Использование пакета программ Micro-Cap для моделирования компонентов электрической принципиальной схемы

RD, RS - объемное сопротивление области стока (истока);

CGD, CGS - емкость перехода затвор-сток (затвор-исток) при нулевом смещении.

МОП-транзистор (MOSFET):

LEVEL - уровень сложности (1, 2 или 3) используемой модели. Модель первого уровня (LEVEL=1) наиболее простая, но и наименее точная при моделировании вольтамперных характеристик транзистора;

VTO - пороговое напряжение при нулевом смещении;

(Voltage Source и Current Source)

Независимые источники напряжения (Voltage) и тока (Current) позволяют создавать входные воздействия разнообразной формы: импульсные (Pulse), синусоидальные (Sin), экспоненциальные (Exp), кусочно-линейные (PWL), гармонические с частотной модуляцией (SFFM), случайный сигнал или «шум» (Noise), сигнал в виде гауссового импульса (Gaussian). Графические изображения независимых источников показаны на рис. 9, а способы задания параметров практически одинаковы (см. табл. 5…8).

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Поскольку для данных источников в программе MC8 не определены внутренние сопротивления, то модели независимых источников Voltage Source и Current Source следует считать идеальными.

После выбора независимого источника открывается окно задания параметров модели, показанное на рис. 10. Форма генерируемого сигнала определяется с помощью закладок (Puls, Sin и т.д.), а параметры сигнала вводятся в окне задания параметров, которое имеет разный состав для разных моделей сигнала. Для всех этих сигналов можно задавать значение постоянной составляющей - параметр DC (для режима анализа DC), а также (для режима АС) указать значения амплитуды (AC magnitude) и начальной фазы (AC Phase) сигналов.

Рис. 10

В табл. 5 представлены параметры импульсного сигнала (Pulse), аналогичного сигналу, рассмотренному ранее (см. рис. 7). Следует отметить отличия не только в обозначении, но и в способе задания параметров модели сигнала (табл. 4).

Таблица 5

Синусоидальный сигнал (Sin) определяется выражением:

Параметры гармонического сигнала приведены в табл. 6.

Таблица 6

Экспоненциальная функция (Exp) описывается выражением:

Форма сигнала Exp показана на рис. 11, а назначение параметров поясняется в табл. 7. Экспоненциальный сигнал похожей формы можно получить на выходе простейшей пассивной линейной цепи первого порядка (при TC1=TC2), например, RC-цепи. Модель генератора сигнала (Exp) позволяет сформировать экспоненциальный сигнал с произвольными значениями параметров TC1 и TC2 и оперативно задать значения других параметров.

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Таблица 7

Синусоидальная функция с частотной модуляцией (SFFM) описывается выражением:

Параметры независимого источника гармонического сигнала с частотной модуляцией приведены в табл. 8, а пример частотно-модулированного колебания показан на рис. 12.

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

В данном примере значение несущей частоты составляет 1 МГц, модулирующая частота равна 100 кГц, а индекс модуляции (отношение девиации частоты к модулирующей частоте) равен 5.

Таблица 8

Кусочно-линейный сигнал (PWL) задается координатами точек излома (Ti, Vi), которые вводятся в окне параметров и определяют значение атрибута VALUE. Следует обратить внимание, что для каждой пары координат точки излома сначала определяется время, а затем величина сигнала, причем значение сигнала не может быть отрицательной величиной. Координаты соседних точек отделяются друг от друга пробелом.

Случайный сигнал (Noise) генерируется в виде кусочно-линейной функции, точки излома которой по оси времени задаются параметром Interval (расстояние между соседними точками), а амплитуда сигнала в этих точках определяется по случайному закону (рис. 13) в диапазоне ± U_m. Величина U_m задается параметром Amplitude. Кроме того, необходимо ввести параметры Start Time и End Time - начало и конец реализации случайного процесса.

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Сигнал в виде гауссового импульса (Gaussian) представляет собой последовательность импульсов колоколообразной формы (рис. 14), форма которых задается следующими параметрами:

Amplitude - амплитуда импульсов;

Width at 50% - ширина импульсов по уровню 0,5 от амплитуды;

Time to peak - время фиксации вершины первого импульса;

Period - период повторения импульсов.

