Электроника и наноэлектроника»

Моделирование узлов

Аналоговых

Электронных схем

Методические указания

К лабораторным работам

Для студентов направления

Электроника и наноэлектроника»

Часть 1

Составители:

И. Ф. Яровой, С. В. Кулакова

Владикавказ 2013

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Кафедра «Промышленная электроника»

моделирование узлов

аналоговых

электронных схем

Методические указания

к лабораторным работам

Для студентов направления

210100 – «Электроника и наноэлектроника»

Часть 1

Составители:

И. Ф. Яровой, С. В. Кулакова

Допущено редакционно-издательским советом

Северо-Кавказского горно-металлургического
института (государственного технологического

университета)

Владикавказ 2013

УДК 002.6(07)

ББК 73

М74

Рецензент:

Доктор технических наук, профессор Дедегкаев А. Г.

М74 Моделирование узлов аналоговых электронных схем:Методические указанияк лабораторнымработам / Сост.: И. Ф. Яровой, С. В. Кулакова; Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). – Владикавказ: Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). Изд-во «Терек», 2013. 66 с.

В методических указаниях даны определения основных понятий, приведена единая методологическая база моделирования аналоговых схем в системе OrCAD 16.3.

Указания могут быть полезны при моделировании электронных схем различных узлов электроники.

УДК 002.6(07)

ББК 73

Редактор: Иванченко Н. К.

Компьютерная верстка: Кравчук Т. А.

ã Составление. Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет), 2013

ã Яровой И. Ф., Кулакова С. В., составление, 2013

Подписано в печать 28.01.13. Формат бумаги 60х84 ¹/₁₆. Бумага офсетная.

Гарнитура «Таймс». Печать на ризографе. Усл. п.л. 3,89. Тираж 30 экз. Заказ № ____.

Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный

технологический университет). Изд-во «Терек».

Отпечатано в отделе оперативной полиграфии СКГМИ (ГТУ).

362021. Владикавказ, ул. Николаева, 44.

Лабораторная работа № 1

Черчение схем в редакторе CAPTURE

Цель работы: приобрести навыки создания, сохранения проекта в системе OrCAD и черчения схем для моделирования электронных устройств.

Основные сведения

Создание и редактирование четырех типов проектов: проекты моделирования электронных схем, чертежные проекты, проекты разработки топологии электронных схем, программируемые логические проекты, производятся при помощи графического редактора Capture (пер. Сбор данных).

В состав Capture входят: собственно редактор схем, редактор библиотек компонентов и текстовый редактор. Из оболочки OrCAD Capture запускается модуль PSpice, реализующий десять стандартных типов анализа аналоговых, цифровых, смешанных аналого-цифровых схем, и параметрическую оптимизацию аналоговых схем.

Запуск редактора и создание нового проекта

Черчение схем проектов

При вычерчивании схемы проекта можно условно выделить следующие этапы:

– поиск и размещение нужных компонентов в окне ‘SCHEMATIC1 : PAGE1’;

– соединение выводов компонентов с помощью проводников и/или шин.

Выполнение работы

3.1. Включите ПК и запустите OrCad Capture.

3.2. Создайте проект с именем Zadanie1, начертите схему, приведенную на рис. 4. Сохраните проект в папке Lab_rab1 и завершите работу с Capture. Откройте повторно созданный проект, при необходимости устраните ошибки в начерченной схеме, затем сохраните его и завершите работу с редактором CAPTURE.

3.3. Создайте пять проектов с именами Zadanie2, Zadanie3,…, Zadanie6, содержащие схемы, приведенные соответственно на рис. 6, 7, 8, 9, 11 и сохраните их в папке Lab_rab1. После создания и сохранения каждого проекта следует открывать его, проверять начерченную схему, повторно его сохранять и завершать работу с редактором Capture.

Замечания: на рис. 10 приведена рабочая поверхность окна редактора для схемы усилителя (см. рис. 11) до проведения соединений. В схемах на рис. 6,7,8,9,11 применяются: V1, V2, V3 – источники напряжения, синусоидально изменяющегося во времени. Символ источника этого напряжения хранится в библиотеке SOURCE и имеет имя VSIN.

