 |
Моделирование источников сигналов и цепей в Micro Cap
|
|
|
|
Лабораторная работа №1
1.1. Соберите схему (рис.1.1), состоящую из последовательно соединенного источника постоянного тока (ISource, его ток в миллиамперах должен быть равен вашему номеру по журналу, он находится в меню Component /Analog Primitives /Waveform Sources) и трех резисторов с указанными на рисунке сопротивлениями (воспользуйтесь таблицей). Для размещения элементов на схеме пользуйтесь меню Component или палитрой компонентов №1 (ее можно вызвать нажатием кнопок Ctrl+1). Зарисуйте схему в отчет.
| Вариант 1 | Вариант 2 | Значение |
| 5.6meg | 5.6e6 | 5.6×106 |
 5.6k
| 5.6e3 | 5.6×103 |
| 5.6 | 5.6 | 5.6 |
| 5.6m | 5.6e-3 | 5.6×10-3 |
| 5.6u | 5.6e-6 | 5.6×10-6 |
| 5.6n | 5.6e-9 | 5.6×10-9 |
| 5.5p | 5.6e-12 | 5.6×10-12 |
Рис. 1.1
Отметьте узлы схемы номерами, нажав кнопку 
(или присвойте узлам имена, пользуясь кнопкой Т). Рассчитайте предварительно напряжения в узлах этой схемы, запишите их в отчет. Включите режим моделирования работы схемы во временной области, выбрав в меню Analysis режим Transient.
Далее заполните поля таблицы задания на моделирование «Transient Analysis Limits», которая появится перед вами (рис 1.2). Помните, что напряжения в узлах схемы можно указывать разными способами, например v(1), v(in) или v(R1). В задании на моделирование включите также режим автоматического масштабирования графиков, поставив галочку в клетке «Auto Scale Ranges», как это показано на рис.1.2. Запустите моделирование, нажав кнопку RUN. После этого на полученных графиках вы увидите прямые линии, соответствующие напряжениям в указанных вами узлах.
Чтобы снять показания с этих графиков, нужно воспользоваться режимом «Курсор», для чего нажать кнопку 
, либо F8 на клавиатуре. Под графиками появятся таблицы с данными, соответствующими положениям левого и правого курсоров (эти курсоры перемещаются по графику соответственно левой и правой кнопкой мыши). Посмотреть напряжения в узлах можно и на схеме при помощи кнопки 
. Если напряжения в узлах совпали с рассчитанными вами, переходите к следующей схеме, а если не совпали – проверьте расчет и правильность ввода схемы и повторите моделирование.
|
|
|
Рис. 1.2
1.2. Соберите схему из источника синусоидального напряжения V1 (его амплитуда в микровольтах равна вашему номеру по журналу N, а частоту в килогерцах определите по формуле 1+0.05*N) и интегрирующей RC-цепочки (или фильтра низких частот - ФНЧ) с указанными на схеме параметрами. При постановке на схему источника синусоидального напряжения появится диалоговое окно, в котором следует сразу указать любое латинское имя модели источника, после чего станут доступными для редактирования его параметры (А – амплитуда в вольтах, F – частота в герцах).
Рис. 1.3
Включите режим моделирования работы схемы во временной области, выбрав в меню Analysis режим Transient. Укажите в задании на моделирование напряжения на источнике сигнала v(v1) и на конденсаторе v(C1), они должны быть построены в одной общей системе координат. Поставьте время моделирования Time Range (см. рис. 1.2) равным 3…5 мс, а шаг моделирования – не больше 20 мкс. Запишите эти цифры в отчет.
Запустите моделирование кнопкой RUN. Обратите внимание на фазовый сдвиг и уменьшение амплитуды выходного колебания ФНЧ относительно входного. Подберите сопротивление R1 или емкость С1 так, чтобы амплитуда выходного напряжения ФНЧ была в 2 раз меньше входного. Запишите полученные при этом параметры V1, R1, C1 в отчет.
