Прежде чем приступить к работе, вам необходимо запустить редактор автоматизированного проектирования электросхем SCHEMATICS из Windows 95/98/NT. На рис. 1.1 показан стартовый экран Windows 95/98/NT с указанием пути к редактору проектирования электросхем SCHEMATICS.

Рис. 1.1. Стартовый экран Windows 95/98/NT

Шаг 1 Чтобы запустить редактор SCHEMATICS из главного меню операционной системы Windows, достаточно щелкнуть мышью по строке SCHEMATICS (здесь и далее: если в тексте нет других указаний, то при выполнении любых операций с помощью мыши следует пользоваться ее левой кнопкой), после чего на экране появится рабочее окно редактора (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Рабочее окно редактора SCHEMATICS

В верхней части рабочего окна редактора SCHEMATICS расположено основное меню редактора. С наиболее важными командами этого меню вы познакомитесь в процессе обучения. Под основным меню находится панель инструментов, включающая кнопки, связанные с наиболее часто выполняемыми командами. Если подвести указатель мыши к любой из кнопок, то на экране появится всплывающая подсказка с названием команды. Например, самая крайняя кнопка слева соответствует команде New (Новый) из меню File (Файл), то есть команде, посредством которой создается новый рабочий лист для проектирования схемы.

1.1.1. Упражнения по начертанию схемы

Шаг 2 Создайте новый рабочий лист, вызвав из меню File опцию New, либо щелкнув на панели инструментов по кнопке .

Шаг 3 Для того чтобы сохранить безымянный файл на жестком диске, выберите команду меню File→Save As (Файл → Сохранить как...) и сохраните ваш пока еще пустой рабочий лист в папке Projects (Проекты) под именем Ex1.sch, как это показано на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Диалоговое окно Save As

В поле ввода Имя файла (File name) введите только Ex1. При сохранении SCHEMATICS автоматически добавит к имени файла расширение *.sch, которое является стандартным для всех файлов, созданных в редакторе SCHEMATICS. Затем щелкните по кнопке Save (Сохранить). Диалоговое окно закроется, а в верхней части рабочего окна появится имя, которое вы присвоили своей схеме (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Рабочее окно редактора SCHEMATICS после сохранения под именем Ex1.sch

Внимание! Программа PSPICE, к сожалению, пока не русифицирована, поэтому не воспринимает имен файлов, набранных кириллицей.

Следующее, что вам предстоит сделать, — начертить схему последовательной цепи, содержащей два резистора. Изучив материал следующих страниц, вы постепенно научитесь:

• доставать из библиотек нужные схемные обозначения (компоненты) и размещать их в необходимом месте рабочего листа;

• присваивать отдельным компонентам желаемые характеристики (атрибуты);

• правильно формировать межсоединения схемы, как это сделано на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Схема последовательной цепи, содержащей резисторы R V и R L

Редактор SCHEMATICS хранит схемные обозначения в специальных библиотеках. Так, например, схемные обозначения для резисторов, конденсаторов и катушек находятся в библиотеке ANALOG.slb, а схемные обозначения источников напряжения — в библиотеке SOURCE.slb.

Для проектирования этой схемы вам необходимо достать из библиотеки ANALOG.slb резистор.

Шаг 4 Откройте показанное на рис. 1.6 меню Draw (Чертить) и выберите в нем команду Get New Part… (Достать новый компонент…). На экране появится диалоговое окно Part Browser Basic (Обычный просмотр компонентов) или Part Browser Advanced (Расширенный просмотр компонентов) — см. рис. 1.7 и 1.8.

Рис. 1.6 Меню Draw редактора SCHEMATICS

Рис. 1.7. Окно Part Browser Basic

Рис. 1.8. Диалоговое окно Part Browser Advanced

С помощью кнопок Basic (Обычный (просмотр)) и, соответственно, Advanced (Расширенный (просмотр)) можно переключаться от одного окна к другому.

Шаг 5 Перейдите несколько раз от одного окна просмотра к другому и выясните, чем они различаются.

Шаг 6 Откройте окно Library Browser (Просмотр библиотек), показанное на рис. 1.9, щелкнув по кнопке Libraries… (Библиотеки…) в любом из двух окон просмотра компонентов. Затем в правой части окна Library Browser активизируйте библиотеку ANALOG.slb, щелкнув мышью по ее названию. В левой части окна, которая имеет заголовок Part (Компонент), появится содержимое этой библиотеки. Выберите букву R (Резисторы) и возвратитесь обратно к окну Part Browser, щелкнув по кнопке OK.

Рис. 1.9. Диалоговое окно Library Browser

Шаг 7 Закройте диалоговое окно Library Browser щелчком по кнопке Close (Закрыть). Схемное обозначение резистора появится на вашем рабочем листе. Щелкая мышью в разных местах рабочей поверхности, вы можете позиционировать (разместить) еще несколько символов резисторов, которые будут автоматически пронумерованы (рис. 1.10). Режим позиционирования отключается при нажатии на правую кнопку мыши.

Рис. 1.10. Рабочая поверхность листа редактора SCHEMATICS с девятью установленными резисторами

Резистор, который был установлен последним, выделен красным цветом. Маркировка указывает на то, что все последующие команды будут относиться только к отмеченному компоненту.

Шаг 8 Проверьте это сами, удалив маркированный резистор. Для этого нужно просто нажать на клавишу Delete (Удалить) или выбрать команду Cut (Вырезать) из меню Edit (Правка). Если при маркировании удерживать клавишу Shift, можно одновременно выделить несколько элементов (атрибутов, названий и т.д.). Это один из общих принципов операционной системы Windows.

 1.1.2. Упражнения по работе с элементами схемы

Шаг 9 Маркируйте другой резистор, щелкнув по нему мышью. Убедитесь, что удерживая нажатой левую кнопку мыши, элемент можно перемещать по поверхности рабочего листа.

Шаг 10 Теперь удалите все резисторы и, чтобы поупражняться, загрузите еще раз несколько резисторов (конденсаторов, катушек) из библиотеки ANALOG.slb.

Шаг 11 Загрузите еще один символ резистора и разместите на рабочей поверхности несколько резисторов, но на этот раз при позиционировании иногда нажимайте комбинацию клавиш Ctrl+R. Обратите внимание: в данном случае клавиша R используется для поворота компонента на 90°. Таким же образом установите еще несколько катушек и конденсаторов (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Рабочая поверхность листа редактора SCHEMATICS с различными схемными обозначениями

Шаг 12 А теперь разместите на вашем рабочем листе еще и несколько экземпляров транзисторов ВС548В из библиотеки EVAL.slb. Проверьте, как размещаются транзисторы, если при этом нажать комбинацию клавиш Ctrl+F. Вы обнаружите, что здесь с помощью клавиши F выполняется зеркальный разворот компонента (на 180°).

Шаг 13 Теперь очистите рабочую поверхность, удалив с нее все символы.

Иногда редактор SCHEMATICS оставляет на экране следы удаленных компонентов. Для того чтобы стирать их, предусмотрена функция обновления экрана: команда View→Redraw (Вид→Обновить). Тот же эффект можно получить, щелкнув по кнопке с изображением желто-голубой кисточки на панели инструментов  .

Для того чтобы ваша схема последовательной цепи точно соответствовала образцу на рис. 1.5, нужно дать сопротивлениям и источнику напряжения необходимые имена и указать их характеристики. При работе с редактором SCHEMATICS имена, значения и другие специальные характеристики компонентов называются атрибутами.

Верхнему резистору следует присвоить имя RV.

Шаг 23 Дважды щелкните мышью по имени верхнего резистора. Откроется диалоговое окно Edit Reference Designator (Редактировать ориентировочное название), показанное на рис. 1.15, где можно изменять имена элементов. В редакторе SCHEMATICS уникальное имя компонента называется Reference Designator (Ориентировочное название). Введите имя RV и подтвердите свой выбор, щелкнув по кнопке OK или нажав клавишу Enter.

