполнении заданного логического выражения Boolean.
В режиме Cursor Mode курсоры графиков помещаются
последовательно в две выбранные точки и возвращается разность координат
X для этих точек. Функции Rise_Time и Fall_Time можно использовать для
измерения времени нарастания и спада импульсных сигналов.
Peak_X — Эта функция определяет координату X очередного
локального максимума (PEAK) выбранной переменной Expression.
Локальный максимум — это точка, значение функции Y в которой больше
чем в соседних точках с обеих сторон. В режиме Cursor Mode при этом
дополнительно помещается левый или правый курсор в очередную точку
локального максимума.
Peak_Y — функция аналогична функции Peak_X, но определяет
значение координаты Y точки локального максимума. Функция может
использоваться для измерения значений выбросов при анализе переходных
процессов и пульсаций коэффициента передачи фильтров при проведении
AC анализа.
Valley_X — функция определяет координату X очередного локального
минимума (VALLEY) выбранной переменной Expression. Локальный
минимум — это точка, значение функции Y в которой меньше чем в
соседних точках с обеих сторон. В режиме Cursor Mode при этом
дополнительно помещается левый или правый курсор в очередную точку
локального максимума.
Valley_Y — эта функция аналогична функции Valley_X, но определяет
значение координаты Y точки локального минимума. Функция может
использоваться для измерения значений отрицательных выбросов при
анализе переходных процессов и пульсаций коэффициента передачи
фильтров при проведении AC анализа.
Peak_Valley — определяет разность координат Y 2-х соседних точек
локального максимума и минимума выбранной переменной Expression. В
режиме Cursor Mode дополнительно помещаются левый и правый курсоры в
очередные найденные 2 точки максимума и минимума. Может
использоваться для измерения размаха разнообразных пульсаций, выбросов и
амплитуд сигналов.
Period — определяет период колебаний переменной Expression путем
измерения расстояния по оси X между последовательными одинаковыми
значениями величины Expression. Первоначально находится среднее
значения величины Expression на интервале моделирования, где
соблюдается истинность логического выражения Boolean. Затем ищутся 2
очередных последовательных участка возрастания величины от среднего
значения. Разница в расстоянии по оси X между этими точками и
принимается за значение периода колебаний. Как правило, вводимое
логическое выражение бывает типа "T>500ns" и используется для
исключения ошибок определения периода на неколебательном участке
процесса. Удобна для определения периода колебаний преобразователей
напряжение-частота, где существует необходимость измерения периода
колебаний с высокой точностью. Функция работает наиболее эффективно
для колеблющейся переменной, проходящей при этом через свое среднее
значение в течение периода. Она не будет работать с достаточной точностью
с колебаниями, которые содержат гармоники значительной величины. В
режиме Cursor Mode дополнительно помещаются левый и правый курсоры в
2 указанные точки графика (которые определяются как показано выше) и
определяется расстояние между ними по оси X.
Frequency —работает в точности также как и функция PERIOD, но
определяется значение f = 1/Period.
Width — эта функция измеряет расстояние по оси X между 2-мя
точками графика Expression с заданными значениями ординаты level. В
режиме Cursor Mode дополнительно помещаются курсоры графического окна
(левый и правый) в очередные выбранные точки графика и определяется как
результат расстояние по оси X между этими точками.
High_X — определяет координату X точки глобального максимума
функции Expression. В режиме Cursor Mode дополнительно помещается
выбранный левый (или правый) курсор в найденную точку и определяется ее
координата по оси X.
High_Y — определяет координату Y точки глобального максимума
функции Expression. В режиме Cursor Mode дополнительно помещается
выбранный левый (или правый) курсор в найденную точку и определяется ее
координата по оси Y.
Low_X — определяет координату X точки глобального минимума
функции Expression. В режиме Cursor Mode дополнительно помещается
выбранный левый (или правый) курсор в найденную точку и определяется ее
координата по оси X.