1.3. Соберите схему по рис.1.4 из трех отдельных источников импульсного напряжения Pulse Source (их можно найти в палитре №1). При постановке на схему каждому из них в диалоговом окне нужно указать собственное имя модели из латинских букв. Все имена моделей должны быть разными. На рис. 1.5 приведен график, поясняющий смысл параметров импульсного источника.
|
|
|
Ваша задача – сформировать на источнике V1 прямоугольное колебание, на источнике V2 – треугольное, на источнике V3 – пилообразное (рис.1.6). Для этого нужно соответствующим образом подобрать параметры Р1-Р4. Период колебания (в микросекундах) Р5 для всех трех источников одинаков и равен вашему номеру по журналу. VONE и VZERO задайте произвольно.
Когда эта задача будет выполнена, запишите параметры всех трех источников и зарисуйте напряжения на них в отчет.
После этого подключите к выходу источника с прямоугольным колебанием такую же RC-цепочку, как на рис. 1.3, но с параметрами R=1k, C=1n. Пронаблюдайте и зарисуйте форму напряжения на выходе этой цепочки. То же нужно сделать для остальных источников.
 | |||
 | |||
Рис. 1.4
Рис. 1.5
Рис. 1.6
1.4. Соберите интегрирующую RC-цепочку (ФНЧ первого порядка) по рис.1.3. При этом сопротивление резистора в килоомах и емкость конденсатора в нанофарадах должны быть равны вашему номеру по журналу. Рассчитайте постоянную времени этой цепи и частоту среза по уровню -3 дБ по формулам: T0 = RC и F0 = 1 / (2*pi*T0) и запишите эти данные в отчет. Параметры источника сигнала в данном случае значения не имеют, так как программа в режиме AC Analysis их игнорирует.
Включите режим моделирования работы схемы в частотной области, выбрав в меню Analysis режим АС. Заполните появившееся перед вами окно задания на моделирование (рис. 1.7) следующим образом:
- диапазон частот для анализа: от 1 Гц до 100 МГц;
- количество точек для анализа: не менее 5000;
- способ размещения точек: Fixed Log;
- масштаб по оси Х – логарифмический, по оси Y – линейный;
- первый график – АЧХ фильтра в децибелах (указать выходной узел фильтра!);
- второй график – ФЧХ фильтра в градусах (указать выходной узел фильтра!).
Запустите моделирование кнопкой RUN. Включите режим курсоров (F8) для снятия данных с графиков.
На полученном графике АЧХ найдите частоту среза по уровню -3 дБ, для чего поставьте один из курсоров в левую часть графика, а другой курсор перемещайте по графику, пока разность между координатами Y этих курсоров не станет равной 3 дБ. (Разность координат курсоров указана в столбце Delta под графиком, см. рис. 1.8). Отсчитайте координату Х этого курсора – она и будет равна частоте среза по уровню -3 дБ. Запишите ее в отчет и проверьте, совпадает ли она с рассчитанной ранее вами частотой F0. Если не совпадает, найдите свою ошибку.
|
|
|
На полученном графике ФЧХ с помощью двух курсоров по аналогичной методике найдите частоту, на которой сдвиг фазы входного напряжения равен -45о и запишите ее в отчет. Проверьте, совпадает ли она с рассчитанной ранее вами частотой F0. Если не совпадает, найдите свою ошибку.
Рис. 1.7
Рис.1.8
1.5. Соберите дифференцирующую RC-цепочку (ФВЧ первого порядка), для чего в схеме по рис.1.3 необходимо поменять местами резистор и конденсатор. При этом сопротивление резистора в килоомах и емкость конденсатора в нанофарадах должны быть прежними (как в п.1.4). Постоянная времени этой цепи и частоту среза по уровню -3 дБ рассчитываются по тем же формулам: T0 = RC и F0 = 1 / (2*pi*T0) и поэтому также не изменяются по сравнению с предыдущим пунктом. Параметры источника сигнала и в данном случае значения не имеют, так как программа в режиме AC Analysis их игнорирует.
