Pub/Personal/staff/KusnetzovEV/A-15-01

Информационные технологии в интроскопии.

Лекция 2. Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap V

1. Введение.

MicrO(-computer) C(-irciut) A-(nalysis) P(-rogram)- микрокомпьютерная программа анализа цепей.

Основные функции программы.

I. Анализ режимов и передаточных функции по постоянному току (DC Analysis)

1. Анализ переходных процессов (Transient Analysis)

2. Анализ частотных характеристик (AC Analysis)

3. Многовариантный анализ при ступенчатых и случайных изменениях (разброс) параметров, температуры .

4. Макромоделирование

5. Анализ Фурье

Литература.

Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования Micro-Cap V. Москва, 1997г.

2. Устройство рабочего окна.

(См. справку о кнопках и меню, соответственно, в Приложениях 1 и 2)

3. Рисование схемы.

Рисование схемы призводится в рабочем окне редактора схем и заключается:

- в размещении символов условных знаков элементов,

- в задании атрибутов элементов (уникального имени, параметров, имени модели),

- в размещении текстовых регионов комментариев и дополнительной информации,

- в рисовании дополнительных поясняющих графических символов,

- в задании графических параметров чертежа схемы.

Пример 1 - (файл ”bip1.cir”).

К ак можно нарисовать такую схему?

Разместим, например, в схему резистор R1.

Щелкнем по кнопке «резистор». Для этого установим курсор на значок кнопки (11-ая кнопка в верхнем ряду) и щелкнем левой кнопкой мышки.

Выбранный элемент поместим в схему. Для этого переместим курсор в соответствующее место рабочего окна. Курсор-стрелка снабжается при этом дополнительным символом резистора. В данном случае это обобщенный символ элемента. Если нажать левую кнопку мышки, то слева от острия стрелки курсора появится второй символ резистора. Это символ конкретного, выбранного элемента.

После отпускания левой кнопки символ элемента фиксируется на чертеже схемы и открывается окно атрибутов.

В окне атрибутов зададим параметр элемента. В нашем примере – сопротивление резистора. Ведем 1 Ом. Закроем окно атрибутов, щелкнув по кнопке Ок в этом окне.

Примечание.

Можно использовать сокращенные символы дольных единиц:

F-фемто- 10^-15, P-пико-10^-12, N-нано-10^-9, U-микро-10^-6, M-милли-10^-3, K-кило-10³, MEG –мега-10⁶, G-гига-10⁹, T-тера-10¹²

Символ резистора появляется вместе с именем и параметром в горизонтальном положении. Вывод надписей (имя элемента, его параметр) зависят от того, включены ли эти опции в окне “Component” Для поворота символа элемента следует заключить его в бокс. Щелкнем по кнопке «селектор» (1-ая кнопка в первом ряду). Растянем прямоугольный бокс из пунктирной линии. Для этого поставим курсор в левый угол воображаемой рамки, нажмем левую кнопку и растянем прямоугольник. Рамка фиксируется после отпускания левой кнопки. Теперь вращаем резистор кнопкой «поворот» (3-я кнопка во втором ряду), или одновременным нажатием клавиш Ctrl и R, или командой из меню Edit/Box/Rotate. Таким образом размещаются остальные элементы схемы. Выбор элементов возможен также через команды из меню Component/AnalogPrimitives/PassiveComponents/Resistor и Component/Analog Primitives/Active Components/NPN (для транзистора).

Элементы соединяют проводами (4-ая или 5-ая кнопки в верхнем ряду). Сначала подводят курсор к полюсу элемента и нажимают левую кнопку мышки. Затем подводят курсор к полюсу другого элемента (при этом на экране автоматически рисуется ломаная или прямая линия от полюса до курсора ) и отпускают кнопку.

При соединении удобно задать режим индикации номеров узлов (8-ая кнопка от конца второго ряда). Если соединения выполнены правильно, то место соединения обозначается одним номером, как один узел.

Любая схема должна иметь по крайней мере один элемент –заземление (узел с нулевым потенциалом).

