Анализ схем электрических принципиальных в программной среде Proteus 8.1. Часть 2

№ 10’2015
PDF версия
Модельный эксперимент с использованием функций анализа является мощным инструментом предварительного исследования электронной схемы, который позволяет проверить правильность расчета параметров элементов и характеристик. В Proteus имеется достаточно большое количество средств для исследования и анализа данных эмуляции электрических цепей. В статье рассмотрена настройка параметров, просмотр результатов и работа со следующими видами анализа в программе Proteus: Фурье, анализ искажений, анализ передаточной кривой на постоянном токе, а также предложены способы решения ошибок симуляции и анализа схемы. Функции описания и тестирования схемы, представленные в Proteus, будут полезны разработчикам электронных устройств, сэкономят их время и спасут от ошибок на всем пути создания схемы.

Часть 1.

Введение

Помимо физического или математического моделирования, разработка любого цифрового устройства сопровождается анализом функционирования схемы прибора — процессом очень сложным, кропотливым, требующим большого внимания. Компьютерное моделирование является альтернативой экспериментальным исследованиям электронных устройств и все шире применяется на практике.

Система схемотехнического моделирования Proteus представляет собой удобное и практичное средство, позволяющее моделировать электрические схемы и анализировать их работу. В процессе анализа исследуемой схемы в первую очередь система производит считывание с окна редактора схем сведений обо всех компонентах схемы, номинальных значениях и соединениях элементов. Далее выполняется проверка правильности сборки схемы и введенных данных о компонентах, после чего данные о компонентах схемы заменяются их математическими моделями SPICE. При этом при обнаружении критической ошибки эмуляция прерывается. В таком случае для решения возникшей проблемы разработчику необходимо проверить анализируемую схему и убедиться в том, что в ней нет разорванных соединений, все компоненты схемы правильно включены в цепь. Если проблема все же осталась, можно порекомендовать проверить правильность пользовательских значений параметров компонентов схемы, а также установок моделирования. Если же ошибок не было обнаружено, Proteus на основании введенных сведений о компонентах схемы выполнит автоматическое составление и решение численными методами системы линейных, нелинейных или дифференциальных уравнений.

Методы анализа цепей широко варьируются в зависимости от сложности задач. Одни схемы требуют решения единственного уравнения, другим необходимо решение системы уравнений. Если реакция схемы находится в широкой полосе частот, анализ проводится как во временной, так и в частотной области. Чтобы облегчить задачу объемных вычислений, применяются различные инструменты анализа: от тригонометрических таблиц и логарифмических линеек до калькуляторов и компьютеров с соответствующим программным обеспечением, в частности с системой Proteus.

В Proteus для каждого анализа разработчик может настраивать определенные параметры, значения переменных, установки моделирования.

Моделировать электрические схемы и анализировать их работу в Proteus можно при помощи входящей в его состав программы ISIS, которая содержит четырнадцать видов анализа данных моделирования. Для исследования и анализа данных эмуляции электрических цепей в ISIS имеются специальные инструменты, одним из них является объект график, который используется для просмотра результатов эмуляции и получения замеров.

 

Подготовка схемы электрической принципиальной к анализу в ISIS

В ISIS для выполнения анализа необходимы такие объекты редактора, как график, генераторы и пробники. Каждому виду анализа соответствует свой тип графика, назначение которого — управлять частичной симуляцией и отображать результаты этой симуляции. Вид анализа, выполняемый симуляцией, определяется типом выбранного и размещенного в рабочем поле графика. Необходимо отметить, что в один проект схемы может быть добавлено несколько объектов графиков (рис. 1). Часть проекта, которая симулируется, и данные, отображенные на графике, определяются такими объектами, как пробники и генераторы, добавленные на график.

Пример использования нескольких объектов графиков в одном проекте схемы

Рис. 1. Пример использования нескольких объектов графиков в одном проекте схемы

Все виды анализа начинаются с вычисления рабочей точки, то есть начальных значений для всех узлов напряжения, ветвей тока и состояния переменных в момент времени, равный 0.

Для начала анализа необходимо выбрать нужный график из списка на панели GRAPHS и разместить его в рабочем поле проекта. Также для выполнения анализа потребуются генераторы и пробники. Генераторы используются для подачи тестовых сигналов в исследуемую схему. Выбрать нужный генератор можно на панели GENERATORS. Пробники размещаются в тех точках схемы, за которыми необходимо вести наблюдение. Выбрать нужный пробник можно на панели PROBES.

Далее следует выполнить настройку подаваемых в схему тестовых сигналов, добавить пробники и генераторы на график, настроить параметры анализа и провести анализ при помощи команды контекстного меню Simulate Graph (предварительно надо левой кнопкой мыши выделить в проекте схемы нужный график).

Для каждого анализа разработчик может настраивать определенные параметры, переменные, установки моделирования. Возможность настройки опций анализа появляется после размещения соответствующего анализу графика в рабочем поле проекта. Интерфейс окна настроек для каждого вида анализа отличается. Заданные параметры сохраняются вместе с файлом схемы, поэтому даже в том случае, когда файл будет открыт на другом компьютере, используются те же установки.