Low_Y — определяет координату Y точки глобального минимума
функции Expression. В режиме Cursor Mode дополнительно помещается
выбранный левый (или правый) курсор в найденную точку и определяется ее
координата по оси Y.
X_Level — определяет координату X очередной точки графика, в
которой переменная Expression принимает значение Y_Level. В режиме
Cursor Mode дополнительно помещается выбранный левый (или правый)
курсор в найденную точку и определяется ее координата по оси X.
Y_Level — определяет значение переменной Expression в точке с
абсциссой X_Level. В режиме Cursor Mode дополнительно помещается
выбранный левый (или правый) курсор в найденную точку и определяется ее
координата по оси Y.
X_Delta — определяет разность абсцисс 2-х очередных точек графика,
в которых переменная Expression принимает значения Y_High и Y_Low. В
режиме Cursor Mode дополнительно помещаются курсоры в найденные
точки и определяется разность их абсцисс.
Y_Delta — определяет разность ординат 2-х точек графика, в которых
абсцисса принимает значения X_High и X_Low.
X_Range — определяет разность абсцисс 2-х очередных точек график,
в которых переменная Expression принимает заданные значения
Y_low,Y_high. Сначала она находит очередные точки графика в которых
Y_expr принимает заданные Y_Low и Y_High значения. Затем исследуются
все точки внутри диапазона Y_Low…Y_High и ищутся с наибольшим и
наименьшим значением абсциссы X (В эти точки и помещаются курсоры в
режиме Cursor Mode). Разность между найденными абсциссами определяется
как значение функции X_range.
Y_Range — определяет диапазон изменения переменной Expression 2х точек графика в которых абсцисса принимает заданные значения X_low,
X_high. Сначала она находит точки графика которые имеют абсциссы
X_Low и X_High. Затем исследуются все точки внутри диапазона
X_Low…X_High и ищутся с наибольшим и наименьшим значением
переменной Expression. (В эти точки и помещаются курсоры в режиме
Cursor Mode). Разность между найденными ординатами и определяется как
значение функции Y_range. Функция может использоваться для измерения
пульсаций АЧХ фильтра.
Slope — вычисляет производную функции Expression в окрестности
точки с абсциссой X_value. Курсоры помещаются в точку с абсциссой
X_value и ближайшую к ней точку (отстоящую на шаг расчета). Затем
разность ординат указанных точек делится на разность абсцисс и полученная
величина определяется как значение функции Slope.
Phase Margin — вычисляет запас по фазе графика частотной
характеристики Expression. При этом заранее должны быть построены
графики dB(Expression) и PHASE(Expression). Данная функция доступна
только из AC анализа.
5.2.14 Просмотр и обработка результатов моделирования
По завершении моделирования в графическом окне выводятся графики
характеристик схемы. Дальнейшая обработка графиков может выполняться в
нескольких режимах.
Окно отображения результатов моделирования.
Рассмотрим средства отображения, просмотра, обработки сигналов и
нанесения надписей на их графики непосредственно после завершения
моделирования.
Команды меню режима обработки и панорамирования результатов
включают в себя следующие иконки.
Scale — вывод на весь экран части графика, заключенного в рамку
(режим масштабирования).
— режим электронного курсора для считывания координат одной
или двух точек на графике, имя переменной которой подчеркнуто.
Расположение точек на графике изменяется их буксировкой правой и левой
кнопками мыши.
— нанесение расстояния по горизонтали или вертикали между
двумя выбранными точками графика.
— нанесение выноски выбранной точки графика с указанием ее
координат.
— ввод текста для комментариев в любое место графиков.
Панорамирование окна результатов моделирования.
Панорамированием называется перемещение окна без изменения
масштаба изображения. Оно выполняется с помощью клавиатуры или мыши.
