Файл: Курсовой проект "Исследование параметров радиотехнических цепей с использованием современных прикладных программных пакетов".pdf

17
Поскольку при данном подключении на канале 2 потенциал меньше 0, сигнал получается инвертированным. Поэтому было выполнено инвертирование данного канала.
Результаты моделирования:
????
????
1
(канал А) = -23.5 В; ????
????
2
(канал А) = -56.2 В
????
????
1
(канал А) = 14.4 В; ????
????
2
(канал А) = 47.1В
Все параметры напряжений в схеме исследованы и приведены в таблице 1.
Напряжение на участке цепи
Результаты измерений осциллографами
2-х лучевой
4-х лучевой
Agilent
Tektronix
????
????
1
, В
14.431 14.429 14.43 14.4
-23.565
-.23.567
-23.57
-23.5
????
????
2
, В
-56.277 56.272 56.28 56.2 47.13
-47.134
-47.14
-47.1
Таблица 2.1. Сравнительная таблица параметров напряжений на 4 различных осциллографах
2.2. Вывод по главе 2
При сравнении показателей осциллографов было выявлено, что при снятии показаний на участке ????
2
наблюдается разная полярность. Это связано с тем, что виртуальный двухканальный осциллограф отличается от других использованных осциллографов методом подключения. Виртуальный четырехканальный осциллограф, а также осциллографы Agilent и Tektronix при подключении к схеме имели на втором канале потенциал меньше 0, поэтому сигналы стали инвертированными.
Сравнительный анализ результатов измерений параметров напряжений с помощью 4 различных осциллографов показывает, что все они подходят для измерения электронных цепей, однако двухканальный и четырехканальный осциллографы показывают более точные измерения, так как осциллографы Agilent и Tektronix округляли результат до десятых и сотых долей.

18
Глава 3. Исследование схемы с усилительным элементом. Снятие амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик.
3.1. Исследование параметров напряжения в схеме с помощью осциллографа
Соберём схему исследования с усилительным каскадом в соответствии с вариантом и подключим измерительные приборы. Проведем исследование параметров напряжений и
АЧХ в схеме.
Для исследования параметров напряжения в схеме с усилительным элементом в пакете
Multisim была собрана схема с осциллографом, представленная на рисунке 2.1.
Исходные данные:
R1 = 104 kOm; R2 = 36 kOm; R3 = 5 kOm; Uвх = 1 В частотой 100 Гц.
Рисунок 3.1. Схема исследования
Осциллограммы входного и выходного напряжений при заданной частоте сняты с помощью виртуального четырехканального осциллографа. Осциллограмма исследуемого сигнала представлена на рисунке 3.2.

19
Рисунок 3.2. Осциллограмма входного и выходного напряжений
Результаты моделирования:
U
вх
=
±1,414В
U
вых
=
± 4,086 В
Найдём коэффициент усиления К:
К =
Uвых
Uвх
=
4,086 1,414
=2,89
Изменим частоту источника переменного напряжения и снимем осциллограммы входного и выходного напряжений на частоте, при которой амплитуда выходного напряжения уменьшится. Для этого определим частоту среза (рис. 3.3) при помощи плоттера Боде, на которой коэффициент усиления уменьшается в √2 раз.
????
√2
=
2,89
√2
= 2,04

20
Рисунок 3.3. амплитудо-частотная характеристика с измерителем на примерной частоте среза
????
среза
≈ 2.319 МГц
Осциллограммы входного и выходного напряжений на частоте, при которой амплитуда выходного напряжения уменьшится, приведены на рисунке 3.4.
Рисунок 3.4. Осциллограммы входного и выходного напряжений с уменьшенной амплитудой на частоте 2.319 МГц
К =
Uвых(канал А)
Uвх(канал В)
=
2,861 1,409
= 2,03

21 3.2. Снятие амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик с помощью плоттера Боде.
Исследуем амплитудно-частотные характеристики цепи с помощью Плоттера Боде
(рис. 3.5 (а, б)).
Рисунок 3.5 а. Амплитудно-частотная характеристика цепи, полученная с помощью плоттера Боде на частоте 100 Гц
Рисунок 3.6 б. Амплитудно-частотная характеристика цепи, полученная с помощью плоттера Боде на частоте среза

22
Ниже представлены фазо-частотные характеристики цепи с помощью плоттера Боде
(рис. 3.6 (а, б)).
Рисунок 3.6 а. Фазо-частотная характеристика цепи с помощью плоттера Боде на частоте
100 Гц
Рисунок 3.6 б. Фазо-частотная характеристика цепи с помощью плоттера Боде на частоте среза
3.3 Снятие амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик с помощью встроенного анализатора
Снятие амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик можно осуществить и собственными руками, используя встроенный анализатор (рис. 3.7).