Рис. 6. Схема последовательного колебательного контура.

Рис. 7. Схема последовательного колебательного контура.

Рис. 8. Схема двухполупериодного выпрямителя.

Рис. 9. Схема мостового выпрямителя с емкостным фильтром.

Рис. 10. Чертежная поверхность с позиционированными

и ориентированными компонентами.

Рис. 11. Схема усилительного каскада с ОЭ.

Форма отчетности

Отчет должен содержать:

– цель работы и основные положения по пункту 1;

– имена библиотек схемных обозначений компонентов, описание правил размещение компонентов и формирования соединений между ними;

– шесть начерченных схем.

5. Контрольные вопросы

1. Каково назначение каждого окна, приведенного на рис.2 ?

2. Что нужно знать при взаимном расположении компонентов схемы и их ориентировке ?

3. Поясните, как реализуются соединения между выводами компонентов?

Литература

1. Хайнеман Р. Визуальное моделирование электронных схем в PSPICE: пер. с нем. М.: ДМК Пресс, 2008.-336с.: ил.

Лабораторная работа № 2

Постоянного тока

Цель работы: совершенствование навыков создания новых проектов, получение результатов моделирования аналоговых схем постоянного тока и их оценка ‘классическими’ методами.

Основные сведения

Для нового проекта вначале создается папка, в которой размещаются файлы проекта, затем запускается редактор CAPTURE. В нем последовательно выполняются нижеприведенные процедуры.

Черчение схемы

Черчение схемы проводится с соблюдением правил, приведенных в п. 2 лабораторной работы № 1.

Сохранение проекта

Чтобы сохранить созданный проект, необходимо последовательно щёлкнуть по: <File>→<Save>, или щёлкнуть по кнопке ‘Save document’ (Сохранить документ).

Задание 1. Создайте проект, в котором рассчитываются напряжения в узлах, токи в ветвях, отдаваемую источником и рассеиваемые мощности резисторами схемы постоянного тока, представленной на рис. 1. Получите результаты моделирования и проведите их анализ.

Создайте папку с именем Lab_rab2, имеющую путь доступа C:\Ivanov\ Lab_rab2 и запустите редактор Capture. Соблюдая изложенное в п. 1 лабораторной работы №1, создайте проект и дайте имя Zadanie1.

Учитывая изложенное в п. 2 лабораторной работы № 1, начертите схему мостового соединения, приведенную на рис. 2.

Редактирование свойств компонентов схемыпроведём двумя способами. При первом способе, двойным щелчком по символу компонента открывается окно ‘Property Editor’ (Редактор свойств), которое содержит гораздо больше свойств, чем вам требуется в данный

Рис. 1. Схема с отредактированными значениями свойств компонентов

Рис. 2. Электрическая схема мостового соединения.

момент. Поэтому, в окне ‘Property Editor’ из раскрывающегося списка ‘Filter by:’ (Отфильтровать до:) выберите пункт OrCAD-PSpice и закройте это окно, щёлкнув по кнопке ‘OK’. После этого список доступных для редактирования свойств будет сокращен до тех, которые необходимы для модуля PSpice. Имена компонентов редактируются в поле ввода ‘Reference’ (Ссылка), а значения – в соответствующих полях окна ‘Property Editor’. Отредактируйте значение свойства DC источника постоянного напряжения V1, открыв окно ‘Property Editor’ и введя с клавиатуры в поле DC – 10Vdc. Остальные свойства V1 оставьте без изменений (‘по умолчанию’). Двойным щелчком по символу R2 повторно откройте окно ‘Property Editor’. Отредактируйте значение сопротивления резистора R2, введя с клавиатуры в поле Value значение 3 kOm.

