Как построить ачх в микрокапе
Порядок выполнения работы:
В новом проекте Micro-Cap создать схему, приведенную на рисунке 4. Параметры элементов выбираются исходя из номера варианта по таблице 3.
Рисунок 4 — Колебательная RLC-цепь. Метками In и Out обозначены входной и выходной зажимы соответственно.
В данной схеме нужно было выбрать параметров колебательного контура для исследования, мы использовали вариант 1.
Таблица 3 — Выбор параметров колебательного контура для исследования
Сохранить схему в отдельный файл аналогично п.3.
Запустить режим анализа по переменному току (AnalysisAC Analysis или Alt-2).
В случаях, когда заранее неизвестно на какой частоте в данной схеме наблюдается резонанс (резонансы), поступают следующим образом:
строят АЧХ в широком диапазоне частот (например, 1Гц — 100МГц), при этом используют логарифмический масштаб по оси частот, поскольку нижнее и верхнее значения диапазона отличаются на несколько порядков;
по логарифмической АЧХ определяют частотные границы наиболее важной части графика (т.е. определяют поддиапазон частот, в котором наблюдается резонанс);
повторно строят АЧХ в узком диапазоне частот околорезонансной области (масштаб по оси частот теперь берут линейный).
В появившемся диалоговом окне AC Analysis Limits необходимо выполнить следующие установки:
в поле Frequency Range (диапазон частот) ввести «100Meg, 1». Это означает, что частотный диапазон, в котором будет осуществлен расчет, составит 1Гц — 100МГц;
в поле Temperature ввести значение 20, хотя это также не имеет большого значения, поскольку в схеме отсутствуют температурно-зависимые элементы;
в поле Frequency Step (шаг по частоте) выберите Auto.
включите флажок Auto Scale Ranges (Автоматический выбор масштаба графика);
в поле X Expression (выражение по оси абсцисс) таблицы введите «F», что означает частоту;
в поле Y Expressison (выражение по оси ординат) таблицы введите V(OUT), т.е. напряжение на зажиме, обозначенном «OUT»;
слева от таблицы имеется набор цветных пиктограмм, необходимо установить режим логарифмического масштаба по оси абсцисс;
запустить вычисления, нажав кнопку Run.
Рисунок 5 — Логарифмическая АЧХ колебательного контура в широком диапазоне частот
По графику логарифмической АЧХ определить околорезонансный диапазон частот. Данный график сохранить в отчете.
В диалоговом окне AC Analysis Limits необходимо выполнить следующие установки:
в поле Frequency Range (диапазон частот) через запятую ввести значение верхнего и нижнего пределов;
в поле Frequency Step (шаг по частоте) выберите Linear (линейный);
в поле Number of Points (количество точек) введите значение 1000 (вообще, чем больше точек, тем более гладкий график получится).
слева от таблицы графиков имеется набор цветных пиктограмм, необходимо установить режим линейного масштаба по оси абсцисс;
запустить вычисления, нажав кнопку Run.
Рисунок 6 — АЧХ в линейном масштабе. Определение полосы пропускания колебательного контура.
По графику АЧХ определить резонансную частоту контура (по максимуму). Ординату максимума умножить на 0.707 — будет получено значение ординаты краев полосы пропускания. Далее , используя это значение определить полосу пропускания контура (В появившемся диалоговом окне ввести значение и нажать на клавиши Left и Right несколько раз). Сохранить полученный график в отчете.
Рисунок 7 — резонансную частоту контура (по максимуму)
Подсчитать добротность Q колебательного контура по графику:
Где f0 — резонансная частота;
Дf0.707 — полоса пропускания контура по уровню 0.707.
Подсчитать добротность и резонансную частоту колебательного контура по номиналам элементов и сравнить со значениями, полученными в предыдущем пункте:
Результаты вычислений вместе с формулами занести в отчет.
Дельта х = 440. (18000-17560=440)
Используя режим Stepping построить семейство из пяти АЧХ в зависимости от сопротивления резистора R1, аналогично рисунку 1.6. Необходимо пометить кривые соответствующими подписями. При вводе данных в диалоговое окно Stepping обязательно нужно указывать соответствующие приставки (см. таблицу 2). Полученный график сохранить в отчет.
Рисунок 8 — Семейство АЧХ в зависимости от сопротивления резистора R1.
Аналогично п.17 построить семейство АЧХ в зависимости от емкости С1 и индуктивности L1. Параметры режима Stepping выбирают так, чтобы максимумы всех кривых были видны на экране. Графики также помещаются в отчет.
Рисунок 9 — Семейство АЧХ в зависимости от сопротивления резистора С1.
Рисунок 10 — Семейство АЧХ в зависимости от сопротивления резистора L1.
Выключить режим Stepping. Для построения фазо-частотной характеристики в диалоговом окне AC Analysis Limits вторую строку таблицы приводят в полное соответствие с первой, в колонку «P» вводят 2 — т.е. второй график, в колонку «Y Expression» вводят PH(V(OUT)) — т.е. фаза выходного напряжения. (см. рисунок 11)
Как построить ачх в микрокапе
При самостоятельной сборке усилителя мощности первый вопрос, который появляется это "КАКУЮ СХЕМУ ВЫБРАТЬ?" . Собрать для самостоятельной проверки все, даже самые популярные схемы не реально — слишком дорого, да и времени для этого потребуется не мало. Поэтому и предлагается не спаять, а смоделировать самые популярные усилители и уже на основе данных, полученных от результатов моделировани делать выводы, на каком именно усилителе остановить свой выбор.
Ну а использование предлагаемого комплекта плат позволит не только собрать но и попробовать варианты которые вызвали колебание при выборе.
