1.6 Моделирование схем во временной области
Рассмотрим, как собирать и моделировать схемы в Micro-Cap 12. Рассмотрим работу простого релаксационного генератора (рисунок 1.10).
Рисунок 1.10 – Схема релаксационного генератора
Релаксационный генератор является примером самых простых генераторов прямоугольных импульсов. Суть работы схемы следующая: заряжать конденсатор через резистор (или источник тока), а затем, когда напряжение достигнет некоторого порогового значения, быстро его разряжать и начинать цикл сначала.
При подаче питания выходной сигнал ОУ уходит в положительное насыщение (на выходе устанавливается положительное напряжение питания). Конденсатор начинает заряжаться до напряжения UПИТ+ с постоянной времени τ = RC.
Когда напряжение на конденсаторе достигнет половины напряжения источника питания, ОУ переключает свой выход в состояние отрицательного насыщения и конденсатор начинает разряжаться до UПИТ– с той же самой постоянной времени. Этот цикл повторяется бесконечно, с периодом Т=2,2 RC, который не зависит от напряжения источника питания.
Перейдем к сборке схемы:
Вначале расставляем на рабочем поле все необходимые компоненты, задаем значения резисторов и конденсатора, выбираем модель операционного усилителя (в нашем случае TL061).
Важно! Можно использовать копирование компонентов – для этого выделяем компонент левой кнопкой мыши, зажимаем клавишу CTRL и тянем компонент – он копируется (при этом его обозначение автоматически увеличивается, что крайне удобно).
При размещении этого ОУ на рабочем поле к нему автоматом подключится питание – метки VE (минус питания) и VC (плюс питания).
Посмотреть на значения питания можно во вкладке Power Supplies в нижней части рабочей области программы (рисунок 1.11). Реализовано наше двухполярное питание как две обычные батареи (по умолчанию +15 В и 15 В). Мы можем менять значения этого напряжения как угодно, в зависимости от задач исследования.
Рисунок 1.11 – Вкладка Power Supplies, отражающая питание ОУ
Расставив все элементы в правильном порядке, рисуем связи, объединяющие их. Для этого находим панель инструментов, изображенную вверху экрана (рисунок 1.12), и выбираем инструмент Wire Mode (ортогональный проводник). Он рисует связи строго под углом в 90 градусов, что нам чаще всего и нужно. Если нужно нарисовать связь в произвольном направлении, используем инструмент Diagonal Wire Mode (диагональный проводник).
Рисунок 1.12 – Панель инструментов. В красной рамке слева направо: ортогональный и диагональный проводник
Диагональные проводники лучше не использовать.
Также мы можем включить функцию Rubberbanding (резиновые проводники), тогда связи будут тянуться за компонентами при их перемещении, как показано на рисунке 1.13. Меню расположено в верхней части экрана справа.
Рисунок 1.13 – Вкладка Rubberbanding на панели инструментов (в красной рамке) и результат действия инструмента (проводник тянется за компонентом)
Важно! Можно поворачивать компоненты (Rotate) и всячески их отзеркаливать (Flip X, Flip Y) (отразить по вертикали и горизонтали), нужные кнопки обведены красным на рисунке 1.14.
Рисунок 1.14 – Панель инструментов, слева направо: поворот, отразить по вертикали, отразить по горизонтали
Так же поворот можно выполнить сочетанием клавиш CTRL+R или если выбрать установленный компонент левой кнопкой мыши, щелкнуть по нему правой кнопкой мыши и из выпадающего списка выбрать Rotate. На рисунке 1.15 показан выпадающий список при повороте резистора.
Рисунок 1.15 – Выпадающий список для поворота компонента
Как видно из рисунка 1.10, узлам на схеме можно присваивать имена, это удобно использовать при анализе схем. Для того чтобы назвать узел необходимо левой кнопкой мыши дважды щелкнуть по красной точке или по участку проводника, появится окно, показанное на рисунке 1.16.
Рисунок 1.16 – Окно настройки узла
В графе Node Name(s) необходимо указать название узла.
