5

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ

РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Б.Г. Теряев

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОГРАММЫ

СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

МICRO-CAP-7

ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ

РАБОТ ДИСЦИПЛИНЫ

«СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ»

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

МОСКВА 2008

ББК 32.85

УДК 621.375:681.(075.8)

Рецензенты: к.т.н., доц. Э.Л. Муро

к.т.н., доц. С.В.Кондратенко

Т. 35. Теряев Б.Г. Использование программы схемотехнического моделирования MICRO-CAP-7 при выполнении лабораторных работ дисциплины «Схемотехника аналоговых электронных устройств»: Учебное пособие/Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования. «Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики( технический университет).-М., 2008.-56с.

Излагаются сведения о программе схемотехнического моделирования MICRO-CAP-7 и методике её использования при проведении лабораторных работ дисциплины «Схемотехника аналоговых электронных устройств». Пособие предназначено для студентов всех форм обучения по специальности: 210302 «Радиотехника», 210304 «Радиоэлектронные системы».

Табл.7.Ил.17 Библиогр.: 12 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета университета.

ISBN 5-7339-0558-1 © Б.Г. Теряев. 2008

Раздел 1. ВВЕДЕНИЕ, ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

О ПРОГРАММЕ MICRO-CAP-7

Современное изучение любых дисциплин в учебных заведениях, в том числе вузах и техникумах, невозможно без эффективного применения компьютеров и соответствующих профилю дисциплины прикладных программ. В курсе «Схемотехника аналоговых электронных устройств»- (САЭУ) можно с успехом использовать программу моделирования электронных и электрических схем MICRO-CAP-7 (далее МС-7), разработанную фирмой Spectrum Soft-ware см. сайт http://www.spectrum-soft.com. В 2001г. фирма выпустила седьмую версию этой программы, описание которой и её возможности использования приведены в [1]. С использованием материалов книги [1] ниже приводятся основные правила создания принципиальных схем электрических и электронных устройств, определения статического (стационарного) режима в моделируемых схемах, правила составления заданий для их анализа в частотной или временной области с выведением результатов моделирования на дисплее в виде графиков или таблиц. Приводятся также правила составления заданий для исследования влияния на показатели устройств температуры, статистических испытаний, синтеза пассивных и активных фильтров и другие возможности программы МС-7.

1. Правила составления принципиальных схем

Для создания новой схемы, после запуска программы МС-7 в меню. её интерфейса необходимо выполнить команду File>New. В меню Component из раздела Analog Primitives выбирается нужный компонент (Waveform). Резисторы(Resistor), конденсаторы(Capacitor) и индуктивности(Inductor) находятся в подразделе Passive Components, полупроводниковые приборы в подразделе Active Devices, источники сигналов в подразделе Waveform Sources. Положение компонентов на рабочем поле программы МС-7 привязано к узлам сетки. Для удобства построения схемы эту сетку можно сделать видимой, активировав кнопку Grid. Изображение компонента устанавливается в нужную точку схемы при нажатой левой кнопке мыши. Если необходимо изменить ориентацию компонента на схеме, то при нажатой левой кнопке нажимают правую кнопку. Каждое такое нажатие поворачивает его изображение на 90⁰ по часовой стрелке. Опускание левой кнопки фиксирует компонент в точке указываемой курсором, при этом на экран выводится окно ввода значений атрибута компонента или его модели. На рис.1 показано принятое в программе МС-7 окно ввода значений параметров биполярного транзистора.

Рис.1

Рассмотрим наиболее важные параметры компонентов, представленные в белом поле на окошке ввода значений. Состав параметров может отличаться в зависимости от выбранного типа компонента. Параметр Part задает обозначение элемента на принципиальной схеме (пассивные элементы- R1,C2, L1 или активные: транзисторы, операционные усилители).

Величины всех параметров задаются в поле ввода значений- Value (например, 2.2k, 100pF 15mH). В программе МС-7 используются следующие обозначения кратных и дольных единиц параметров, которые приведены ниже.

Эти обозначения набираются в латинском регистре после численного значения параметра, без пробела, например, величина сопротивления резистора величиной 10 кОм набирается в виде 10k или 10K. При задании модели компонента (элемента) с помощью параметра Model становятся активными поля ввода/редактирования характеристик выбранного типа элемента. Их описание на английском языке появляется в том же окне при наведении курсора (мыши) на соответствующее поле. После помещения элемента на поле принципиальной схемы необходимо соединить его с другими элементами схемы. Выводы компонентов соединяются проводниками по команде Option>Mode>Wire. При построении схемы следует учитывать, что для работы программы необходимо, чтобы хотя бы один узел схемы был заземлен. Элемент заземления (Ground) выбирается в меню Component в разделе Analog Primitives в подразделе Connectors (элементы соединения). Заземленный узел всегда имеет нулевой номер, который на схеме не отображается. Полный перечень активных элементов: полевых и биполярных транзисторов, операционных усилителей и других элементов, которые размещены в библиотеке программы в разделах Analog Primitives и Digital Primitives, приведен в [1]. Число таких элементов достаточно велико и может составлять в полной программе несколько сотен. Для работы схемы необходимо также задать различные источники. Для этого необходимо выполнить команду:

Component>Analog>Primitives>Waive Sources и выбрать необходимый источник. Опишем некоторые источники в программе МС-7, используемые при выполнении лабораторных работ.