МИКРОКАП 8
ЗНАКОМСТВО
В качестве симулятора будет использоваться МИКРО-КАП-8, который лучше скачать ЗДЕСЬ, поскольку он дополнен всеми упоминаемыми в статье моделями.
Архив следует распаковать по адресу: C:\Program Files. В этом случае не придется переназначать библиотеки с элементами. Внутри распакованной папки получится несколько рабочих файлов самого симулятора и две папки — DATA, в которой хранятся модели схем и LIBRARY, в которой хранятся модели компонентов. Для имеющегося в этой же папке файла 
лучше сделать ярлык на рабочем столе.
Для дальнейшей работы лучше провести небольшую разминку и немного ближе познакомиться с симулятором и его возможностями. Для этого следует запустить МС-8 и немного ознакомиться с имеющимися кнопками управления. Пожалуй сразу следует оговориться — самым подробным образом данный симулятор изучаться не будет, поскольку это займет объем книги, но ни как не статьи. Поэтому описание будет дано далеко не всем имеющимся кнопкам и функциям, а только используемым в данных примерах. По мере продвижения к финалу будут даваться подсказки и примеры возможных способов получения некоторых промежуточных данных.
ПЕРВАЯ СХЕМА И ПЕРВИЧНЫЙ АНАЛИЗ
Далее следует открыть файл с первым примером:
На открывшейся схеме три базовых варианта включения транзистора, но схема "наляпистая", поскольку рисовалась на скорую руку и ее нужно немного окультурить. Для этого нажимаем следующее:
В этом случае на новом диалогом окне следует выбрать как вам удобней нумерация элементов — сверху-вниз или слева-направо. Для согласование описание и результатов полученных Вами следует выбрать переименование СВЕРХУ-ВНИЗ и нажать ОК .
Ну а теперь можно немного посмотреть как собственно эти транзисторы работают. В первую очередь следует проверять режимы по постоянному току, поскольку если транзисторы не будут находиться в рабочих режимах дальнейшие проверки бессмысленны — схема работать не будет. Для этого нажимаем:
Появляется следующее диалоговое окно:
Здесь предлагается выбрать отображаемые величины, в данном случае будут отображатся ТЕКСТ, НОМИНАЛЫ И ПОРЯДКОВЫЕ НОМЕРА ЭЛЕМЕНТОВ, НАПРЯЖЕНИЯ В ТОЧКАХ СОЕДИНЕНИЯ, можно включить отображение порядковых номеров соединительных точек, протекающих токов, рассеиваемых мощностей, логическое состояние и соединительные точки. Все это будет просчитано для температуры элементов 27 град Цельсия. Последним окошком является шаг погрешности. Можно конечно уменьшить, но это только займет больше времени на расчеты, без какой либо практической пользы. Если в предлагаемом меню все устраивает следует нажать кнопку ОК. Должна получится следующая схема:
В самом верху схема с общим коллектором, ниже — с общим эмиттером, ну и в самом низу — с общей базой . Как видно из схемы питание составляет 20 В, на левой стороне разделительных конденсаторов С4-С6 примерно половина напряжения питания, т.е. транзисторы находятся в оптимальном режиме работы. В качестве источника V1 используется генератор синусоидального сигнала из библиотеки:
Теперь можно воспользоваться чем то похожим на осциллограф, т.е. произвести анализ получившейся схемы:
Экран разделился на две части — в правой находится схема, а в левой — пустой экран, а возле курсора, если водить его по схеме появился значок V( ) .Теперь, если навести курсор на интересующую точку в левом окне появится график, соответствующий форме, амплитуде и длительности напряжения в этой точке, т.е. по сути тоже самое, что показывает обычный осциллограф. Для начала стоит попробовать верхний вывод генератора синусоидального сигнала:
На рисунке видно, что "осциллограмма" совсем не похожа на предполагаемую синусоиду. И не будет. У нас поставлена частота 200 Гц, а "развертка" данного "осциллографа" по умолчанию — 1мкС, следовательно это лишь фрагмент искомой синусоиды. Для того, чтобы поменять "развертку" следует воспользоваться соответствующим переключателем, определяющим время расчета параметров:
В меню которого необходимо выбрать желаемое время отображения, т.е. " развертку ":
Теперь получилась синусоида, правда несколько угловатая, тем не менее на основании ее вида уже можно делать некоторые выводы о форме сигнала. Разумеется, что вид синусоиды можно изменить — сделать более качественным, но это не принципиально — для оценки искажений сигнала есть более точные средства.
Нажимая повторно на верхний вывод генератора выключается изображение и теперь можно проверить что происходит на выходах однокаскадных транзисторных усилителей OUT1-OUT3. Для этого по порядку подводим курсор к точкам OUT и нажимаем левую кнопку мышки. В результате в окне "осциллографа" появляется следующие "осциллограммы":
Синий "луч" — OUT1 , красный — OUT2 , зеленый — OUT3 . Как видно из рисунка наиболее приемлемы является сигнал с OUT1 и это не случайно — транзистор Q1 работает по схеме с общим коллектором, т.е. в режиме эмиттерного повторителя и изменений в амплитуду сигнала не вносит, поскольку усиливается только ток, т.е. увеличивается нагрузочная способность. Для выяснения истинного, не искаженного выходного сигнала следует уменьшить выходное напряжение генератора. Для этого следует щелкнуть дважды по изображению генератора и изменить амплитуду выходного напряжения. Кстати сказать — МИКРОКАП измеряет и показывает АМПЛИТУДНОЕ значение синусоидального напряжения, следовательно для вычисления ДЕЙСТВУЮЩЕГО значения необходимо получаемые величины делить на 1,414.