Клавиатура. Одновременное нажатие клавиш Сtrl+<клавиша стрелок>
перемещает графики активного окна в направлении стрелки. Например,
нажатие Ctrl +  перемещает все графики вправо. Активным является окно
графиков, в котором щелчком курсора выбрано имя одного из графиков (оно
помечается подчеркиванием).
Мышь. Щелчок и буксировка правой кнопки мыши перемещает график
движением мыши (курсор при этом принимает форму руки). Однако
панорамирование графиков в режиме электронного курсора Cursor Mode с
помощью мыши невозможно.
Отметим еще ряд удобных и полезных опций при обработке и
документировании результатов моделирования.
При включении режима Cursor mode в начале и конце координат
появляются изображения двух вертикальных пунктирных линий,
помещаемых в определенные точки графиков нажатием левой и правой
кнопок мыши для проведения различных измерений. Курсоры
привязываются к графикам, имена которых также выбираются кнопками
мыши — выбранные имена подчеркиваются. Перемещение курсоров по
выбранным графикам осуществляется с помощью кнопок мыши или
клавиатуры (что обеспечивает более точную настройку): первый курсор
перемещается влево или вправо нажатием клавиш  или , второй —
одновременным нажатием клавиш Shift+, Shift+. Снизу от каждого окна
графиков располагается таблица, число строк которой равно числу
построенных графиков плюс одна строка, в которой размещаются значения
независимой переменной, откладываемой по оси X (время, частота и т. д.). В
колонках таблицы располагается информация:
Имя переменной, выведенной на график,
Left — значение переменной, помеченной левым курсором,
Right — значение переменной, помеченной правым курсором,
Delta — разность значений координат курсора,
Slope — тангенс угла наклона прямой (DELTA y / DELTA x),
соединяющей два курсора.
Перемещение левого курсора между несколькими графиками
результатов многовариантного анализа выполняется нажатием клавиш , ,
правого курсора — Shift ,( ).
Следующая линейка иконок позволяет в режиме электронного курсора
сдвигать
курсоры,
соответственно,
к
следующему
локальному
максимуму/минимуму,
глобальному
максимуму/минимуму, перейти к следующей точке перегиба выбранного
графика, перейти к наивысшей/наинизшей точке всех графиков выбранного
семейства, для текущего положения курсора найти кривую с
наибольшей/наименьшей координате по вертикальной оси.
Иконки
вызывают на экран окно, в котором задается значение
координаты X или Y, соответственно, в которую перемещается выбранный
курсор.
5.2.15 Трехмерные графики
После проведения вариации параметров (пошагового анализа) при
выполнении любых видов анализа можно по команде 3D Windows построить
цветные графики функции двух переменных.
Пример
В качестве иллюстрации использования 3D графики возьмем пример из
библиотеки 3d1.cir. Схема содержит один резистор, а задание для расчетов
записано с помощью операторов define (рисунок 5.33).
Рисунок 5.33 – Схема и текстовое описание ее параметров
В пошаговом режиме меняется значение резистора R1 от 0 до 8 Ом с
шагом 0.1 Ом. В режиме анализа Transient выводится график зависимости от
времени величины d (рисунок 5.34).
Рисунок 5.34 – Временная диаграмма примера
Для получения трехмерного графика в меню Transient выбираем
команду 3D Windows > Shows d vs T vs R1 . В результате на экран
выводится трехмерный график зависимости величины d от времени и
резистора R1 (рисунок 5.35).
Данный пример выбран из эстетических соображений — график
выглядит очень красиво. Бывают задачи, в которых трехмерные графики
существенно облегчают анализ работы каких-либо устройств. Кроме того,
при составлении отчетов или иной формы документирования трехмерный
режим вывода графиков также может быть очень полезным.