Для отображения на графике данных, которые генерируют/фиксируют генераторы и пробники, необходимо добавить на него эти объекты. При этом график должен быть размещен в рабочем поле проекта. Каждый график может показывать несколько кривых. Каждая кривая отображает данные, ассоциированные с одним генератором или пробником. Для аналоговых и смешанных типов графиков есть возможность отобразить в виде отдельной кривой данные, полученные в результате выполнения математической функции. По умолчанию названия кривых соответствуют названиям объектов, чьи данные они отображают. При необходимости названия кривых можно изменить. Для добавления генераторов/пробников на график нужно при помощи левой кнопки мыши выделить пиктограмму объекта на схеме и мышью перетащить ее на график. В результате на графике отобразится название добавленного генератора/пробника.

Основным инструментом просмотра результатов анализа в ISIS является объект график, который позволяет представить результаты анализа в графическом виде. Для генерации данных для всех видов анализа используется симуляция схемы. Для каждого вида анализа задаются свои настройки. Данные отображаются в виде графиков, на которых представляется одна или несколько зависимостей вдоль вертикальной или горизонтальной оси. Более подробно работа с такими объектами программы ISIS, как генераторы, пробники и графики, была рассмотрена в [2].

 

Средства анализа данных моделирования

Анализ искажений

Анализ искажений определяет уровень гармонических искажений, получаемых в схеме при тестировании. Это могут быть либо 2‑я, либо 3‑я гармоника основного сигнала или интермодуляционные продукты двух тестовых сигналов.

Искажения создаются нелинейностями передаточной функции схемы. Схемы, составленные только из линейных компонентов (резисторов, конденсаторов, индуктивностей), не будут создавать искажений. Анализ нелинейных и интермодуляционных искажений используется для анализа искажений сигнала, которые могут быть не очевидны при использовании анализа переходного процесса.

Нелинейными искажениями называются любые искажения, в составе которых присутствуют частоты, изначально отсутствовавшие во входном сигнале. Нелинейные искажения характеризуются появлением в спектре сигнала новых составляющих, отсутствующих в первоначальном сигнале, количество и амплитуды которых зависят от изменения входного уровня. Появление дополнительных составляющих в спектре обусловлено нелинейной зависимостью выходного сигнала от входного, то есть нелинейностью передаточной функции. В выходном сигнале выделяются гармонические и интермодуляционные искажения всех порядков. Искажения сигнала являются следствием нелинейного усиления или фазовой неравномерности в схеме, где присутствуют ложные компоненты сигнала, которые добавляются в форме гармонических и интермодуляционных искажений.

Proteus симулирует гармонические и интермодуляционные искажения для аналоговых малосигнальных цепей. Гармонические искажения могут анализироваться при добавлении спектрально чистого источника сигнала в разрабатываемую схему. Анализируя выходной сигнал и его гармоники, можно определить искажения. Proteus вычисляет узловые напряжения и токи в цепях на частотах гармоник 2f и 3f и отображает результаты относительно входной частоты f, как если бы частота изменялась в заданном пользователем диапазоне. Интермодуляционные искажения обнаруживаются, когда два или более сигнала приходят на вход усилителя одновременно. В этом случае взаимодействие сигналов производит интермодуляционный эффект. Для интермодуляционных искажений анализ рассчитывает значения на частотах f1+f2, f1–f2 и 2f1–f2.

Анализ искажений основан на малосигнальных моделях для устройств в схеме, поэтому первый шаг в ходе выполнения такого анализа — расчет рабочей точки. Каждая модель нелинейного компонента затем добавляет комплексные значения искажений для подходящих гармоник, в зависимости от того, как много устройств влияет на входной основной сигнал. Величины, которых достигают эти гармоники, появляются на выходе и определяют выводимые значения. Процесс повторяется в заданном диапазоне входных частот.

Для выполнения анализа искажений в ISIS используется график DISTORTION. При подготовке к анализу нужно:

  • добавить в схему генераторы, которые будут необходимы для получения входных сигналов;
  • поместить на схему пробники и подключить их к тем точкам, за которыми мы хотим наблюдать;
  • добавить график DISTORTION;
  • для отображения данных, которые генерируют/фиксируют генераторы и пробники, необходимо добавить эти объекты на размещенный в рабочем поле проекта график;
  • настроить параметры графика.

Запуск анализа на выполнение производится при помощи команды контекстного меню Simulate Graph (при этом объект график должен быть выделен).

Для начала анализа необходимо выбрать нужный график из списка на панели GRAPHS, нажав левой кнопкой мыши строку с его названием. Это же действие можно выполнить при помощи команды контекстного меню Place/Graphs/. По умолчанию панель GRAPHS расположена в левой части программы и содержит список имеющихся графиков. Открывается она нажатием кнопки Graph Mode на левой панели инструментов редактора ISIS.