После уменьшения амплитуды напряжения с генератора с 1 В до 0,01 В, т.е. в 100 раз еще раз проверяем напряжения на выходах однокаскадников:
На рисунке по прежнему синяя линия OUT1 , красная — OUT2 , а зеленая — OUT3 . Как видно амплитуда синей линии практически нулевая, по сравнению с красной и зеленой, из этого можно сделать вывод, что максимальное усиление амплитуды происходит в однокаскадном усилителе по схеме с общим эмиттером. Однако учебники по электронике доказывают, что как раз максимальное усиление напряжения дает схема с общей базой. Однако данный опыт не ставит под вопрос правдивость учебников, а лишь лишний раз доказывает, что в электронике имеются некоторые условности позволяющие называть каскады так или иначе, хотя в чистом виде как в учебника эти каскады не выглядят, ведь классический каскад выглядит несколько иначе:
Модель данного каскада не выкладывается, а предлагается самостоятельно нарисовать данную схему и подбором резисторов и напряжения смещения V1 добиться максимального усиления.
Теперь можно попробовать снять характеристики полученных усилителей. Первой следует попробовать амплитудо-частотную. Для этого следует через меню АНАЛИЗ выбрать пункт ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ:
Далее настраиваем окно расчетов до получения следующего вида:
После настройки следует нажать ВЫПОЛНИТЬ, т.е. RUN. в итоге получается три графика АЧХ, поскольку были заданы параметры для трех точек:
Рисунок обрезан — линии почти ровные до 20 кГц, а самое главное здесь видно. Из рисунка можно сделать вывод, что самый верхний транзистор имеет отрицательный коф. усиления, второй практически 49 дБ, ну а самый нижний порядка 25 дБ.
У МИКРОКАП есть один, довольно существенный плюс — ведя курсор по линии он показывает точное значение параметров именно в той точке, над которой сейчас находится курсор, т.е. для более точных измерений не нужно зауживать диапазоны.
Осталось выяснить еще один параметр, важный для усилителей — уровень искажений. .
Для простоты вывода результатов лучше немного подкорректировать предлагаемое по умолчанию заполнение:
Прежде всего стоит определиться на какой частоте производить замеры. Обычно двух-трех базовых частот достаточно, поэтому лучше использовать кратные частоты — предлагаемые 10 кГц, т.е. использовать 5 кГц, 2,5 кГц, 20 кГц. Для ввода частоты служит самое верхнее окошко ввода.
Ниже его находится окошко выбора источника, V2 как раз используется как источник сигнала для исследуемой схемы.
Еще ниже окно, в котором выставляется амплитуда входного сигнала. Еще раз — АМПЛИТУДА, но не действующее значение.
Еще ниже — окошко, в котором указывается на какой точке схемы исследовать искажения, затем — температура при которой производить "замер", еще ниже — в течении какого количества периодов следить за уровнем искажений.
Ниже — величина шага времени расчетов. Для звуковой техники этот параметр можно не трогать.
Далее выбираются результаты "замеров", для скрупулезного анализа лучше пользоваться первыми двумя, но это уже для более профессионального использования, поэтому лучше воспользоваться уже суммированной величиной всех искажений и использовать окошко с THD.
В самом нижнем окошке можно ни чего не ставить, но все же лучше им пользоваться — благодаря наглядному изображению выходного сигнала можно судить об амплитуде и соответственно определить не вошел ли усилитель в режим клиппинга.
Координатные сетки X и Y лучше вставить в режим автоматического масштабирования.
После всех манипуляций диалоговое окошко приобретет вид:
Другими словами заданы следующие параметры: частота входного сигнала 10 кГц от источника V2 с амплитудой 10 мВ. Контролировать сигнал в точке OUT2, т.е. на выходе каскада с общим эмиттером при температуре схемы 27 град в течении 5 циклов изменения входного сигнала с шагом времени 0,1 мкС и вывести на экран уровень THD и рисунок выходного сигнала, причем сделать это с автоматическим масштабированием обоих координат.
После нажатия кнопки RUN происходит просчет параметров исследуемой схемы и выдача результатов:
На экране появится следующий рисунок, который означает, что THD немного не дотягивает до 4,8 %, впрочем это даже видно на глаз — верхняя полуволна сигнала явно "притуплена" и это происходит при амплитуде переменной составляющей несколько больше 2-х вольт. В принципе для такого усилителя это вполне терпимые параметры, поскольку при более низком выходном напряжении искажения значительно меньше (уменьшите входное настолько, чтобы на выходе получилась амплитуда 1, а затем 0,5 В).
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ И ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ
Для проверки примеров из этого раздела потребуется скачать еще один архив и распаковать его в папку DATA .
Закон Ома проверяться не будет, хотя если кому то интересно, то это он уже может проделать самостоятельно.
Для начала рассмотрим схему параметрического стабилизатора напряжения, приведенного на рисунке ниже, модель experim01.CIR в папке Experimental СКАЧАТЬ.
Схема довольно проста и должна быть знакома многим. В данном примере в качестве вторичной обмотки трансформатора используется генератор синусоидального сигнала V1. Диодный мост на популярных не дифицитных диодах, да и остальные элементы не должны вызывать затруднений в опознании. В качестве нагрузки выступает R2.
После запуска РАСЧЕТ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ значения появляются, но вот они сильно отличаются от ожидаемых:
Модель генератора "вырабатывает" 30 В с частотой 50 Гц, однако после диодного моста ни каких 30 В нет. Но если вдуматься, то их и быть не может — генератор вырабатывает синусоиду в реальном времени и напряжение на нем постоянно меняется, т.е. является динамической величиной, следовательно для анализа данной схемы требуется не РАСЧЕТ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ, а ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ и запустив этот режим устанавливается "развертка" в 40m и выбираем проводник идущий на коллектор Q2.