Рисунок 5.35 – Трехмерная диаграмма к примеру
5.2.16 Моделирование цифровых устройств
В программе МС9 имеется возможность моделирования цифровых и
смешанных аналого-цифровых цепей. Обычно смешанные цепи
моделируются в режиме временного анализа, однако другие режимы анализа
также доступны. В режиме AC цифровые компоненты не участвуют в
анализе частотных характеристик. В режиме DC задержки сигналов в
цифровых блоках игнорируются и рассчитываются логические уровни
выходов цифровых устройств в стационарном режиме.
Цифровые компоненты в программе МС9 представлены в виде
моделей, отражающих их правило функционирования на логическом уровне.
Кроме этого, при подсоединении ко входу или выходу цифрового
компонента аналоговых цепей, автоматически включается аналоговоцифровой или цифро-аналоговый интерфейсы, учитывающие параметры
входных и выходных каскадов цифровых устройств. Устройства
интерфейсов выполняют две функции. Во-первых, с их помощью при
моделировании задаются схемы замещения входных и выходных каскадов
цифровых компонентов. Во-вторых они обеспечивают преобразование
электрических напряжений в логические уровни и наоборот при проведении
моделирования смешанных цепей.
Все цифровые компоненты содержат параметр MNTYMXDLY ,
значение времени задержки распространения сигнала:
0 — значение задержки заданное по умолчанию;
1 — минимальное значение задержки;
2 — типичное значение задержки;
3 — максимальное значение задержки;
4 — расчет наихудшего случая.
Логические уровни цифровых узлов могут принимать одно из пяти
значений:
1 — высокий уровень;
0 — низкий уровень;
R — положительный фронт (Raise, переход из состояния 0 в 1);
F — отрицательный фронт (Fall, переход из состояния 1 в 0);
X — неопределенное состояние.
Приведем несколько примеров моделирования цифровых устройств.
Пример.
Рассмотрим работу устройства, состоящего из 4-разрядных АЦП и
ЦАП и ряда аналоговых компонентов (рисунок 5.36). На вход In аналогоцифрового преобразователя подается синусоидальный сигнал с генератора
V2. Цифровой генератор U1 формирует периодическую последовательность
прямоугольных импульсов, которые определяют частоту дискретизации и
которые подаются на вход Convert. Питание АЦП и ЦАП осуществляется от
источника V1 напряжением 10В. Разрядные выходы АЦП непосредственно
соединены с одноименными входами ЦАП.
Результаты анализа в режиме Transient показаны на рисунке 5.37.
Рисунок 5.36 – Схема 4-разряднных АЦП и ЦАП
Рисунок 5.37 – Результаты временного анализа системы АЦП – ЦАП
На график выведены сигнал с частотой дискретизации, входной
аналоговый сигнал АЦП и выходной ступенчатый сигнал ЦАП. В нижней
части рисунка показан сигнал разности V(IN) – V(OUT) , определяющий
ошибку аналого-цифрового преобразования.
Пример.
Рассмотрим построение и работу четырехразрядного двоичного
суммирующего счетчика (рисунок 5.38).
Рисунок 5.38 – Схема четырехразрядного двоичного суммирующего счетчика
Счетчик построен на четырех JK-триггерах U1-U4. Счетная
последовательность импульсов формируется цифровым генератором U5.
Генераторы U6 и U7 вырабатывают сигналы предварительной установки
триггеров в состояние 1 (H) и 0 (L) , соответственно. Выходные двоичные
разряды снимаются с выходов QA, QB, QC и QD.
Рисунок 5.39 – Временные диаграммы работы счетчика
На рисунке 5.39 показаны результаты временного анализа работы
счетчика. Видно, что состояние счетчика начинает изменяться только после
снятия активного уровня со входа предустановки в состояние 0. Здесь же
показаны значения состояний разрядных выходов счетчика в
шестнадцатеричной системе счисления. Для этого в окне задания параметров
моделирования был записан оператор hex(QD,QC,QB,QA). Видно, что
модуль счета равен 16, как и должно быть для четырехразрядного двоичного
счетчика.
Пример.
