Компьютерная технология в науке и электромеханическом производстве

Компьютерная технология в науке и электромеханическом производстве

Методические указания по расчету схем электрических цепей и электронных устройств

Одобрено методической комиссией по естественно-научным и математическим дисциплинам

МОСКВА 2010

УДК , 621.3(075.8), 621.38(076.2)

ББК 31.21,32.844,32.85

Разработано в соответствии с государственным образовательным стандартом ВПО 2000 г. для специальностей

Рецензент:

Работа подготовлена на кафедре «Прикладная и вычислительная математика» имени Э. И. Григолюка

Компьютерная технология в науке и электромеханическом производстве. Методические указания по расчету схем электрических цепей и электронных устройств. учебное пособие / Кузнецов А. Н. М: МГТУ «МАМИ», 2011. – 00 с.

Настоящее пособие имеет целью облегчить магистрам знакомство с компьютерными методами расчета и проектирования электротехнических и электронных приборов.

УДК 417, 517.5, 517.9, 519.2, 519.6 ББК 22.16, 22.17, 22.193

©Кузнецов А. Н. ©МГТУ «МАМИ», 2011

Оглавление

Введение. 4

1. Инсталляция программы Micro-Cap 9. 5

2. Первый шаг. 5

3. Компьютерное выполнение расчетно-графических заданий. 5

3.1 Компьютерное выполнение первого РГР. 5

3.2. Добавление компоненты в пакет. 8

3.3. Уточнение первого РГР. 8

4. Диод. 10

5. Биполярный транзистор. 15

6. Полевой транзистор. 18

7. Усилительные каскады с общим эмиттером. 18

8. Усилительные каскады с общим коллектором. 21

9. Усилительные каскады с общей базой. 21

10. Усилители мощности. 21

11. Усилители напряжения. 22

12. Усилители постоянного тока. 22

13. Операционные усилители. 22

14. Автогенераторы синусоидальных колебаний. 22

15. Импульсные генераторы. 22

16. Цифровые устройства. 22

17. Сокращения. 22

Литература. 23

Введение.

Цель настоящего курса — ознакомить магистров с имеющимися в наличии средствами компьютерного моделирования и проектирования электротехнических и электронных устройств. Предполагается знакомство учащихся с входящими в программу специальностей и необходимыми для успеха в компьютерном моделировании основами электротехники и электроники, которые можно повторить, например, по пособиям [1,2]. Начало знакомства составит овладение возможностями пакета Micro-Cap, привлекательного своим хорошо продуманным и удачно реализованным интерфейсом, а также теснотой связи с действующими учебными программами, которая проявляется в списке готовых моделей библиотеки пакета.

Инсталляция программы Micro-Cap 9.

Так как в ходе работы установленный пакет модифицируется, то при работе на многопользовательском компьютере имеет смысл каждому пользователю установить свою копию программы в своей папке. Следуя указаниям файла “read_me”, администратор компьютера может без проблем установить пакет. «Опытный пользователь» увидит сообщения инсталлятора о трудностях с реестром, но их игнорирование все равно приводит к успешной инсталляции пакета в папке пользователя. После установки полезно проверить, все ли пути ведут в папку пользователя, заглянув на вкладку file>paths. Пакет Micro-Cap и в девятой версии не требует обязательной инсталляции. Имея где-нибудь папку с установленным пакетом, можно ее перенести копированием куда угодно и он будет нормально работать.

Первый шаг.

Полезно посмотреть,как «паяются» и рассчитываютсясхемына ЭВМ. Для этого нужно войти в окно Help>Demo>Schematic (Помощь>Демонстрация возможностей>Рисование схемы). В окне Help>Demo>General Demo можно узнать все сразу, но лучше учиться по частям. Полезно повторить самостоятельно увиденную процедуру. Безбумажное повторение требует некоторой компьютерной изворотливости. Например, полезно иметь два окна программы Micro-Cap. Чтобы их получить нужно при запуске достаточно быстро щелкнуть по ярлыку программы не один а два или несколько раз. Если не получится, то можно попробовать это сделать до окончания загрузки операционной системы. Но это еще не все. Если теперь запустить в одной из программ Demo, то это Demo не даст ничего делать, кроме как любоваться на себя. Но и это препятствие можно обойти. Если нажать на клавиатуре кнопку Windows, запустить оттуда Панель управления и перейти на ней в полноэкранный режим, то курсору мыши откроется доступ к нижней линейке, где лежат ярлыки всех запущенных программ. Можно войти в любую из них, в частности, во второй Micro-Cap, и делать что хочешь. Нужно только не забыть перед возвращением в Demo спустить на линейку все открытые окна, иначе Demo закроется и придется его запускать с начала. Несколько окон Micro-Cap удается организовать в системе XP и не удается в Windows-7.

