Моделирование аналоговых схем

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.

Редактирование свойств компонентов схемы

Для того чтобы начерченная схема точно соответствовала заданной, компонентам следует задать нужные имена и определить их характеристики. При работе с редактором Capture имена, значения и другие характеристики компонентов называются свойствами (Properties). Свойствазадаются в окне ‘Property Editor’ (‘Редактор свойств’) или в окне ‘Display Properties’ (‘Отобразить свойства’). Окно ‘Property Editor’ открывается двойным щелчком по символу компонента, а окно ‘Display Properties’ – двойным щелчком по значению компонента.

Создание профиля моделирования

Профиль имеет имя, приставка в котором определяет один из стандартных типов (видов) анализа электронной схемы, для которого задаются параметры настройки.

Для простого анализа схем постоянного тока модулю PSpice необходимо задать тип анализа Bias (Напряжение/ток смещения). В этом случае профиль имеет имя SCHEMATIC1-bias и модуль PSpice реализует расчет напряжений во всех узлах, токов во всех ветвях схемы и мощностей, отдаваемых источниками и рассеиваемых пассивными компонентами схемы. Этот профиль создается системой OrCAD автоматически после вычерчивания схемы.

Моделирование схемы и получение результатов

Процесс моделирования запускается щелчком по кнопке -Run PSpice или щёлкая последовательно по: <PSpice>→<Run>.

Результаты моделирования отображаются на схеме в непосредственной близости от её компонентов при включении трех видов кнопок: – Enable Bias Voltage Display (Разрешить индикацию напряжения рабочих точек), – Enable Bias Current Display (Разрешить индикацию токов) и – Enable Bias Power Display (Разрешить индикацию мощности). Щелчком по одной из этих кнопок производится её включение, а при повторном щелчке кнопка выключается.

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