При втором способе, для редактирования каждого из свойств компонентов R3, R4 и R5 необходимо трижды открыть окно ‘Display Properties’ двойным щелчком по значению свойства соответствующего компонента схемы. В схеме, приведенной на рис. 1, резистор R3 должен иметь значение 7.6 kОм. Выделите значение резистора R3, щёлкнув по 1k, а затем дважды щёлкните по нему, чтобы открыть окно ‘Display Properties’. В поле Value этого окна введите с клавиатуры 7.6k и щёлкните по кнопке ‘OK’. Повторите эту процедуру для резисторов R4 и R5, установив им соответственно значения 6 k и 2 k. Заметим, что второй способ редактирования свойств является эффективным для ‘простых’ компонентов с одним значением.

Профиль моделирования схемы постоянного тока создается системой OrCAD автоматически после вычерчивания схемы, отображается в поле с именем Active Profile, находящимся в левом верхнем углу окна ‘OrCAD Capture’. Профиль имеет имя и приставку– bias: SCHEMATIC1-bias. Он является активным, что индицируется красным цветом его значка в окне организатора проекта ‘C:\Ivanov\ Lab_rab2’ на странице с вкладкой File, если открыта папка PSpice Resources (Ресурсы модуля PSpice) и её подпапка Simulation Profiles (Профили моделирования).

Запустите процесс моделирования щёлкнув по кнопке – Run PSpice или щёлкая последовательно по: <PSpice>→<Run>.

Если появится окно ‘Undo Warning’, в нем следует установить флаг перед ‘Do not show this box again’ (Не показывать это окно опять) и щёлкнуть по кнопке ‘Yes’. После непродолжительных вычислений появится свернутое окно ‘SCHEMATIC1:bias-PSpise A/D’. Разверните его, и в информационном окне, расположенном в левом нижнем углу, прочтите выданные сообщения об ошибках или о завершении моделирования. Если моделирование завершается успешно, то фрагменты сообщений выглядят так:

Simulation Profile: SCHEMATIC1:bias1

…

Circut read in and checking, no errors

(Схема прочитана и проверена, ошибок нет)

…

Bias point calculated (Вычислена точка смещения)

Simulation complete (Моделирование завершено).

Закройте окно ‘SCHEMATIC1:bias-PSpise A/D’.

Включите кнопку индикации напряжения, занесите значения напряжений в узлах схемы в отчет. Проведите простейшие расчеты ‘вручную’, проверьте, выполняется ли второй закон Кирхгофа для трех контуров схемы? Занесите расчеты в отчет. Повторным щелчком по кнопке индикации напряжения выключите её.

Включите кнопку индикации тока, занесите значения токов в ветвях схемы в отчет. Проведите расчеты ‘вручную’, проверьте, выполняется ли первый закон Кирхгофа для каждого узла схемы? Занесите расчеты в отчет. Повторным щелчком по кнопке индикации тока выключите её.

Включите кнопку индикации мощности, зафиксируйте результаты в отчете, затем выключите её.

Включите одновременно кнопки , , и занесите в отчет схему, с указанием напряжений, токов и мощностей на ней.

Сохраните проект в папке Lab_rab2.

Задание 2.Создайте проект, в котором рассчитываются напряжения в узлах, токи в ветвях, отдаваемые источниками и рассеиваемые мощности резисторами двух схем постоянного тока, приведенных на рис. 3. Получите результаты моделирования.

Рис. 3. Схемы с резисторами и источниками постоянного напряжения.

Последовательно:

– создайте проект с именем Zadanie2;

– начертите две схемы, приведенные на рис. 3;

– отредактируйте свойства компонентов двух схем;

– запустите процесс моделирования. Зафиксируйте две схемы с вычисленными значениями напряжений, токов и мощностей.

Сохраните созданный проект в папке Lab_rab2.

Для наглядности (рис. 4) приведены две схемы с результатами моделирования, полученными после включения кнопки индикации токов в ветвях.

Рис. 4. Схемы с резисторами и источниками постоянного напряжения.

