Proteus VSM. Руководство по моделированию на основе диаграмм. #02
Проведение измерений
Диаграмма, расположенная рядом со схемой, уменьшена. Чтобы измерить время, мы должны ее увеличить. Чтобы сделать это, сначала удостоверьтесь, что диаграмма не выделена, а затем кликните левой кнопкой мыши на строке заголовка диаграммы; диаграмма перерисуется заново в собственном окне. При этом строка меню вверху экрана сохранится. Ниже нее, на левом краю – экрана область, на которой показаны метки записей, а справа от нее сами записи. Внизу экрана, слева – панель инструментов, а справа – область состояния, которая показывает информацию о положении курсора времени. И так это новая диаграмма, и мы пока еще не проводили измерений, поэтому курсор невидим на диаграмме, и строка состояния показывает просто заглавное сообщение.
Графики обозначены цветами, которые соответствуют их меткам. Графики OUT и U1(POS IP) сгруппированы наверху экрана, в то время как график IN лежит внизу. Чтобы рассмотреть графики более подробно, нам нужно отделить график IN от остальных двух. Это может быть достигнуто перетаскиванием левой кнопкой мыши метки графика на правую сторону экрана. Это вызовет появление правой оси y, которая проградуирована отдельно от левой. Теперь график IN кажется намного больше, потому что ISIS выбрал для правой оси более мелкий масштаб, чем для левой. Чтобы очистить диаграмму, возможно лучше удалить график IN совсем, так как вполне достаточно U1(POS IP). Повторный правый клик на метке IN удалит его. Теперь диаграмма вернулась к одиночной (левой) оси y.
Мы измерим два параметра:
- коэффициент усиления по напряжению схемы;
- примерное время среза на выходе.
Эти измерения проводятся, используя маркеры.
Каждая диаграмма имеет два маркера, называемых как Базовый и Простой. Базовый маркер отображается красным цветом, а простой – зеленым. Маркер всегда “заперт” на графике, график, который “захватил” маркер, отмечается маленьким крестиком, который перемещается по временной диаграмме. Маленькие метки на обоих х- и у-осях соответствуют позиции и перемещению крестика, что на порядок облегчает отсчитывание показаний на осях. Если перемещать, используя клавиатуру, маркер переместится к следующему маленькому делению на оси х.
Начнем с установки Базового маркера. Используются одинаковые клавиши/действия для обращения к обоим, Базовому и Простому маркерам, выбор которых фактически осуществляется использованием клавиши CTRL на клавиатуре. Базовый маркер, наименее часто используемый из двух, всегда доступен при нажатой клавише CTRL. Чтобы установить маркер, всё, что вам нужно, – это указать на график (не на метку графика – это используется для другой цели), где вы хотите поместить маркер, и кликнуть левой кнопкой. Если клавиша CTRL нажата, вы поместите (или передвинете) Базовый маркер; если клавиша CTRL не нажата, то вы поместите (или передвинете) Простой маркер. Вы можете перемещать маркер, нажата пока кнопка мыши (и вспомогательная клавиша для Базового маркера). И так, нажмите (и удерживайте нажатой) клавишу CTRL, передвиньте курсор мыши к правому краю диаграммы и нажмите на левую кнопку мыши. Появится красный Базовый маркер. Передвиньте маркер (всё ещё удерживая клавишу CTRL) на 70 или 80 микросекунд на оси х. Надпись в строке состояния удалится, и теперь показывается время маркера (красное, слева) и напряжение маркера рядом с именем данного графика (справа). Мы хотели, чтобы это был график OUT.
Вы можете перемещать маркер по оси времени, используя клавиши со стрелками вправо и влево, (при каждом нажатии маркер перемещается на одно маленькое деление) или прицепить маркер к предыдущему или следующему графику, используя клавиши с стрелками вверх и вниз.
Теперь поместите Простой маркер на график OUT между 20 и 30 микросекундами. Порядок действий в точности такой же, что и с Базовым маркером, только уже не нужно зажимать клавишу CTRL. Время и напряжение для простого маркера теперь добавлены в строку состояния (они зеленого цвета).
Также отобразится разница по времени и по напряжению между позициями обоих маркеров. Разница напряжений получается примерно 100 мВ. Входной импульс был высотой 10 мВ, следовательно, усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению 10. Обратите внимание, что разность положительна, потому что Простой маркер выше Базового, а величина изменения рассчитывается Простой минус Базовый.
Мы можем также измерить время спада, используя величину разницы по времени, расположив маркеры на обеих сторонах спада выходного импульса. Сделать это можно, перетащив маркеры мышкой или с помощью клавиш со стрелками вправо и влево (не забывайте про клавишу CTRL для Базового маркера). Только Простой маркер должен быть на кривой справа (для упорядочивания результата), а Базовый должен быть на углу, где начинается задний фронт. Вы обнаружите, что задний фронт составляет меньше 10 мкс.
Использование пробников тока
Теперь, когда мы закончили наши измерения, мы можем вернуться к схеме, только закройте окно диаграммы обычным способом или, чтоб быстрее, нажмите ESC на клавиатуре. Сейчас мы будем использовать пробник тока, чтобы проверить ток в цепи обратной связи, измерив ток через резистор R4.
Пробники тока используются подобно пробникам напряжения, но с одним важным отличием. Пробник тока нуждается в направлении, поставленном ему в соответствие. Пробники тока разрывают проводник и вставляются в разрыв, следовательно, им нужно знать, в каком направлении развернуться. Это делается просто путём их размещения. При ориентации по умолчанию (наклон вправо) в горизонтальном проводнике пробник измеряет силу тока слева направо. Чтобы измерить силу тока в вертикальном проводнике, необходимо повернуть пробник на 90° или 270°. Размещение пробника на вершине угла – ошибка, о которой будет сообщено при запуске моделирования. Если сомневаетесь, то взгляните на стрелку условного обозначения. Она указывает на направление тока.
Выберите пробник тока, кликнув на иконке “Пробник тока” ( Current Probe) . Кликните левой кнопкой на иконке вращения по часовой стрелке, чтобы стрелка указывала вниз. Затем поместите пробник на вертикальном проводнике между правой стороной R4 и выводом 6 U1. Добавьте пробник на правую сторону диаграммы выделением и перетаскиванием пробника на правый край свернутой диаграммы. Правая сторона – хороший выбор, потому что их размерность отличается от пробников напряжения, поэтому нужно отделит ось, чтобы детально их отобразить. Сейчас для пробника тока график не нарисован. Нажмите клавишу Пробел, чтобы по новой смоделировать диаграмму, и график появится.
Даже по свёрнутой диаграмме мы можем увидеть, что ток в цепи обратной связи близок по форме к сигналу на выходе, как и предполагалось для операционного усилителя. Ток изменяется от 10 мкА до 0 на высокой и низкой частях графика соответственно. Если желаете, то диаграмму можно развернуть до максимума и рассмотреть график более подробно.
Частотный анализ
Так же как и анализ переходной характеристики, есть несколько других типов анализа, полезных для моделирования аналоговой цепи. Все они используются почти таким же способом, с диаграммами, пробниками и генераторами, но отличаются различными вариациями в этой теме. Следующий тип анализа, который мы рассмотрим, это частотный анализ. В частотном анализе ось х становится частотой (в логарифмическом масштабе), а амплитуда и фаза в исследуемых точках могут быть отображены на осях у.
Чтобы выполнить частотный анализ, необходима частотная диаграмма. Кликните левой кнопкой на иконке Диаграмма (Graph), чтобы отобразить список типов диаграмм в переключателе объектов, и кликните на типе Частотный (Frequency). Затем поместите диаграмму на схему как раньше, перетаскивая прямоугольник левой кнопкой мыши. Не нужно удалять имеющуюся диаграмму переходной характеристики, но вы возможно хотите сделать это, чтобы увеличить свободное пространство (кликните дважды правой кнопкой на диаграмме, чтобы удалить ее).
Теперь чтобы добавить пробники. Мы добавим оба пробника напряжения, OUT и U1(POS IP). На частотной диаграмме две оси у (левая и правая) имеют специальное назначение. Левая ось у используется, чтобы отображать амплитуду исследуемого сигнала, а правая – фазу. Чтобы их обеих видеть в надлежащем порядке, мы должны добавить пробники на оба края диаграммы. Выделите пробник OUT и перетащите его на левый край диаграммы, а затем на правый. Каждый график как обычно имеет отдельный цвет, но они оба имеют одинаковые имена. Теперь выделите и перетащите пробник U1(POS IP) только на левый край диаграммы.
Величины амплитуды и фазы должны быть указаны по отношению к некоторой эталонной величине. В ISIS это делается указыванием опорного генератора. Опорный генератор всегда имеет на выходе 0 дБ (1 вольт) на 0°. В качестве опорного генератора можно указать какой-нибудь из имеющихся генераторов. Все остальные генераторы цепи в частотном анализе игнорируются. Чтобы установить генератор IN как опорный в нашей цепи, просто выделите и перетащите его на диаграмму, как если бы вы хотели добавить его как пробник. Так как это генератор, ISIS предположит, что вы добавляете его как опорный, и выведет в строке состояния сообщение, подтверждающее это. Сделайте это без ошибок, или моделирование будет работать некорректно.
Редактировать свойства диаграммы не нужно, так как частотный диапазон, выбранный по умолчанию, подходит для наших целей. Однако, если вы сделаете это (наведением на диаграмму и нажатием CTRL+E), вы увидите, что диалоговая форма редактирования частотной диаграммы мало отличается от такой же формы для переходной характеристики. Здесь не нужно обозначать оси, так как их назначение фиксировано, и здесь есть “галочка”, которая переключает отображение графика амплитуды в децибелах или в абсолютных единицах. Эту опцию лучше установить в дБ, как абсолютные величины, отображенные иначе, чем фактические значения, представленные на схеме.
Теперь нажмите Пробел (с мышкой над частотной диаграммой), чтобы начать моделирование. Когда оно закончится, кликните левой кнопкой на строке заголовка диаграммы, чтобы развернуть ее. Рассматриваем сначала график амплитуды OUT, мы можем увидеть, что усиление в полосе пропускания чуть выше 20дБ (как и ожидалось), а используемый диапазон частот примерно от 50Гц до 20кГц. Маркеры работают таким же образом, как и в предыдущем примере, – вы можете так же можете проверить утверждение, сказанное выше. График фазы OUT показывает вероятные фазовые искажения на краях частотной характеристики, спад до -90° справа на графике, на частоте единичного усиления. Эффект фильтра верхних частот входной цепи может быть отчетливо виден, если исследован график амплитуды U1(POS IP). Обратите внимание, что ось х в логарифмическом масштабе, и чтобы считывать значения с оси, лучше использовать маркеры.
Исследования при изменяющихся переменных
С ISIS возможно увидеть, как повлияет на схему изменение некоторых ее параметров. Сделать это позволяют два типа анализа – качание постоянного и переменного тока (DC Sweep и AC Sweep). Диаграмма качания DC показывает ряд величин рабочих точек по отношению к меняющейся переменной, а диаграмма качания AC показывает ряд величин в одной точке частотного анализа, по амплитуде и фазе подобно частотной диаграмме.
Эти формы анализа похожи, мы рассмотрим только одну – качание DC. Через резисторы входного смещения, R1 и R2, течет маленький ток, который подается на U1. Чтобы увидеть, как влияет изменение величины обоих резисторов на рабочую точку, используется DC Sweep.
Для начала поместите диаграмму качания DC на неиспользуемое пространство схемы. Затем выделите пробник U1(POS IP) и перетащите на левую сторону диаграммы. Нам нужно установить качающийся параметр, это делается редактированием диаграммы (наведите на нее мышь и нажмите CTRL+E). Диалоговая форма редактирования качания DC содержит поля для установки имени качающейся переменной, начального и конечного значения, и количество шагов. которые берутся при качании. Мы хотим, чтобы величина резистора менялась в диапазоне от 100кОм до 5МОм, поэтому установим в поле Start 100k, а в поле Stop 5M. Кликните ОК, чтобы принять изменения.
Конечно, чтобы сделать их меняющимися, необходимо изменить резисторы R1 и R2, или точнее их постоянные значения. Для этого кликните правой, а затем левой кнопкой мыши на R1, чтобы редактировать его, и измените поле Value с 470k на X. Обратите внимание, что качающаяся переменная в диалоговой форме диаграммы была также X. Нажмите ОК и повторите редактирование для R2, чтобы установить его величину как X.
Теперь вы можете смоделировать диаграмму, наведя на него и нажав пробел. Затем, развернув диаграмму, вы можете увидеть, что уровень смещения уменьшается в то время, как сопротивление цепи смещения увеличивается. При 5 МОм он изменен очень сильно. Конечно, изменение этих резисторов влияет также на частотную характеристику. Мы можем провести анализ качания AC, скажем порядка 50 Гц , чтобы увидеть эффект на низких частотах.
Анализ шума
В заключение рассмотрим анализ шума. В этой форме анализа симулятор рассматривает величину теплового шума, который создает каждый элемент. Все эти шумовые вклады затем складываются (возведенные в квадрат) в каждой исследуемой точке. Результаты вычерчиваются по отношению к ширине шумовой полосы частот.
Некоторые важные особенности анализа шума:
- время моделирования прямо пропорционально количеству пробников напряжения (и генераторов) в схеме, так как каждый принимается во внимание;
- пробники тока не имеют значения в анализе шума и игнорируются;
- много информации представлено в протокола моделирования;
- PROSPICE вычисляет и входной, и выходной шум. Чтобы сделать формирователь, должна быть определена ссылка на вход – это делается перетаскиванием генератора на диаграмму, как с опорной частотой. График входного шума затем покажет эквивалентный шум на входе в каждой выходной исследуемой точке.
Чтобы выполнить анализ шумов нашей цепи, мы сначала должны вернуть R1 и R2 на 470кОм. Сделайте это сейчас. Затем выберите тип диаграммы Шум (Noise) и поместите на неиспользуемую территорию схемы. Нам действительно интересен только выходной шум, поэтому выделите пробник напряжения OUT и перетащите его на диаграмму. Как и раньше, стандартные значения для моделирования подходят для наших нужд, но вам нужно установить ссылку на вход на входной генератор IN. В диалоговой форме редактирования шумовой диаграммы есть галочка для включения отображения результата в децибелах. Если вы используете эту опцию, то 0дБ примется за 1 вольт действующего напряжения. Кликните Cancel, чтобы закрыть диалоговую форму.
Смоделируйте диаграмму, как и раньше. Когда диаграмма развернута, вы можете увидеть, что результаты этой формы анализа обычно крайне малы (в нашем случае пВ), как вы, возможно, ожидали от анализа шумов этой модели. Но как вы найдете источники шума в вашей схеме? Ответ лежит в протоколе моделирования. Просмотрите протокол моделирования сейчас, нажав CTRL+V. Используйте иконку со стрелкой вниз, чтобы пройти мимо распечатки рабочих точек, и вы увидите строку, которая начинается текстом:
Total Noise Contributions at ...
Это список индивидуальных шумовых вкладов (во всем частотном диапазоне) для каждого элемента схемы, который создает шум. Большинство элементов на самом деле внутри операционного усилителя, они с приставкой U1_. Если вы выберите опцию протокола спектральных вкладов (Log Spectral Contributions) в диалоговой форме редактирования шумовой диаграммы, вы получите даже больше данных, показывающих вклад каждого элемента на каждой фиксированной частоте.
Данный раздел переведен из Help’а Proteus’а версии 7.2