Уточнение первого РГР.

Заменим все источники на схеме первого РГР батареями Bat_R1 и добавим «живой» вольтметр (Рис. 3.3.1).

Рис. 3.3.1. РГР 1 после уточнений.

И после анализа получим:

Рис. 3.3.2. РГР 1, результат анализа.

Вопросы и задачи.

1. Повторите описанные действия со схемой первого РГР, включая создание макроса.

Диод.

Прежде всего нужно построить вольт-амперную характеристику этой компоненты. Начертим схему, подходящую для этой цели, выбрав из предложенного в окне параметров диода произвольную марку, скажем, MR2404:

Рис. 4.1. Схема для получения вольт-амперной характеристики диода.

ЭДС источника значения иметь не будет, так как процедура снятия вольт-амперной характеристики сама изменяет ее в пределах, определенных в окне DC Analysis Limits. Оно возникает после нажатия кнопки DC в меню Analysis. Сопротивление разумно выбрать достаточно малым.

Рис. 4.2.Вольт-амперная характеристика диода MR2404

Построенный график говорит больше о математической модели диода, чем о реальном диоде. На оси тока буква M обозначает MEG, не следует ей пользоваться при указании границ изображения в окне Analysis Limits, так как там она превратится в букву m, то есть в милли, что приведет к астрономическому увеличению строящихся точек графика.

На рисунках 4.3-5 изображены в подходящих масштабах части этой характеристики, относящиеся к рабочей зоне прибора, предусмотренной документацией.

Рис.4.3. Начало вольт-амперной характеристики диода MR2404.

Рис.4.4.Вольт-амперная характеристика диода MR2404 вблизи нуля.

Рис.4.5.Вольт-амперная характеристика диода MR2404 с участком режима лавинного пробоя.

“Заводская” характеристика этого диода всплывет на экране, если нажать кнопку Plot на окне параметров диода, вход в которое производится двойным щелчком по значку диода. Масштаб по осям — логарифмический.

Рис.4.6.Заводскаявольт-амперная характеристика диода MR2404.

Рис.4.7.Та же характеристика в линейном масштабе.

Построим аналогичные картинки для первого попавшегося диода российского производства 2Д212А. Его латинизированное имя D2D212A можно узнать, покопавшись в файлах (R-DIOD.lib). Схема примет вид:

Рис. 4.8. Схема рис. 4.1 с диодом .2Д212А.

Аналоги рисунков 4.2-4,6,7 совпали с прототипами, только один рис. 4.5 изменился:

Рис.4.9.Вольт-амперная характеристика диода 2Д212А с участком режима лавинного пробоя.

Сравнивая чертежи, замечаем, что обратный ток у нашего диода много меньше, а лавинный пробой начинается примерно там же.

Вопросы и задачи.

1. Постройте схемы и графики рисунков 4.1-9, следуя указаниям и срисовывая с них разметку осей.

2. Что изменится, если на схемах изменить величину сопротивления.

3. Решите аналогичную задачу для стабилитрона Д814Д, кремниевого стабилитрона КС620А, диода Шоттки ЛД923А, кремниевого выпрямительного диода 2Д204В,туннельного усилительного диода 1И104А, арсенидогаллиевого переключательного туннельного диода 3И309Ж и обращенного диода 1И401А. Оформите отчет в программе Word.

Биполярный транзистор.

В программе MicroCap большую часть моделей транзисторов можно выбирать перелистывая их марки и глядя на выходные характеристики. Чтобы это сделать, можно на панели поиска компонет схемы (она помещается слева от окна схемы; если ее нет, нужно в главном меню нажать Options>Panel) войти в Analog Primitives, далее в Active Components, где выбираем тип транзистора. В верхнем окне панели появится значок компоненты, он прицепится к курсору. Ткнув курсором в место на схеме, получим транзистор, для которого необходимо в открывшемся окне параметров задать марку в имени модели. Эту марку можно выбрать из предложенного в подокне списка. Если в списке ничего нет, можно задать имя модели произвольно и тогда в окне проявятся до этого еле видные параметры компоненты, предусмотренные разработчиками на этот крайний случай.

