Ознакомление с работой в системе моделирования Micro-Cap

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Факультет информационных технологий Кафедра информационных технологий Лабораторная работа

«Ознакомление с работой в системе моделирования Micro-Cap»

по дисциплине «Физические основы получения информации»

Барнаул 2012

1. Краткие теоретические сведения

Исследование процессов в неэлектрических системах (механических, акустических, тепловых, гидравлических и др.) или частично неэлектрических (например, в электромеханических) часто производят на электрических моделях-аналогах. Стремление использовать для этой цели электрические модели объясняется тем, что 1) электрические параметры можно легко изменять в широких пределах; 2) токи и напряжения можно измерять с большой точностью; 3) токи и напряжения относительно просто записать на осциллографе. В качестве неэлектрических будем рассматривать механические системы.

Механические системы подразделяют на системы поступательного, вращательного и поступательно — вращательного движения. В каждой из этих систем могут быть активные и пассивные элементы.

Активными являются источники силы и источники скорости для систем поступательного движения и источники вращающего момента и угловой скорости для систем вращательного движения.

Пассивными являются элементы упругости, трения и массы. Как и при рассмотрении электрических цепей, эти элементы часто идеализируют, например, считают, что идеальная пружина обладает только упругостью и не имеет массы.

Для заданной механической системы сначала составляют схему замещения, а затем, используя аналогию между механическими и электрическими величинами, образуют электрическую схему аналог, которую и подвергают исследованию.

Перед составлением схемы замещения механической системы необходимо:

выбрать систему отсчета для сил и скоростей (или собственно для вращающих моментов и угловых скоростей);

соединить между собой узлы, имеющие одинаковую скорость или одинаковую величину смещения;

соединить неподвижные узлы в один узел;

на схеме замещения между соответствующими узлами изобразить активные и пассивные элементы, имеющиеся в изучаемой системе.

Между отдельными элементами механической системы и элементами соответствующей электрической модели может быть аналогия двух типов в соответствии с тем, что для каждой электрической цепи может быть составлена дуальная ей цепь.

В первом типе аналогий сопоставимыми величинами являются: сила — напряжение, скорость — ток, масса — индуктивность, податливость пружины — емкость, сопротивление трения — электрическое сопротивление.

Во втором типе аналогий сопоставимыми величинами являются: сила — ток, скорость — напряжение, масса — емкость, податливость — индуктивность, сопротивление трения — электрическая проводимость.

Весьма удобным инструментом для выполнения подобных расчетов на компьютере может стать система Micro-Cap.

2. Практическая часть

электрический компьютерный ток диод

Цель работы: Научиться создавать расчетные схемы и выполнять их расчет по постоянному току, по переменному току, а также производить анализ переходных процессов.

Задание 1: Исследовать вольт-амперную характеристику диода.

Порядок выполнения работы:

Запустить приложение Microsoft Word и создать пустой документ. Это необходимо для выполнения отчета по работе.

Запустить приложение Micro-Cap. В новом проекте создать схему, приведенную на рисунке 1.1. Марка диода выбирается исходя из номера варианта по таблице 1.1.

Рисунок 1. — Схема для исследования вольт-амперных характеристик диодов

Для исследования нами был выбран диод 1N752.

Таблица 1 — Выбор диода для исследования

Таблица 2 — Множители для десятичных кратных и дольных единиц (СИ) в системе Micro-Cap

Сохранить схему в файл. Схемы Micro-Cap должны храниться в каталоге C: Program FilesMC6DATA или C: Temp, либо C: Мои документы. Имя файла должно содержать не более 8 латинских букв и (или) цифровых символов. Расширение по умолчанию *.cir. Настоятельно рекомендуется выполнять сохранение перед каждым запуском расчета! Также необходимо сохранять и отчёт, выполняемый в приложение Microsoft Word.

Скопируйте начертание схемы в будущий отчет на Microsoft Word. Для этого рекомендуется сделать следующее:

выполнить копирование рисунка в буфер обмена (пункт меню «EditCopy to ClipboardCopy the Visible Portion of Window in BMP Format» — копируется вся видимая область окна, рекомендуется для копирования графиков; либо «EditCopy to ClipboardCopy the Select Box Part in BMP Format» — копируется выделенная часть окна, рекомендуется для копирования схем);

Перейти в редактор Microsoft Word и выбрать пункт меню «ПравкаСпециальная вставка» и в раскрывшемся диалоговом окне выбрать «Аппаратно-независимый точечный рисунок», а флажок «Поверх текста» отключить.

Для исследования вольт-амперной характеристики необходимо запустить режим анализа по постоянному току (пункт меню AnalysisDC Analysis или Alt-3).

В появившемся диалоговом окне DC Analysis Limits необходимо выполнить следующие установки:

поля Variable2 и Range оставить без изменений. Поле Method должно содержаться значение NONE. Используются только когда в схеме несколько источников постоянного напряжения;

в поле Range (диапазон напряжений источника 1) ввести «10,0,0.3» — это означает конечное напряжение источника 10 В, начальное напряжение источника 0 В, шаг при исследовании 0,3В;

в поле Variable 1 Name необходимо указать название самого источника напряжения. В нашем случае, согласно рисунку 1.1 — источником является батарея V1, следовательно, ввести V1;

В поле Temperature ввести температуру окружающей среды по шкале Цельсия. Взять значение 20;

включить флажок Auto Scale Ranges (Автоматический выбор масштаба) — это позволит наилучшим образом отобразить график;

поле Run Options должно содержать значение Normal;

в поле X Expression (Выражение по оси абсцисс) таблицы введите V (D1) — т. е. напряжение на диоде D1;

в поле Y Expression (Выражение по оси ординат) таблицы введите I (D1) — т. е. ток через диод D1;

запустить вычисления, нажав кнопку Run.

Выполнив все установки нами была получена некоторая зависимость.

Рисунок 2 — Вольт-амперные характеристики диода в зависимости от напряжения

Построить семейство вольт-амперных характеристик в зависимости от температуры. Для этого в поле TemperatureRange указать «100,0,20» — это означает начальное значение температуры 0? С, конечное 100? С, шаг 20? С. Поле Method должно содержать Linear. На графике подписать кривые, как это сделано на рисунке 3.

Рисунок 3 — Вольт-амперные характеристики диода в зависимости от температуры.

Полученный график сохранить в отчете.

3. Исследовать простейшую электрическую цепь по переменному току. Построить амплитудно-частотную характеристику

Порядок выполнения работы:

В новом проекте Micro-Cap создать схему, приведенную на рисунке 4. Параметры элементов выбираются исходя из номера варианта по таблице 3.

Рисунок 4 — Колебательная RLC-цепь. Метками In и Out обозначены входной и выходной зажимы соответственно.

В данной схеме нужно было выбрать параметров колебательного контура для исследования, мы использовали вариант 1.

Таблица 3 — Выбор параметров колебательного контура для исследования

Сохранить схему в отдельный файл аналогично п. 3.

Запустить режим анализа по переменному току (AnalysisAC Analysis или Alt-2).

В случаях, когда заранее неизвестно на какой частоте в данной схеме наблюдается резонанс (резонансы), поступают следующим образом:

строят АЧХ в широком диапазоне частот (например, 1Гц — 100МГц), при этом используют логарифмический масштаб по оси частот, поскольку нижнее и верхнее значения диапазона отличаются на несколько порядков;

по логарифмической АЧХ определяют частотные границы наиболее важной части графика (т.е. определяют поддиапазон частот, в котором наблюдается резонанс);

повторно строят АЧХ в узком диапазоне частот околорезонансной области (масштаб по оси частот теперь берут линейный).

В появившемся диалоговом окне AC Analysis Limits необходимо выполнить следующие установки:

в поле Frequency Range (диапазон частот) ввести «100Meg, 1». Это означает, что частотный диапазон, в котором будет осуществлен расчет, составит 1Гц — 100МГц;

в поле Temperature ввести значение 20, хотя это также не имеет большого значения, поскольку в схеме отсутствуют температурно-зависимые элементы;

в поле Frequency Step (шаг по частоте) выберите Auto.