Большое значение в современных системах связи с кодовым
разделением каналов играют шумоподобные сигналы — сигналы, свойства
которых весьма близки свойствам «белого» шума. Говоря о свойствах
сигнала, имеют в виду автокорреляционную функцию, которая должна быть
возможно более узкой, а ее боковые лепестки должны быть минимальными.
Одним из видов таких сигналов являются М-последовательности или
последовательности максимальной длины. М-последовательности являются
периодическими с периодом состоящим из N символов. Уровень боковых
лепестков автокорреляционной функции не превышает величину 1/N.
Единицы и нули в М-последовательности встречаются одинаково часто,
поэтому такие последовательности иногда называют псевдослучайными.
Формируются М-последовательности с помощью линейных схем на
основе сдвигающих регистров и сумматоров по mod 2. Триггеры регистра
сдвига подключаемые к сумматору определяются т.н. «характеристическим
многочленом». Если в регистре K разрядов, то период М-последовательности
равен:
N = 2K – 1 .
Для примера, построим автомат формирования М-последовательности
с K = 4 и N = 24 – 1 = 15 (рисунок 5.40).
Рисунок 5.40 – Схема формирования М-последовательности с K = 4, N = 15
Регистр сдвига построен на четырех D-триггерах U1 – U4. Цифровой
генератор U7 инициализирует регистр сдвига, устанавливая триггер U1 в
начальное состояние «1», на остальные входы предустановки триггеров
подается
неактивный сигнал от источника логического сигнала U6.
Генератор U8 формирует сигналы синхронизации для сдвига информации по
регистру. Логический элемент U5 выполняет роль сумматора по mod 2.
Компаратор Х1 преобразовывает цифровой сигнал OUT, принимающий
логические значения 1 или 0, в аналоговый сигнал OUT1, который принимает
значения 1В или -1В.
На рисунке 5.41 показаны временные диаграммы сигналов в разных
узлах устройства. Отдельно на рисунке выделен диапазон 30mS , равный
периоду повторения М-последовательности.
Рисунок 5.41 – Результаты моделирования формирователя
М-последовательности
На
рисунке
5.42
приведена
нормированная
относительно
максимального значения периодическая автокорреляционная функция
сигнала OUT1, которая рассчитывается с помощью встроенного оператора
AC(V(OUT1)).
Рисунок 4.42 – Автокорреляционная функция М-последовательности N = 15
Здесь же выведены метки в точки максимального и минимального
значений автокорреляционной функции. подтверждающая свойства. Из
графика видно, что автокорреляционная функция М-после-довательности
сосредоточена в узком диапазоне длительностью 2мкС, равном длительности
одного элементарного импульса — чипа. Уровень боковых лепестков
автокорреляционной функции данной М-после-довательности не превышает
величины 1/0.085 ≈ 14.
На рисунке 5.43 для иллюстрации показаны форма сигнала,
модулированного по фазе описанной М-последовательностью, и его спектр, а
также спектр простого ФМ сигнала. Хорошо видно, что спектр сложного
сигнала существенно расширяется, по сравнению с простым.
Все эти результаты очень хорошо согласуются с теоретическими
исследованиями, что лишний раз подтверждает правильность заложенных в
программу MC9 алгоритмов расчета и полезность ее для исследования
различных электронных устройств.
Рисунок 5.43 – Форма и спектры шумоподобного и простого сигналов
5.2.17 Моделирование функциональных схем
Как уже упоминалось, на закладке Macros в меню Component
находятся
макромодели
функционально
законченных
узлов
радиотехнических устройств, заданных в виде схем в формате MC9. Эти
макромодели удобно использовать при моделировании радиотехнических
устройств, задаваемых в виде функциональных схем. Кроме того, такое
моделирование позволяет определить требования к отдельным узлам какоголибо сложного устройства и установить его параметры перед схемной
реализацией. Рассмотрим это на примере моделирования адаптивного
компенсатора помех.