На появившейся "осциллограмме" видно, но напряжение на коллекторе Q2 все таки есть, оно близко по значению к тому, что вырабатывает генератор, а так же отчетливо видна амплитуда пульсаций этого напряжения, связанная с тем, что емкость конденсатора С1 несколько меньше необходимого для данной схемы.
Так же стоит обратить внимание на то, что кнопки управления режимов отображения протекающих токов, напряжений и выделяемых мощностей активны и при их использовании появляются усредненные значения выбранных режимов.
Для эксперимента уменьшите номинал резистора R2 до 10 Ом и снова запустите ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ и теперь проверте "осциллограмму" на эмиттере Q2.
Как видно из рисунка на выходном напряжении появились явные провалы. Их источник найти довольно просто — достаточно "посмотреть" форму напряжения на коллекторе Q2 и станет ясно, что емкости конденсатора явно не хватает:
Нажав кнопку отображения рассеиваемой мощности станет ясно, что потребляемой мощности 18 Вт емкости конденсаторов следует увеличить.
Используя подобные схемы можно вычислять минимальную достаточность конденсаторов фильтров питания в источниках питания и уже потом не гадать по какой причине устройство работает не совсем так как хотелось и не перекраивать печатные платы добавляя конденсаторов. Так же можно определить сколько ватт будет рассеиваться на силовом транзисторе и уже на основании этого делать выводы о необходимом размере теплоотвода.
Следующим примером для экспериментов возьмем модель experim02.CIR .
По сути это компенсационный стабилизатор напряжения и изменен "трансформатор", который теперь имитирует источник постоянного напряжения V2, а генератор V1 имитирует напряжение пульсаций.
В отличии от предыдущего варианта этот стабилизатор уже может менять свое выходное напряжение и регулирующим является сопротивление резистора R4.
В этом варианте РАСЧЕТ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ уже работает вполне адекватно, поэтому запустив его можно изменять сопротивление R4 и проверить как изменяется напряжение.
Кроме штатных подсказок, выплывающих во время запуска РАСЧЕТА ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ можно использовать и некоторые элементы, позволяющие орентироваться в измеряемых величинах более традиционным способом, а именно используя измерительные приборы, светодиодные шкалы и отдельные светодиоды, а так же еще несколько элементов из меню ANIMATED.
Для начала добавим вольтметр
Сразу после установки METER на схему появляется диалоговое окно для выбора парметров этот "измерителя":
LOW — минимальное значение измеряемой величины, работоспособно только при AUTOSCALE=OFF
HIGH — максимальное значение измеряемой величины, работоспособно только при AUTOSCALE=OFF
SCALE — используемый множитель, например кило, микро и т.д.
AUTOSCALE — автоматическое изменение пределов измерения, положение ON удобней использовать при ANALOG OR DIGITAL=DIGITAL, т.е. цифровой. Положение OFF удобней при использовании ANALOG OR DIGITAL=ANALOG, т.е. аналоговый, стрелочный
ANALOG OR DIGITAL — переключатель вида "метера" — цифровой или стрелочный
AMPS OR VOLTS — измеряемая величина, амперы или вольты
После установки и выбора режимов работы (на рисунке выбран цифровой вид) получившийся вольтметр следует подключить к схеме
Однако показания вольтметра не изменились и не изменяться пока не будет запущен анализ схемы — РАСЧЕТ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ или ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ.
Таким же образом добавляется амперметр
Для большей наглядности кнопка отображением напряжения была отключена
В принципе эту схему можно оснастить довольно многими индикаторами:
Что то вроде светодиодного индикатора уровня, после установки на схему появляется окно выбора параметров:
LOW — минимальное значение индицируемого напряжения
HIGH — максимальное значение индицируемого напряжения
В качестве нагрузки используем двигатель:
После установки выставляются параметры:
Через меню ПРАВКА произведите перенумерацию элементов СВЕРХУ-ВНИЗ и в результате должна получиться следующая схема:
Изменяя R3 измените выходное напряжение данного стабилизатора, а за одно и проверьте работоспособность используемой измерительной аппаратуры.
Разумеется, что подобные схемы уже вряд ли кто будет собирать, поскольку КРЕНки серьезно потеснили дискретные стабилизаторы. Однако на этих примерах можно выяснить несколько довольно полезных вещей, а именно номиналы конденсаторов фильтров питания, а так же тепловую мощность на регулирующем элементе, ведь выделяемое тепло одинаково хоть для КРЕНки, хоть для дискретного транзистора.
Следующей схемой можно рассмотреть усилитель для наушников, состоящий из ОУ и двух эмиттерных повторителей на комплементарных парах. Модель данного усилителя experim03.CIR .
Чего то особенного в даном усилителе нет — однополярное питание, средняя точка формирутеся делителем напряжения на R1 и R2. Не смотря на видимою простоту хараткеритики данного усилителя для наушников вполне приемлемые, но могут быть улучшены переводом данной схемы на двуполярный источник питания. Это предлагается проделать самостоятельно и получить в финале ниже приведенную схему:
Качество схемы оставляет желать лучшего — потекла краска с принтера и некоторые номиналы придется подбирать самостоятельно. Остался только график THD:
Осталось попробовать заменить конденсатор С3 не полярным электролитом, т.е. конденсатором, собранным из двух элетролитических:
При РАСЧЕТЕ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ симуляция проиходит корректно, а вот после запуска ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ на экране монитора появляется далеко не дружелюбное окошко:
Если перевести по смыслу, то это означает, что в схеме ошибка — у одно из элементов не гальванической связи с землей, а чуть ниже указывается какой именно элемент висит, по мнению МИКРОКАП, в воздухе. В данном случае это конденсатор С3 и после нажатия кнопки ОК данный элемент выделяется.