Выбрав тип NPN, ткнем курсором в первую марку транзистора и нажмем Plot. Двигаясь по списку, выберем, например, отечественный транзистор КТ608B с достаточно пригожим графиком. Производителя определяем по имени библиотеки размещения модели транзистора, в данном случае это R-NPN.Lib. На рис. 5.1 изображено все сразу, о чем тут было сказано.

Рис. 5.1. Транзистор КТ608В. Панель поиска компонент, значок NPN-транзистора, окно его параметров и графики его выходных характеристик.

Рис. 5.2. PNP-транзистор КТ363А. То же, что на рис. 5.1.

Но если ткнуть в GaAsFET-транзистор на панели поиска компонент и попробовать вставить его значок в файл схемы, то обнаружится, что никаких моделей транзисторов этого типа разработчики программы Micro-Cap не заготовили. Правда, в окне параметров просматриваются еле видные следы параметров какого-то тразистора. Если набрать в поле имени модели (MODEL=) любой символ, то параметры проявятся. Вероятно это примерные параметры транзисторов этого типа. Где искать настоящий транзистор типа GaAsFET? В Help>Sample Ciruits>Active Components видим 6 заголовков, первый из которых как раз нам подходит: Use of the GaAsFet component. Щелкнув по нему, получаем файл GASFET.cir из каталога DATA, предназначенный для тестирования арсенидо-галлиевых транзисторов. Простая, но не предельно простая схема из этого файла, очевидно, подойдет для тестирования любого транзистора, но, конечно, может потребоваться ее слегка модифицировать, изменить параметры содержащихся в ней компонент, набор графиков и т. п. Кстати, на схеме написано (рис. 5.3), что с ней нужно сделать, чтобы осуществить тестирование транзистора, а сделав указанное, мы узнаем, в чем состоит само тестирование.

Рис. 5.3. Схема тестирования транзистора.

Откуда же взялся здесь транзистор B1? Выясняется (например, если попробовать его перенести из этой схемы в любую другую), что его модель содержится прямо в этой схеме, в разделе Text на языке Spice: .MODEL G1 GASFET (BETA=1e-3 VTO=-1 LAMBDA=0.001 CGS=6F CGD=1F VBI=1.5); там же имеется и модель источника ЭДС V2: .MODEL HA SIN (A=0.1 F=100Meg). Имена G1 и HA на схеме не показаны, но они обнаруживаются в окнах параметров этих приборов. Отсюда следует, что и в этой схеме транзистор, вероятно, не настоящий, его параметры как-то придуманы. Достижением можно считать то, что мы теперь умеем ввести в Micro-Cap-схему транзистор, параметры которого на языке Spice нам известны.

Покопавшись в User’s Guide можно найти файл IVBJT.cir с более простой схемой и, естественно, с меньшим числом возможностей для тестирования транзисторов.

Рис. 5.4. Схема тестирования биполярного транзистора.

Вопросы и задачи.

1. Проделайте все описанные в этом разделе операции с транзисторами КТ399А и КТ208К, исправьте их малопригожие графики выходных характеристик и вставьте в отчет в программе Word.

Полевой транзистор.

Вопросы и задачи.

1. Проделайте описанные в 5-ом разделе операции с полевыми транзисторами 2Р327А, 2Р310А, 2Р301А, 2Р703В и составьте отчет в программе Word из их выходных характеристик.

2. Используйте схему MOSCAPS.cir для тестирования транзисторов 2Р327А, 2Р310А, 2Р301А, 2Р703В. Составьте отчет.

Усилители напряжения.

Если, следуя [1], собрать двухкаскадный усилитель напряжения из двух усилителей с общим эмиттером, то получится сильное искажение входного сигнала. Дело в том, что амплитуда входного сигнала усилителя из параграфа 7 находится вблизи правой границы рабочей области, расположенной на отрезке [50p,43m]. Коэффициент усиления примерно равен 80. Стоит уменьшить входной сигнал, например, взять его равным 50p, и усилитель заработает с коэффициентом 2400 ÷ 2160 по амплитуде напряжения в рабочей области [50p,1.3m] вольт.