Пример.
Во многих прикладных задачах встречаются ситуации, когда на вход
приемника кроме полезного сигнала и флуктуационного шума воздействует
мощная помеха, приводящая к эффекту «перегрузки» приемника. При этом
нормальное функционирование приемника нарушается. В качестве примера
можно привести следующие ситуации:
1) в диаграмму направленности приемной антенны полезного сигнала
попадает мощное излучение посторонней радиостанции;
2) в случае плохого экранирования радиотехнического устройства, на его
элементах могут появляться наводки от сети электропитания с частотой
50Гц;
3) в кабине самолета при переговорах летчиков между собой (или записи
переговоров на «черный» ящик) в микрофон попадает мощный шум от
двигателей самолета, который существенно снижает разборчивость речи.
Это далеко не полный список возможных примеров. Однако во всех
этих примерах существует одна важная особенность — полезный сигнал и
помеха
являются
независимыми
процессами,
а,
следовательно,
некоррелированными. Именно эта особенность лежит в основе работы
адаптивного компенсатора помех АКП (адаптивного алгоритма Уидроу).
Для компенсации помех, попавших в основной канал приема полезного
сигнала, используется дополнительный канал, в котором отсутствует
полезный сигнал, но зато присутствует помеха, коррелированная с помехой
в основном канале. Затем теми или иными средствами обеспечивается
получение одинаковых по интенсивности и противоположных по фазе
помеховых сигналов в основном и дополнительном каналах. После сложения
этих сигналов помеха компенсируется, а сигнал остается без изменений и
используется для дальнейшей обработки.
Организация дополнительного канала может осуществляться поразному:
1) используется вторая антенна, имеющая диаграмму направленности с
нулем в направлении полезного сигнала;
2) если помеха — наводка от сети 50Гц, то сеть электропитания
используют в качестве дополнительного канала;
3) в самолете в качестве датчика помехи можно использовать микрофон,
установленный недалеко от двигателей, в который не могут попасть
звуковые сигналы от переговоров летчиков.
Простейшая структура адаптивного компенсатора помех показана на
рисунке 5.44.
Рисунок 5.44 – Адаптивный компенсатор помех
По основному каналу поступает смесь полезного сигнала С,
некоррелированной с ним помехи П и флуктуационного шума Ш. По
дополнительному каналу — помеха П′, коррелированная с помехой в
основном канале, и флуктуационный шум Ш′. Перемножитель, интегратор и
регулируемый усилитель образуют цепь обратной связи для автоматического
управления уровня компенсационного напряжения. В установившемся
режиме, на выходе устройства помеховый сигнал полностью компенсируется
(в идеальном случае), хотя платой за это является увеличение мощности
выходного шума Ш′′.
Посмотреть динамику работы адаптивного компенсатора помех в
режиме отсутствия флуктуационных шумов можно на его модели, собрав
схему, показанную на рисунке 5.45.
Рисунок 5.45 Схема моделирования адаптивного компенсатора помех
Здесь генератор Vc имитирует полезный сигнал, частотой 10кГц и
амплитудой 1В. Генераторы Vn и Vn выступают в роли источника помехи в
основном и дополнительном каналах, причем частота помехового сигнала
выбрана 20кГц, а амплитуда — 5В и 3В, соответственно. Сумматор X1
формирует смесь полезного сигнала и помехи в основном канале,
перемножитель X4 и интегратор X5 образуют коррелятор, элемент X3
выполняет роль регулируемого усилителя, а элемент X2 — вычитателя.
На рисунке 5.46 показаны временные диаграммы работы адаптивного
компенсатора помех. На графики выведены кривые напряжения на основном
входе VIN, на выходе устройства VOUT и напряжение коррелятора, которое
управляет усилением регулируемого усилителя.