Рис. 1.15. Окно Edit Reference Designator

Резистор RV должен иметь значение сопротивления 1.5 кОм.

Шаг 24 Дважды щелкните мышью по характеристике резистора 1k, чтобы открыть окно Set Attribute Value (Установить значение атрибута). Здесь вы сможете отредактировать значение сопротивления резистора (поле VALUE) — см. рис. 1.16. Наберите в поле ввода 1.5k. Как и прежде, подтвердите свой выбор с помощью кнопки OK или клавиши Enter.

Рис. 1.16. Окно Set Attribute Value

Внимание! Между единицей и пятеркой необходимо ставить точку. Кроме того, между 1.5 и k не должно быть пробела.

Шаг 25 Повторите эту процедуру для другого резистора, присвоив ему сначала имя RL, а затем задав для него значение сопротивления 6.8k.

Согласно стандартам имена компонентов и их характеристики должны находится, по возможности, слева или вверху от схемного обозначения. Щелкните мышью по имени RL, и оно будет тут же выделено черной рамкой. А теперь щелкните по маркированной области еще раз и, удерживая кнопку мыши нажатой, переместите название в нужное место.

Шаг 26 Потренируйтесь — расставьте остальные атрибуты резисторов.

В завершение необходимо установить источник напряжения на постоянное напряжение 10 В.

Шаг 27 Дважды щелкните мышью по символу источника напряжения, чтобы открылось диалоговое окно, в котором устанавливаются атрибуты источника напряжения (рис. 1.17).

Рис. 1.17. Диалоговое окно атрибутов источника напряжения VDC после установки атрибута DC=0V

Щелкая мышью в большом белом окне атрибутов, можно выбирать любые фрагменты текста и отправлять их в маленькие верхние поля ввода Name (Имя) и Value (Значение), а затем редактировать.

Шаг 28 Пощелкайте мышью по разным строчкам, обращая внимание на то, какие изменения происходят при этом в верхних полях ввода, и попробуйте отредактировать содержимое верхних полей. Не бойтесь сделать что-нибудь неправильно, так как все изменения вступят в силу только после щелчка по кнопке Save Attr (Сохранить атрибуты). Но даже если вы щелкнули по этой кнопке, можно закрыть диалоговое окно атрибутов с помощью кнопки Cancel (Отменить), оставив его в том состоянии, в котором оно было в момент открытия. Если вы поняли, как редактировать атрибуты в редакторе SCHEMATICS, переходите к следующему шагу.

Шаг 29 Установите для DC (постоянное напряжение) значение 10V. Не забудьте щелкнуть по кнопке Save Attr! Вы сможете убедиться в том, что изменение вступило в силу, увидев в большом белом поле диалогового окна, где расположены уже существующие атрибуты, строку DC=10V. Теперь окно атрибутов элемента VDC должно выглядеть так, как это показано на рис. 1.18.

Рис. 1.18. Диалоговое окно атрибутов источника напряжения VDC после установки атрибута DC=10V

Если вы теперь посмотрите на свой чертеж, то увидите, что, хотя редактор SCHEMATICS и правильно сохранил атрибуты источника напряжения, значение напряжения на схеме все еще не указано. Это потому, что SCHEMATICS отображает или не отображает такие характеристики исключительно по желанию пользователя.

Шаг 30 Для того чтобы в случае необходимости отразить на схеме атрибут 10V, вы должны еще раз открыть диалоговое окно атрибутов источника напряжения VDC (см. выше). В правом верхнем углу окна вы увидите кнопку Change Display (Изменить экран). Щелкнув по ней, откройте диалоговое окно Change Attribute (Изменить атрибуты), — см. рис. 1.19 — где указывается, какие атрибуты следует отражать на чертеже. В этом окне можно откорректировать атрибут, который был выбран (маркирован синим цветом) в центральном окне атрибутов. Атрибуты, помеченные звездочкой (*), не поддаются обработке в окне Change Attribute.

Рис. 1.19. Диалоговое окно Change Attribute

Шаг 31 Выберите в списке What to Display (Что отражать на экране) опцию Value only (Только значение). Закройте окно Change Attribute, щелкнув по кнопке OK. Таким образом вы вернетесь назад к окну атрибутов источника напряжения VDC. Закройте и его, также с помощью кнопки OK, и вернитесь снова к главному окну редактора SCHEMATICS.

1.3.1. Упражнения по отображению электросхем

Шаг 32 Убедитесь в том, что ваша схема видна на экране, и познакомьтесь с функциями увеличения и уменьшения, которые предоставляет в ваше распоряжение редактор SCHEMATICS: просто щелкните один или несколько раз подряд по кнопкам с изображениями увеличительного стекла. 

Внимание!

Увеличение: View→In (Увеличить) или #ZoomIn.png .

Уменьшение: View→Out (Уменьшить) или #ZoomOut.png .

Заполнение экрана: View→Fit (Общий вид) или #ZoomFit.png .

Увеличение выделенной области: View→Area (Область) или #ZoomArea.png .

Чтобы выделить область рабочей поверхности, нажмите левую кнопку мыши, когда курсор находится в любом углу предполагаемой зоны выделения, и, удерживая ее, заключите нужную область в черную рамку.

Отображение всей рабочей поверхности: View→Entire Page (Весь лист).

Шаг 33 Теперь осталось переместить имя источника напряжения (U1) на место, определенное стандартами, то есть влево от схемного обозначения, и можете еще раз сравнить свою схему с той, которая была дана в качестве образца на рис. 1.5. Все правильно?

Шаг 34 Тогда сохраните свой чертеж (выполните команды File→Save или щелкните по кнопке с символом дискеты красного цвета ).

В следующем уроке эта электросхема вам снова понадобится, так как вы будете учиться «сажать под ток» схему последовательной цепи, то есть, выражаясь языком программы PSPICE, «имитировать» ее работу.

Рис. 1.20. Элементы управления редактора SCHEMATICS

В этом разделе рассказывается о том, какие кнопки есть в редакторе SCHEMATICS. Для каждой кнопки указывается соответствующая ей команда меню (рис. 1.20). В табл. 1.1 приводится русский перевод этих команд. В переводе, где возможно, используются понятия из русскоязычной версии операционной системы Windows.

Таблица 1.1. Команды редактора SCHEMATICS

Программа PSPICE считает, оперируя только числами, а не единицами измерений. Однако при работе с ней допускается употреблять общепринятые размеры единиц измерения:

1k=103 1p=10-12 1u=10-6

1Meg=106 1n=10-9 1m=10-3

Если вы в конце (без пробела!) добавите к единице измерения еще какое-нибудь обозначение, PSPICE будет рассматривать его как комментарий и игнорировать во время проведения своих расчетов.

Итак: 1k = 1kOhm, 1p = 1pF

Еще одно указание по поводу единиц измерения: PSPICE не делает различий между большими и маленькими буквами.

Итак: 1m = 1M

Приставка M к единицам измерения используется в Европе для обозначения 106 (Mega). При работе в PSPICE приставку Mega следует вводить как 1Meg или 1meg.

PSPICE также не распознает букв греческого алфавита. Для обозначения размера Micro (μ) единиц измерения в программе PSPICE используется буква u.

Итак: 10-6 = 1u

Уберите руки от клавиши <μ> на вашей клавиатуре. PSPICE ее не понимает!

1.4.1. Задание на закрепление материала

Задание 1.1. Начертите схему электрической цепи из последовательно соединенных резистора, катушки индуктивности и конденсатора, изображенную на рис. 1.21. Сохраните свой чертеж в папке Projects под именем RLC_MIX1.sch.