Рис. 11.1. Двухкаскадный усилитель напряжения.

Рис. 11.1. Его усиление напряжения.

Вопросы и задачи.

1) Повторите процедуры анализов и получите идентичные авторским графические и численные результаты.

2) Соберите трехкаскадный усилитель напряжения.

3) Выясните, как влияют на границы рабочих областей усилителей величины сопротивлений и конденсаторов.

4) Соберите двух и трехкаскадные эмиттерные повторители и проведите их анализ.

Усилители постоянного тока.

Однокаскадную схему этого усилителя автору пришлось сочинять самостоятельно.

Рис. 12.1. Однокаскадный усилитель постоянного тока.

Чтобы это сделать, нужно отключить источник сигнала и, задав батареи V1, V2 и резистор нагрузки Rn, последовательно изменяя движками остальные пять резисторов, получить близкие к нулю потенциалы узлов 3 и 5. Транзистор и батарея V1 взяты со схемы Рис. 7.1. Резистор R5 фиктивен, его назначение — измерять ток базы для показа на графике. После этого подключается источник очень медленно меняющегося напряжения и движком его амплитуды устанавливаются границы рабочей зоны усилителя, показанные на рисунке как ограничители движка.

Рис. 12.2. Графики усиления.

В границах полученной рабочей зоны, где сигнал почти не искажается, коэффициент усиления слабо колышется около значения 3.5. При уменьшении сигнала за пределы нижнего ограничителя теряется симметрия относительно нуля входного и выходного сигнала. Вероятно, это связано с наличием внутреннего сопротивления источника и с неточностью установки нулей на входе и выходе.

Схему двухкаскадного усилителя постоянного тока возьмем из пособия [1]. Транзисторы в нее снова вставим из схемы Рис. 7.1. Амплитуду генератора усиленного напряжения V1 чуть увеличим, а амплитуду компенсирующего источника приходится выбирать в процессе настройки усилителя. Сначала настраивается первый каскад, второй от него отсоединяется. Коэффициент усиления получается примерно 10. При настройке первого каскада выявляется дефект программы, который можно нейтрализовать фиктивным сопротивлением R7. После настройки первого каскада к нему подсоединяется второй с величинами сопротивлений, подобными соответствующим сопротивлениям из первого каскада. Настроить двухкаскадный усилитель после этого удается вариацией только параметров второго каскада. С рисунка схемы величины сопротивлений стерты, чтобы озадачить магистров.

Рис. 12.3. Двухкаскадный усилитель постоянного тока.

На графике снова рабочая зона источника задается ограничителями движка. Напряжение, очевидно, на первом каскаде усиливается примерно в 10 раз, на втором еще в 6, итого — 60.

Рис. 12.4. Его графики усиления.

Вопросы и задачи.

1) Повторите процедуры анализов и получите идентичные авторским графические и численные результаты.

2) Проверьте предположение, относящееся к однокаскадному усилителю.

3) Повторите построение для схемы однокаскадного усилителя с исходными данными (по вариантам): Амплитуду , если необходимо, разрешается изменить.

4) Убедитесь, что усилители работают в границах рабочей области транзистора, которые можно увидеть на графиках в окне его параметров.

5) Пользуясь указаниями в тексте спроектируйте усилитель рис. 12.3 по вариантам:

6) Найдите и укажите на графиках выходных характеристик транзисторов параметры точек покоя усилителей ( ).

Операционные усилители.

Вопросы и задачи.

4) Повторить процедуры анализов и получить идентичные авторским графические и численные результаты.

Импульсные генераторы.

Вопросы и задачи.

1) Повторить процедуры анализов и получить идентичные авторским графические и численные результаты.

Цифровые устройства.

Вопросы и задачи.

1) Повторить процедуры анализов и получить идентичные авторским графические и численные результаты.

Антенны.

Пакет программ MMANA.

Сокращения.

Буквой u в программе Micro-Cap обозначают греческую букву µ, чтобы не иметь дела с греческим алфавитом. На осях графиков пишут M вместо MEG, но не следует в других местах заменять MEG на M.

vs (versus) — в функции, в зависимости от, как функция от.

db, DB — децибел, значение определяется как функция комплексной переменной

Литература.

1. Электротехника и электроника. Учебник для вузов. В 3-х книгах./ Под ред. В.Г. Герасимова. — М.: Энергоатомиздат, 1996—1998. 288+456+432 с.

2. В. И. Лачин, Н. С. Савелов. Электроника. — Ростов на Дону: «Феникс». 2002. 576 с.

3. М. А. Амелина, С. А. Амелин. Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap 8. — М.; Горячая линия — Телеком, 2007. — 464 с.

4. Хёрмандер Л. Анализ линейных дифференциальных операторов с частными производными: В 4-х т. Т. 1. Теория распределений и анализ Фурье. — М.: Мир, 1986. — 464с. Т. 2. Дифференциальные операторы с постоянными коэффициентами. . — М.: Мир, 1986. — 456 с.

5. Никольский В. В., Никольская Т. И. Электродинамика и распространение радиоволн: Учеб. пособие для вузов.— 3-е изд., перераб. и доп.— М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989.— 544 с.

6. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ: Учебник для радиотехнических специальностей Вузов. — М: Высшая школа. 1988. — 432с.

7. Банков С.Е., Курушин А.А. Электродинамика и техника СВЧ для пользователей САПР М. Интернет. 2008. — 276 с.

8. Гончаренко И.В. Компьютерное моделирование антенн. Все о программе MMANA. — Радио Софт, Журнал «Радио». 2002. — 80 с.

9. Моделирование антенн и элементов тракта. Учебно-методическое пособие для выполнения курсовых и самостоятельных работ по учебным курсам «Устройства СВЧ и антенны» и «Антенно-фидерные устройства»./Под ред. Шишакова К. В. — Ижевск : ИжГТУ, 2009. — 127 с.

10. Harrington R.F. Field computation by moment method. N-Y. Macmillan. 1968. 219 p.

11. Вычислительные методы в электродинамике. Под редакцией Р. Митры. М. Мир, 1997. — 485 с.

Компьютерная технология в науке и электромеханическом производстве

Методические указания по расчету схем электрических цепей и электронных устройств

Одобрено методической комиссией по естественно-научным и математическим дисциплинам

МОСКВА 2010

УДК , 621.3(075.8), 621.38(076.2)

ББК 31.21,32.844,32.85

Разработано в соответствии с государственным образовательным стандартом ВПО 2000 г. для специальностей

Рецензент:

Работа подготовлена на кафедре «Прикладная и вычислительная математика» имени Э. И. Григолюка

Компьютерная технология в науке и электромеханическом производстве. Методические указания по расчету схем электрических цепей и электронных устройств. учебное пособие / Кузнецов А. Н. М: МГТУ «МАМИ», 2011. – 00 с.

Настоящее пособие имеет целью облегчить магистрам знакомство с компьютерными методами расчета и проектирования электротехнических и электронных приборов.

УДК 417, 517.5, 517.9, 519.2, 519.6 ББК 22.16, 22.17, 22.193

©Кузнецов А. Н. ©МГТУ «МАМИ», 2011

Оглавление

Введение. 4

1. Инсталляция программы Micro-Cap 9. 5

2. Первый шаг. 5

3. Компьютерное выполнение расчетно-графических заданий. 5

3.1 Компьютерное выполнение первого РГР. 5

3.2. Добавление компоненты в пакет. 8

3.3. Уточнение первого РГР. 8

4. Диод. 10

5. Биполярный транзистор. 15

6. Полевой транзистор. 18

7. Усилительные каскады с общим эмиттером. 18

8. Усилительные каскады с общим коллектором. 21

9. Усилительные каскады с общей базой. 21

10. Усилители мощности. 21

11. Усилители напряжения. 22

12. Усилители постоянного тока. 22

13. Операционные усилители. 22

14. Автогенераторы синусоидальных колебаний. 22

15. Импульсные генераторы. 22

16. Цифровые устройства. 22

17. Сокращения. 22

Литература. 23

Введение.

Цель настоящего курса — ознакомить магистров с имеющимися в наличии средствами компьютерного моделирования и проектирования электротехнических и электронных устройств. Предполагается знакомство учащихся с входящими в программу специальностей и необходимыми для успеха в компьютерном моделировании основами электротехники и электроники, которые можно повторить, например, по пособиям [1,2]. Начало знакомства составит овладение возможностями пакета Micro-Cap, привлекательного своим хорошо продуманным и удачно реализованным интерфейсом, а также теснотой связи с действующими учебными программами, которая проявляется в списке готовых моделей библиотеки пакета.