Рисунок 5.46 – Результаты моделирования адаптивного компенсатора помех
Из рисунка видно, что с течением времени уровень сигнала на выходе
устройства уменьшается. Это происходит за счет удаления помеховой
составляющей из выходного сигнала. Кроме того, выходной сигнал
становится со временем «более синусоидальным». По мере компенсации
помехи скорость изменения напряжения коррелятора существенно
уменьшается, что полностью соответствует теоретическим данным.
5.2.18 Применение программы МС9 для научных исследований
Часто в процессе научной работы встречаются ситуации, когда
теоретический анализ работы какого-либо устройства слишком сложен, а
реализация устройства «в железе» по каким-то причинам невозможна. Такие
ситуации, как правило, возникают, когда анализируемое устройство
появляется не в результате математического синтеза, а в процессе
эмпирического изобретательства. В таких условиях неоценимую помощь
может оказать моделирование и, в частности, программа МС9.
В качестве иллюстрации сказанного приведем несколько примеров.
Пример.
До сих пор, говоря о работе адаптивного компенсатора помех, мы
молчаливо предполагали, что помеховые сигналы в основном и
дополнительном каналах имеют одинаковую начальную фазу. В
практических задачах это условие выполняется крайне редко. Тем не менее,
идея компенсации, заложенная в основе алгоритма Уидроу, слишком
привлекательна, чтобы от нее можно было легко отказаться. Именно поэтому
была предложена, так называемая, «квадратурная» схема адаптивного
компенсатора помех (рисунок 5.47).
Рисунок 5.47 – Структурная схема квадратурного компенсатора помех
От классической эта схема отличается тем, что в дополнительном
канале с помощью фазовращателя на 90˚ организуются синфазный и
квадратурный каналы обработки со своими отдельными корреляторами и
регулируемыми усилителями. Корреляторы в каждом канале формируют
напряжения, пропорциональные коэффициентам корреляции между
неподавленным остатком помехи на выходе компенсатора и сигналами
синфазного и квадратурного каналов. Эти
напряжения управляют
коэффициентами передачи регулируемых усилителей. В процессе работы, на
выходе сумматора напряжение помехи изменяет не только амплитуду, но и
фазу, стремясь к амплитуде и фазе помехи в основном канале. Благодаря
этому, на выходе устройства происходит компенсация помехи.
Проверить работоспособность устройства и определить его параметры
можно с помощью модели, показанной на рисунке 5.48.
Рисунок 5.48 – Квадратурный компенсатор помех
Особенностью схемы является введение макромодели фазовращателя
на 90˚ для получения квадратурной составляющей помехи. Корреляторы в
каждом канале, состоящие из перемножителя и интегратора, обведены
пунктирной линией. Кроме того, генератор помехи Vn
формирует
помеховый сигнал со сдвигом начальной фазы на 30˚ относительно помехи в
основном канале. Для получения наглядных результатов, при моделировании
считалось, что компенсатор работает в условиях отсутствия флуктуационных
шумов в основном и дополнительном каналах, а также параметры
генераторов сигнала и помехи выбраны такими же, как в примере п. 5.2.17.
Результаты моделирования показаны на рисунке 5.49. На графики
выведены выходное напряжение компенсатора и уровень напряжения
корреляторов, управляющих коэффициентами передачи
усилителей.
регулируемых
Рисунок 5.49 –Временные диаграммы выходного сигнала и коэффициентов
передачи регулируемых усилителей квадратурного компенсатора
Видно, что в процессе работы уровень помехи на выходе компенсатора
снижается. Кроме всего прочего, это хорошо видно и в том, что выходной
сигнал становится все более «синусоидальным», соответствующем
полезному сигналу. Если уровень или фаза помехового сигнала в основном
или дополнительном каналах будет изменяться, контуры адаптации будут
автоматически подстраивать коэффициенты передачи регулируемых
усилителей для минимизации помехи на выходе.
Пример.
Ранее была приведена структурная схема адаптивного компенсатора
помех и результаты моделирования его работы в простейших условиях.