3.4 Источник напряжения User Source

электрический атрибут напряжение сигнал

Источник напряжения User Source задается пользователем или в виде файла (атрибут FILE), или в виде выражения (атрибут EXPRESSION). Пользователь имеет возможность задать источник напряжения произвольной формы. Для этого отсчеты сигнала записываются в текстовый файл (который должен иметь расширение.usr) с помощью любого текстового редактора. В этом файле записывается общее количество отсчетов N и пары значений, определяющие выражения для отсчетов моментов времени и значения напряжений [1].

Ручное редактирование файла требует значительных временных затрат, поэтому в MC8 предусмотрено создание файла сигнала путем сохранения сигналов, полученных в результате расчета переходных процессов (режим анализа Transient). Для этого после получения графиков переходных процессов двойным щелчком левой клавиши мыши вызывается диалоговое окно Properties, в котором выбирается закладка Save Curves. Далее указывается требуемый график сигнала (в качестве пользовательского) и нажимается кнопка SAVE.

Для вызова подготовленного файла в качестве источника напряжения необходимо в окне задания параметров в позиции FILE указать имя и путь сохраненного *.usr файла. При поиске нужного файла можно воспользоваться кнопкой Browse. На рис. 15 в качестве примера показан сигнал, вырабатываемый источником User Source, заданным файлом Sample.usr (папка DATA в программе MC8).

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Глава 4. Компоненты для специальных целей (Special Purpose)

В раздел Special Purpose помещены ключи (Switch), устройства выборки и хранения (Sample and Hold), стрелки (Arrow) и контакты (Bubble).

4.1 Коммутирующие устройства

При расчете переходных процессов удобно пользоваться электрическими коммутирующими устройствами (ключами). В программе MC8 предусмотрены три модели ключей (рис. 16).

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Switch - ключи (обозначение на схеме - SW), управляемые разностью потенциалов (V) или током (I) через индуктивность, а также коммутируемые в определенные моменты времени (T). Для задания параметров модели ключа SW необходимо в строке атрибута VALUE указать X, n1, n2, Ron, Roff, где:

X - тип управляющего сигнала (V, I или T);

n1, n2 - значения управляющей величины, при которых происходят переключения;

Ron, Roff - сопротивления ключа в замкнутом и разомкнутом состояниях (задавать необязательно).

Для ключей типа V управляющий сигнал представляет собой разность потенциалов между управляющими выводами ключа. Для ключей типа I управляющим сигналом является ток, протекающий через индуктивность, которая должна быть включена между управляющими выводами. При использовании ключа типа T управляющим сигналом является время, а управляющие выводы ключа должны быть заземлены.

Соотношение между значениями управляющих величин n1 и n2 определяет алгоритм функционирования ключа. Если n1<n2, то ключ замкнут (находится в состоянии ON) при управляющем сигнале n1<X<n2 и разомкнут (находится в состоянии OFF), когда X<n1 или X>n2. Если же n1>n2, то при n1>X>n2 ключ разомкнут (OFF), а при X>n1 или X<n2 - ключ замкнут (ON).

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

На рис. 17 показана схема, содержащая три ключа Switch разных типов: SW1 (V, 2, 4), SW2 (I, 0.2m, 0.6m), SW3 (T, 0.1u, 0.4u). Источник сигнала V1 вырабатывает синусоидальное колебание амплитудой 5В и частотой 1 МГц. Ключи SW1 и SW2 коммутируют постоянное напряжение (источник V2), а ключ SW3 - переменное напряжение (V1). Эпюры управляющих напряжения (v(3) для SW1) и тока (I(L1) для SW2), а также коммутируемые напряжения в контрольных точках схемы v(4), v(2) и v(5) приведены на рис. 18.

Как следует из рис. 18, ключ SW1 находится в состоянии ON при условии 2В<v(3)<4В, ключ SW2 замкнут при условии 0.2mA<I(L1)<0.4mA, а ключ SW3 находится в замкнутом состоянии на интервале времени 0.1 мкс…0.4 мкс.

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Ключ, управляемый напряжением S(V-Switch), имеет тот же принцип управления, что и рассмотренный выше ключ Switch типа V. Для задания параметров модели данного ключа необходимо присвоить атрибуту MODEL имя <VSWITCH>, а в открывшемся окне параметров ввести их значения. Обозначения параметров ключа (табл. 9) несколько отличаются от рассмотренных выше параметров, однако имеют тот же смысл, а процедура ввода их значений более наглядна.

Таблица 9

Ключ, управляемый током W(I-Switch), аналогичен ключу Switch типа I. После присвоения атрибуту MODEL имени <ISWITCH> открывается окно параметров, обозначение которых приводится в табл. 10.

Таблица 10

4.2 Устройство выборки-хранения (Sample and Hold)

Устройство выборки-хранения (рис. 19) представляет собой аналоговое запоминающее устройство, которое запоминает аналоговый сигнал в заданные моменты времени и хранит это значение в течение определенного времени, равного периоду дискретизации. Иными словами данное устройство реализует первый этап преобразования аналогового сигнала в цифровую форму, а именно осуществляет дискретизацию сигнала во времени.

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Для задания параметров устройства в формате схем MC используются следующие атрибуты:

PART: <имя>, (на рис. 19 - S1);

INPUT EXPRESSION: <функция>;

SAMPLE EXPRESSION: <логическое выражение>;

PERIOD: <значение>.

В поле атрибута INPUT EXPRESSION вносится функция напряжения или тока, которая будет обрабатываться устройством выборки-хранения. Например, напряжение в контрольной точке схемы V(1) или ток через резистор I(R1) и т.п.

В поле атрибута SAMPLE EXPRESSION вносится логическое выражение, формирующее команды выборки и хранения. Определять данный атрибут не обязательно, если задан период дискретизации в поле атрибута PERIOD, поскольку на этот же период времени происходит и запоминание выборки.

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Пример работы устройства выборки-хранения показан на рис. 20. В данном случае при моделировании компонента Sample and Hold в качестве дискретизируемой функции указано падение напряжения на конденсаторе С1, которое определено как напряжение V(3). Период дискретизации (атрибут PERIOD) равен 10 нс. Для получения эпюры напряжения на выходе устройства выборки-хранения достаточно подсоединить к нему в качестве нагрузки резистор (на рис. 20 - R2).

4.3 Стрелки (Arrow) и контакты (Bubble)

Компоненты Arrow (стрелки) и Bubble (контакты) используются, как правило, для нанесения на схему дополнительной информации и не участвуют в моделировании (рис. 21). В частности, компонент Arrow может указывать направление тока, а компонент Bubble, помеченный текстовой меткой, может обозначать вход (Input) или выход (Output) схемы, а также номер контрольной точки и др.

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Заключение

MicroCAP-7 - это универсальный пакет программ схемотехнического анализа, предназначенный для решения широкого круга задач. Характерной особенностью этого пакета, впрочем, как и всех программ семейства MicroCAP (MicroCAP-3… MicroCAP-8) [1, 2], является наличие удобного и дружественного графического интерфейса, что делает его особенно привлекательным для непрофессиональной студенческой аудитории. Несмотря на достаточно скромные требования к программно-аппаратным средствам ПК (процессор не ниже Pentium II, ОС Windows 95/98/ME или Windows NT 4/2000/XP, память не менее 64 Мб, монитор не хуже SVGA), его возможности достаточно велики. С его помощью можно анализировать не только аналоговые, но и цифровые устройства. Возможно также и смешанное моделирования аналого-цифровых электронных устройств, реализуемое в полной мере опытным пользователем пакета, способным в нестандартной ситуации создавать собственные макромодели, облегчающие имитационное моделирование без потери существенной информации о поведении системы.

Перечисленные достоинства делают пакет программ MicroCAP-7 весьма привлекательным для моделирования электронных устройств средней степени сложности. Удобство в работе, нетребовательность к ресурсам компьютера и способность анализировать электронные устройства с достаточно большим количеством компонентов позволяют успешно использовать этот пакет в учебном процессе. Настоящее пособие не претендует на полное руководство по работе с MicroCAP-7.

Список литературы

1. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования Micro-Cap V. - Москва, «Солон», 1997. - 273 с. 621.3 Р17 /1997 - 1 аб, 3 чз.

2. Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств Design Lab 8.0. - Москва, «Солон», 1999. 004 Р-17 /2003 - 1 аб/ 2000 - 11 аб, 5 чз.

3. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение.- Москва: Солон-Р, 2001. - 726 с. 004 K23/ 10 аб, 5 чз.

4. Micro-Cap 7.0 Electronic Circuit Analysis Program Reference Manual Copyright 1982-2001 by Spectrum Software 1021 South Wolfe Road Sunnyvale, CA 94086.

Размещено на Allbest.ru