Краткие сведения о среде pspice
СОДЕРЖАНИЕ
1. Цель работы.............................................................................
2. КРАТКИЕ теоретические СВЕДЕНИЯ...............................
3. краткие сведения о среде pspice.................................
4. задание на лабораторную работу..............................
5. ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ...........................................
6. РАБОТА С ИНтерфейсом программы pspice..............
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Основной целью лабораторной работы является исследование спектральных характеристик заданных периодических сигналов и проведение спектрального анализа сигнала для импульсной зависимости.
КРАТКИЕ теоретические СВЕДЕНИЯ
Спектральную плотность первого импульса в пачке (рис. 1) обозначим через . Следовательно, второй импульс, сдвинутый относительно первого на (в сторону запаздывания), будет иметь спектральную плотность , третий импульс и т.д., -ый импульс .
Для группы из импульсов получим спектральную плотность
. (2.67)
Если , где - целое число, то каждое из слагаемых в скобках равно единице и, следовательно, этих точках спектральная плотность в раз больше спектральной плотности одиночного импульса.
Если , то суммарная спектральная плотность , а во всех промежуточных точках определяется как геометрическая сумма отдельных векторов.
Рис. 1. Пачка одинаковых, равностоящих импульсов.
В качестве иллюстрации на рис. 2. изображен спектр из четырех прямоугольных импульсов при интервале между соседними импульсами . С увеличением числа импульсов в пачке спектральная плотность все более расщепляется и в пределе принимает линейчатую структуру спектра периодической функции. Таким образом, отличие пачки импульсов от периодической последовательности импульсов заключается в том, что пачка содержит конечное число импульсов, а последовательность – бесконечное.
Рис. 2. Модуль спектральной плотности пачки их четырех импульсов.
краткие сведения о среде pspice
Входной файл, имеющий по умолчанию расширение .cir, является исходной информацией для моделирования. Он содержит:
- заголовок;
- описание элементов схемы;
- описание моделей элементов;
- директивы управления заданием;
- конец описания.
1. Заголовок– обязательная составляющая часть входного файла (одна строка любого текста, не содержащего кириллицу, например, «lab1»). Этот же текст выводится в виде заголовка в выходном файле.
2. Рассмотрим правила описания элементов схемы.
Предложение, описывающее независимый источник напряжения (V) (тока (I)), имеет вид:
V<XXX> <N+> <N-> [[PULCE] [SIN] [EXP] [PWL] [SFFM] (<параметры>)]
гдe N+,N- - номера noлoжитeльной и oтpицaтeльной цепей noдключeния.
Ключевые слова PULCE, SIN, EXP, PWL, SFFM определяют вид временной зависимости напряжения (тока) при анализе переходных процессов: имnyльcная, экcnoнeнциaльная, cинycoидaльная, кycoчнo-линeйная, синусоидальная с частотной модуляцией. В предложении должна быть указана одна из этих зависимостей. Рассмотрим подробнее параметры указанных зависимостей. В двойных скобках <<...>> будет приведено значение по умолчанию.
а) Имnyльcная зависимость (рис. 3)
PULSE(V1 V2 Td Tr Tf Pw T),
где V1 - нижний уpовень сигнала, В(А), <<неопределено>>;
V2 - веpхний уpовень сигнала, В(А), {неопределено>>;
Td - задеpжка переднего фронта первого импульса, с, <<0>>;
Tr - длительность пеpеднего фpонта, с, <<TSTEP>>;
Tf - длительность заднего фpонта, с, <<TSTEP>>;
Pw - длительность плоской вершины импульса, с, <<TSTOP>>;
T - пеpиод следования импульсов, с, <<TSTOP>>.
где TSTEP - шаг по времени при выводе на печать результатов расчета переходных процессов; TSTOP - заданное время анализа переходного процесса.
Пример:
V1 1 0 PULSE(0.5 5 2 4 6 3 20)
Рис. 3.
б) Экcnoнeнциaльная зависимость(рис.4)
EXP(V1 V2 Td TAUd Tr TAUr),
где V1 - начальное значение <<неопределено>>;
V2 - максимальное значение импульса <<неопределено>>;
Td - вpемя задеpжки наpастания <<0>>;
TAUd - постоянная вpемени pоста <<TSTEP>>;
Tr - вpемя задеpжки спада <<Td+TSTEP>>;
TAUr - постоянная вpемени спада <<TSTEP>>.
Пример:
V2 2 0 EXP(0.5 5 2 3.7 10 2)
Рис. 4.
в) Синycoидaльная зависимость(рис. 5)
SIN(V0 Va F Td Df Fi),
где V0 - постоянная составляющая (В/А), <<неопределено>>;
Va - амплитуда (В/А), <<неопределено>>;
F - частота (Гц), <<1/TSTOP>>;
Td - задеpжка сигнала, (с), <<0>>;
Df - коэффициент затухания, (1/сек), <<0>>;
Fi - начальная фаза, (град), <<0>>.
Пример:
V3 3 0 SIN(2 1.9 2 0.8 0.8 12)
Рис. 5.
г) Кycoчнo-линeйная зависимость(рис. 6)
PWL(T1 V1 T2 V2 ... Tn Vn).
Каждая паpа значений (Ti(с),Vi(В/А)) определяет координаты точек, через которые проходит зависимость. Значение источника в пpомежуточные моменты вpемени опpеделяется с помощью линейной интеpполяции.
Пример
V4 4 0 PWL(0 0.1 2 1.5 3 3.5 4 2.4 5 0.2)
Рис. 5.
д) Синусоидальная зависимость с частотной модуляцией
SFFM(V0 Va Fc M Fm),
где V0 - постоянная составляющая, (В/А), <<неопределено>>;
Va - амплитуда, (В/А), <<неопределено>>;
Fc - несущая частота (Гц), <<1/TSTOP>>;
M - индекс модуляции, <<0>>;
Fm - частота модуляции (Гц), <<1/TSTOP>>.
Предложение, описывающее резистор, имеет вид:
R<XXX> <N+> <N-> [ИМЯМОД] <ВЕЛИЧИНА>,
где N+, N- - номера цепей подключения (N+ и N- задают положительное направление тока через резистор – положительный ток течет от цепи N+ к цепи N-;
ИМЯМОД – имя модели резистора;
ВЕЛИЧИНА – номинал в омах с учетом масштабного коэффициента. В нашем случае она будет равна 100000.
3. Директивы управления заданием имеют символ «.» в первой позиции строки и определяют порядок работы программы. Рассмотрим некоторые из них.
Передача данных в графический постпроцессор PROBE осуществляется директивой
.PROBE [<ПЕРЕМ>] [<ПЕРЕМ>],
где ПЕРЕМ – исследуемая переменная (ток, напряжение, …). Результаты расчета данных записываются в файл с расширением .dat.
Расчет переходных процессов производится по директиве
.TRAN <ИНТЕРВАЛ> <ВРАНАЛ>,
где ИНТЕРВАЛ - интервал вывода результатов вычислений в виде таблиц или графиков (не нужно путать с шагом интегрирования, который выбирается программой автоматически);
ВРАНАЛ - время анализа (анализ всегда начинается с нулевого момента времени), принимаем его равным периоду сигнала.
Спектральный анализ выполняется после окончания расчета переходного процесса (в задании должна быть директива .TRAN) с помощью дискретного преобразования Фурье по директиве
.FOUR <F> <ПЕРЕМ> <ПЕРЕМ>
где F – линейная частота сигнала, , где - период сигнала;
ПЕРЕМ – исследуемая переменная (ток, напряжение, …).
Рассчитываются амплитуды постоянной составляющей и девяти первых гармоник . При этом анализу подвергается временной интервал от равный ВРАНАЛ- до ВРАНАЛ. Также по соотношению
рассчитывается коэффициент нелинейных искажений.
В результате использования такой директивы в выходном файле с расширением .out появляется таблица со следующими данными
DC COMPONENT - амплитуда постоянной составляющей ;
FREQUENCY (HZ) – линейные частоты первых девяти гармоник (Гц);
FOURIER COMPONENT – амплитуды первых девяти гармоник;
PHASE (DEG) – начальные фазы гармоник .
Конец задания отмечается директивой
.END
Задание на лабораторную работу
1. Исследовать
Таблица 1.
| № вар. | V1 | V2 | Td | Tr | Tf | Pw | T | № вар. | V1 | V2 | Td | Tr | Tf | Pw | T |
| 1.5 | 0.6 | 1.8 | 0.5 | ||||||||||||
| 1.5 | 1.2 | ||||||||||||||
ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Рассмотрим пример выполнения лабораторной работы в среде PSPICE и Mathcad.
В соответствии с заданием для сигнала имеютя начальные параметры, например, V1=0, V2=5, Td=0, Tr=2, Tf=3, Pw=6, T=13.
Зададим сигнал в Mathcade
В качестве длительности трапецевидного сигнала будем брать разность значений сигнала, соответствующих концам отрезка, проходящего через прямую , где и - начальное и максимальное значения импульса соответственно. В данном случае,
и длительность сигнала
Спектральная плотность заданного сигнала равна
и ее амплитудная характеристика
Зададим пачку из пяти импульсов ( ), обозначим ее через . Тогда ее спектральная плотность находится по формуле
и модуль
Полученные результаты выведем на экран
Аналогичные действия проделайте с последовательностью периодических импульсов, например, для .
Убедитесь, что в определенных точках графика выполняются соотношения между спектральной плотности пачки импульсов или периодической последовательности импульсов и спектром единичного сигнала. Результаты выведите на экран. Что происходит с графиком спектральной плотности при увеличении числа импульсов до ?
В PSPICE строим графики для пачки из 5 импульсов
и периодической последовательности 30 импульсов
При анализе результатов, полученных в PSPICE, необходимо учесть тот момент, что графики нормируются относительно времени наблюдения. То есть, если исходный импульс имеет время наблюдения , то спектральная плотность будет уменьшена в раз. Если мы на этот же график добавим пачку или периодическую последовательность таких же импульсов, то спектральная плотность исходного импульса будет уменьшена еще в раз.
Приведите графики, полученные в Mathcade и PSPICE к одинаковому виду.