При практической реализации этой схемы могут возникнуть проблемы,
связанные с необходимостью увеличения коэффициента усиления, что в ряде
случаев невозможно из-за ограниченного динамического диапазона цепи
настройки (в частности, регулируемого усилителя). Кроме этого, при
больших уровнях помехи в основном и дополнительном каналах невозможно
обеспечить компенсирующий сигнал необходимого уровня из-за
нелинейности передаточной характеристики регулируемого усилителя.
Для повышения эффективности адаптивного компенсатора помех
предложена схема, приведенная на рисунке 5.50. Данное техническое
решение позволяет значительно уменьшить время адаптации (либо при том
же времени адаптации уменьшить остаточную ошибку компенсации) и
одновременно расширить динамический диапазон канала настройки путем
введения дополнительного весового коэффициента в основной канал приема.
Рисунок 5.50. Структурная схема модифицированного
адаптивного компенсатора помех
Схема работает следующим образом. При наличии помехи на входе
основного и дополнительного каналов возрастает весовой коэффициент w на
выходе коррелятора, увеличивая коэффициент передачи регулируемого
усилителя и, следовательно, долю помехи на втором входе вычитателя.
Одновременно с этим снижается уровень сигнала в основном канале (на
первом входе вычитателя). Это производится с помощью делителя, на втором
входе которого формируется весовой коэффициент (1 + w). Таким образом,
настройка ведется одновременно по основному и дополнительному каналу,
ускоряя процесс адаптации. Тем самым уменьшается время сходимости без
изменения постоянной времени интегратора. Для восстановления уровня
сигнала основного канала до исходной величины на выходе вычитателя
может применен дополнительный перемножитель.
На рисунках …5.51 – 5.54 приведены результаты сравнительного
моделирования традиционного (рисунок 5.45) и модифицированного
адаптивных компенсаторов помех. Для наглядности исследование
динамических свойств производилось в отсутствии полезного сигнала и
шума, при одинаковых уровнях помехи на входе основного и
дополнительного каналов.
Видно, что время установления (время достижения уровня 0.9 от
установившегося значения) для модифицированной схемы уменьшается
примерно в 2 раза по сравнению с известной схемой.
Сравнительный анализ можно произвести с помощью различных
зависимостей. На рисунке 5.51 приведены кривые настройки весовых
коэффициентов для обеих схем компенсаторов, причем зависимости были
пронормированы относительно установившегося значения. На рисунке 5.52
показаны осциллограммы сигнала ошибки, наглядно демонстрирующие
преимущества модифицированного алгоритма. На рисунках 5.53, 5.54
сравнение производится на фазовой плоскости по виду фазовой траектории
сигнала ошибки. Из рисунков видно, что при одинаковых начальных
условиях фазовая траектория для модифицированной схемы значительно
быстрее достигает установившегося значения.
w(t)
а
б
tу(б)
tу(а)
t
Рисунок 5.51 – Нормированные кривые настройки весовых коэффициентов
компенсатора:
а – для традиционной схемы;
б – для модифицированной схемы.
Y(t)
а
б
t
Рисунок 5.52 – Временные характеристики сигнала ошибки на выходе
компенсатора:
а – для традиционной схемы;
б – для модифицированной схемы.
dY ( t )
dt
Y(t)
Рисунок 5.53 – Фазовая траектория традиционной схемы адаптивного
компенсатора помех
dY ( t )
dt
Y(t)
Рисунок 5.54 – Фазовая траектория модифицированной схемы компенсатора
с дополнительным весовым коэффициентом в основном канале
Приведенные примеры дают далеко не исчерпывающую картину
применения программы МС9 для исследования сложных устройств или
систем, теоретический анализ которых чрезвычайно труден из-за
используемого математического аппарата. Показанный подход может быть
чрезвычайно полезным и при проектировании различных устройств.