Редактирование схемы производят поэлементно. Сначала элемент активизируют щелчком мышки (выделяется красным цветом). Теперь элемент можно перетащить (установить курсор, нажать левую кнопку и перемещать вместе с курсором), копировать в Clipboard (буфер Windows) командой Edit/Copy, удалить с копированием в Clipboard командой Edit/Cut, вклеивать содержимое буфера в схему командой Edit/Copy. Для подобного редактирования можно выделить элемент, фрагмент или всю схему также после помещения в бокс. Одну последнюю редакцию можно отменить командой Edit/Undo.

Подготовленную схему можно записать в файл …cir командой File/Save или File/Save As…

4. Анализ свойств цепи по постоянному току (анализ DC -Direct Current).

Выход в режим анализа DC достигается командой Analysis/DC Analysis. После этой команды появляется окно пределов DC Analysis Limits. В этом окне задаются-

- имя аргумента расчитываемой функции -<Input 1>,

- пределы этого аргумента <Input 1 Range> (Max, Min, шаг),

- имя параметра рассчитываемой функции -<Input 2>,

- пределы этого параметра -<Input 2 Range> (Max, Min, шаг),

- количество расчетных точек на заданном интервале аргумента-<Number of Points>,

- температура или диапазон температуры -<Temperature>(Max, Min, шаг).

- наибольшая допустимое изменение функции на интервале между расчетными точками <Maximum Change %> для автоматического подбора количества расчетных точек.

В нижней части окна пределов находятся строки, содержащие

-2 кнопки-переключатели для выбора типа масштабов по осям X и Y (линейные или логарифмические, в рисунках на кнопках показывается текущее состояние),

-окрашенная кнопка для вызова палитры и установки цвета графика,

-кнопка активизации вывода таблицы расчетных функций в файл

-текстовое окно <P> для задания номера графика (если номера совпадают для двух функций, то кривые строятся на одном графике)

-текстовое окно для задания аргумента графика <X Expression>

-текстовое окно для задания функции графика <Y Expression>

-текстовое окно для задания пределов аргумента графика <X Range>

-текстовое окно для задания пределов функции графика <Y Range>

(Примечание. Переключатель <AutoScaleRanges> позволяет задать автоматический выбор масштаба по заданным пределам источников <Input1> и <Input2>.)

-текстовое окно <Fmt> для задания формата чисел на графике (например “5.3”-5-общее количество символов, 3-количество цифр после запятой)

Текстовое окно-список <Run Options> позволяет выбрать режимы:

-Normal – без сохранения результатов расчета,

-Save - с сохранением результатов расчета в бинарном файле (Name.dsa),

-Retrieve - построение графиков по данным из ранее записанных файлов.

Командные кнопки в верхней части окна пределов анализа позволяют

-<Add> - добавить еще одну функцию для построения графика (возникнет еще одна строка-копия строки, на которой стоял курсор при нажатии кнопки Add)

-<Delete> - удаление строки, на которой стоял курсор при нажатии кнопки,

-<Expand> – расширенное окно для ввода выражения для анализируемой функции.

Примечание. В выражение для искомой функции могут быть включены многочисленные стандартные алгебраические, тригонометрические и другие функции с действительными и комплексными аргументами. Для получения списков функций необходими поместить курсор в окно набора и нажать правую кнопку мышки.

-<Stepping> - задание ступенчатого изменения одного или многих параметров элементов схемы.

-<Help>-справка по окну пределов анализа DC

-<Run> – старт анализа и переход к окну с графиками.

Окно пределов анализа DC можно повторно вызвать командой меню DC/Limits…или 4-ой кнопкой справа в первом ряду.

Для старта анализа можно также нажать 4-ую кнопку справа во втором ряду или командой из меню DC/Run.

После завершение расчетов откроется окно DC Analysis, в котором появятся графики искомых функций. Двойным щелчком по графику можно вызвать окно AnalysisPlotCharacteristics для изменения стиля оформления элементов графика. На график можно поместить пояснительный текст после нажатия кнопки ABS или REL.

Для выхода из режима анализа в режим подготовки схемы можно использовать команду меню DC/Exit Analysis.

В примере bip1.cir изменяется э.д.с. идеального источника v1, включенного в цепь базы биполярного транзистора, в интервале 0…1В с шагом 0.01В . Проводится анализ

-входной характеристики биполярного транзистора :

аргумент v(3)- потенциал узла 3 (напряжение между базой и эмиттером Uбэ), функция I(1,3) –ток между узлами 1 и 3 (ток базы Iб),

-переходной характеристики транзистора:

аргумент I(1,3) –ток базы Iб, функция I(4,2)- ток коллектора Ik.

Примечание. Резисторы R1 и R2 с относительно малым сопротивлением включены для индикации токов в ветвях.

В примере bip2.cir (анализ DC) изменяются:

-Input1- э.д.с. идеального источника V2, включенного в цепь коллектора биполярного транзистора, в интервале 0…16В с шагом 0.01В,

-Input2- ток идеального источника I1, включенного в цепь базы биполярного транзистора, в интервале 0…1 мА с шагом 0.1 мА.

Проводится анализ

-семейства выходных характеристик биполярного транзистора :

аргумент Vce(Q1)- напряжение между коллектором и эмиттером транзистора Q1, параметр I1 –ток базы, функция Ic(Q1) –ток коллектора,

- семейства переходных характеристик:

аргумент Ib(Q1) –ток базы транзистора Q1, параметр Vce(Q1)- напряжение между коллектором и эмиттером, функция Ic(Q1) –ток коллектора.

Примечания. В отличие от примера bip1.cir здесь в качестве индексов имен переменных используются не номера узлов схемы, а имена выводов транзистора. Для индикации выводов элементов на схеме необходимо в окне Component (режим рисования схемы) включить переключатель Display Pin Name.

В примере bip3.cir (анализ DC) изменяются:

-Input1- ток идеального источника I1, включенного в цепь базы биполярного транзистора, в интервале 0…1 мА с шагом 0.01 мА.

Проводится анализ

-переходной характеристик биполярного транзистора :

аргумент Ib(Q1)- ток базы, функция Ic(Q1) –ток коллектора,

- зависимости коэффициента передачи транзистора по току h21(Ib):

аргумент Ib(Q1) –ток базы, функция DEL(Ic(Q1))/DEL(Ib(Q1))– производная тока коллектора по току базы dIc/dIb.

В примере bip4.cir введено дополнительно в окне пределов анализа, как параметр, изменение температуры 0…100 градС с шагом 25.

В примере bip5.cir в цепь коллектора введен резистор R1 сопротивлением 1кОм и анализируются динамические передаточные характеристики транзистора.

В примере bip6.cir введено случайное изменение (разброс) сопротивления резистора в цепи коллектора R2. Для этого в режиме подготовки схемы открыли окно Component двойным щелчком по символу резистора, в строке MODEL ввели значение NewRes и кнопкой Ok закрыли окно Component. Затем открыли окно с текстовым описанием схемы, щелкнув по корешку Text, который находится на уровне нижней линейки прокрутки. В нижней строке “.MODEL NEWRES RES ( )” в скобках дописали текст “R=1 DEV=20%”.

В итоге должно получиться “MODEL NEWRES RES (R=1 DEV=20%)”. Здесь R-масштабный множитель сопротивления, DEV-разброс сопротивления в %.

Теперь можно перейти к режиму анализа DC и ввести данные в окне пределов. Затем командой MonteCarlo/Options вызвать окно MonteCarloOptions и установить:

-переключателем Distribution to Use- закон изменения «Нормальный»-Normal, «Равномерный»-Linear или «Крайний случай»-Worst Case

-переключателем Status- режим многократного анализа при различных значениях случайного параметра схемы –“On”,

-числом в окне Number of Runs- количество повторных вычислений при различных значениях случайного параметра схемы,

-выражением в окне Report When- условие, при котором формируется выборка результатов анализа (в нашем примере –пустое значение)

Командой MonteCarlo/Histograms/AddHistograms… вызвать окно AddMonteCarloFunction и установить:

-в окне-списке WhatToPlot/Function -искомую функцию для построения гистограммы случайного процесса (в примере –High-наибольшее значение)

-в окне-списке WhatToPlot/Expression –аргумент искомой функции для построения гистограммы случайного процесса ((в примере –Del(Ic(Q1))/ Del(Ib(Q1)) –параметр h21)

Теперь командой Run производят анализ и наблюдают семейство искомых функций для случайно изменяемых значений сопротивлений резистора R2.