включите флажок Auto Scale Ranges (Автоматический выбор масштаба графика);

в поле X Expression (выражение по оси абсцисс) таблицы введите «F», что означает частоту;

в поле Y Expressison (выражение по оси ординат) таблицы введите V (OUT), т. е. напряжение на зажиме, обозначенном «OUT»;

слева от таблицы имеется набор цветных пиктограмм, необходимо установить режим логарифмического масштаба по оси абсцисс;

запустить вычисления, нажав кнопку Run.

Рисунок 5 — Логарифмическая АЧХ колебательного контура в широком диапазоне частот По графику логарифмической АЧХ определить околорезонансный диапазон частот. Данный график сохранить в отчете.

В диалоговом окне AC Analysis Limits необходимо выполнить следующие установки:

в поле Frequency Range (диапазон частот) через запятую ввести значение верхнего и нижнего пределов;

в поле Frequency Step (шаг по частоте) выберите Linear (линейный);

в поле Number of Points (количество точек) введите значение 1000 (вообще, чем больше точек, тем более гладкий график получится).

слева от таблицы графиков имеется набор цветных пиктограмм, необходимо установить режим линейного масштаба по оси абсцисс;

запустить вычисления, нажав кнопку Run.

Рисунок 6 — АЧХ в линейном масштабе. Определение полосы пропускания колебательного контура.

По графику АЧХ определить резонансную частоту контура (по максимуму). Ординату максимума умножить на 0.707 — будет получено значение ординаты краев полосы пропускания. Далее, используя это значение определить полосу пропускания контура (В появившемся диалоговом окне ввести значение и нажать на клавиши Left и Right несколько раз). Сохранить полученный график в отчете.

Рисунок 7 — резонансную частоту контура (по максимуму)

Подсчитать добротность Q колебательного контура по графику:

,

Где f₀ — резонансная частота;

Дf_0.707 — полоса пропускания контура по уровню 0.707.

Подсчитать добротность и резонансную частоту колебательного контура по номиналам элементов и сравнить со значениями, полученными в предыдущем пункте:

,

Результаты вычислений вместе с формулами занести в отчет.

Дельта х = 440. (18 000−17 560=440)

,=40,52

, = 37,3

=17 803 034,35

Используя режим Stepping построить семейство из пяти АЧХ в зависимости от сопротивления резистора R1, аналогично рисунку 1.6. Необходимо пометить кривые соответствующими подписями. При вводе данных в диалоговое окно Stepping обязательно нужно указывать соответствующие приставки (см. таблицу 2). Полученный график сохранить в отчет.

Рисунок 8 — Семейство АЧХ в зависимости от сопротивления резистора R1.

Аналогично п. 17 построить семейство АЧХ в зависимости от емкости С1 и индуктивности L1. Параметры режима Stepping выбирают так, чтобы максимумы всех кривых были видны на экране. Графики также помещаются в отчет.

Рисунок 9 — Семейство АЧХ в зависимости от сопротивления резистора С1.

Рисунок 10 — Семейство АЧХ в зависимости от сопротивления резистора L1.

Выключить режим Stepping. Для построения фазо-частотной характеристики в диалоговом окне AC Analysis Limits вторую строку таблицы приводят в полное соответствие с первой, в колонку «P» вводят 2 — т. е. второй график, в колонку «Y Expression» вводят PH (V (OUT)) — т. е. фаза выходного напряжения. (см. рисунок 11)

Рисунок 11 — АЧХ и ФЧХ на одном графике

Полученный график сохранить в отчет

4. Исследовать простейшую электрическую цепь в режиме анализа переходных процессов В схему, исследованную в предыдущем задании вносят следующие изменения:

генератор синусоидальных колебаний V1 заменяют источником сигналов произвольной формы E1 (пункт меню ComponentAnalog PrimitivesFunction SourcesNFV);

будет установлен генератор, форма сигналов которого, определяется функцией времени. В первом примере зададим выходной сигнал генератора — постоянное напряжение 1Вольт (см. рисунок 12);

выполняется сохранение схемы в отдельный файл.

Рисунок 12 — Колебательная RLC-цепь, подготовленная к анализу переходных процессов.