Выбрать нужный генератор можно на панели GENERATORS — она может быть открыта нажатием кнопки Generator Mode на левой панели инструментов редактора ISIS. Это же действие выполняется и при помощи команды контекстного меню Place/Generator/. Пробники размещаются в тех точках схемы, за которыми необходимо вести наблюдение. Выбрать нужный пробник можно на панели PROBES. Данная панель может быть открыта нажатием кнопки Probe Mode на левой панели инструментов редактора ISIS. Также добавление пробника осуществляется командой контекстного меню Place/Probe/.

Для отображения на графике данных, которые генерируют/фиксируют генераторы и пробники, необходимо добавить на него эти объекты (рис. 2). Для чего необходимо при помощи левой кнопки мыши выделить пиктограмму объекта на схеме и перетащить ее мышью на график. При этом график должен быть размещен в рабочем поле проекта. В результате на графике отобразится название добавленного генератора/пробника. Также для добавления генераторов/пробников на график можно воспользоваться командой Add Traces. Для вызова этой команды следует при помощи левой кнопки мыши выделить график, на который предполагается добавить объекты, а правой кнопкой мыши открыть контекстное меню и выбрать в нем пункт Add Traces.

Схема и DISTORTION-график, подготовленные к анализу искажений

Рис. 2. Схема и DISTORTION-график, подготовленные к анализу искажений

Рассмотрим подробнее процесс настройки параметров графика DISTORTION. Для этого выделим его при помощи левой кнопки мыши, при помощи правой кнопки вызовем контекстное меню и выберем в нем пункт Edit Properties, в результате откроется окно Edit Distortion Graph (рис. 3). Окно содержит следующие поля ввода:

  • Graph title— заголовок графика;
  • Reference— опорный генератор;
  • Start frequency— начальная частота;
  • Stop frequency— конечная частота;
  • Interval— характеристика изменения. Задается посредством выбора из выпадающего списка типа изменения, который определяет распределение вычисляемых точек в диапазоне частот: DECADES (декадный), LINEAR (линейный), OCTAVES (октавный);
  • № Steps/Interval— количество точек, в которых производится расчет частотных характеристик в процессе анализа (при увеличении количества точек будут получены наиболее точные результаты, однако может снизиться скорость симуляции схемы);
  • User defined properties— определенные пользователем свойства;
  • Options— основные свойства для запуска симуляции. Параметры в данном поле задаются посредством установки флажков в следующих чекбоксах:
    • Log netlist(s) — запись в журнал симуляции;
    • Y Scale in dBs — отображение результатов на графике в дБ.
Окно Edit Distortion Graph

Рис. 3. Окно Edit Distortion Graph

Также в поле Options находится кнопка SPICE Options. С ее помощью открывается окно настройки параметров симуляции. Более подробно о настройке этих параметров было рассказано в [3].

Анализ искажений предоставляет информацию и об амплитуде, и о фазе каждой гармоники. Полученный в результате выполнения анализа график искажений показывает амплитуду гармоник на левой оси и фазу (обычно менее интересующую) на правой оси. Для одночастотного гармонического анализа искажений на графике выводятся две кривые — по одной для каждой составляющей. Анализируемая схема и полученные результаты (окно графика) представлены на рис. 4. В нашем примере в качестве тестового сигнала использован источник напряжения синусоидальной формы (генератор Sine). Данный прибор производит непрерывный синусоидальный сигнал с частотой 1 кГц и амплитудой 1 В. Окно настроек генератора Sine представлено на рис. 5. Также в схему был добавлен пробник напряжения.

Анализируемая схема и результаты анализа искажений (параметр Interval — DECADES)

Рис. 4. Анализируемая схема и результаты анализа искажений (параметр Interval — DECADES)

Окно Sine Generator Properties

Рис. 5. Окно Sine Generator Properties

Изменим в настройках графика в поле Interval тип изменения, который определяет распределение вычисляемых точек в диапазоне частот, с DECADES на LINEAR. Полученные результаты анализа демонстрирует рис. 6.

Результаты анализа искажений (параметр Interval — LINEAR)

Рис. 6. Результаты анализа искажений (параметр Interval — LINEAR)

Может случиться так, что после запуска анализа искажений, вследствие возникновения проблем, анализ аварийно завершится. Для решения проблемы необходимо проверить анализируемую схему и убедиться в том, что в ней нет разорванных соединений, все компоненты схемы правильно включены в цепь, а значения введенных параметров заданы верно.

 

Анализ Фурье

Проведение спектрального анализа Фурье — это метод анализа сложных периодических сигналов, применимый к любым несинусоидальным периодическим функциям, преобразуемым в синусоидальные или косинусоидальные формы и постоянную составляющую. Анализ Фурье является методом анализа сложных периодических сигналов во времени и позволяет разложить любую несинусоидальную периодическую функцию в ряд Фурье, то есть на составляющие sin и cos (возможно, в бесконечный ряд), а также на постоянные составляющие. Такое разложение позволяет проводить дальнейший анализ и получать объединенные сигналы различных форм.

