Лабораторная №2 (ОЭУ (Отчеты по лабам 1 и 2))

Московский Государственный Технический Университет

имени Н.Э.Баумана

КАФЕДРА СМ-11

Лабораторная работа №2

по курсу

«Основы электронных устройств »

«Расчет передаточных функций по постоянному току и расчет режима по постоянному току с помощью программы Microcap»

Москва, 2016 г.

Цель работы: Освоить методы расчета передаточных функций по постоянному току и расчета режима по постоянному току.

1 Расчет передаточных функций по постоянному току (DC Analysis)

В режиме DC Analysis рассчитываются передаточные характеристики по постоянному току. К входам цепи подключаются один или два независимых источников постоянного напряжения или тока. В качестве выходного сигнала может рассматриваться разность узловых потенциалов или ток через ветвь, в которую включен резистор. При расчете режима DC программа «закорачивает» индуктивности, исключает конденсаторы и затем рассчитывает режим по постоянному току при нескольких значениях входных сигналов.

В качестве примера проведения DC Analysis рассмотрим схему, показанную на рисунке 3. Это схема резистивного делителя, подключенного к источнику постоянного напряжения (Battery). В качестве примера построим зависимость силы тока, протекающего через резистор R2, от напряжения источника питания V1.

Рисунок 3 – Пример схемы для моделирования

1.1 Задание параметров моделирования DC Analysis Limits

После правильного создания схемы запускается DC Analysis (в меню нужно выбрать Analysis → DC или нажать Alt+3), при этом появится окно задания параметров расчета. В окне задания параметров расчета передаточных характеристик по постоянному току, показанном на рисунке 4, имеются следующие разделы.

Рисунок 4 – Задание параметров расчета в режиме DC

Команды – те же, что и при расчете в режиме Transient Analysis.

Числовые параметры:

Variable 1 — задание первой варьируемой переменной. В графе Method выбирается метод варьирования переменной (Auto — выбираемый автоматически; Linear — линейный, задаваемый в графе Range по формату Конечное значение, Начальное значение, Шаг. Если опустить параметр Step (шаг), то шаг будет принят равным (Final— lnitial)/50, если опустить параметр Initial, то начальное значение будет положено равным нулю, если изменяется только один источник, то можно оставить строку пустой; 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. При выводе в таблицы применяется линейная интерполяция.

Temperature — диапазон изменения температуры в градусах Цельсия; при выборе параметра Linear имеет формат High[,Low[,Step]]; если параметр Step (шаг) опущен, то выполняется анализ при двух значениях температуры Low (минимальной) и High (максимальной), если опущены оба параметра Low и Step, то расчет проводится при единственной температуре, равной High; при выборе параметра List указывается список температур, разделяемых запятыми. 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.

После запуска моделирования получим результат, показанный на рисунке 5.

Рисунок 5 – Зависимость тока, протекающего через резистор R2, от напряжения источника питания

2 Расчет режима по постоянному току (Dynamic DC)

По команде Analysis>Dynamic DC производится расчет режима по постоянному току и его отображение на чертеже схемы.

Чтобы запустить расчет режима по постоянному току, нужно в меню Analysis выбрать пункт Dynamic DC (или нажать Alt+4), при этом появится диалоговое окно, показанное на рисунке 1.

Рисунок 1 – Диалоговое окно Dynamic DC Limits

В этом окне задается температура, при которой производится расчет, и шаг изменения номинала элемента при использовании движкового регулятора.

Объем выводимой на схему информации определяется нажатием пиктограмм:

— номера узлов;

— потенциалы (напряжения, отсчитанные от нулевой точки) узлов или логические состояния цифровых узлов;

— токи ветвей;

— мощность, рассеиваемая на элементах;

— состояние р-n перехода: LIN — линейный режим, ON — переход открыт, OFF— переход закрыт, SAT — находится в режиме насыщения.

При выполнении команды Analysis>Dynamic DC по умолчанию нажата пиктограмма , остальные пользователи включают по мере надобности. Отметим, что при использовании этих пиктограмм при анализе переходных процессов на схеме отображаются не значения режима по постоянному току, а значения переходных процессов в последний момент времени, если не выбрана опция Operation Point Only. После завершения расчетов по командам Analysis>AC, DC на схеме отображаются значения режима по постоянному току, рассчитанного последним.