Источник постоянного напряжения (Battery) задается своим именем (например, V1) и величиной постоянного напряжения, например,5V.Источник импульсного напряжения (Pulse source). После размещения на схеме источника импульсного напряжения SOURSE необходимо указать имя модели -PULSE и ввести: начальное значение импульсного сигнала – VZERO, максимальное значение сигнала- VONE; Р1-начало переднего фронта; Р2-начало плоской части импульса; Р3-конец его плоской части; Р4-момент достижения начального уровня (т.е. окончания импульса); Р5- период повторения импульсов. Параметры Р1 иР2 могут иметь одинаковое значение, при этом длительность переднего фронта будет равна нулю. Аналогично при Р3=Р4 длительность заднего фронта импульса равна нулю. Пример описания источника периодических прямоугольных импульсов с нулевым начальным уровнем и амплитудой 1мВ, имеющего длительность 1мс и период повторения 2мс имеет следующий вид:

MODEL PULSE (VZERO=0 VONE=1m P1=0, P2=0 P3=P4=1m, P5=2m).

Источник постоянного тока (ISOURSE). с внутренним сопротивлением равным бесконечности Этот источник характеризуется именем- атрибут PART и величиной генерируемого постоянного тока- атрибут VALUE.

Источник синусоидального напряжения (Sine source). Кроме имени, этот источник описывается следующими параметрами: F-частотой сигнала [Гц], А- его амплитудой [В], DC- возможной постоянной составляющей гармонического напряжения [B], PH-начальной фазой [град], внутренним сопротивлением -RS[Ом], параметры – RS, а также RP и TAU в лабораторных работах обычно не используются и по умолчанию равны нулю. Пример описания источника гармонических колебаний с частотой 10 кГц, амплитудой 1мВ, нулевой постоянной составляющей, нулевой начальной фазой и с внутренним сопротивлением RS=0.001Ом приведен ниже:

MODEL SIN (F=10k A=1m DC=0 PH=0 RS=1M RP=0 TAU=0).

Для удобства работы текстовое окно можно поместить на одном экране вместе с окном схемы. Для этого надо разделить экран, выполнив команду: Windous> Split Horisontal, и затем мышью установить требуемую высоту текстового поля.

2. Расчет основных параметров и характеристик схем

2.1. Расчет стационарного режима по постоянному току

Для определения значений токов и напряжений в схеме необходимо: 1- выполнить моделирование в режиме анализа переходных процессов- Analysis>Transient. Выбрав в окне задания параметров режим моделирования Operating Point Only (расчет только в рабочей точке, само моделирование переходных процессов при этом не производится), 2-нажать на горизонтальной панели инструментов окна программы кнопки для отображения токов, напряжений или мощности- Node Voltages, Currents, Powers. При этом на схеме рядом с её элементами будут показаны величины напряжений, токов и значения мощности во всех элементах схемы. Целесообразно проверить также режим работы транзистора в схеме, включив опцию ON. Если биполярный транзистор находится в линейном режиме, то рядом с его изображением появляется надпись Lin.

2.2.Расчет частотных характеристик

Анализ частотных характеристик начинается по команде Analysis>AC. В открывшемся окне задания на расчет – см.рис.2 указывается диапазон частот (Frequency Range) и имена переменных, графики которых надо построить. Р - номер графика, Х- Expression переменная, откладываемая по оси Х, Y-Expression, переменная, откладываемая по оси Y, PH -график фазовой характеристики и т.д. Например, на рис.2 указано, что на первом графике необходимо построить частотную характеристику, т.е. модуль отношения напряжений V(9)/V(2) в узлах 9 и 2 схемы, на втором графике–частотно-фазовую характеристику ( разность фаз напряжений между этими узлами). Графики должны быть построены в диапазоне частот: 100 МГц-10 кГц.-Frequency Range10E8,10k. Следует обратить внимание, что при задании диапазона частот, так же как и интервала изменения любых других величин, сначала указывается максимальное значение, а затем минимальное, которые разделяются запятыми в латинском регистре. Минимальное значение в частности может быть равно нулю. На рис.2 в опции Temperature указано, что исследование проводится при температуре равной 27⁰C. Полезно включить опцию автоматического масштабирования графиков-Auto Scale Range. Количество точек графика (Number of Points) определяет точность его построения. Целесообразно задать эту величину равной 100-500/ В левой части рис.2 указаны логарифмический масштаб по оси абсцисс и линейный по оси ординат. Приведен также желаемый цвет графиков частотных характеристик- черный и красный для АЧХ и ФЧХ.. Для выполнения моделирования необходимо нажать кнопку Run или клавишу F8.

.

Рис.2

2.3. Анализ переходных процессов

Переход к временному анализу осуществляется по команде

Analysis>Transient.