Учитывая математическую теорему Фурье о разложении в ряд Фурье, периодическая функция f(t) может быть представлена следующей формулой:

f(t) = A0+A1cosωt +A2cos2ωt + … +B1sinωt +B2sin2ωt + …,

где А0 — постоянная составляющая входного сигнала; A1cosωt +B1sinωt — собственная составляющая (имеет частоту и период, равный частоте и периоду входного сигнала); Ancosnωt +Bnsinnωt — n‑ная гармоника функции; А, В — коэффициенты; ω — собственная круговая частота, связанная с периодом выражением ω = 2π/Т.

Каждая частотная составляющая отклика представляется гармоникой периодического сигнала. В процессе моделирования каждая составляющая рассчитывается отдельно. Согласно принципу суперпозиции общий отклик является суммой откликов каждой составляющей. Обратим внимание, что амплитуда гармоник постепенно уменьшается в порядке их возрастания. При выполнении дискретных преобразований Фурье используется только второй период собственной составляющей переходной характеристики (извлеченной из выходной цепи). Первый период не учитывается в связи с временем задержки сигнала, то есть временем переходного процесса. Коэффициент каждой из гармоник вычисляется из временного интервала — от начала периода до точки времени t. Внутри выбранного интервала данные для вычисления коэффициента гармоник устанавливаются автоматически и являются функциями собственной частоты. Для этого типа анализа собственная частота должна соответствовать частоте источника переменного тока или же наименьшей общей частоте совокупности источников переменного тока.

Анализ Фурье начинается с анализа переходных процессов, после чего выполняется быстрое преобразование Фурье над полученными данными. Быстрое преобразование Фурье позволяет математически получать из временной зависимости сигнала его частотные компоненты, то есть проводить спектральный анализ сигнала. Результат быстрого преобразования Фурье полезен в следующих случаях:

  • измерение гармоник и коэффициента нелинейных искажений в системах;
  • анализ шума в источниках питания постоянного напряжения;
  • анализ частоты колебаний.

Для выполнения анализа Фурье в ISIS используется график FOURIER. При подготовке к анализу нужно:

  • добавить в схему генератор;
  • поместить на схему пробник напряжения и подключить его к выходу схемы или интересующей точке;
  • добавить график FOURIER;
  • добавить пробник на размещенный в рабочем поле проекта график;
  • настроить параметры графика.

Запуск анализа на выполнение производится при помощи команды контекстного меню Simulate Graph (при этом объект график должен быть выделен).

Рассмотрим подробнее процесс настройки параметров графика. Для этого выделим его при помощи левой кнопки мыши, а правой кнопкой вызовем контекстное меню и выберем в нем пункт Edit Properties, в результате чего будет открыто окно Edit Fourier Analysis Graph (рис. 7), которое содержит следующие поля ввода:

  • Graph title— заголовок графика;
  • Start time— время начала симуляции;
  • Stop time— время окончания симуляции;
  • Max Frequency— максимальная частота;
  • Resolution— разрешение;
  • Left Axis Label— название левой оси;
  • Right Axis Label— название правой оси;
  • User defined properties— определенные пользователем свойства;
  • Options— основные свойства для запуска симуляции. Параметры в данном поле задаются посредством установки флажков в следующих чекбоксах: Y Scale in dBs — отображение результатов на графике в дБ; Initial DC solution — вычисление начальной рабочей точки. В том случае, когда флажок в данном чекбоксе не установлен, все узловые напряжения будут нулевыми в нулевой момент времени, за исключением цепей с уже заданными начальными условиями. При этом разработчику предоставляется возможность задать самостоятельно начальные условия для отдельных компонентов в поле User defined properties; Log netlist(s) — запись в журнал симуляции;
  • Window— выбор оконной функции для быстрого преобразования Фурье:
    • Bartlett (окно Бартлетта) — при выполнении оконного Фурье-преобразования по методу Бартлетта весь интервал наблюдения сигнала из N отсчетов разбивается на K неперекрывающихся выборок по M отсчетов в каждой и последующего их усреднения;
    • Hanning (окно Хеннинга) — выбор этого окна обеспечивает большую точность измерения по частоте, но меньшую точность измерения по амплитуде по сравнению, к примеру, с плоским окном;
    • Welch (окно Уэлча) — метод Уэлча основан на несколько модифицированном методе сегментирования за счет применения окна данных и использования перекрывающихся сегментов. Вычисление спектральной плотности каждого сегмента (периодограммы) предваряется взвешиванием этих данных на оконную функцию. Это позволяет за счет небольшого ухудшения разрешения ослабить эффекты, обусловленные боковыми лепестками, и уменьшить смещение оценок. С помощью перекрытия сегментов удается увеличить число усредняемых периодограмм при заданной длине записи данных и тем самым уменьшить дисперсию оценки спектральной плотности мощности. При вычислении оконного преобразования Фурье по методу Уэлча имеется возможность существенного сокращения вычислительных затрат за счет оптимизации вычислений.
Окно Edit Fourier Analysis Graph

Рис. 7. Окно Edit Fourier Analysis Graph

С помощью оконного преобразования Фурье частично решаются проблемы спектрального анализа ограниченных во времени сигналов. Идея данного преобразования заключается в разбиении временного интервала на ряд промежутков — окон. Для каждого из окон вычисляется свое Фурье-преобразование. Таким образом, можно перейти к частотно-временному представлению сигнала.