23
Рисунок 3.7. Показания анализатора
3.4. Вывод по главе 3
При исследовании осциллограмм входного и выходного сигнала было подтверждено, что коэффициент усиления усилителя – это отношение номиналов выходного и входного резисторов. Данное отношение, в свою очередь, оказалось равно отношению амплитуд выходного и входного сигналов.
Правильность снятых амплитудо-частотных характеристик с помощью плоттера Боде была подтверждена путем изменения частоты входного напряжения, а также снятием этих характеристик с помощью AC Analysis (анализатор), встроенного в пакет Multisim.

24
Глава 4. Анализ работы электрических RC-цепей в программном пакете Multisim.
Соберём схему с конденсатором, представленную на рисунке 4.1.
Рисунок 4.1. Электрическая схема с емкостью
4.1. Исследование параметров напряжений на входе и выходе цепи
С генератора подаем последовательность прямоугольных видеоимпульсов амплитудой 10
В и частотой 20 кГц.
С помощью двух двухканальных осциллографов измеряем параметры входного и выходного напряжений на емкости (рис. 4.2).
Канал А на обоих осциллограммах соответствует входному напряжению на схеме.
Канал В на левой осциллограмме показывает напряжение на емкости, на правой – на резисторе.

25
Рисунок 4.2. Исследование переходного процесса при начальных характеристиках
На осциллограммах видно, что при емкости, равной 5 мкФ, переходный процесс составляет примерно 15 мкс.
Изменим значение емкости до 66 мкФ и проведем аналогичное измерение переходного процесса. Осциллограммы при исследуемой емкости представлены на рисунке 4.3.
Для данного случая была уменьшена частота генерации сигналов до 1 кГц, чтобы на осциллограммах было видно завершение переходного процесса в цепи.
Рисунок 4.3. Исследование переходного процесса при емкости 66 мкФ
При емкости 66 мкФ переходный процесс составляет примерно 196 мкс.
Уменьшим значение емкости до 3.3 мкФ и повторим исследование. Осциллограммы представлены на рисунке 4.4.
Для заданной емкости я увеличил частоту до 10 кГц для наблюдения завершения переходного процесса.

26
Рисунок 4.4. Исследование переходного процесса при емкости 3.3 мкФ
При емкости 3.3 мкФ переходный процесс составляет примерно 10 мкс.
Уменьшим значение емкости до 165 нФ (0.165 мкФ). Осциллограммы представлены на рисунке 4.5.
Для наблюдения завершения переходного процесса я увеличил частоту на генераторе до
150 кГц.
Рисунок 4.5. Исследование переходного процесса при емкости 165 нФ
При емкости 165 нФ переходный процесс составляет примерно 491 нс (или 0,491 мкс).
С помощью встроенного анализатора (Transient Analysis) проведем анализ временных характеристик для любого из заданных значений, определив время переходного процесса
(рис. 4.6).

27
Рисунок 4.6. Анализ временных характеристик на 5 мкФ
Занесём все полученные результаты в сравнительную таблицу (табл. 1)
С, мкФ
Время переходного процесса ΔТ, мкс
Осциллограф
(конденсатор)
Осциллограф (резистор)
Transient Analysis
5 15.932 14,901 14,953 66 196,16 195,691 195,758 3.3 10,169 9,874 9,877 0,165 0,491525 0,496743 0,490668
Таблица 1. Сравнение параметров емкости и времени переходного процесса
Построим по данным результатам график зависимости, который будет представлен на рисунке 4.7.

28
Рисунок 4.7. График зависимости длительности переходного процесса ΔТ
от величины емкости С.
4.2. Вывод по главе 4
При анализе работы RC-цепей были использованы два виртуальных двухканальных осциллографа для снятия параметров напряжений. Для снятия временных характеристик использовался встроенный анализатор Transient Analysis. Моделирование показало, что обоими способами можно снимать необходимые характеристики процессов, но выбор способа измерений зависит от поставленной задачи. Встроенный анализатор определяет больше параметров, нежели осциллографы. Он позволяет быстро перейти к измерению времени переходного процесса, не применяя масштабирование для развертки.
Осциллограф же позволяет одновременно наблюдать процессы, происходящие в нескольких местах схемы, и снимать амплитуду напряжения.
Исследование цепи с RC-элементом показало, что время переходного процесса в схеме имеет прямую зависимость от емкости включенного в неё конденсатора. Амплитуда напряжений в установившемся режиме от емкости конденсатора не зависит.
ΔТ
, мкс
С, мкФ
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

29
Глава 5. Описание DesignLab
Рассмотрим пакет DesignLab 8 версии.
Система автоматизированного проектирования DesignLab 8 (PSpice) является одной из наиболее известных на рынке инструментальных средств проектирования электронной аппаратуры. Ее разработчик — фирма MicroSim, хорошо известная во всем мире.
DesignLab 8.0 – профессиональная система, позволяющая вести полную разработку электронных схем, включая проектирование печатных плат.
Автоматизация проектирования – один из способов повышения производительности и качества инженерного труда – получила широкое распространение в радиоэлектронике и вычислительной технике. Проектирование электронной аппаратуры представляет собой итерационный процесс, состоящий из этапов функционального проектирования, разработки принципиальной схемы, разработки печатной платы, ее изготовления, проведения испытаний, доработки по их результатам принципиальной или функциональной схемы, внесения изменений в печатную плату и т.д., и осуществляемый до тех пор, пока не будут удовлетворены все требования технического задания. С повышением сложности аппаратуры, переходом к более высоким диапазонам частот, применением смешанных аналого-цифровых устройств число итераций увеличивается.
Связано это с тем, что аналитически трудно учесть паразитные эффекты, присущие как электронным компонентам, так и проводникам печатных плат, и их взаимное влияние.
Единственный выход из этого положения — это организация сквозного цикла автоматизированного проектирования аппаратуры, включающего в себя моделирование как идеальной схемы, так и реальной конструкции и ее испытаний при действии различных дестабилизирующих факторов и учета разброса параметров. Эти задачи решаются с помощью специальных систем проектирования. Одной из таких систем, обеспечивающей сквозное проектирование аналого-цифровой аппаратуры, является система DesignLab 8.0. Её структура изображена на рисунке 5.1.
Рисунок 5.1. Структура схемы DesignLab 8.0 5.1. Schematics
С помощью этого редактора создается принципиальная схема проектируемого устройства.
Кроме того, на графический редактор возлагается еще одна весьма важная функция: он служит также управляющей оболочкой, из которой можно запускать другие программы пакета. Конечно, запустить редактор можно и другими способами, например, сначала загрузить программу DesignManager, а затем из нее командой Tools/Schematics — редактор. Названная команда дублируется также пиктограммой, показанной выше.

30
Запустим графический редактор одним из описанных способов. На экране монитора появится его окно (рис. 5.2), основную часть которого занимает область рисования. В верхней части окна расположено выпадающее меню, а немного ниже — панель инструментов, на которой размещены кнопки наиболее часто используемых команд, например GetNewPart (Разместить компонент) или DrawWire (Провести проводник).
Рисунок 5.2. Рабочее окно графического редактора Shematics
В действительности, это даже не одна панель, а целых четыре. Три из них расположены горизонтально, а последняя панель (AnnotationGraphics) обычно размещена вертикально в левой части рабочего окна.
Командой View/Toolbars… можно вызвать соответствующую диалоговую панель и отключить неиспользуемые наборы пиктограмм. Прежде всего, это касается панели инструментов AnnotationGraphics, которая применяется эпизодически для нанесения на принципиальную схему дополнительной текстовой или графической информации.
Третья панель, StandardSchematics, содержит набор кнопок, типичный для любого
Windows-приложения (работа с файлами и буфером обмена, печать, отмена или повтор выполненных действий, изменение масштаба изображений). Мы не станем их комментировать.
Наиболее интересны пиктограммы четвертой панели инструментов. Она называется
Drawing и объединяет команды, необходимые для проектирования схемы (рис. 5.3).
Рисунок 5.3. Панель инструментов Drawing для проектирования схем
Первые две кнопки, DrawWire и DrawBus, предназначены для рисования проводников и шин. Третья пиктограмма, DrawBlock, позволяет разместить на схеме иерархический блок, четвертая (GetNewPart) — отыскать в символьных библиотеках нужный компонент и поместить его на схеме.

31
В средней части панели инструментов находится окно GetRecentPart со списком десяти последних компонентов, с которыми работал редактор. Эти элементы всегда «под рукой», их не нужно искать в библиотеках, что заметно ускоряет процесс проектирования схемы.
Каждый новый символ, выбранный из библиотек, выталкивает из этого списка самый старый.
Последние две кнопки, EditAttributes и EditSymbol, активизируют команды редактирования символов и их атрибутов. С помощью пиктограммы EditSymbol редактор удобнее всего переводить из режима рисования схемы в режим проектирования символов
(SymbolEditor). Попробуем нарисовать какую-нибудь простую цифровую схему, например ту, что показана в окне графического редактора (см. рис. 5.2).
Щелкнем на пиктограмме GetNewPart (Разместить компонент). Появится диалоговая панель PartBrowserBasic, на которой видны имена доступных для использования компонентов: +5V, –5V, 100101, 100102 и т. д.
С помощью вертикальной линейки прокрутки можно просматривать этот список. В него входит содержимое всех доступных графическому редактору библиотек (Fulllist).
Просмотр полного списка — занятие весьма трудоемкое и неэффективное. Количество элементов в нем может достигать нескольких десятков тысяч.
Задача облегчается, если мы знаем имя библиотеки, в которой находится нужный элемент.
Нажмем кнопку Libraries… и откроется диалоговая панель LibraryBrowser, в правом окне которой появится перечень библиотек, а в левом — содержимое выбранной библиотеки.
Число элементов в любой библиотеке не так велико (рисунок 5.4).
Рисунок 5.4. Просмотр библиотек и их содержимого
Но еще лучше, если мы знаем имя искомого элемента. Введем его в поле PartName и редактор сам найдет нужный элемент. С этой работой редактор справится даже в том случае, если мы не указали ему конкретную библиотеку. Введем в поле PartName имя