Включите режим моделирования работы схемы в частотной области, выбрав в меню Analysis режим АС. Заполните окно задания на моделирование как в предыдущем пункте. Запустите моделирование кнопкой RUN. Включите режим курсоров (F8) для снятия данных с графиков.
По полученным АЧХ и ФЧХ найдите частоту среза ФВЧ и частоту, на которой сдвиг фазы входного напряжения равен 45о, таким же методом, как и в предыдущем пункте. запишите ее в отчет. Проверьте, совпадают ли эти частоты с рассчитанной ранее вами частотой F0. Если не совпадают, найдите свою ошибку.
Рис. 1.9 Рис. 1.10
1.6. Соберите схему параллельного колебательного контура по схеме рис.1.9. Номиналы элементов указаны на схеме для всех вариантов, и только С1 необходимо рассчитать по формуле (в пикофарадах): С1 = 500 + 100*N, где N – номер по журналу.
Рассчитайте резонансную частоту контура Fр = 1 /(2pÖL1C1) и запишите ее в отчет. Рассчитайте добротность ненагруженного контура (т.е. без учета влияния R1) по формуле Q0 = (L1/C1)0.5 / R2. Рассчитайте ширину полосы пропускания ненагруженного контура по уровню –3дБ П0 = Fр / Q0 и запишите ее в отчет.
|
|
|
Включите режим моделирования работы схемы в частотной области АС. Заполните окно задания на моделирование следующим образом:
- диапазон частот для анализа: от 1 МГц до 10 МГц;
- количество точек для анализа: не менее 500;
- способ размещения точек: Fixed Log;
- масштаб по оси Х – логарифмический, по оси Y – линейный;
- первый график – АЧХ контура в децибелах (указать выходной узел out);
- второй график – ФЧХ контура в градусах (указать выходной узел out).
Запустите моделирование кнопкой RUN. Включите режим курсоров (F8) для снятия данных с графиков.
На полученном графике АЧХ найдите резонансную частоту контура, сравните ее с расчетной, и в случае несовпадения найдите ошибку. После этого найдите ширину полосы пропускания контура П по уровню –3дБ, для чего поставьте один из курсоров на частоту резонанса, а другой курсор перемещайте по графику, пока разность между координатами Y этих курсоров не станет равной 3 дБ. При этом разность координат Х курсоров будет равна половине ширины полосы пропускания контура по уровню -3 дБ. Запишите в отчет значение П и проверьте, близка ли она к рассчитанной ранее вами величине П0. Если нет, найдите свою ошибку. Рассчитайте по формуле Q = Fр / П реальное значение добротности, сравните его с Q0 и запишите его в отчет.
На полученном графике ФЧХ с помощью двух курсоров по аналогичной методике найдите частоту, на которой сдвиг фазы входного напряжения равен 0о и запишите ее в отчет. Проверьте, совпадает ли она с рассчитанной ранее вами частотой Fр. Если не совпадает, найдите свою ошибку.
Уменьшите сопротивление R1 до 1 кОм и снова найдите ширину полосы пропускания контура, а также его добротность. Сделайте вывод о влиянии сопротивления источника сигнала на добротность параллельного контура. После этого верните прежнее значение R1.
1.7. Исследуйте влияние индуктивности L1 на резонансную частоту контура при изменении индуктивности от 1 мкГн до 2 мкГн с шагом 0,2 мкГн. Для этого в окне задания на моделирование AC Analysis Limits включите кнопку Stepping и заполните ячейки появившегося диалогового окна режима вариации параметров (Stepping) как показано на рис. 1.10. Запустите моделирование и оцените его результаты. После этого измените по своему желанию пределы и шаг изменения индуктивности и повторите моделирование.
Лабораторная работа №2
|
|
|