Рис. 1.21. Схема цепи из последовательно соединенных резистора, катушки индуктивности и конденсатора

Все напряжения, которые вычисляет PSPICE, являются напряжениями между отдельными точками электросхемы и одной опорной точкой, местоположение которой определяете вы сами, размещая на чертеже схемное обозначение «земли». В электронике такие напряжения называются потенциалами. Вы знаете, что напряжение на отдельном конструктивном элементе электросхемы равно разности потенциалов на двух выводах этого элемента. Первым наиболее простым заданием, которое вам предстоит выполнить с помощью программы-имитатора PSPICE, будет определение потенциалов схемы последовательной цепи, содержащей два резистора.

Шаг 1 Для начала загрузите схему последовательной цепи (рис. 2.1), содержащей два резистора, которую вы начертили, изучая первый урок, и сохранили под именем Ex1.sch в папке Projects (как вы помните, цепь содержит резистор RV сопротивлением 1.5 кОм, резистор RL сопротивлением 6.8 кОм и источник тока DC с постоянным напряжением 10 В). Для этого выполните следующие действия:

1. Откройте меню File, щелкнув по кнопке .

2. Найдите файл Ex1.sch и выделите его.

3. Щелкните по кнопке Открыть.

Рис. 2.1. Схема последовательной цепи

Шаг 2 Откройте меню Analysis (Анализ) и запустите процесс моделирования, щелкнув мышью по строке Simulate (Начать моделирование) — рис. 2.2.

Рис. 2.2. Содержание меню Analysis

После непродолжительных вычислений PSPICE завершит моделирование. Возможно, теперь ваш экран будет закрыт другим окном, окном PSPICE (рис. 2.3). Вы можете без всяких колебаний закрыть его, так как для анализа цепи постоянного тока оно не имеет никакого значения (чтобы закрыть окно, щелкните по кнопке с изображением косого крестика, находящейся в правом верхнем углу). 

Рис. 2.3. Окно PSPICE на рабочем листе редактора SCHEMATICS после завершения моделирования цепи постоянного тока

Может быть, что результаты моделирования все еще не отображаются на вашем чертеже. В этом случае потребуйте их индикации.

Шаг 3 Откройте меню Analysis, выберите строку Display Results on Schematics (Показывать результаты в Schematics) и выделите опции Enable (Разрешить) и Enable Voltage Display (Разрешить индикацию напряжений).

Теперь вы видите результат моделирования: напряжение (потенциал) в месте соединения двух резисторов по отношению к «земле» равно 8.193 В (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Схема последовательной цепи, где в качестве результата моделирования цепи постоянного тока указаны потенциалы узловых точек

В первый раз, сразу после завершения моделирования, PSPICE показывает результаты проведенных расчетов потенциалов во всех местах электросхемы, представляющих хоть какой-нибудь интерес. Порой это затрудняет чтение чертежа. Вы легко можете удалить ненужные индикации потенциалов, отметив эти данные с помощью мыши и затем нажав на клавишу Delete.

Шаг 4 Удалите с чертежа электросхемы ненужные данные, чтобы ваш экран выглядел так, как это показано на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Экран редактора SCHEMATICS с указанием потенциала в месте соединения двух резисторов

При желании вы всегда сможете вернуть на экран удаленные данные, для этого нужно всего лишь отметить соответствующее место (нужный сегмент проводки) и затем щелкнуть по кнопке  — Show/Hide Voltage on Selected Nets (Показать/ скрыть напряжения для отдельных узлов).

Шаг 5 Попробуйте сделать это, вернув на свой чертеж удаленные данные, а кроме того, убедитесь, что индикацию напряжений можно включать и выключать с помощью кнопки .

Разумеется, теперь вы хотели бы узнать и значение силы тока в вашей схеме. Собственно, вы и сами могли бы вычислить его на основании закона Ома, зная напряжение URL=8.193 В и сопротивление RL=6.8 кОм, но ведь программа PSPICE уже произвела расчет. Для того чтобы вызвать на экран индикацию тока, просто щелкните по кнопке  — Enable Current Display (Показать токи).

Шаг 6 Включите индикацию токов, как на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Схема последовательной цепи с указанием токов и напряжений

Программа PSPICE произвела расчеты токов, проходящих через компоненты электросхемы. Как правило, вам вовсе не нужно знать все эти значения.

Шаг 7 Удалите ненужные значения токов, отметив их с помощью мыши и затем нажав на клавишу Delete. Обратите внимание, что при маркировании PSPICE не только показывает вам, к каким местам электросхемы относятся значения токов и напряжений, но и даже указывает направление тока. После того как вы познакомитесь со всеми возможностями, предоставляемыми PSPICE, и выясните, как перемещать на экране данные о токах и напряжениях, приведите свой экран в соответствие с рис. 2.7.

Рис. 2.7. Схема последовательной цепи с указанием выбранных токов и напряжений

Если вы захотите вернуть на экран какое-либо удаленное значение тока, то для этого нужно всего лишь отметить соответствующий компонент электросхемы и затем щелкнуть по кнопке  — Show/Hide Currents on Selected Parts (Показать/скрыть токи для отдельных компонентов).

Шаг 8 Потренируйтесь, возвратив на экран удаленные индикации токов и затем снова их удалив.

2.1.1 Задания по моделированию схемы 

Задание 2.1. Начертите в редакторе SCHEMATICS смешанную резисторную схему, состоящую из параллельного включения резисторов R1=3 кОм и R2=6 кОм, которое последовательно соединено с резистором R3=4 кОм и источником напряжения 6 В. С помощью программы PSPICE определите все токи и все напряжения этой электросхемы. Сохраните схему в папке Projects под именем R_MIX. Путем собственных подсчетов проверьте правильность результатов анализа, проведенного программой PSPICE.

Задание 2.2.* Начертите схему, показанную на рис. 2.8, электросхему и сохраните ее в папке Projects под именем R_MIX_2. Каково значение тока IL, проходящего через резистор RL? Самостоятельно проведите вычисления и выясните, совпадают ли они с результатами моделирования для значения IL.

Рис. 2.8. Смешанная резисторная электросхема

Задание 2.3.* Начертите электросхему по образцу рис. 2.9 и сохраните ее в папке Projects под именем 2_U. Запустите имитатор PSPICE, чтобы с его помощью вычислить ток, проходящий через резистор R4, в этой сложной схеме с двумя источниками напряжения.

Рис. 2.9. Смешанная резисторная электросхема с двумя источниками напряжения

Задание 2.4.* Выясните, каким должно быть значение UB2 в электросхеме из задания 2.3, чтобы ток, проходящий через R4, был равен нулю. 

Задание 2.5.* Начертите нагруженное соединение по схеме моста, изображенное на рис. 2.10, и сохраните его в папке Projects под именем BRIDG.sch. Проанализируйте эту электросхему с помощью имитатора PSPICE. Если бы вы попытались произвести расчет данной схемы при помощи лишь карандаша и бумаги, на это ушло бы много времени и сил, так как простых способов просчитать нагруженные мосты сопротивлений нет. Однако проконтролировать результаты анализа PSPICE совсем несложно, ведь вам достаточно проверить, выполняются ли при полученных результатах для всех узлов и контуров два «святых» правила электротехники. Выполните эти контрольные подсчеты. 

Рис. 2.10. Нагруженное соединение по схеме моста

Задание 2.6.* Найдите такое значение R5 из задания 2.5, чтобы мост был уравновешенным. С помощью программы PSPICE проверьте истинность высказывания о том, что в уравновешенном мосте значение тока в контуре с сопротивлением R1 равно нулю.

Задание 2.7.* Установите в ветви моста из задания 2.5 второй источник напряжения с подходящим значением и выясните, можно ли таким образом привести ток через R1 неуравновешенного моста (при значениях сопротивлений согласно рис. 2.10) к нулю. Возможно ли добиться этого как путем последовательного подключения источника напряжения к R1, так и путем параллельного соединения источника напряжения с тем же резистором?

Разработчикам программы PSPICE потребовались годы для того, чтобы создать, наконец, ту исключительно удобную для пользования программу-анализатор, какой она является сегодня. Раньше нельзя было указывать результаты моделирования цепи постоянного напряжения непосредственно на чертеже схемы. Не было даже редактора проектирования схем SCHEMATICS, не говоря уже о возможности графического представления результатов в программе-осциллографе PROBE, с которой вы познакомитесь в одной из следующих глав. Тогда для представления результатов моделирования использовался только выходной файл в ASCII-коде (в PSPICE он называется Output-File). Output-File и теперь еще является составной частью программы PSPICE. Обычно пользователи PSPICE изо всех сил стараются увильнуть от обращения к выходному файлу и от утомительных попыток прояснить с его помощью какие-либо вопросы относительно результатов моделирования. К сожалению, избежать этого не всегда удается. К примеру, если PSPICE обнаруживает, что при проектировании электросхемы вы не придерживались предварительных договоренностей, то на экране появляется сообщение об ошибке, которое, как правило, гласит: ERROR — For Details Examine Output File (Ошибка — за подробностями обращайтесь к выходному файлу). И тогда вы можете оказаться в весьма затруднительном положении, если не имеете хотя бы минимальных знаний о структуре выходного файла. Настоящие профессионалы узнаются по тому, что они используют выходной файл не только в силу вынужденных обстоятельств, когда на экране появляется сообщение об ошибке, но и умеют извлекать из него ценную для себя информацию. Изучив материал следующего раздела, вы получите необходимые знания о структуре выходного файла и основных принципах его использования.

Прежде всего давайте еще раз проанализируем знакомую вам схему последовательной цепи, содержащей два резистора, но не будем пользоваться теми удобными индикациями результатов, о которых рассказывалось в предыдущем разделе. В этом случае вам придется обратиться за результатами моделирования к выходному файлу.

Шаг 1 Откройте схему последовательной цепи, содержащей два резистора RV и RL, которая находится в папке Projects под именем Ex1.sch (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Схема последовательной цепи с двумя резисторами, взятая за основу для моделирования цепи постоянного тока

Шаг 10 Теперь намеренно усложните себе жизнь, отключив, эксперимента ради, опцию индикации постоянных токов и постоянных напряжений. (Деактивизируйте обе кнопки с изображениями больших букв V и I так, чтобы они стали обычного серого, а не светло-серого цвета.) 

Шаг 11 Затем запустите моделирование, выбрав команду Simulate в меню Analysis либо щелкнув по соответствующей кнопке (она имеет желтый цвет).

После кратковременных подсчетов на экране появится окно (рис. 2.12), которое вы уже видели в предыдущих имитациях и которое до этих пор сразу же закрывали, не обращая на него никакого внимания.

Рис. 2.12. Окно PSPICE после завершения анализа цепи постоянного тока

К сожалению, желаемых результатов анализа в этом окне вы не найдете. Имитатор PSPICE записал результаты проведенного моделирования в специально созданный файл с именем Ex1.out.

При каждом сеансе моделирования в PSPICE автоматически создается выходной файл. В нем содержатся результаты моделирования и еще много другой информации. Выходные файлы имеют такие же названия, как и лежащие в их основе чертежи электросхем, но имеют расширение .out.

Шаг 12 Откройте выходной файл, выбрав в окне PSPICE последовательность команд File→Examine Output (Файл→Открыть выходной файл для просмотра). На вашем экране появится выходной файл PSPICE, в котором представлены результаты анализа постоянного тока схемы последовательной цепи, изображенной на рис. 2.11:

**** 01/31/98 11:16:50 ********* NT Evaluation PSpice (July 1997)

* С:\MSimEv_8\Projects\UEB.sch

**** CIRCUIT DESCRIPTION

************************************

* Schematics Version 8.0 - July 1997

* Sat Jan 31 11:07:37 1998

** Analysis setup **

.OP

* From [SCHEMATICS NETLIST] section of msim.ini:

.lib "nom.lib"

.INC "UEB.net"

**** INCLUDING UEB.net ****

* Schematics Netlist *

V_U1 $N_0001 0 10V

R_RL 0 $N_0002 6.8k

R_RV $N_0001 $N_0002 1.5k

**** RESUMING UEB.cir ****

.INC "UEB.als"

**** INCLUDING UEB.als ****

* Schematics Aliases *

.ALIASES

V_U1 U1(+=$N_0001 -=0 )

R_RL RL(1=0 2=$N_0002 )

R_RvV RV(1=$N_0001 2=$N_0002 )

.ENDALIASES

**** RESUMING UEB.cir ****

.probe

.END

**** 01/31/98 11:16:50 ******** NT Evaluation PSpice (July 1997)

* C:\MSimEv_8\Projects\UEB.sch

**** SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG C

NODE      VOLTAGE NODE      VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

($N_0001) 10.0000 ($N_0002) 8.1928

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME  CURRENT

V_U1 -1.205E-03

TOTAL POWER DISSIPATION 1.20E-02 WATTS

**** 01/31/98 11:16:50 ******** NT Evaluation PSpice (July 1997)

************

* E:\MSimEv_8\Projects\UEB.sch

**** OPERATING POINT INFORMATION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

****************************************************************************

JOB CONCLUDED

TOTAL JOB TIME .12

В выходном файле вы найдете сведения о дате проведения моделирования и продолжительности процесса, о внутренних вспомогательных файлах, созданных специально для анализа; а также об условно принятой температуре окружающей среды для установления термозависимых значений компонентов схемы. Но не будем пока обращать внимания на эти указания. Сейчас гораздо больший интерес для нас будут представлять следующие данные выходного файла.

Информация о запуске. Под строкой **Analysis setup** (Запуск анализа) содержится информация о том, какой тип анализа был проведен: в данном случае .ОР означает Operating-Point-Analysis (Анализ цепи постоянного тока).

Сетевой список. Под строкой *SCHEMATICS Netlist* (Сетевой список SCHEMATICS) находится сетевой список, то есть список, куда заносятся данные о вашей схеме для того, чтобы произвести ее моделирование. При генерации сетевого списка PSPICE автоматически присваивает условные имена узлам электросхемы:

• первая строка сетевого списка содержит запись V_U1 $N_0001 0 10V. Это означает, что источник напряжения с именем U1 располагается между узлами $N_0001 и 0. При этом речь идет об источнике напряжения со значением 10 В;

• во второй строке сетевого списка помещена запись R_RL 0 $N_0002 6.8k. Данная строка сообщает о том, что резистор с именем RL и значением сопротивления 6.8 кОм находится между узлом 0 («земля») и узлом $N_0002;

• в третьей строке вы видите запись R_RV $N_0001 $N_0002 1.5k. Из этой строки следует, что резистор с именем RV расположен между узлом $N_0001 и узлом $N_0002 и имеет значение сопротивления 1.5 кОм.

Список альтернативных обозначений. Под заголовком *SCHEMATICS Aliases* (Псевдонимы SCHEMATICS) находится список альтернативных имен узлов:

• первая строка списка альтернативных имен — V_U1 U1(+=$N_0001 -=0 ) — означает, что положительный полюс источника напряжения U1 называется U1:+ и располагается на узле $N_0001. Отрицательный полюс называется U1:- и находится на узле «земли»;

• вторая строка списка содержит запись R_RL RL(1=0 2=$N_0002 ). Это расшифровывается так: вывод 1, которым всегда будет являться левый или нижний вывод резистора RL, называется RL:1 и находится на узле 0. Вывод 2, которым всегда будет являться правый или верхний вывод резистора RL, называется RL:2 и располагается на узле $N_0002. Если далее в протоколе результатов указывается напряжение V(RL:2) значением 2 В, то это означает, что напряжение между правым (верхним) выводом резистора и «землей» равно 2 В;

• в третьей строке имеется запись R_RV RV(1=$N_0001 2=$N_0002 ). Из этой строки следует, что вывод 1, которым всегда будет являться левый или нижний вывод резистора RV, имеет альтернативное имя RV:1 и находится на узле $N_0001. Правый (верхний) вывод резистора RV носит альтернативное имя RV:2 и располагается на узле $N_0002.

Потенциалы узлов. После списка альтернативных обозначений в выходном файле даются результаты моделирования. Под заголовком NODE VOLTAGE помещена информация о потенциалах узловых точек:

• узел 1 по отношению к «земле» имеет потенциал 10 В;

• узел 2 по отношению к «земле» имеет потенциал 8.1928 В.

Ток, проходящий через источник напряжения (при расчете в прямом направлении, то есть от положительного полюса к отрицательному) равен -1.205 мА. Общая потребляемая мощность электросхемы равна 12 мВт.

2.2.1. Задания на закрепления материала

Задание 2.8. Сравните сведения о результатах моделирования из выходного файла (Output-File) Ex1.out с результатами, которые вы получили при первом моделировании и вызвали их индикацию непосредственно на чертеж своей электросхемы. Сходятся ли они?

Ознакомьтесь с содержимым окна Bias Point Data Display Options (Опции вывода на экран данных рабочей точки), которое вы можете открыть, выбрав команду Analysis Display Results on Schematics→Display Options… Попробуйте вывести на экран более точные результаты анализа. Какова максимальная точность?

Задание 2.9. Установите для источника напряжения заведомо ошибочный атрибут, указав вместо характеристики напряжения не 10V, а 10 V (с пробелом). Запустите процесс моделирования и прочитайте сообщение об ошибке, которое появится как в окне Message Viewer, так и в выходном файле. Обратите внимание, что, хотя текст сообщений об ошибке в обоих сообщениях одинаковый, в выходном файле определяется точное место, содержащее ошибку, — оно отмечено расположенным прямо под ним значком $. В завершение откорректируйте ошибочно заданный атрибут источника напряжения.

Задание 2.10. Удалите с чертежа схемы Ex1.sch схемное обозначение «земли». Запустите процесс моделирования и ознакомьтесь с сообщением в окне Message Viewer. Теперь найдите соответствующую информацию об ошибке в выходном файле. Хорошо запомните текст этого сообщения, так как оно еще не раз будет встречаться вам при работе с программой PSPICE. Но тогда вы уже будете знать, что надо делать. Теперь установите схемное обозначение «земли» на прежнее место, чтобы ваша электросхема оставалась «в рабочем состоянии».

Задание 2.11.* С помощью выходного файла определите, какие имена имитатор PSPICE присвоил узлам начерченного вами нагруженного соединения по схеме моста BRIDG.sch (см. рис. 2.10).

Для начала исследуем схему, состоящую из резистора R=100 Ом, конденсатора С=2 мкФ и источника переменного напряжения с амплитудой U=1 B и f=2 кГц.

Шаг 1 Начертите эту электросхему с помощью редактора проектирования SCHEMATICS. В качестве источника напряжения выберите VSIN (Transient Sine Voltage Source) из библиотеки SOURCE.slb. Атрибуты источника напряжения вы зададите несколько позднее. Готовая схема, вплоть до указания значения переменного напряжения AC=1V, должна выглядеть так, как это показано на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Схема последовательного включения сопротивления и конденсатора

Шаг 2 Откройте окно атрибутов источника напряжения (рис. 3.2), дважды щелкнув мышью по его схемному обозначению, и установите все атрибуты источника напряжения на 0 за исключением AC=1V, SIMULATIONONLY и PKGREF=U. Атрибуты, обозначенные символом «*» изменить нельзя.

Рис. 3.2. Окно атрибутов источника переменного напряжения VSIN

Источник напряжения VSIN подходит как для АС-анализа, так и для анализа переходных процессов. Значение напряжения, которое вы вводите для АС, нужно только при проведении анализа переменного напряжения. Значения напряжений, указываемые для VAMPL и VOFF (амплитуда и среднее значение), напротив, действительны только при анализе переходных процессов и игнорируются во время анализа переменного напряжения. То же самое относится и к частоте FREQ, и ко времени задержки распространения сигнала TD, и к коэффициенту затухания DF. Тем не менее, вы в любом случае должны указывать какие-нибудь значения для VAMPL, VOFF, FREQ, TD и DF (например, 0), даже если не собираетесь проводить анализ переходных процессов. В противном случае на экране появится сообщение об ошибке. 

Шаг 3 Теперь вам предстоит вспомнить, как вызывается на экран редактора SCHEMATICS индикатор отличительных характеристик источника напряжения, то есть как сделать, чтобы атрибут AC=1V отображался непосредственно на чертеже вашей схемы (см. рис. 3.1 и раздел 1.2). Если вы достигли желаемого результата, тогда сохраните свою схему в папке Projects под именем RC_AC.sch.

Перед началом моделирования вам нужно еще выполнить предварительную установку предстоящего анализа.

Шаг 4 Для этого выберите в меню команды Analysis→Setup…. Откроется окно Analysis Setup (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Окно Analysis Setup , где выбран анализ AC Sweep

Шаг 5 Подготовьте запуск анализа AC Sweep, установив флажок рядом с кнопкой АС Sweep…, и настройте параметры в окне Analysis Setup согласно образцу на рис. 3.3. Затем щелкните по кнопке AC Sweep…. Откроется окно AC Sweep and Noise Analysis (Анализ цепи переменного тока и шумов), с помощью которого задаются установки для конкретного анализа AC Sweep — рис. 3.4.

Рис. 3.4. Окно AC Sweep and Noise Analysis

Когда вы ознакомитесь с содержанием этого окна, у вас наверняка возникнут вполне обоснованные предположения о том, что с его помощью можно сделать гораздо больше, чем вам на данный момент необходимо. PSPICE позволяет анализировать схему не только для одной постоянной частоты. С помощью анализа AC Sweep вы сможете исследовать целую серию частот. При работе с настоящей книгой вы еще не раз воспользуетесь этой удивительной опцией. Кроме того, как вы уже заметили, схемы можно анализировать на предмет их шумовых свойств (Noise Analysis), что, однако, не рассматривается в данном учебнике.

Пока же для решения поставленной перед вами задачи не требуется проводить полный анализ частотных характеристик (AC Sweep), вам нужно исследовать схему только для одной единственной частоты, а именно для частоты f равной 2 кГц. Для этого придется провести анализ переменного напряжения в одной точке, начинающийся при f=2 кГц (поле Start Freq. — Начальная частота) и заканчивающийся при f=2 кГц (поле End Freq. — Конечная частота) для общего количества точек — 1 (поле Total Pts. — Общее количество точек).

Шаг 6 Выполните необходимые установки для анализа AC Sweep в одной точке, заполнив поля ввода в окне AC Sweep and Noise Analysis так, как это изображено на рис. 3.5, а затем подтвердите ввод щелчком по кнопке OK. Таким образом вы возвратитесь к окну Analysis Setup. Щелкните по кнопке Close, чтобы оказаться в главном окне редактора SCHEMATICS.

Рис 3.5. Окно AC Sweep and Noise Analysis с установками для анализа переменного напряжения при f=2 кГц

Для графического представления результатов анализов, например для изображения частотных характеристик, в PSPICE предусмотрена графическая программа- осциллограф, которая называется PROBE. Вам еще предстоит немало поработать с ней и познакомиться с ее удивительными возможностями. В настоящий же момент PROBE едва ли может чем-то вам помочь. Да и как можно было бы графически представить результаты моделирования электросхемы для одной постоянной частоты? Поэтому пока вам придется отключить программу-осциллограф, разумеется, если в окне ее предварительной установки еще активизирована опция автоматического запуска PROBE по завершении моделирования.