Оконная функция быстрого преобразования Фурье используется для подавления краевых эффектов разрывности реальных функций путем введения весовых коэффициентов для выборки данных в окне, обеспечивающих снижение амплитуд краевых точек (старта и стопа) и в итоге улучшение результатов быстрого преобразования Фурье.

Разные виды оконных функций дают различные результаты как по точности, так и по частотному разрешению и используются для разных видов анализируемых сигналов. То есть каждая оконная функция является определенным компромиссом между разрешающей способностью по частоте и точностью определения амплитуды. В зависимости от области применения, от характеристик источника сигнала и ряда других параметров и следует выбирать ту или иную оконную функцию.

Анализируемая схема и полученные результаты представлены на рис. 8. В данном случае оконная функция не была выбрана (в поле Window окна настроек графика FOURIER было установлено значение None). Оконное преобразование Фурье по методу Уэлча, Бартлетта и Хеннинга представлено на рис. 9.

Анализируемая схема и результаты анализа Фурье (оконная функция не выбрана)

Рис. 8. Анализируемая схема и результаты анализа Фурье (оконная функция не выбрана)

Оконное преобразование Фурье по методу

Рис. 9. Оконное преобразование Фурье по методу:
а) Уэлча;
б) Бартлетта;
в) Хеннинга

В нашем примере в качестве тестового сигнала был использован источник напряжения синусоидальной формы (генератор Sine). Данный прибор производит непрерывный синусоидальный сигнал с частотой 1 кГц и амплитудой 1 В. Также в схему добавлен пробник напряжения, которому присвоено название OUTPUT.

Результат анализа Фурье — это график с Фурье-амплитудами и фазами составляющих в зависимости от частоты. Кроме того, анализ Фурье вычисляет суммарное значение коэффициента нелинейных искажений в процентах. Таким образом, при помощи данного анализа можно определить, какие составляющие ряда Фурье образуют сигнал, и вычислить степень его искажения.

Рассмотрим анализируемую схему. Из-за наличия диода в цепи происходит искажение входного сигнала. С помощью двухканального осциллографа можно проконтролировать форму искаженного сигнала (рис. 10). Осциллограф позволяет проводить анализ сигналов во временной области. Для того чтобы добавить этот виртуальный прибор в рабочее поле программы, необходимо нажать на строку с названием OSCILLOSCOPE на панели INSTRUMENTS (по умолчанию данная панель расположена в левой части программы и содержит список имеющихся виртуальных измерительных инструментов) и разместить его с помощью мыши в нужном месте на схеме. Панель INSTRUMENTS (рис. 11) можно открыть посредством нажатия на кнопку Instruments Mode на левой панели инструментов редактора ISIS.

Исследование формы искаженного сигнала при помощи осциллографа

Рис. 10. Исследование формы искаженного сигнала при помощи осциллографа:
а) схема преобразования входного напряжения с включенным в нее виртуальным осциллографом;
б) осциллограмма напряжений

Панель INSTRUMENTS редактора ISIS

Рис. 11. Панель INSTRUMENTS редактора ISIS

В Proteus четырехканальный осциллограф имеет четыре сигнальных входа (каналы А, В, C и D) и может отображать осциллограммы четырех сигналов одновременно. Подключим один канал осциллографа к выходу источника, а второй к выходу диода. Принцип соединения виртуального осциллографа с элементами схемы такой же, как и для других компонентов схемы.

Лицевая панель виртуального осциллографа открывается вследствие запуска симуляции схемы. Необходимо отметить, что процесс моделирования запускается при помощи кнопки Run the simulation, которая находится в левом нижнем углу окна программы. Чтобы временно приостановить процесс симуляции, используйте кнопку Pause the simulation, or start up at time 0 if stopped (кнопка находится в левом нижнем углу окна программы). Остановить моделирование можно при помощи кнопки Stop the simulation.

После того как панель откроется, выполните нужные настройки подобно тому, как бы вы это сделали на панели реального прибора.

В левой части лицевой панели расположен графический дисплей, который предназначен для графического отображения формы сигнала, а именно для отображения напряжения по вертикальной оси и, соответственно, времени по горизонтальной оси. В правой части находится панель управления, предназначенная для настройки отображения измеряемого сигнала. Также прибор оснащен курсорами для проведения измерений во временной области, которые при необходимости можно перемещать при помощи левой кнопки мыши. Добавление курсоров становится возможным после нажатия на кнопку Cursors в окне Trigger панели управления осциллографа. Более подробно работа с четырехканальным осциллографом рассмотрена в [5].

В результате преобразования на выходе схемы будет получено пульсирующее напряжение, вдвое большее частоты напряжения на входе. При помощи анализа Фурье можно разложить данную функцию на синусоидальные составляющие с различными частотами. Для последующей обработки результаты анализа и исследуемую схему можно экспортировать в виде графического файла с расширением *.bmp, выполняется это действие при помощи команды File/Export Graphics/Export Bitmap основного меню программы (рис. 12).

Результат экспорта в файл с расширением *.bmp полученного в результате анализа Фурье графика и исследуемой схемы

Рис. 12. Результат экспорта в файл с расширением *.bmp полученного в результате анализа Фурье графика и исследуемой схемы

Анализ передаточной кривой на постоянном токе

Анализ передаточной кривой на постоянном токе используется для получения характеристических кривых полупроводниковых устройств. Анализ осуществляет расчет рабочей точки для начального значения каждого генератора, после чего первым генератором выполняется проход по шагам, заданным в установленном диапазоне. После каждого шага первого генератора значение второго генератора увеличивается. Новая кривая выводится для каждого значения второго генератора.

Для выполнения анализа передаточной кривой на постоянном токе в ISIS применяется график TRANSFER. При подготовке к анализу нужно:

  • добавить в схему источник тока и источник напряжения;
  • поместить на схему пробник тока и подключить его к выходу схемы или интересующей точке;
  • добавить график TRANSFER;
  • добавить пробник на размещенный в рабочем поле проекта график;
  • настроить параметры графика.

Запуск анализа на выполнение реализуется командой контекстного меню Simulate Graph (причем объект график должен быть выделен).

Рассмотрим подробнее процесс настройки параметров графика. Для этого выделим его при помощи левой кнопки мыши, при помощи правой кнопки мыши вызовем контекстное меню и выберем в нем пункт Edit Properties, в результате чего будет открыто окно Edit Transfer Function Graph (рис. 13). Окно содержит следующие поля ввода:

  • Graph title— заголовок графика;
  • Source 1— источник изменения напряжения или тока 1;
  • Source 2— источник изменения напряжения или тока 2;
  • Start value— начальное значение напряжения или тока;
  • Stop value— конечное значение напряжения или тока;
  • №. Steps— количество шагов;
  • Left Axis— название левой оси графика;
  • Right Axis— название правой оси графика;
  • Options— основные свойства для запуска симуляции;
  • User defined properties— определенные пользователем свойства.
Окно Edit Transfer Function Graph

Рис. 13. Окно Edit Transfer Function Graph

Перед установкой параметров анализа необходимо выбрать узел для анализа и определить источники изменения. В процессе анализа производится последовательное построение соответствующих кривых. Если изменяется только один источник, построение кривой выходного узла происходит в зависимости от значения источника. Если же изменяется два источника, то количество кривых будет на одну больше числа точек для второго источника. Каждая кривая представляет значение выходного узла в зависимости от значения первого источника, пока значение второго источника удерживается на каждом из значений его изменения.

В течение TRANSFER-анализа производится добавление значения приращения к начальному значению и пересчет переменных схемы. После чего значение приращения добавляется к вновь полученному значению, и процесс продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто конечное значение.

Рассмотрим процесс TRANSFER-анализа на конкретном примере (рис. 14). В качестве источника тока и напряжения будем использовать генераторы DC, для добавления которых необходимо открыть панель GENERATORS (рис. 15) и выбрать пункт DC, а затем разместить каждый генератор в нужном месте схемы. Выполнить настройку приборов можно в окне DC Generator Properties, которое открывается при помощи двойного щелчка левой кнопки мыши по выделенному на схеме генератору. Для источника тока установим в этом окне (рис. 16a) следующие значения:

  • поле Generator Name (название генератора) — в нашем случае IB (это может быть название, выбранное произвольным образом);
  • поле Analogue Types (тип генератора) — DC;
  • чекбокс Current Source (источник тока) — флажок установлен;
  • поле Current (Amps) (ток в амперах) — 1m.
  • Для источника напряжения зададим следующие параметры (рис. 16б):
  • поле Generator Name (название генератора) — в нашем случае VCE;
  • поле Analogue Types (тип генератора) — DC;
  • чекбокс Current Source (источник тока) — флажок снят;
  • поле Voltage (Volts) (напряжение в вольтах) — 1.

Схема, исследуемая в анализе передаточной кривой на постоянном токе

Рис. 14. Схема, исследуемая в анализе передаточной кривой на постоянном токе

Панель GENERATORS редактора ISIS

Рис. 15. Панель GENERATORS редактора ISIS

Настройки окна DC Generator Properties

Рис. 16. Настройки окна DC Generator Properties для:
а) источника тока;
б) источника напряжения

Для измерения тока коллектора транзистора добавим в схему пробник тока. Для чего откроем панель PROBES (рис. 17) и выберем на ней пункт CURRENT, а затем разместим пробник на схеме.

Далее определим настройки параметров анализа, для чего выделим на схеме при помощи левой кнопки мыши график TRANSFER, вызовем контекстное меню и выберем в нем пункт Edit Properties. В результате будет открыто окно Edit Transfer Function Graph, в котором укажем в поле Graph title название графика — DC TRANSFER CURVE ANALYSIS, а также установим для источника 1 следующие значения параметров:

  • Source 1— VCE;
  • Start value— 0;
  • Stop value— 10;
  • №. Steps— 100.

Для источника 2 зададим следующие значения:

  • Source 2— IB;
  • Start value— 100u;
  • Stop value— 1m;
  • №. Steps— 10.

Необходимо отметить, что диапазоны напряжения и тока (Start value — Stop value) задаются в пределах, чувствительных для транзистора. В поле №. Steps устанавливается число шагов генератора, дающих значимые промежуточные результаты. При этом в результате анализа на графике будет получено на одну кривую больше, чем количество шагов, указанное в данном поле, поскольку один шаг подразумевает два отдельных значения. После того как все параметры настроены, необходимо нажать на кнопку ОК для закрытия окна Edit Transfer Function Graph.

Панель PROBES редактора ISIS

Рис. 17. Панель PROBES редактора ISIS

Для запуска анализа выделим при помощи левой кнопки мыши на схеме график TRANSFER, правой кнопкой вызовем контекстное меню и выберем в нем пункт Simulate Graph. В результате системой будет построено одиннадцать передаточных кривых для транзистора (рис. 18а), которые отобразятся в окне графика TRANSFER. Количество кривых зависит от значения установленного в поле №. Steps источника Source 2 окна настроек графика TRANSFER. Изменим значение этого поля, установив в нем число 5, и запустим анализ повторно. В результате на графике было получено 6 кривых (рис. 18б).

Результаты анализа передаточной кривой на постоянном токе

Рис. 18. Результаты анализа передаточной кривой на постоянном токе:
а) задано изменение источников тока и напряжения, значение поля №. Steps источника Source 2 — 10;
б) задано изменение источников тока и напряжения, значение поля №. Steps источника Source 2 — 5;
в) задано изменение только одного источника Source 1

Рассмотрим пример, когда изменяется только один источник. Для этого установим в окне Edit Transfer Function Graph в поле Source 2 значение <NONE>. В результате после запуска анализа системой будет построена одна кривая параметров, которая отобразится в окне графика TRANSFER (рис. 18в).

 

Решение проблемы ошибок симуляции

Общие сведения о процессе симуляции в Proteus

Для генерации данных для всех видов анализа используется симуляция, которая является математическим методом моделирования поведения схемы. Симуляция позволяет определить свойства схемы без ее физической сборки или применения реальных приборов. Числовой расчет математического представления схемы выполняет симулятор. При этом каждый компонент в схеме представлен математической моделью. Математические модели соединяют схему в окне редактора с математическим представлением для симуляции. Точность моделей компонентов — одно из ключевых условий, определяющих уровень совпадения результатов симуляции с полученными при физической реализации схемы. Математическое представление схемы — это система совместных нелинейных дифференциальных уравнений. Основная задача симулятора — численное решение таких уравнений. Симуляторы, основанные на SPICE, преобразуют нелинейные дифференциальные уравнения в систему линейных алгебраических уравнений, которые затем линеаризуются и решаются с помощью различных методов.

Хотя для пользователя в Proteus процесс симуляции выглядит просто, технология, поддерживающая скорость и точность симуляции, простоту использования, достаточно сложна. Proteus 8.1 создан на основе ядра системы симуляции SPICE3F5, которая является промышленно принятым общедоступным стандартом. SPICE3F5 — последняя редакция ядра SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), разработанная Калифорнийским университетом в Беркли. В Proteus есть возможность эмуляции аналоговых и цифровых компонентов, а также микроконтроллеров.

При симуляции или анализе схемы выполняется проверка согласованности схемы для определения соответствия схемы правилам симуляции. Возникшие при этом ошибки записываются в журнал ошибок. После запуска анализа или моделирования схемы симулятор выполняет расчет схемы и генерацию данных, которые будут отображены в виде числовых значений или графической информации на панелях виртуальных приборов или на графиках.

Контроль скорости симуляции

Есть много параметров, влияющих на скорость симуляции и сходимость. Настройка таких параметров производится в окне Animated Circuits Configuration («Установки интерактивного моделирования схемы»), которое можно открыть при помощи команды System/Set Animation Options основного меню ISIS (рис. 19). Основные установки показаны в окне Simulation Speed («Скорость симуляции»). Самая важная установка для контроля скорости симуляции — Max. SPICE Timestep (максимальное время шага, которое разрешено принимать симулятору). Дтя того чтобы достигнуть результата, симулятор может на свое усмотрение использовать время шагов меньше, однако он не может использовать шаг больше, чем задано в поле Max. SPICE Timestep. Чем меньше данное значение, тем точнее будут результаты симуляции. Хотя при этом симуляция займет больше времени. В большинстве случаев симуляция работает медленнее, нежели в реальном времени. Если результаты симуляции получаются быстрее, чем в реальном времени, они искусственно занижаются до реального времени, и процессор освобождается для выполнения других заданий.