Эту ситуацию можно отнести к специфике расчетов МИКРОКАП и для решения данной проблемы нужно "висящий" в воздухе вывод конденсатора соединить с общим проводом, но просто так, а через много киллоомный резистор:
После этого "изменрения производяться обычными способами, а введеный резистор R13 на плату, РЕАЛЬНУЮ плату не переносится
ПОЛНОЦЕННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ
И БОЛЕЕ ПОДРОБНЫЙ АНАЛИЗ
С однокаскадным усилителем разобрались, с простым усилителем тоже, можно попробовать что ни будь посерьезней. Поэтому закрываем все открытые схемы и открываем другую — Shema02.CIR из папки SHEMS.
На экране появляется довольно старая схема автомобильного усилителя мощности на транзисторах:
На схеме выделено желтым — модель акустической системы с частой резонанса порядка 40 Гц и активным сопротивлением 4 Ома. Если планируется часто моделировать усилители, то модель АС лучше сохранить отдельным файлом и потом просто вставлять. Так гораздо быстрей, чем каждый раз рисовать новую. Однако и эта модель не совсем корректная — в реальной АС как правило 2-3 динамические головки + фильтры. При желании, уже самостоятельно можете разработать такую модель, однако предлагаемый вариант дает более точные расчеты по сравнения с обычно используемым резистором на 4 Ома и его вполне можно использовать для расчетов, давая поправку на то, что ЭТО широкополосная динамическая головка.
С3 выполняет роль разделительного конденсатора, а вот следующая за ним надпись OUT обозначает, что это ВЫХОД. Подобные надписи удобно расставлять в контрольных точках, которые наиболее интересны, т.е. ТОЧКЕ присваивается собственное имя и во время снятия характеристики именами намного проще пользоваться. Подобная контрольная точка выполняется нажатием кнопки ввода текста в подменю примитивов:
:
В данном случае интерес представляет ВЫХОД, соответственно набираем слово OUT, а затем полученное слово выделяется курсором и переносится вплотную к тому проводнику, за которым планируется осуществлять контроль.
Еще один маленький нюанс, который следует отметить — при "сборке" схемы — МИКРОКАП крайне редко пишет типы активных компонентов, т.е. по умолчанию проставляются номиналы только резисторов и конденсаторов. Однако это удобно далеко не во всех случаях. Для отображения типа элемента на схеме необходимо дважды щелкнуть левой кнопкой мышки по интересующему компоненту и в открывшимся окне параметров поставить галочку отображения типа компонента:
Теперь собственно можно приступить к снятию параметров. Первым лучше всего проверить величины постоянного напряжения, для этого нажимается:
Выплывает диалоговое окно, предлагающее выбрать что именно отображать и температурный режим. Предлагаемые параметры по умолчанию вполне приемлемы, поэтому просто следует нажать кнопку ОК. После этого схема "обрастает" дополнительными значениями, показывающими какое постоянное напряжение в какой точке:
На панели управления отображением нажата кнопка индикации напряжения, поскольку в диалоговом окне, всплывающем после нажатия РАСЧЕТ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ, изменений не было внесено, а была просто нажата кнопка ОК.
Как видно из карты напряжений в точке соединения эмиттеров Q3 и Q4 получилась половина напряжения питания, т.е. условие средней точки для минимальных искажений для усилителей с однополярным питанием выполнено. Немного "поигравшись" номиналом резистора R4 можно наблюдать как изменяется величина напряжения на эмиттерах Q3 и Q4.
Следующим не маловажным параметром для получения минимальных искажений является ток покоя, причем на параметры усилителя влияет не только ток покоя оконечного каскада, но и токи покоя остальных транзисторов. Просто при недостаточном токе покоя оконечного каскада искажения уже явно прослушиваются в виде ступеньки при переходе синусоиды через ноль.
Для контроля за протекающим через элементы схемы тока необходимо "отжать" кнопку отображения напряжения и "нажать" кнопку отображения тока:
Получившийся рисунок приводится уже не будет — вы его видите в окне симулятора и на нем видно какой ток протекает по какому проводнику и каждому элементу.
Далее проверяется рассеиваемое элементами тепло, для этого "отжимается" кнопка отображения тока и "нажимается" кнопка отображения рассеиваемой мощности:
Теперь возле каждого элемента появилась надпись, означающая сколько мощности рассеивает каждый элемент и на основании этого уже можно делать вывод до какой температуры и как быстро элементы будут нагреваться. Для сравнения просто используйте аналог — свой паяльник, нагревающийся до 300 с небольшим градусов на 3-4 минуты. Однако габариты паяльника значительно больше, чем используемые компоненты и даже паяльник на 15 Вт при своих габаритах позволяет паять контактные площадки мощных транзисторов. А учитывая, что скорость нагрева компонентов будет гораздо большей, чем у паяльника, следовательно элементы могут выйти из строя гораздо быстрей по причине теплового пробоя. Поэтому при рассеиваемой мощности свыше указанной для каждого элемента в справочной литературе следует иметь ввиду, что элемент может выйти из строя именно из за перегрева. Некоторые элементы. например транзисторы в корпусах ТО-126 и ТО-220 способны рассеивать довольно большую мощность, но для этого им необходимы теплоотводы. Корпуса подобных элементов имеют технологические приспособления для крепления на теплоотводы. В данном примере это шлифованные поверхности на корпусе транзистора и отверстия, позволяющие при помощи винтов или саморезов прикручивать корпуса транзисторов к теплоотводам.
Однако из видимых в окне МИКРОКАПА значений следует, что при условии протекания постоянного тока, т.е. БЕЗ входного сигнала тепла на элементах выделяется сравнительно не много, поэтому радиаторы (теплоотводы) ПОКА не нужны ни одному элементу и можно переходить к следующему измерению.
В качестве следующего теста можно проверить напряжения уже при "осциллографа". Для этого следует перейти в режим:
Окно разделилось на два и теперь наведя курсор на проводник или элементов в правом окне и нажав левую кнопку мыши в левой половине экрана будет отображаться напряжение в этом проводнике или же напряжение падения, если это пассивный элемент (резистор, конденсатор, диод).
Для начала следует посмотреть, что собственно выходит с генератора:
Это означает, что амплитуда входного сигнала составляет 0,4 В, а период 5 мС, т.е. переведя в Гц получаем 1 / 0,005 = 200 Гц . Если закрыть окно проверки переходных процессов и дважды щелкнуть по генератору, то будет видно, что действительно параметры генератора отличаются от тех, которые программа предлагает по умолчанию — вместо 60 Гц с амплитудой 169,7 В на генераторе выставлена амплитуда 0,4 В и частота 200 Гц. Кроме этого, вернувшись в окно проверки переходных процессов и проверив время просчета убедиться, что оно тоже изменено с предлагаемой программой 1 мкС на 20мС.
Теперь можно организовать небольшую экскурсию по схеме. Для ее начала необходимо нажать курсором на базу Q2.
Как видно из полученной "осциллограммы" 12 мС (отмечено красными вертикальными линиями) кроме входного сигнала на базе присутствует изменение постоянной составляющей — верхушка сигнала "сползает" вниз. Это переходные процессы возникающие в момент включения из за зарядка конденсатора С2. Страшного в этом ни чего нет, просто для себя необходимо сделать отметку, что в момент включения усилителя в динамиках будет щелчок.
Далее щелкаем курсором в точку соединения эмиттеров Q3-Q4.
На "осциллограмме" появилась красная линия с этой точки, причем масштаб изменился и сигнал на базе Q2 практически не виден. Немного исправить эту ситуацию позволит нажатие кнопки задачи параметров отображения
Далее появляется диалоговое окно задачи параметров. Необходимо перейти на вторую вкладку и снять флажок автоматического масштаба
Далее необходимо вручную определить минимальную и максимальную величины отображаемого напряжения, причем сделать это для ОБОИХ "лучей" данного осциллографа
Как видно из дальнейшего рисунка вид "осциллограммы" изменился — она стала более подробной. Конечно не настолько, что стало отчетливо видно сигнал на базе Q2, тем не менее уже можно понять, что рассматриваемый усилитель инвертирующий — сигнал на выходе находится в противофазе входного сигнала.
Далее повторно щелкаем на базу Q2 и на проводник от эмиттеров Q3-Q4, для того, чтобы "отключить щупы осциллографа" от этих точек.
Следующими точками для экскурсии возьмем выход генератора и коллектор Q2.
Синий луч — выход генератора, а красный — коллектор Q2 . Как видно сигнал сменил фазу на 180 градусов и довольно сильно увеличился в амплитуде. По сути именно этот каскад и осуществляет усиление сигнала. Для того, чтобы убедится в истинности данного утверждения достаточно проверить сигналы на выходах следующих каскадов:
Здесь добавлены зеленая линия с эмиттера Q1 и розовая линия с эмиттера Q3. Как видно амплитуда уже не увеличивается, а скорей наоборот — уменьшается.
Другими словами данный усилитель содержит всего один каскад усиления по напряжению, выполненный на транзисторе Q2 , причем сигнал инвертируется. Остальные каскады необходимы для усиления тока, т.е. увеличения нагрузочной способности и возможности работать на низкоомную нагрузку.
На экране сейчас отображается 4 контролируемые точки, для их выключения можно повторно "пощелкать" в тех узлах, которые они отображают, но для этого потребуется 4 нажатия, а для очистки "экрана осциллографа" можно воспользоваться более быстрым способом — закрыть и открыть повторно окно исследования переходных процессов. В данном случае будет на одно нажатие меньше, да и целится не надо, вспоминая откуда брался тот или иной "луч". Ну а если отображается более 4 контролируемых точек, то повторное открытие этого окна уже гораздо быстрее, чем повторный "щелчок" по контролируемой точке.
После повторного запуска анализа переходных процессов можно поговорить о назначении конденсаторов С1 и С5. Для наглядности необходимо "щелкнуть" по эмиттеру Q3, а затем в точку соединения С1-R1, и следом по коллектору Q3. На экране появилось 3 "осциллограммы".
На получившимся рисунке синяя линия — напряжение на эмиттере Q3, красная — в точке соединения С1 и R1, а зеленая — напряжение питания. Как видно из рисунка напряжение на коллекторе Q1 превышает напряжение питания, позволяя транзистору формировать на своем эмиттере величину достаточную для ввода транзистора Q3 в насыщение. Кроме этого увеличивается амплитуда выходного напряжения на коллекторе Q2 — она больше напряжения питания — щелкните на коллектор Q2 и убедитесь в этом самостоятельно. Таким образом конденсатор С1 за счет своего постоянного перезаряда выходным напряжением усилителя позволяет получить амплитуду большую напряжения питания, что в итоге приводит к существенному увеличению КПД усилителя, что для автомобильной аудиотехники всегда было весьма актуально. Для этих же целей служит и конденсатор С5, только он увеличивает величину "отрицательного" напряжения, т.е. напряжение становиться ниже минусового (общего) провода источника питания.
Здесь синяя линия — по прежнему эмиттер Q3, красная — коллектор Q5, а зеленая — общий провод. Таким образом конденсаторы С1 и С5 осуществляют вольтодобавку, позволяющую существенно увеличить КПД усилителя. Для большей наглядности удалите эти конденсаторы и проверьте форму и амплитуду напряжения на коллекторе Q3.
Теперь немного об искажениях. Для начала можно проверить частотный диапазон:
Видно, что есть небольшой завал в области НЧ, но он на частоте 20 Гц составляет всего — 4 дБ при общем коф. усиления 20 дБ, что для такого простого усилителя вполне приемлемо. Усилитель охвачен ООС, определяющий коф. усиления данного усилителя. Для определения элементов используемых в ООС и их номиналов попробуйте самостоятельно их найти, если они явно не бросились в глаза, и изменяя -возвращая каждый номинал резисторов попробуйте добиться коф. усиления 26 дБ.
Далее можно проверить искажения:
THD около 1%, что для максимальной амплитуды тоже вполне приемлемо. В небольших пределах на эту величину можно повлиять изменением тока покоя оконечного каскада, на который влияют D1, D2, R7. Ради интереса, оперируя этими деталями попробуйте добиться искажений (классическая ступенька) на выходе усилителя:
Поскольку С1, С2, С3 и С5 имеет довольно большую емкость, то это подразумевает использование электролитических конденсаторов, а они имеют полярность и максимальное напряжение. Эти ньансы тоже можно выяснить при помощи МИКРОКАП. Для выяснения полярности достаточно "щелкнуть" по выводам конденсаторов. Сначала левый вывод С2, затем правый
Напряжение справа больше, следовательно вывод конденсатора с надписью "+" должен быть подключен к базе Q2.Велична приложенного напряжения к обкладкам конденсатора всего около 0,6 В, следовательно подойдет практически любой конденсатор, даже на 6,3 В.
Далее туже операцию следует проделать с С1 и получить следующее изображение
Теперь напряжение слева больше чем справа, следовательно "+" на коллектор Q1, а величина приложенного напряжения порядка 6 В, следовательно нужен конденсатор на 16 В. Полярность С5 уже сможете определить самостоятельно, а вот о С3 заслуживает отдельного внимания.
"Щелкнув" сначала слева, а затем справа по обкладкам конденсатора С3 получаем следующую картинку
Определить полярность труда не составит, а вот с рабочим напряжением можно наступить на грабли. С одной стороны разница напряжений всего 7 В и казалось бы, что конденсаторы на 10 В можно использовать ( что собственно и было одно время на Китайских автомобильных балалайках). Однако данное напряжение может изменяться. В этом конкретном случае используется конденсатор на 2200 мкФ, однако самый популярный номинал для подобных усилителей 470 мкФ. Поэтому замените номинал С3 на 470 мкФ ( если еще не догадались, то в данном симуляторе вместо МЮ, обозначающее множитель "микро" используется сходный по написанию символ "u" ). Для большей убедительности следует уменьшить сопротивление R6 до 2-х Ом. Теперь снова следует проверить напряжения на обкладках.
Как видно из рисунка разница напряжений на обкладках заметно выросла, особенно на положительной полуволне сигнала и теперь уже составляет 9 В. Из этого следует сделать следующие выводы:
конденсаторы на 10 В для этих целей не пригодны, поскольку при уменьшении нагрузки они успевают заряжаться полностью или близко к этому;
Слишком маленькая величина емкости проходного конденсатора С3 вносит не только увеличения завала АЧХ на низких частотах, но и приводит к увеличению искажений.
13. Частотный анализ в MicroCap на примере фильтров первого и второго порядка. Лачх, фчх, групповая задержка.
Выбираем источник синусоидального сигнала, ставим на рабочее поле, делаем настройку. Здесь мы должны выбрать модель нашего генератора из меню справа, которое показано на рисунке 2 – в нашем случае модель обозначена как 60HZ.
Внизу можно изменить параметры модели – нас больше всего интересует амплитуда (А) (меняем на 1 Вольт) и частота (F) – её оставляем 60 Гц. Хотя для частотного анализа частота синусоидального генератора не имеет значения, на анализ она влияния не оказывает, главное чтобы источник был на входе схемы.
Рисунок 2 – Окно параметров источника синусоидального сигнала
Остальная часть схемы не вызывает вопросов, собрав её, называем выход ОУ как out и запускаем наш частотный анализ – Analysis → AC. Frequency Range – диапазон частот, которые мы хотим исследовать. Поскольку у нас фильтр верхних частот, мы хотим видеть, как обрезаются нижние частоты, поэтому нижняя граница у нас будет 0,001 Гц, верхнюю ставим 1 кГц. В графе сначала заполняют максимальную частоту, а после минимальную через запятую. В нашем случае: «1k,0.001».
Рисунок– Настройка параметров частотного анализа
Все остальное, как и в анализе переходных процессов. Только здесь выражением по оси X (X Expression) будет частота (F), а выражением по оси Y (Y Expression) – АЧХ фильтра db(v(out)) и его ФЧХ ph(v(out)).
· X Range – масштаб по оси X ставим по границам нашего диапазона исследуемых частот FMAX, FMIN
· Y Range – масштаб по оси Y – AutoAlways для автоматического масштабирования. Запускаем анализ, убеждаемся, что графики получились именно такими, какими они должны быть.
Частоту среза определяют из соотношения:
где f – частота в Герцах, C – емкость в Фарадах, R – сопротивление в Омах.
Рисунок – Частотные характеристики фильтра верхних частот
Для проведения расчетов в меню Analysis выбирают один из видов анализа:
1. Transient (или Alt+1) – расчет переходных процессов.
2. AC (или Alt+2) – расчет частотных характеристик.
3. DC (или Alt+3) – расчет передаточных функций по постоянному току (при вариации постоянной составляющей одного или двух источников сигналов, вариации температуры или параметров моделей компонентов).
4. Dynamic DC (или Alt+4) – расчет режима по постоянному току в динамическом режиме и отображение на схеме в реальном времени узловых потенциалов, токов ветвей и рассеиваемой мощности.
5. Transfer Function (или Alt+5) – расчет малосигнальных передаточных функций в режиме по постоянному току.
6. Sensitivity (или Alt+6) – расчет чувствительности режима по постоянному току.
Построение частотных характеристик (ЛАЧХ и ЛФЧХ)
Входим в режим Analisys→AC, после чего задаем параметры моделирования (рис. 15). Параметры моделирования заданы для расчёта коэффициента усиления напряжения КU и сквозного коэффициента усиления напряжения КE в дБ и в относительных единицах.
Run – начать моделирование.
Add – добавления еще одной строки для построения большего числа графиков.
Stepping – задание вариации параметров элемента схемы (в данном случае не требуется).
Числовые параметры моделирования:
Frequency Range – задание диапазона частот, в котором будет проводиться анализ по маске: Fmax, Fmin. Диапазон обычно берется таким, чтобы на его границах фаза устанавливалась в стационарные значения, кратные 90 градусов (т.е. на границах фаза не должна ни расти, ни убывать). Temperature устанавливается температуру анализа. Опция “Auto Scale Ranges” устанавливается для автоматического масштабирования графиков по осям. Если эта опция выключена, то принимаются масштабы, указанные в графах X Range, Y Range.
X Expression – пишется аргумент по оси абсцисс (в АС – анализе по умолчанию это частота F).
Y Expression – задается выражение по оси ординат. Это может быть простое выражение типа тока ветви или напряжения в узле, а может быть и сложное выражение, включающее функции, аргументами которых являются другие функции или выражения.
В примере на графике №1 использована функция dB для расчёта коэффициент усиления по напряжению схемы, выраженного в децибелах. На третьем графике для построения фазочастотной характеристики используется функция ph.
Построенные графики логарифмической амплитудно-частотной характеристик (ЛАЧХ) и логарифмической фазо-частотной характеристик (ЛФЧХ) позволяют определить усиление схемы, полосу пропускания, неравномерность АЧХ в этой полосе, сдвиг сигнала по фазе на определенной частоте, устойчивость системы. В приведённом примере усиление сигнала источника (сквозной коэффициент усиления КЕ) составляет 20 дБ на частоте 10 кГц, полоса пропускания равна 1,05 МГц, отклонение фазы от идеальной характеристики составляет +35 градусов на частоте 100 Гц и до -7 градусов на частоте 100 кГц. Также можно оценить запасы устойчивости по усилению и по фазе. Задача обеспечения устойчивой работы усилителя является такой же важной, как обеспечение необходимой стабильности коэффициента усиления в полосе рабочих частот, как обеспечение низкого уровня нелинейных искажений.
Очень часто при расчете цифровых фильтров ставится задача обеспечить постоянную групповую задержку или линейную фазочастотную характеристику (ФЧХ).
Смысл групповой задержки можно пояснить следующим образом. Отклик физически реализуемого фильтра всегда возникает не раньше воздействия, при этом фильтр задерживает входной сигнал при фильтрации на некоторое время. При этом если подавать на фильтр сигналы разной частоты, то сигнал на выходе одного и того же фильтра могут быть задержаны на разное время. Эта задержка выражается в сдвиге фазы сигнала на выходе относительно сигнала на входе. Групповая задержка при этом характеризует изменение временного сдвига сигнала, который получается в результате фазового сдвига.
Основы проектирования и моделирования радиоэлектронных устройств в среде MICRO-CAP VIII , страница 12
4. Какие характеристики схемы могут быть получены в режиме DC?
5. Возможен ли DC анализ для нелинейных схем?
6. Как следует подготовить схему для анализа в режиме DC?
7. Как учитываются свойства емкостей и индуктивностей схемы при DC анализе?
8. Для чего используется режим Probe?
9. Как выделить фрагмент графика для рассмотрения в увеличенном масштабе?
10. Каков смысл опции Stepping? Для чего его можно использовать?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3
АНАЛИЗ ЧАСТОТНЫХ И ПЕРЕХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПАССИВНЫХ И АКТИВНЫХ СХЕМ
3.1. Краткие теоретические сведения
При аналитическом описании электронных цепей широко используются функции комплексной переменной p = d + jw, получившие название функций цепей. Они представляют собой отношение лапласовых преобразований (изображений) реакции цепи (выходной переменной) и возбуждающего воздействия (входной переменной):
.
Если входная и выходная переменные оцениваются на разных парах полюсов (узлов) цепи, то такая функция цепи называется передаточной функцией (ПФ) и обозначается как K(p).
Модуль передаточной функции называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ), а ее аргумент – фазочастотной характеристикой (ФЧХ).
АЧХ строится в прямоугольной декартовой системе координат, где по горизонтальной оси откладывается частота в логарифмическом масштабе, а по вертикальной – абсолютное или выраженное в децибелах нормированное значение модуля ПФ. Чаще всего нормирование производится по максимальному значению модуля ПФ (рис. 3.1).
 |
Рис. 3.1. Реальная АЧХ полосового фильтра
Под полосой пропускания Df понимают область частот, в которой АЧХ оказывается выше определенного уровня (обычно это уровень 0,707 или –3 дБ от максимального значения). В случае нормированной АЧХ максимальное значение равно единице (рис. 3.1). Наоборот, если АЧХ в какой-то полосе частот меньше уровня 0,707 (– 3 дБ), то эту полосу называют полосой задержания.
Значение частоты на границе полосы пропускания называют частотой среза.
Фильтры – это устройства, целенаправленным образом изменяющие спектры сигналов.
По виду АЧХ фильтры подразделяются на несколько типов (рис. 3.2).
 |
 |
Рис. 3.2. Идеальные АЧХ основных типов частотноизбирательных фильтров:
а – фильтр нижних частот (ФНЧ); б – фильтр верхних частот (ФВЧ); в – полосовой фильтр (ПФ); г – заграж- дающий фильтр (ЗФ)