Иногда вовсе не нужно знать все значения токов, напряжений и мощностей, затрудняющих чтение чертежа. В этом случае ненужные значения можно скрывать, а затем при необходимости их отображать. Чтобы скрыть значение напряжения, необходимо щёлкнуть по нему, а затем щёлкнуть по кнопке – Toggle Voltages On Selected Net(s) (Включить/выключить напряжения в выбранном сегменте проводки). Чтобы отобразить скрытое напряжение, необходимо щёлкнуть по нужному сегменту проводки, а затем – по кнопке . Чтобы скрыть значение тока, необходимо щёлкнуть по нему, а затем – по кнопке – Toggle Currents On Selected Part(s)/Pin(s) (Включить /выключить токи в выбранном выводе компонента). Для отображения скрытого значения тока необходимо щёлкнуть по выводу компонента, у которого отображалось скрытое значение тока, и по кнопке . Чтобы скрыть значение мощности, необходимо щёлкнуть по компоненту, а затем по кнопке – Toggle Power On Selected Part(s) (Включить/выключить мощность в выбранном компоненте). Для отображения скрытого значения мощности необходимо щёлкнуть по компоненту, а затем – по кнопке .

Для повышения читабельности чертежа можно пользоваться кнопкой -Zoom in (I) (Увеличение масштаба изображения), а для возврата чертежа в исходное состояние – кнопкой Zoom out (О) (Уменьшение масштаба изображения).

Выполнение работы

3.1. Включите ПК и запустить OrCad Capture.

3.2. Выполните задания 1, 2.

Форма отчетности

Отчет должен содержать:

– цель работы и основные положения по пункту 2;

– схему мостового соединения резисторов (см. рис. 1) с результатами моделирования и проверочные расчеты ‘вручную’;

– две схемы (см. рис. 3) с вычисленными значениями напряжений, токов и мощностей.

5. Контрольные вопросы

1. Поясните понятия ‘свойства компонентов’ и ‘профиль моделирования’.

2. Как задаются свойства компонентов и профиль моделирования для схем постоянного тока?

3. Как отобразить результаты моделирования?

4. Сформулируйте 1-й и 2-й законы Кирхгофа для схемы, приведенной на рис. 1.

Литература

1. Хайнеман Р. Визуальное моделирование электронных схем в PSPICE: пер. с нем. – М.: ДМК Пресс, 2008.-336с.: ил.

Лабораторная работа № 3

С общим эмиттером

На биполярном транзисторе

Цель работы:приобрести навыки: создания проекта моделирования схемы усилительного каскада с четырьмя профилями; получения результатов моделирования каскада по постоянному току, во временной и частотной областях; и проведения анализа полученных результатов.

Основные сведения

Выполнение работы

3.1. Включить ПК и запустить OrCad Capture.

3.2. Выполните задания 1,2.

Форма отчетности

Отчет должен содержать:

4.1. Цель работы и основные положения по пункту 2.1.

4.2. При выполнении задания 1 приведите:

– полученные в результате моделирования напряжения во всех узлах, токи во всех ветвях схемы, мощность, потребляемую от источника питания, мощности, рассеиваемые на коллекторе транзистора Q1 и на резисторе R5;

– рассчитанные V_БЭ, V_КЭ, V_Э, I_Д, R2, R1;

– графики выходных характеристик транзистора N3053, линию нагрузки и координаты рабочей точки.

4.3. При выполнении задания 2 приведите:

– две диаграммы входного и выходного напряжений усилительного каскада и вычисленный K_V;

– две диаграммы тока, протекающего по резистору R5, и мощности, рассеиваемой на R5;

– частотную характеристику выходного напряжения с логарифмическим масштабированием оси частот;

– частотную характеристику выходного напряжения с линейным масштабированием оси частот;

– частотную характеристику абсолютного значения K_V с логарифмическим масштабированием оси частот.

5. Контрольные вопросы

1. Поясните принцип работы усилительного каскада и назначение элементов схемы, приведенной на рис. 1.

2. Какие типы анализа усилительного каскада реализуются при создании каждого из четырех профилей?

3. Поясните пункты, выполняемые при создании каждого из трех профилей: SCHEMATIC1 – DC Sweep, SCHEMATIC1 – transient, SCHEMATIC1 – AC Sweep. Как активизировать профиль?

4. Поясните назначение элементов окна модуля Probe (Зонд) и строки Trace Expression (Выражение диаграммы). Поясните назначение пяти стандартных функций, выполняемых модулем Probe над величинами, перечисленными в левой части окна ‘Add Traces’.

5. Как получить временные зависимости входного и выходного напряжений усилительного каскада? Как нагляднее распечатать две временные диаграммы?

6. Какое свойство функции Log(x) обязательно учитывается при логарифмическом масштабировании оси частот?

Литература

1. Хайнеман Р. Визуальное моделирование электронных схем в PSPICE / пер. с нем. – М.: ДМК Пресс, 2008. – 336 с.: ил.

Лабораторная работа № 4

И маломощного источника

Выполнение работы

1. Включить ПК и запустить OrCad Capture.

2. Выполните задания 1, 2, 3.

Форма отчетности

Отчет должен содержать:

1. Цель работы и основные положения по пункту 2.

2. При выполнении задания 1:

– амплитуды V(R1:1), I(R1) и W(R1);

– две диаграммы напряжений на нагрузке – V(R1:1) и его действующего значения RMS(V(R1:1)), полученные в результате моделирования.

3. При выполнении задания 2:

– максимальные значения V(R1:1), I(R1) и W(R1);

– три диаграммы токов: I(R1), AVG(I(R1)) и RMS(I(R1)), полученные в результате моделирования;

4. При выполнении задания 3:

– две диаграммы напряжений: V(R1:1), V(C1:1) и диаграмму мощности на нагрузке W(R1).

5. Контрольные вопросы

1. Поясните принцип действия мостового выпрямителя по схеме, приведенной на рис. 1.

2. Как происходит ‘сглаживание’ выпрямленного напряжения в схеме, приведенной на рис. 2?

3. Поясните расчет и задание свойств трансформатора ТХ1.

Литература

1. Хайнеман Р. Визуальное моделирование электронных схем в PSPICE / пер. с нем. М.: ДМК Пресс, 2008. – 336 с.: ил.

2. Забродин Ю. С. Промышленная электроника: Учебник для вузов. М.: Высш. школа, 1982. – 496 с., ил.

Лабораторная работа № 5

Моделирование схем

На операционных усилителях

Цель работы: овладеть приемами и техникой моделирования схем на операционных усилителях; научиться получать характерные диаграммы напряжений и анализировать полученные результаты.

Основные положения

Выполнение работы

3.1. Включить ПК и запустить OrCad Capture.

3.2. Последовательно выполните задания 1,..,7, сохраняя проекты соответственно в папках Zadanie1,..,Zadanie7.

Форма отчетности

Отчет должен содержать:

4.1. Цель работы и основные положения по пункту 2.1.

4.2. При выполнении каждого задания приведите перечисленные в условии: моделируемую схему, диаграммы напряжений, результаты расчетов.

5. Контрольные вопросы

1. Какими параметрами операционного усилителя определяются реализуемые функции каждой из приведенных схем?

2. Приведите схемы и формулы для выходных напряжений инвертора и сумматора.

3. Приведите формулу для выходного напряжения интегратора. Как изменить масштаб интегрирования во времени?

4. Перечислите четыре группы фильтров на операционных усилителях и поясните их назначение.

Литература

1. Хайнеман Р. Визуальное моделирование электронных схем в PSPICE / пер. с нем. М.: ДМК Пресс, 2008. – 336 с.: ил.

2. Бриндли К., Карр Дж. Карманный справочник инженера электронной техники / Пер. с англ. 2-е изд., стер. М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005. – 480 с.: ил.

Моделирование узлов

Аналоговых

Электронных схем

Методические указания

К лабораторным работам

Для студентов направления

Электроника и наноэлектроника»

Часть 1

Составители: