litceysel.ru
добавить свой файл
1 2 ... 4 5
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 Демонстрация основных возможностей программы MICROCAP


1. Цель работы


  1. Знакомство с инсталляцией и основными возможностями программы схемотехнического моделирования электронных схем MICROCAP-7(8).

  2. Знакомство с основными режимами работы программы: графическим вводом схем, режимами анализа переходных процессов, малосигнальных частотных характеристик, передаточных характеристик на постоянном токе.

  3. Знакомство с наиболее употребительными режимами обработки графиков: масштабированием (автоматическим и ручным), измерениями параметров сигналов, нанесением текстовых надписей.

2. Подготовка к работе

  1. Изучить основные приемы работы с программой MICROCAP при создании принципиальных схем и составлении задания на моделирование по конспекту лекций и [1, c. 36–54, 72–84].

3. Рабочее задание

Лабораторная работа имеет ознакомительный характер и выполняется в начале изучения курса. В связи с этим пункты рабочего задания для этой работы будут сопровождаться краткими сведениями о программе. Для отделения пунктов рабочего задания от сведений о программной среде первые будут заключены в рамку.

3.1. Установка системы

Автором изменены изображения часто используемых компонентов электронных схем (например резисторов, индуктивностей…) в соответствии с российскими стандартами. Кроме того, дополнена библиотека электронных компонентов — в нее включены модели некоторых отечественных полупроводниковых приборов (диодов, стабилитронов, биполярных и полевых транзисторов). Поэтому, для того чтобы создаваемая электронная схема имела привычный и близкий к отечественному стандарту вид и были доступны модели российских компонентов, необходимо придерживаться порядка установки, изложенного в текстовом файле READ_ME.TXT.

3.2. Демонстрация основных возможностей

Прежде чем перейти к компьютерному анализу и синтезу электронных схем с помощью программы MICROCAP-7(8), продемонстрируем ее основные возможности на demo-файлах и простейших примерах заранее подготовленных и загружаемых с диска. После вызова программы МС7 двойным щелчком на ее пиктограмме на экране появится основное окно программы, сверху которого помещена строка системного меню, в которой размещены имена режимов File, Edit, Component, Windows, Options, Analysis, Design, Help (рис. 1.1). Ниже под этой строкой расположены панели инструментов с пиктограммами кнопок команд. Здесь и далее для удобства начинающего пользователя программы для вызова команды будут даваться 3 равноценных варианта: с помощью команды меню, горячей клавиши и кнопки панели инструментов.




Рис. 1.1. Схема амплитудного детектора для моделирования с помощью MICROCAP-7


  1. Установить с помощью команды FILE/Path для файлов схем DATA путь …\
    MC7\DATA (необходимо для работы DEMO-примера).

  2. Запустить основной демонстрационный файл программы Help/General Demo. Приостановить работу demo-примера (для чтения поясняющих сообщений на английском языке) можно с помощью нажатия клавиши
    , возобновить воспроизведение — с помощью нажатия любой клавиши.

Ускорить показ фрагментов можно последовательным нажатием любой клавиши. Просмотреть работу demo-файла до конца и усвоить основные приемы создания и редактирования электронной схемы с помощью графического редактора и команды основных видов анализа (Transient — анализ переходных процессов, AC — малосигнальный частотный анализ, DC — анализ по постоянному току).

Можно запустить отдельные демонстрационные элементы: Help/schematic demo — для просмотра режимов редактирования схемы и Help/Analysis demoдля просмотра режимов анализа.

а) Загрузка схемы. Вначале курсором выбирается режим File. По команде New... предлагается сделать выбор:

Schematic — создание нового чертежа схемы, который заносится в файл с расширением *.CIR;

SPICE/Text — создание нового текстового файла с описанием схемы или текстового файла библиотеки математической модели компонента в формате SPICE (расширение имени *.СКТ);

Library — создание нового бинарного файла библиотек (расширение имени *.LIВ). В этом файле помещаются модели биполярных транзисторов (BJT), полевых транзисторов (JFET), МОП-транзисторов (MOSFET), арсенид-галлиевых полевых транзисторов (GaAsFET), биполярных транзисторов с изолированным затвором (IBGT), диодов (Diode), источников синусоидальных сигналов (Sinusoidal), источников импульсных сигналов (Pulse), операционных усилителей (Ораmр), линий передачи с потерями (TRN), магнитных сердечников (Core), конденсаторов (Capacitor), индуктивностей (Inductor), резисторов (Resistor), ключей, управляемых напряжением (S) и током (W).


Демонстрацию возможностей МС7 проведем на подготовленной заранее схеме, загрузив ее по команде File/Open... В открывшемся окне выбираем каталог …\MC7\Примеры, в котором находятся файлы схем, рассматриваемые в конспекте лекций и лабораторном практикуме.

На строке «Тип файлов» (Files of Type) указывается тип просматриваемых файлов:

Schematic (*.CIR) — схемы в формате МС7 (устанавливаются по умолчанию);

Macro (*.МАС) — макромодели в формате МС7;

SPICE (*.CKT; *.STM) — текстовое описание схем и сигналов в формате SPICE;

SPICE LIBRARY (*.LIB) — текстовое описание библиотек в формате SPICE;

Model Library (*.LBR) — библиотеки математических моделей в формате МС7;

Model Data (*.MDL) — параметры математических моделей отдельных компонентов в формате МС7 (эти файлы создаются с помощью программы MODEL);

Filter (*.RES, *.CAP, *.IND) — результаты синтеза фильтров;

All Files (*.*) — все файлы.

Выбираем тип файлов Schematic и затем имя файла AmplDet.CIR. В результате загружается схема, показанная на рис. 1.1.

Схема состоит из резонансного усилителя на биполярном транзисторе, настроенного на частоту 10 кГц, и последовательного амплитудного детектора. На вход усилителя подается гармонический сигнал с частотой 10 кГц и амплитудой 10 мВ (источник сигнала V1). В качестве источника питания включена батарея V2 с напряжением 5 В.

Экран на рис. 1.1 разделен на две части выбором в меню Windows команды Split Horizontal, чтобы в нижнем окне просмотреть (и при необходимости отредактировать) тексты математических моделей компонентов схемы: в данном примере источника синусоидального сигнала и биполярного транзистора. Показ номеров узлов схемы может быть включен/выключен командой Options/View/Node Numbers или нажатием на пиктограмму .


б) Вид анализа характеристик схемы указывается в меню Analysis:

Transient — анализ переходных процессов;

АС — анализ частотных характеристик на малом сигнале;

DC — анализ передаточных функций по постоянному току;

Dynamic DC — расчет режима по постоянному току и отображение на схеме узловых потенциалов, токов ветвей, рассеиваемой компонентами мощности, состояний приборов;

Transfer Function — расчет малосигнальных передаточных функций по постоянному току;

Sensitivity — расчет чувствительностей по постоянному току выходных переменных к изменению параметров схемы;

Probe Transient, AC, DC — оперативное построение графиков путем указания мышью необходимого узла или компонента.

За исключением режимов Dynamic DC и Probe этот перечень такой же, как и для известной программы PSpice [4].

Продемонстрируем основные возможности моделирования электронных схем с помощью программы, выполнив предлагаемое задание.


  1. Загрузить в окно схемного редактора схему AMPLDET.Cir из каталога Примеры.

  2. Отобразить номера узлов загруженной схемы, выполнив команду Options/View/Node Numbers (или нажав пиктограмму на панели инструментов).

  3. Показать текстовое окно вместе со схемным окном одновременно, выполнив команду Windows /Split Vertical. Экран должен приобрести вид, показанный на рис. 1.1.
  4. Вернуть отображение в исходное состояние, выполнив команду Windows/Remove splits


  5. Последовательно переключиться между схемным и текстовым окном с помощью закладок Page 1, Text (или последовательного нажатия <CTRL>+ <G>).

3.3. Анализ переходных процессов (Transient Analysis)

Выбрав команду Analysis /Transient ( + <1>), переходим в меню задания параметров моделирования переходных процессов Transient Analysis Limits.

В строке Time Range указывается длительность интервала времени моделирования; в графе Operating Point указывается на необходимость перед расчетом переходных процессов выполнить расчет режима по постоянному току; в строке State Variables — тип используемых начальных условий для расчета (Zero — нулевые, Readсчитанные с диска, Leave — достигнутые в конце предыдущей стадии расчета); в нижней части окна указываются имена переменных, графики которых нужно построить. Имена аналоговых и цифровых переменных, откладываемых по оси Y графиков, указываются в графе Y Expression, при этом допускается применение математических выражений и функций. Приведем ряд примеров:

    • V(5) — потенциал узла 5;

    • V(7,4) — разность потенциалов между узлами 7 и 4;

    • VBE(Q1) — напряжение база-эмиттер транзистора Q1;

    • I(V1) — ток через источник сигнала V1;

    • I(V1)*V(V1) — мгновенная мощность источника сигнала V1;

    • CBC(Q1) — емкость перехода база-коллектор транзистора Q1;

    • Q(C1) — заряд конденсатора С1,

    • FFT(V(7)) — спектр напряжения в узле 7 (при этом по оси X нужно откладывать частоту F);
    • D(QA) — логический уровень сигнала в цифровом узле QA.


Моделирование начинается после нажатия на кнопку Run, на пиктограмму или на клавишу <F2>. Моделирование может быть остановлено в любой момент нажатием на пиктограмму или клавишу <Esc>. Запустив анализ, можно наблюдать на экране результирующие графики моделирования. Графики различаются цветом, который назначается в меню Transient Analysis Limits путем нажатия на цветную пиктограмму. В примере AMPLDET.CIR изображены два графика: на одном размещаются напряжения V(4) и V(4,6), на другом — ток через диод I(D1) (на одном графике их нежелательно строить из-за различия в масштабах).

Номера графиков указываются цифрой в графе Р. Масштабы графиков по осям X, Y указываются в явном виде в графах X Range, Y Range или выбираются автоматически, если установить флажок Auto Scale Ranges.

  1. Войти в меню анализа переходных процессов для загруженной схемы, выполнив команду Analysis/Transient ( +<1>)

  2. Запустить анализ переходных процессов с параметрами загруженного файла AMPLDET, выполнив команду RUN в открывшемся подменю Transient Analysis Limits.
  3. Вывести на экран одновременно с результатами анализа и принципиальную схему, выполнив команду Windows/The Vertical ( + или ). Это необходимо для сопоставления схемных узлов и результатов анализа для них. Закрыть окно схемного редактора, выполнив команду Windows/maximize ().


  4. Изменить масштаб графиков по оси Y на автоматический (включить auto scale range или auto для каждой переменной), войдя в подменю Transient Analysis Limits (Transient/Limits, или , или ). Запустить анализ переходных процессов. Объяснить вид полученных графиков.

  5. Изменить цвет графиков: V(4,6) — светло-зеленый, V(4) — розовый, I(D1) — красный. Это можно выполнить двумя способами: 1) зайдя в подменю Transient Analysis Limits (Transient/Limits или или ) или 2) щелкнув левой клавишей мыши на окне графиков, в открывшемся подменю Properties изменить соответствующие параметры закладки Colors, Fonts and Lines.

  6. Изменить расположение графиков: в нижнем окне — зависимости напряжений от времени, в верхнем — зависимости токов от времени.

  7. Изменить время расчета и вывода результирующих графиков на 5 миллисекунд (установить 5m в Time Range и соответствующий диапазон в параметрах вывода графиков X range). Запустить анализ, убедиться в правильности установок.

  8. Сохранить значения переменных состояния в конечной точке расчета. Для этого необходимо выполнить команду Transient/State Variables Editor/Write ( или ) и согласиться с предложенным именем файла начальных условий.

  9. Продолжить расчет переходного процесса в течение следующих 5 мс. Для этого изменить опции расчета переходного процесса в Transient Analysis Limits:

  • Operating Point — выключить (расчет продолжается)
  • State Variables — Read (начальные условия читаются с ранее записанного на диске файла с расширением .top — ampldet.top).


Запустить анализ (RUN). Убедиться, что схема вошла в установившийся режим. Установить время анализа (Time range) и диапазон по оси абсцисс графиков (X range) для последующих исследований 1ms. Запустить анализ.

  1. Изменить шаг расчета (Maximum Time Step) с 1Е-7 на 1Е-4. Остальные параметры анализа не менять по сравнению с предыдущим пунктом. Запустить анализ. Объяснить вид полученных графиков. Выполнить команду показа расчетных точек графиков Scope/View/Data points (). Вернуть шаг расчета к исходному значению 1E-7. Опять запустить анализ. Отменить показ на графике точек расчета, повторно выполнив команду Scope/View/Data points (). Объяснить вид графиков, построенных в данном пункте.

  2. Выйти из режима анализа переходных процессов Transient, закрыв его окно (или нажав клавишу ). Вернуть все параметры схемы к исходной дисковой версии, выполнив команду File/Revert ().

  3. Запустить снова анализ переходных процессов Analysis/Transient/Run. После окончания анализа программа автоматически переходит в режим Scale Mode (из других режимов вызывается нажатием или ).

Это значит, что правой клавишей мыши можно передвигать график по его окну так, как удобно для просмотра, а левой клавишей мыши можно увеличивать задаваемый ей прямоугольный фрагмент.
  1. Передвинуть правой клавишей мыши графики в верхнем окне, чтобы они полностью умещались в нем. Левой клавишей мыши выбрать и увеличить выходной импульс тока амплитудного детектора I(D1) в нижнем окне так, чтобы он занимал полностью нижнее окно вывода графиков. Восстановить исходные масштабы вывода графиков выполнив команду Scope/Restore Limit Scale (+<Ноmе>).


  2. Войти в подменю Transient Analysis Limits (Transient/Limits или или ). Установить в нем опцию Auto Scale Ranges. Запустить анализ. Активизировать режим электронного курсора Cursor Mode ( или ). Выбрать график напряжения V(4) щелчком мыши по аналогичной надписи на графике.

  3. Установить левый электронный курсор (щелчок и перетаскивание левой клавишей мыши) на любом максимуме установившейся синусоиды, правый курсор (щелчок и перетаскивание правой клавишей мыши) на следующем максимуме справа. Измерить период колебаний напряжения V(4). Он будет индицироваться в таблице координат курсоров, расположенной под графическим окном, в столбце Delta и строке T.

Нанести надпись с измеренным периодом на график, выполнив команду Scope/Tag Horizontal (++


следующая страница >>