Отметим, что при использовании данного вида анализа (да и при других тоже) очень хорошим инструментом моделирования являются движковые регуляторы (Slider). Их можно найти в меню анализа, например Dynamic DC>Slider>Add Slider и выбрать элемент, для которого нужен движковый регулятор. Также, если в схеме есть активные элементы (транзисторы, диоды и т.д), то движковый регулятор можно вывести для какого-либо из параметров этих элементов.

Пример выполнения анализа по постоянному току показан на рисунке 2.

Рисунок 2 – Отображение результатов расчета режима по постоянному току

При выполнении анализа программа прямо на схему выводит значение напряжений в узлах, направление протекания и величину токов, рассеиваемую на элементах мощность. Также, меняя с помощью движкового регулятора сопротивление резистора R2, можно динамически проследить за изменениями параметров.

3 Задание на лабораторную работу

Задание №1

Исследование неидеального резистивного делителя, показанного на рисунке 3.

Рисунок 3 – Неидеальный резистивный делитель

1.1 Аналитически вывести формулу для расчета напряжения в средней точке делителя (узел №2 на рисунке 3) при условии, что R3 отсутствует (случай идеального резистивного делителя).

1.2 Построить зависимость тока, протекающего через резистор R3, от напряжения источника питания V1. С помощью многовариантного анализа определить, как сопротивление резистора R3 влияет на эту зависимость.

1.3 Построить зависимость напряжения в средней точке делителя от напряжения источника питания V1. С помощью многовариантного анализа определить, как сопротивление резистора R3 влияет на эту зависимость.

Задание №2

Исследование источника тока.

Рисунок 4 – Источник тока с подключенной нагрузкой.

2.1 Задать ток источника несколько миллиампер, сопротивления резисторов – несколько кОм.

2.2 Определить, как сопротивления резисторов влияют на выходной ток источника (для этого использовать движки). В отчет занести несколько рисунков схемы, на которой должны быть показаны:

- токи, протекающие в ветвях схемы;

- движок с номиналом сопротивления, при котором произведен текущий расчет.

Задание №3

Моделирование схемы.

Рисунок 5 – Схема к заданию 3

3.1 Задать ток источника несколько миллиампер, сопротивления резисторов несколько кОм.

3.2 С помощью моделирования определить токи, протекающие через резисторы, мощность, выделяющуюся на резисторах и отдающую источниками, напряжение в узле №2.

3.3 Изменяя сопротивление резистора R3 (при помощи движка), определить как оно влияет на указанные в 2.2 значения.

4 Требования к выполнению отчета по лабораторной работе

Каждый студент оформляет отчет по лабораторной работе в электронном виде индивидуально. Отчет должен содержать:

– название и цель работы;

– краткую теоретическую часть (не более одного листа А4);

– развернутую практическую часть со всеми необходимыми согласно заданию графиками, таблицами и рисунками;

– выводы по проделанной работе.

5 Контрольные вопросы

5.1. Вывести формулу для расчета напряжения средней точки идеального резистивного делителя.

5.2. Рассказать принцип проведения расчета передаточных функций по постоянному току с помощью Microcap. Привести пример.

5.3. Какие параметры можно вычислить с помощью расчета режима по постоянному току.

5.4. Какие инструменты динамического изменения параметров схемы применяются в Microcap?

6 Литература

1. Амелина М.А., Амелин С.А. Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap. Версия 9,10. – Смоленск, Смоленский филиал НИУ МЭИ, 2012.-617 с.

Книга взята из свободного доступа в сети. Выложена самим автором. Ссылка www.microcap-model.narod.ru.

2. Разевиг В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью Microcap 7. – М.: Горячая линия – Телеком, 2003. – 368 с.

3. У. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника, 12-е изд. в 2 т.: пер. с нем. – М.: Додэка-XXI, 2008. – 832 с, 942 с.

4. П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники, 5-е изд., перераб. – М.: Мир, 1998. – 704 с.

2