Важно! Программа распознает строчную и прописную буквы, как разные, то есть «Name1», «NAME_1», «name 1» это три разных названия.
Когда схема будет собрана окончательно, можно приступить к её анализу. Как было рассказано в разделе 2.2, в САПР MicroCap 12 существует несколько видов анализа схем.
Рассмотрим анализ переходных процессов (Transient Analysis), то есть моделирование нашей схемы во временной области. Для этого находим в меню соответствующую вкладку Analysis → Transient, появляется окно настройки параметров анализа (рисунок 1.17).
Рисунок 1.17 – Внешний вид окна настройки анализа переходных процессов
Здесь мы должны настроить следующие параметры:
Maximum Run Time – диапазон (время) расчета – учитывая, что на графике должно уместиться примерно 10 периодов нашего исследуемого сигнала (исключительно для нашего удобства), в нашем случае это будет 2 секунды (или 2000 мс). В графу вписываем «2» или «2000m»
Output Start Time – время начала анализа оставляем равным нулю.
Maximum Time Step – максимальный шаг по времени должен быть в тысячу раз меньше, чем диапазон времени (этот параметр влияет на быстродействие симуляции и точность рисовки графиков – чем меньше шаг, тем точнее графики, но тем медленнее они зарисовываются. В нашем случае это будет 2000 мкс (2000u) или 2 мс (2m)
Далее необходимо исправить значения в табличке внизу окна настройки параметров анализа (рисунок 1.18).
Рисунок 1.18 – Таблица параметров графиков
В графе Р мы выбираем окна, в которых будут выводиться графики, у нас в этом примере их будет 2. Для этого служат цифры под буквой P, 1 и 2 означают, что графики будут выводиться в разных окнах.
Далее мы выбираем X Expression (выражение по оси Х) – в данном случае это будет время T, оставляем все как есть.
Y Expression (выражение по оси Y) – это тот сигнал, который мы хотим исследовать. В нашем случае это напряжение на выходе генератора – V(out)(мы назвали этот узел как out) и напряжение на конденсаторе V(Cap)(мы назвали этот узел Cap).
X Range (масштаб по оси Х) всегда ставим TMAX, TMIN, чтобы смотреть только исследуемый диапазон, который мы задали ранее.
Y Range (масштаб по оси Y) выставляем AutoAlways для автоматического масштабирования.
Нажимаем кнопку Run (запустить) в левом верхнем углу открытого окна настроек параметров анализа. Программа строит графики.
Возможна проблема следующего характера: если начальные условия для конденсатора не заданы, то можем получить график следующего вида (рисунок 1.19).
Рисунок 1.19 – Сигнал на входе (синий) и выходе (красный) схемы. Диапазон 2 секунды
Если мы изменим настройки через меню в верхней части рабочего окна через вкладку Transient → Limits и установим временной диапазон (Maximum Run Time) равный 10 секунд, то увидим, что начиная с 3ей секунды генератор работает в нормальном режиме (рисунок 1.20).
Рисунок 1.20 – Сигнал на входе (синий) и выходе (красный) схемы. Диапазон 10 секунд
Если возникла описанная выше проблема, то стоит изменить начальные условия конденсатора. Для начала выйдем из режима анализа, для этого находим на нижней панели вкладку Transient Analysis (рисунок 1.21).
Рисунок 1.21 – Вкладки нижней панели рабочей области
Необходимо правой кнопкой мыши щелкнуть на вкладке Transient Analysis и выбрать из выпадающего списка вариант Close. После этого перед вами опять окажется схема. Двойным щелчком левой кнопкой мыши по конденсатору необходимо вызвать меню параметров конденсатора и в графе Value вписать помимо описанного номинала конденсатора «IC=1» (рисунок 1.22) тем самым задать начальное условие для конденсатора.
Рисунок 1.22 – Задание начальных условий конденсатора в окне параметров компонента
После установки начального условия снова проведем анализ переходных процессов Analysis → Transient, установим временной диапазон равный 2 секунды. В результате получим график, показанный на рисунке 1.23.
Рисунок 1.23 – Результаты анализа переходных процессов после установки начальных условий на конденсатор схемы