Окно Animated Circuits Configuration

Рис. 19. Окно Animated Circuits Configuration

Ошибки анализа данных моделирования

При моделировании или анализе схемы электрической принципиальной в Proteus может возникнуть ситуация, когда симулятор не в состоянии закончить работу. В таком случае попытайтесь изменить точность и ограничение на количество итераций для анализа в окне Default Simulator Options (открыть данное окно можно командой System/Set Simulation Options основного меню ISIS), а также проверьте схему на наличие в ней ошибок. Для решения проблемы необходимо убедиться в том, что в схеме нет разорванных соединений, все компоненты схемы правильно включены в цепь, контакты микросхем правильно соединены, параметры всех компонентов схемы настроены верно, схема имеет заземление.

Причиной ошибок, в результате которых симулятор не может закончить свою работу, становится использование «плохих» моделей компонентов. Остерегайтесь применения моделей сторонних производителей, поскольку такие модели могут включать элементы и синтаксические конструкции, не поддерживающие стандарт SPICE.

В том случае, если проблема все же осталась, можно порекомендовать проверить правильность установленных значений параметра GMIN (минимальная проводимость) в окне Default Simulator Options. Данный параметр не может принимать нулевое значение. Необходимо учитывать, что увеличение значения параметра GMIN способно негативно отразиться на точности симуляции. По умолчанию значение данного параметра 1E‑12, значения больше 1E‑9 дадут бессмысленные результаты. В любом случае, если вначале схема не сходится, SPICE попробует выполнить продвижение GMIN. Это означает, что большее значение GMIN будет использоваться для нахождения начального решения, а затем будет производиться постепенное возвращение к его оригинальному значению, чтобы сохранить точность. Когда GMIN уменьшается до нуля, вырабатывается окончательное решение для цепи и получается корректный ответ. Алгоритм GMIN преобразует одношаговое решение простой нелинейной итерации в многошаговое решение, применяющее тот же алгоритм, но с меньшим шагом. Значе-ние минимальной проводимости задается на вкладке Tolerances (рис. 20а) в поле Minimum conductance (Siemens): [GMIN] окна Default Simulator Options. Количество шагов алгоритма задается на вкладке Iteration (рис. 20б) в поле Number of GMIN steps: [GMINSTEPS].

Окно Default Simulator Options

Рис. 20. Окно Default Simulator Options, вкладка:
а) Tolerances;
б) Iteration;
в) Transient

Если симуляция схемы все же не может быть выполнена, проверьте правильность установленных значений параметров ABSTOL, RELTOL, TRTOL. Значения параметров ABSTOL и RELTOL управляют точностью, которая требуется для симуляции, и их можно увеличить относительно установленных значений по умолчанию. Однако чем больше вы делаете допуск, тем менее точные получаете результаты. Значение TRTOL можно уменьшить относительно установленного значения по умолчанию. Это заставит SPICE использовать меньшие временные шаги, что сократит вероятность «потерять» сходящееся решение, однако может увеличить время симуляции. Уменьшение значения TRTOL оправдано только тогда, когда процесс симуляции прерывается во время анализа переходного процесса. Также можно применить уменьшение значения TRTOL, если полученные в результате анализа кривые выглядят «изрезанными» или содержат математический шум. Значения параметров ABSTOL и RELTOL можно настроить в окне Default Simulator Options на вкладке Tolerances в поле Absolute current error tolerance (Amps): [ABSTOL] и Relative error tolerance: [RELTOL] соответственно. Значение TRTOL задается на вкладке Transient (рис. 20в) в поле Truncation error over-estimation factor: [TRTOL].

Функции всех параметров окна Default Simulator Options были рассмотрены в [3]. Пользовательский выбор параметров анализа позволяет задавать собственную технику симуляции и обзора результатов. Однако к ручной установке параметров анализа следует подходить очень внимательно, так как от выбранных установок зависит эффективность симуляции схемы. Выбор параметров анализа производится путем внесения изменения с клавиатуры в нужной строке в поле значений. По окончании внесения изменений в окне Default Simulator Options нажмите кнопку ОК. При необходимости можно установить значения по умолчанию, для чего нужно нажать на кнопку Load, предварительно выбрав в меню из выпадающего списка пункт Default Setting.

Литература
  1. ISIS Help. Labcenter Electronics, 2014.
  2. Филатов М. Анализ схем электрических принципиальных в программной среде Proteus 8.1 // Компоненты и технологии. 2015. № 9.
  3. Филатов М. Автоматизированное проектирование электронных устройств при помощи специализированного пакета Proteus 8.1 // Компоненты и технологии. 2015. № 3.
  4. Intelligent Schematic Input System. Руководство пользователя. Labcenter Electronics, 2010.
  5. Филатов М. Проведение измерений при помощи виртуальных приборов в программной среде Proteus 8.1 // Компоненты и технологии. 2015. № 4.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *