Моделирование электрических схем при помощи средств программного пакета Micro-Cap 8 (стр. 5 из 7)
7. Расчет малосигнальных передаточных функций (Transfer Fuction)
Режим Transfer Fuction выполняет расчет малосигнальных передаточных функций в режиме по постоянному току, которые рассчитываются после линеаризации схемы в окрестностях рабочей точки. В качестве выходного выражения (Output Expression) может использоваться любая переменная или функция, имеющая смысл при анализе схемы по постоянному току. Например, это разность потенциалов между узлами A и B – V(A,B), падение напряжения на резисторе R – V(R) или ток, протекающий через резистор, - I(R) и др. Входное воздействие может вырабатывать источник (Sourse) напряжения или тока. Если обозначить выходную и входную переменные как Vout и Vin, то результатом расчета является передаточная функция (Transfer Function), равная dVout/dVin.
Рис. 13
В качестве примера на рис. 13 показано окно схем программы MC8 в режиме Transfer Fuction. Диалоговое окно позволяет задать выходную переменную из списка, открываемого кнопкой
, выбрать имя источника входной переменной (Input Source Name) и, нажав на панель Calculate, произвести расчет схемы. Помимо расчета передаточной функции (Transfer Function) программа MC8 вычисляет и выводит на строках Input (Output) Impedance значения входного и выходного сопротивлений схемы. При выборе опции Place Text результаты расчета помещаются в виде текста непосредственно в окно схем (рис. 13).8. Расчет чувствительности по постоянному току (Sensitivity)
Расчет чувствительности производится после линеаризации схемы в окрестностях рабочей точки. При этом рассчитывается чувствительность одной или нескольких выходных переменных к изменению выбранного параметра схемы. После выбора команды Analysis>Sensinivity в окне схем появляется диалоговое окно для задания параметров моделирования (рис. 14).
Рис. 14
В графе Output указываются одно или несколько выражений для выходных переменных. В примере (рис. 14) в качестве выходной переменной определен ток, протекающий через нагрузочный резистор R2 – I(R2). Тип входных переменных определяется кнопками Component, Model и Symbolic. При выборе опции Component в окне Input Variable предлагается выбрать один компонент из списка используемых в схеме компонентов, влияющих на результаты расчета. Если выбирается простой компонент (например, резистор), то в окне справа появляется надпись Value (величина). Т.е. в качестве входного параметра будет использована величина выбранного компонента. Если же выбирается компонент, имеющий сложную математическую модель, то в правом окне появляется список параметров модели компонента, которые и могут быть использованы в качестве входного параметра. При анализе схемы усилителя (рис. 14) входным параметром определен коэффициент усиления тока (BF) транзистора Q1.
При выборе переменной типа Model в окне Input Variable появляется список моделей компонентов, используемых в схеме, а справа – список параметров, присущих выбранной модели. Причем, если в схеме использованы однотипные компоненты, имеющие одинаковые модели (например, несколько однотипных транзисторов в схеме дифференциального усилителя, приведенного на рис. 13), то выбранный параметр будет определен как входной для всех этих компонентов. В режиме Model можно выбрать один входной параметр (опция One) или несколько (опция Multiple). Для задания всех параметров модели в качестве входных используется кнопка All On.
Расчет чувствительности производится после нажатия на панель Calculate в соответствии с выражением dVout/dVin, где Vout – выходная переменная, а Vin – входной параметр. Результаты расчета (значения вычисленной чувствительности для каждой выходной переменной) помещаются в графу Sensinivity. В графе Sensinivity %/% размещается отношение приращения выходной переменной в процентах к изменению входного параметра в процентах.
9. Расчет нелинейных искажений (Distortion)
В программе MC8 имеется режим расчета нелинейных искажений. Для проведения моделирования ко входу схемы необходимо подключить источник синусоидального напряжения или тока (например, Sine Source). При выполнении команды Analysis> Distortion открывается диалоговое окно, показанное на рис. 15. Структура окна аналогична рассмотренным ранее окнам задания параметров моделирования и отличается в первую очередь перечнем числовых параметров:
Fundamental Frequency – основная (опорная) частота гармонического колебания, генерируемого входным источником;
Input Source Name – имя входного источника сигнала;
Input Source Amplitude – амплитуда входного гармонического колебания;
Output Expression – выходное выражение, для которого производится расчет нелинейных искажений;
Simulation Cycles – количество периодов гармонического колебания, которое используется при расчете нелинейных искажений;
Maximum Time Step – максимальный шаг времени, определяющий точность расчета.
Назначение остальных параметров и опций диалогового окна были рассмотрены в предыдущих разделах ( см. разд. 1 … 3).
В процессе анализа в режиме Distortion программа MC8 выполняет расчет и построение выходной функции Output Expression, а затем переходит к вычислению и анализу спектра этой функции. На рис. 15 в первом графическом окне задано выражение HARM[V(1)], которое является оператором расчета гармоник сигнала V(1), т.е. спектра S, который для периодического сигнала имеет линейчатую структуру [1].
Рис. 15
Далее следуют операторы:
IHD(HARM[V(1)],10000) – коэффициент нелинейных искажений отдельных составляющих спектра S в процентах относительно уровня составляющей на частоте F. Задается по формату IHD(S,F), где S – спектр сигнала, а F – частота, указанная в графе Fundamental Frequency диалогового окна;
THD(HARM[V(1)],10000) – коэффициент нелинейных искажений спектра S, в процентах относительно уровня составляющей на частоте F. Формат задания оператора – THD(S,F).
В последней строке выражений, задаваемых по оси Y (Y Expression), указана анализируемая функция, определенная в графе Output Expression. Приведенные выше выражения являются предопределенными и недоступными для редактирования в режиме Distortion и пользователю предлагается лишь указать номер графического окна (в графе P) для вывода указанных графиков.
На рис. 16 показан пример расчета нелинейных искажений сигнала на выходе транзисторного усилителя. В качестве входного сигнала (генератор V1) задано гармоническое колебание с частотой 10 кГц и амплидудой 1 мВ. На первом графике окна моделирования представлен спектр выходного периодического сигнала, снимаемого с коллектора транзистора Q1. Второй график показывает распределение амплитуд гармоник выходного сигнала, возникающих из-за нелинейных искажений, присущих данному усилителю. На третьем графике изображен один период выходного сигнала усилителя V(1), снимаемого с коллектора транзистора Q1.
Рис. 16
Следует помнить, что программа MC8 позволяет вычислить коэффициент нелинейных искажений, а анализ этих искажений (так же, как и анализ других результатов моделирования, полученных с помощью MC8) пользователю необходимо провести самостоятельно с использованием имеющихся в MC8 инструментов.
10. Вывод графиков характеристик в режиме Probe
Программа МС8 производит построение графиков в режимах Transient, AC и DC непосредственно в процессе моделирования. При решении простых задач построение и отображение на экране дисплея графиков происходит практически мгновенно. При анализе достаточно сложных схем процесс построения графиков может занимать продолжительное время. В случае изменения задания на моделирование, т.е. для построения графиков других переменных, необходимо до начала расчетов перечислить имена этих переменных и задать их масштабы. Далее программа MC8 по команде Run повторит моделирование, затрачивая на это определенное время.
Режим Probe позволяет не только упростить процесс моделирования, но и придать ему определенную динамику. В режиме Probe программа МС8 создает файл данных, в который заносятся потенциалы всех узлов схемы, что и позволяет по завершению моделирования оперативно построить график любой переменной. Схемотехническое моделирование в режиме Probe производится в следующем порядке.
После построения (или вызова в рабочее окно) схемы в меню Analysis выбирается один из видов анализа (Transient, AC или DC) и заполняются все графы окна Analysis Limits. Далее в меню Analysis выбирается режим Probe с тем же видом анализа: Probe Transient, Probe AC или Probe DC. При этом экран делится на две части – окно схемы и окно графиков (рис. 17). Меняется и содержание меню команд, появляются новые разделы меню: Probe, Vertical и Horizontal.
Для выполнения моделирования в меню команды Probe выбирается строка New run (или пиктограмма
в строке инструментов). Затем в разделах Vertical и Horizontal необходимо выбрать тип переменных (напряжение, ток, заряд, время и т.д.), откладываемых по осям Y и X, а на схеме щелчком курсора указать узел схемы, вывод компонента или сам компонент. В результате в графическом окне немедленно вычерчивается график соответствующей характеристики. Для очистки окна графиков и выполнения нового моделирования достаточно щелкнуть курсором по пиктограмме . 
Рис. 17
На рис. 17 показаны полученные в режиме Probe Transient графики изменения падения напряжения на резисторе V(R1), индуктивности V(L1) и конденсаторе V(C1), а также график входного воздействия, вырабатываемого генератором импульсного сигнала V1. При построении этих графиков (в одном графическом окне) в исследуемой схеме (рис. 17) с помощью курсора последовательно были выбраны следующие компоненты: R1, L1, C1 и V1.