Шаг 7 Для того чтобы деактивизировать запуск программы PROBE, откройте меню Analysis и щелкните в нем по строке Probe Setup…. После этого откроется окно Probe Setup Options (Опции предварительной установки PROBE) с тремя вкладками. Выполните необходимые настройки на этих вкладках по образцу на рис. 3.6 и подтвердите свой выбор, щелкнув в каждом из них по кнопке OK. В результате программа PROBE не будет автоматически запускаться после завершения моделирования схемы.

а)

б)

в)

Рис. 3.6. Вкладки окна предварительной установки графической программы PROBE (а, б, в)

Шаг 8 Теперь запустите процесс моделирования (выберите команду Analysis→Simulate или щелкните по соответствующей ей кнопке, находящейся вверху справа на панели инструментов редактора SCHEMATICS). Во время выполнения моделирования на экране появится окно PSPICE (рис. 3.7), где можно наблюдать за ходом выполнения непродолжительных расчетов.

Рис. 3.7. Окно PSPICE после завершения анализа AC Sweep при f=2 кГц

Результаты анализа PSPICE записывает в выходной файл.

Шаг 9 Откройте выходной файл либо из редактора SCHEMATICS, выбрав команду Analysis→Examine Output, либо из окна PSPICE (команда File→Examine Output). Поищите в выходном файле результаты моделирования.

Ваши поиски не будут увенчаны успехом. Для того чтобы программа PSPICE занесла в выходной файл те результаты анализа, которые вам необходимы, перед моделированием схемы нужно сделать особый запрос. Запрос осуществляется в окне редактора SCHEMATICS путем установки специального символа на чертеже вашей схемы в том месте, данные о котором вы собираете и информация о котором должна быть записана в выходной файл. В PSPICE предусмотрены такие символы для потенциалов (VPRINT1), для разности потенциалов, то есть для напряжений между двумя точками (VPRINT2), и для токов (IPRINT). Все они находятся в библиотеке SPECIAL.slb.

Шаг 10 Установите символ VPRINT1 из библиотеки SPECIAL.slb на вашей схеме между резистором и конденсатором (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Схема последовательного включения резистора и емкости с измерителем переменного напряжения VPRINT1

Разместив на чертеже символ VPRINT1, вы тем самым «попросили» PSPICE записать в выходной файл данные анализа обозначенного вами места. Теперь остается указать, какие именно сведения вас интересуют. Для этого надо открыть окно атрибутов символа VPRINT1.

Шаг 11 Дважды щелкните по символу VPRINT1, чтобы открыть окно его атрибутов (рис. 3.9).

Введите yes (да) в поле атрибута АС, указав тем самым, что речь идет о данных АС-анализа, а также введите yes в поле атрибутов MAG (Амплитуда) и PHASE (Фаза), чтобы определить, что вас интересует положение по фазе и амплитуда (MAGnitude). Не забывайте каждый раз щелкать по кнопке Save Attr. В заключение дайте установку вывести на чертеж индикаторы введенных атрибутов (последовательность команд Change Display→Both Name and Value).

Рис. 3.9. Окно атрибутов элемента VPRINT1

Шаг 12 Посмотрите на окно атрибутов VPRINT1 и выясните, какие еще результаты анализов можно отправлять в выходной файл с его помощью. Знатоки наверняка придут в восторг от таких возможностей.

Шаг 13 Закройте окно атрибутов, щелкнув по кнопке OK. Теперь индикаторы атрибутов измерителя переменного напряжения VPRINT1 должны появиться на вашем чертеже (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Схема последовательного включения резистора и емкости с индикаторами предварительной настройки для АС-анализа при f=2 кГц

Шаг 14 Сохраните изменения (команда Save), запустите заново процесс моделирования и после его завершения откройте выходной файл. В этот раз вы найдете то, что вас интересует. В нижней части выходного файла будут приведены следующие данные:

FREQ      VM($N_0002) VP($N_0001)

2.000Е+03 3.697Е-01  -6.830Е+01

В узле $N_0002 программа PSPICE установила значение амплитуды (VM) 0.3697 В и угол фазы (VP) равный -68.3°.

Шаг 15 Теперь добавьте к своему чертежу символ VPRINT2 для измерения напряжения, проходящего через резистор, а также символ IPRINT для измерения тока (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Схема последовательного включения резистора и емкости с индикаторами предварительных настроек для вычисления тока и всех частичных напряжений

Шаг 16 Выполните необходимые настройки атрибутов для символов VPRINT2 и IPRINT согласно образцу на рис. 3.11. Сохраните свой чертеж в папке Projects под именем RC_PRINT.sch. Запустите процесс моделирования и найдите затем в выходном файле интересующие вас данные:

FREQ      IM(V_PRINT3)        IP(V_PRINT3)

2.000Е+03 9.292Е-03           2.170Е+01

FREQ      VM($N_0001)         VP($N_0001)

2.000Е+03 3.697Е-01          -6.830Е+01

FREQ      VM($N_0003,$N_0001) VP($N_0003,$N_0001)

2.000E+03 9.292E-01           2.170E+01

3.1.1. Задания на закрепление материала

Задание 3.1. Подумайте, к чему относится угол фазы конденсатора -68.3°, установленный программой PSPICE: к общему напряжению или, как это часто бывает в электротехнике, к току в цепи последовательного включения конденсатора и сопротивления?

Задание 3.2. Выполнив собственные расчеты, проверьте результаты анализа схемы последовательного включения резистора и емкости, проведенного PSPICE для UR, UC, I и угла фазы между Uобщ и I.

Первая встреча любого начинающего электронщика с зависимыми от времени процессами происходит, как правило, при изучении особенностей зарядки и разрядки конденсаторов. Сейчас вы будете создавать уже знакомую вам временную диаграмму тока и напряжения на конденсаторе, чтобы закрепить знания об анализе переходных процессов PSPICE. При этом вы также познакомитесь с новым компонентом, а именно с источником импульсного напряжения VPULSE.

Шаг 19 Загрузите на экран схему последовательного включения резистора и емкости RC_TRANS.sch и замените установленный в ней источник напряжения VSIN на генератор импульсного напряжения типа VPULSE из библиотеки SOURCE.slb (рис. 4.16). Сохраните измененную схему в папке Projects под именем RC_PULS.sch.

Рис. 4.16. Схема последовательного включения резистора и емкости с генератором импульсного напряжения типа VPULSE 

При заданных значениях для резистора R и конденсатора С значение временной константы равно t=0.2 мс. Как известно, процессы зарядки и разрядки конденсаторов после 5 t практически завершаются. То есть, если установить длину импульса 1.5 мс и время моделирования 4 мс, этого будет вполне достаточно, чтобы полностью отобразить процесс зарядки и разрядки в виде одной общей диаграммы.

Шаг 20  Для того чтобы установить атрибуты нового источника напряжения, дважды щелкните мышью по его схемному обозначению и тем самым откройте окно атрибутов VPULSE (рис. 4.17).

Рис. 4.17. Окно атрибутов генератора импульсов VPULSE

Шаг 21 Заполните окно атрибутов генератора импульсов VPULSE следующим образом:

• DC=0 (приложенное постоянное напряжение);

• АС=0 (приложенное переменное напряжение);

• V1=0 (напряжение при начале импульса);

• V2=1V (высота импульса);

• TD=0 (время задержки начала импульса) — поле Delay Time;

• TR=1ns (время нарастания импульса) — поле Rise Time. Значение TR может быть сколь угодно малым, но не должно равняться 0;

• TF=1ns (время затухания импульса) — поле Fall Time. Значение TF может быть сколь угодно малым, но не должно равняться 0;

• PW=1.5ms (ширина импульса);

• PER=5ms (период повторения импульсов). После завершения периода источник напряжения посылает следующий импульс. Если требуется всего один импульс, нужно ввести для PER такое значение, чтобы оно было больше значения, указанного для длительности процесса моделирования в поле Final Time;

• SIMULATIONONLY. Здесь от вас не требуется никаких дополнительных указаний. Этот атрибут означает, что данный компонент не будет учитываться ни в одной из топологий печатных плат;

• PKGREF=U1. Оставьте это ориентировочное название (PacKaGe REFerence Designator) таким, какое оно есть.

Шаг 22 Проведите соответствующую предварительную установку для анализа переходных процессов, запустите процесс моделирования вашей схемы и создайте на его основе диаграмму, приведенную на рис. 4.18.

Рис. 4.18. Напряжение и ток при зарядке и разрядке конденсатора электросхемы RC_PULS.sch

Для того чтобы вам было легче разобраться в диаграмме на рис. 4.18, представленной здесь в черно-белом изображении, мы для удобства снабдили отдельные кривые особыми символами, позволяющими отличать графики друг от друга. Эти символы можно активизировать в программе PROBE, выполнив команды Tools→Options…→Use Symbols→Always (Инструменты→Установки…→Использовать символы→Всегда).

Шаг 23 Уменьшите вдвое значение сопротивления для резистора R и убедитесь в том, что процесс зарядки и разрядки конденсатора теперь протекает за вдвое меньшее время, а токи достигают вдвое больших пиковых значений (рис. 4.19).

Рис. 4.19. Напряжение и ток при зарядке и разрядке конденсатора при вдвое уменьшенном значении сопротивления резистора

4.4.1. Задания на закрепление материала

Задание 4.1. Создайте диаграмму входного и выходного напряжения для электросхемы RC_TRANS.sch в сокращенном временном интервале от 0 с до 1 мс. 

Задание 4.2. Уменьшите ширину шага вычислений (поле Step Ceiling) для моделирования электросхемы RC_TRANS.sch с 4 до 1 мкс. Повлекло ли за собой это изменение сколько-нибудь заметное улучшение качества графического изображения или привело, главным образом, к увеличению времени на выполнение расчетов?

Задание 4.3.* Последовательное соединение резистора и емкости состоит из резистора сопротивлением R=10 кОм и конденсатора емкостью С=10 пФ. К выводам цепи подведено переменное напряжение с амплитудой 1 В и частотой колебаний f=1 мГц. Вычислите самостоятельно напряжения UR и UC, а также сдвиг фазы j между током и общим напряжением в стационарном состоянии (после завершения переходных процессов). Затем с помощью PSPICE запустите процесс моделирования этой схемы и проверьте правильность своих расчетов.

Задание 4.4.* Начертите схему электрической цепи из последовательно соединенных резистора, катушки индуктивности и конденсатора, изображенной на рис. 4.20, выясните для нее сдвиг фазы (в стационарном состоянии) между током и общим напряжением и сравните полученные результаты с теорией.

Рис. 4.20. Электрическая цепь, включающая резистор, катушку индуктивности и конденсатор

В этом и следующем разделах мы будем исследовать влияние сопротивления R на частотную характеристику RC-фильтра нижних частот. Вам потребуется провести моделирование схемы сначала при значении сопротивления R=80 Ом, а затем при R=1000 Ом и графически представить полученные результаты в программе PROBE. При этом выяснится, что бывает рациональное и нерациональное распределение рассчитываемых контрольных (опорных) точек.

Для решения поставленной задачи выполните следующие следующие шаги.

Шаг 18 Откройте схему последовательного включения резистора и емкости RC_AC.sch (если она еще не открыта), измените значение сопротивления резистора на R=80 Ом и сохраните схему в папке Projects под именем RC_80.sch.

Шаг 19 Проведите предварительную установку для проведения анализа AC Sweep в частотном диапазоне от 10 Гц до 999 кГц для 10000 точек (см. рис. 5.2).

Шаг 20 Запустите процесс моделирования, а затем создайте в PROBE диаграмму частотной характеристики напряжения конденсатора V(C1:2) с линейным масштабированием координатной оси Y и логарифмическим масштабированием координатной оси X (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Частотная характеристика RC-фильтра нижних частот с конденсатором емкостью С=2 мкФ и резистором сопротивлением R=80 Ом

Шаг 21 Измените в RC-фильтре нижних частот значение сопротивления резистора на R=1 кОм и сохраните измененную схему в папке Projects под именем RC_1000.sch.

Шаг 22 Запустите процесс моделирования, используя те же предварительные установки, что и для схемы RC_80.sch (см. рис. 5.2).

Шаг 23 Представьте графически частотную характеристику напряжения конденсатора V(C1:2) с линейным масштабированием координатной оси Y и логарифмическим масштабированием координатной оси частоты, как показано на рис. 5.9.

Рис. 5.9. Частотная характеристика RC-фильтра нижних частот, где R=1000 Ом и С=2мкФ

Тот, кто хоть немного знаком с фильтрами нижних частот, сразу увидит, что эта диаграмма частотной характеристики неверна. Излом не может начинаться при частоте около 100 Гц. И вы наверняка уже догадываетесь, почему произошла ошибка: PSPICE просчитал слишком мало точек. В ходе предварительной установки вы равномерно распределили 1000 точек в частотном диапазоне от 10 Гц до 999 кГц, то есть на каждые 100 Гц приходится по одной точке. Программа PSPICE произвела расчет первой точки при частоте 10 Гц, а следующей точки — при частоте 110 Гц. Затем программа PROBE соединила обе эти точки линейной связью. Ничего хорошего из этого получиться, разумеется, не могло.

Для того чтобы вам было легче разобраться в таких ситуациях, в PROBE предусмотрена опция, с помощью которой вы можете вызвать индикацию контрольных точек.

Шаг 24 Откройте меню Tools (Инструменты) и щелкните по строке Options…, чтобы вызвать на экран окно Probe Options (рис. 5.10).

Рис. 5.10. Окно Probe Options

Среди прочих в этом окне находится опция Mark Data Point (Отметить контрольные точки), при выборе которой маркируются информационные точки (рис. 5.11).

Рис. 5.11. Диаграмма частотной характеристики RC-фильтра нижних частот с маркированными контрольными точками

Шаг 25 Выберите эту опцию, а затем убедитесь в том, что включать и выключать маркировку контрольных точек можно также с помощью кнопки , соответствующей этой команде.

Теперь стало очевидно, что рассчитанные программой PSPICE контрольные точки нерационально распределены для создания диаграммы с логарифмическим масштабированием оси X. Было бы разумно логарифмически распределить и контрольные точки, например рассчитать равное количество точек для каждой декады. И программа PSPICE предоставляет вам эту возможность. 

Шаг 26 Откройте еще раз окно AC Sweep and Noise Analysis (рис. 5.12).

Рис. 5.12. Окно AC Sweep and Noise Analysis с установками для равномерного (линейного) распределения точек в частотном диапазоне от 10 Гц до 999 кГц

В разделе AC Sweep Туре (Тип AC Sweep) маркирована опция Linear (Линейный), следовательно, в ходе анализа контрольные точки рассчитываются линейно, то есть с равными интервалами частоты на координатной оси X с линейным масштабированием. Это было бы рационально при линейном масштабировании координатной оси X, но при логарифмическом масштабировании совершенно не нужно. 

Шаг 27 Задайте для предстоящего анализа декадное распределение контрольных точек, выбрав опцию Decade (Декадный). Сразу вслед за этим правая часть окна изменится таким образом, чтобы вы имели возможность указать, какое количество точек следует рассчитать в каждой декаде (рис. 5.13). Введите в поле Pts/Decade (Точки/декады) цифру 100, что составит в целом 500 точек на 5 декад.

Рис. 5.13. Окно AC Sweep and Noise Analysis , где задано равномерное распределение контрольных точек по отдельным декадам

Раньше PSPICE приходилось просчитывать 10000 точек, то есть в двадцать раз больше. И, соответственно, на вычисления уходило в двадцать раз больше времени, а результат при этом, как вы сами видели, был крайне неубедительным. 

Шаг 28 Запустите процесс моделирования с новыми установками и затем выведите на экран PROBE диаграмму напряжения на конденсаторе V(C1:2) — см. рис. 5.14. 

Рис. 5.14. Частотная характеристика RC-фильтра нижних частот, где R=1000 Ом и С=2 мкФ; контрольные точки логарифмически распределены по 100 точек на декаду

В таком виде эта диаграмма выглядит вполне удовлетворительно.

Конечно, и при линейном распределении контрольных точек можно было бы получить графическое изображение без «углов», просто-напросто произведя расчет большего количества информационных точек. Но чтобы у вас отпали всякие сомнения в необходимости разумного распределения контрольных точек, хотя бы раз сравните время, затрачиваемое PSPICE на моделирование с линейным распределением контрольных точек и с логарифмическим. Если при линейном распределении расчетных точек вы захотите получить на диаграмме частотной характеристики схемы RC_1000.sch в самой нижней декаде (от 10 Гц до 100 Гц) 100 контрольных точек, вам потребуется рассчитать 100 контрольных точек для частотного интервала в 90 Гц, то есть немного больше одной точки на герц. И тогда в диапазоне от 10 Гц до 1000 кГц количество контрольных точек будет составлять около миллиона. Какое время PSPICE затратит на одно такое моделирование, вы сможете узнать в выходном файле под заголовком Total Job Time (Полное время работы). Процессору Pentium 133, с помощью которого было проведено моделирование всех схем, упоминающихся в этом учебнике, на вычисление 1000 контрольных точек, изображенных на рис. 5.11, понадобилось 22.86 с. Следовательно, на расчет миллиона точек уйдет около 40 мин. Моделирование этой же схемы с логарифмическим распределением расчетных точек при вычислении 100 точек на декаду, то есть с той же точностью, занимает у того же процессора 2.52 с. Как видите, числа говорят сами за себя.

5.2.1. Упражнения по изменению координат

Шаг 29 Загрузите еще раз электросхему последовательного включения с резистивно-емкостной связью, где R=80 Ом (RC_80.sch).

Шаг 30 Повторите моделирование этой схемы со старой предварительной установкой анализа, то есть с линейным распределением расчетных точек (см. рис. 5.2). Посмотрите внимательно на диаграмму частотной характеристики напряжения на конденсаторе при логарифмическом масштабировании оси частоты (см. рис. 5.8.) и вы увидите, что даже эта диаграмма в области низких частот слегка угловата.

Шаг 31 Включите маркирование контрольных точек и посмотрите, как теперь выглядит та же схема.

Шаг 32 Определите для себя, какого количества контрольных точек при их логарифмическом распределении было бы достаточно, чтобы графическое изображение удовлетворяло вашим требованиям.

Шаг 33 В завершение проведите моделирование схемы с логарифмическим распределением 100 расчетных точек на каждую декаду, так как эти данные еще раз понадобятся вам при чтении следующего раздела.

Для того чтобы лучше сравнить друг с другом частотные характеристики фильтров нижних частот с R=80 Ом и R=1000 Ом, вы наверняка хотели бы увидеть обе диаграммы в одной системе координат. Для PROBE это не проблема. Программа автоматически сохраняет данные последнего моделирования каждой схемы:

Шаг 34 Щелкните по самой крайней кнопке слева на панели инструментов PROBE (на ней изображена желтая папка). Эта кнопка соответствует команде меню File→Open. Откройте в появившемся окне папку Projects (рис. 5.15).

Рис. 5.15. Окно Open с файлами *.dat

Здесь вы найдете данные о результатах последнего моделирования любой из исследованных вами схем, которые сохранены в едином для файлов PROBE формате (в файлах с расширением .dat). Среди прочих здесь находятся файлы RC_80.dat и RC_1000.dat, то есть файлы, созданные программой при моделировании каждого из двух фильтров нижних частот с резисторами сопротивлением 80 Ом и 1000 Ом. Теперь вы понимаете, почему программа PSPICE перед началом моделирования требует, чтобы вы сначала сохранили новую схему. При сохранении схеме присваивается имя, что является предпосылкой для создания файла с точно таким же именем, но с расширением .dat, в который PROBE сможет потом записать свои данные.

Шаг 35 Вызовите из окна PROBE Open файл RC_80.dat. Откроется пустой экран. Взглянув на верхнюю строку с заголовком, вы сможете убедиться в том, что открылось действительно рабочее окно PROBE RC_80.dat. Теперь откройте окно Add Traces и выведите на экран диаграмму частотной характеристики напряжения на конденсаторе V(C1:2) — см. рис. 5.16.

Рис. 5.16. Диаграмма частотной характеристики электросхемы RC_80.sch, выведенная на экран после вызова файла RC_80.dat

Итак, теперь вы знаете, как можно снова «вытащить на свет божий» диаграммы, созданные по результатам когда-то давным-давно проведенного моделирования. Остается по-прежнему неразрешенным вопрос, как к одной диаграмме можно добавлять диаграммы, созданные на основе данных моделирования других схем. На этот случай в программе PROBE имеется в меню File специальная команда Append. 

Шаг 36 Щелкнув по второй слева кнопке с желтой папкой и знаком плюса , откройте окно Append (рис. 5.17).

Рис. 5.17. Окно Append

Оно отличается от окна Open, изображенного на рис. 5.15, только заголовком.

Шаг 37 Вызовите из окна Append файл RC_1000.dat, то есть диаграмму RC- фильтра нижних частот с резистором сопротивлением R=1000 Ом. На этот раз вам уже не нужно будет открывать окно Add Traces, так как PROBE автоматически выбирает для графического отображения те же кривые, которые были запрошены для первой схемы (рис. 5.18).

Рис. 5.18. Диаграмма, созданная программой-осциллографом PROBE по результатам моделирования двух разных фильтров нижних частот RC_80.sch и RC_1000.sch

5.3.1. Задания на закрепление материала

Задание 5.1. Поэкспериментируйте с различными вариантами линейного и логарифмического форматирования координатных осей диаграммы частотной характеристики электросхемы последовательного включения с резистивно-емкостной связью. Обратите внимание на линейный спад кривой частотной характеристики, что является отличительной особенностью диаграмм с логарифмическим масштабированием обеих осей.

Задание 5.2. Загрузите на экран PSPICE электросхему RLC_MIX1.sch (см. рис. 1.21), находящуюся в папке Projects. Проведите для нее анализ AC Sweep в диапазоне от 1 Гц до 10 кГц и выведите на экран PROBE диаграмму частотной характеристики тока через конденсатор. 

Задание 5.3.* Начертите изображенную на рис. 5.19 схему фильтра нижних частот с крутизной фронта 12 дБ на октаву. Сохраните ее под именем RLC_MIX1.sch.

Рис. 5.19. Фильтр нижних частот для динамика сопротивлением 8 Ом

• проведите моделирование частотной характеристики этой схемы и определите граничную частоту, то есть частоту, при которой напряжение падает до 70% от своего максимального значения;

• удалите конденсатор и измените значение L1 так, чтобы получился фильтр нижних частот с такой же граничной частотой. Представьте обе частотные характеристики на одной общей диаграмме. Какой из двух фильтров нижних частот лучше?

• замените U1 на источник импульсного напряжения VPULSE с импульсным напряжением 1 В. Сравните переходные характеристики обоих частотных фильтров. Переходная характеристика какого фильтра лучше?