Схема для исследования переходных процессов помещается в отчет.

Для получения формы выходного сигнала схемы при подаче на вход постоянного напряжения 1 В необходимо запустить режим анализа переходных процессов (пункт меню AnalysisTransient Analysis).

В раскрывшемся диалоговом окне Transient Analysis Limits необходимо выполнить следующие установки: поле Time Range (Временной диапазон) задается значение продолжительности процесса, в котором будет построена зависимость. Чем больше эта величина, тем больший отрезок времени будет исследован, однако при этом возрастает и время выполнения расчета. Рекомендуется в это поле вводить значение, определяемое следующей формулой:

;

поле Maximum Time Step определяет кванта времени при вычислении. Чем этот квант меньше, тем точнее выполняется расчет, но и дольше. Рекомендуется, чтобы на один период колебания приходилось не менее 500 точек. Этот параметр рассчитывается по следующей формуле:

;

в поле Temperature ввести 20;

флажок Auto Scale Ranges (Автоматический выбор масштаба) включить;

флажок Operation Point выключить;

в таблице, в первой строке в колонку X Expression (выражение по оси абсцисс) ввести T — т. е. время;

в таблице, в первой строке в колонку Y Expression (выражение по оси ординат) ввести V (OUT) — т. е. напряжение на зажиме, обозначенном OUT;

вторую строку таблицы очистить, все остальные установки оставить по умолчанию;

запустить вычисления кнопкой Run.

На полученном графике, с помощью инструмента для определения горизонтальных размеров, выделить 10 периодов колебаний, рассчитать частоту колебаний. Результат занести на график (см. рисунок 13).

Рисунок 13 — Затухающие колебания в контуре при подаче на вход постоянного напряжения 1Вольт. Выделено 10 периодов колебаний. Подсчитана частота колебаний График сохранить в отчете.

Вернуться к редактору схем и задать в функциональном генераторе Е1 следующую зависимость SIN (2*PI*1.2*F0*t), где вместо F0 — должно стоять значение резонансной частоты.

Построить временную зависимость выходного сигнала, а вторым графиком построить спектр выходного сигнала. Для этого в поле X Expression ввести F — т. е. частоту, а в поле Y Expression — HARM (V (OUT)) — т. е. спектр выходного напряжения. На полученном графике спектра нужно выделить область основных частотных составляющих. Оба графика вместе (см. рисунок 14) помещаются в отчет.

Рисунок 14 — Временная зависимость выходного сигнала Рисунок 15 — Переходный процесс установления выходного сигнала при подаче на вход гармонического сигнала частоты, близкой к резонансу и его спектр.

С помощью Microsoft Word выполнить отчет по работе, который должен включать:

титульный лист;

задание, цель исследования;

краткие теоретические сведения;

порядок проведения лабораторной работы, в который помещен расчет и результаты, выполненные в Micro-Cap

выводы по каждому из заданий (выводы должны содержать суть проведенных исследований и полученных результатов).

Выводы В результате проделанной лабораторной работы мы научились создавать расчетные схемы и выполнять их расчет по постоянному току, по переменному току, а также производить анализ переходных процессов.

В задании 1 нами была рассмотрена вольт — амперная характеристика диода в зависимости от варианта. В результате проделанных нами некоторых настроек, мы получили вольт — амперные характеристики диода в зависимости от напряжения и температуры.

В задание 2 мы исследовали простейшую электрическую цепь по переменному току. Построили АЧХ и ФЧХ. В результате была получена: логарифмическая АЧХ колебательного контура в широком диапазоне частот, АЧХ в линейном масштабе. А также определили: полосы пропускания колебательного контура, резонансную частоту контура (по максимуму). Получили в графическом виде семейство АЧХ в зависимости от сопротивления резистора R1, L1, C1.

В задание 3 исследовали простейшую электрическую цепь в режиме анализа переходных процессов. В итоге получили затухающие колебания в контуре при подаче на вход постоянного напряжения 1Вольт; временную зависимость выходного сигнала и переходный процесс установления выходного сигнала при подаче на вход гармонического сигнала частоты, близкой к резонансу и его спектр.