Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Національний університет “Львівська політехніка ”

Кафедра РЕПС

Курсова робота

з курсу “ Основи комп'ютерного проектування та моделювання”

на тему: ''Моделювання і аналіз підсилювача потужності. Види аналізу: аналіз по змінному струму; часовий аналіз; аналіз шумів; аналіз Фур'є.''

Виконав:

ст. гр. РТі – 31з

Коньков П.О

Перевірив:

Доц. Шаповалов Ю.І.

Львів - 2012

Зміст

1.) Технічне завдання ………………………………………………………………………..……….3

2.) Проведення аналізу схеми у середовищі ППП “Micro-Cap”………..……...4

2.1.) Опис можливостей та характеристика ППП “Micro-Cap”…………..….….5

2.2.) Набір схеми в середовищі ППП “Micro-Cap”……………………..................6

3.1.) Проведення часового аналізу схеми………………………………………..…..……7

3.1.1.) Реакція схеми на гармонічний сигнал…………………………………..………..8

3.1.2.) Реакція схеми на сигнал прямокутної форми…………………...………….11

3.1.3.) Реакція схеми на імпульсну характеристику………………………….……..12

4.1.) Проведення частотного аналізу схеми………………………………….……….…13

4.1.1.)Вивчення АЧХ та ФЧХ схеми…………………………………………………………...13

4.1.2.) Дослідження відносної зміни характерних точок АЧХ та ФЧХ при зміні температури……………………………………………………………………...…………….15

4.1.3.) Дослідження відносної зміни характерних точок АЧХ та ФЧХ при зміні параметрів елементів………………………………………………………..…………...16

4.2.) Аналіз роботи за методом Монте – Карло……………………………………...17

7.) Висновки……………………………………………………………………………………..………27

8.) Література……………………………………………………………………..………….…..…...28

Анотація

В даній курсовій роботі було використано основні програмні можливості ППП “Micro-Cap”. А також проведено дослідження схеми, заданої викладачам, за допомогою: часового та частотного аналізу, дослідженореакцію схеми на зміну температури, параметрів схеми або випадкову відмову елементів за методом Монте – Карло. Також в даній курсовій роботі був синтезований смугопропускаючий фільтр з попередньозаданими, викладачем, параметрами.

Вступ

Системи автоматизованого проектування (САПР) являють собою принципово новій підхід до процесу розробки приладів та устаткування.

Завдяки тому, що значна частина розрахунків та виконання багатьох однотипових функцій покладається на ЕОМ значно полегшується праця конструктора. Зберігання та відтворення проектів стає зручним та швидким. Застосовуючи передові технології, над розробкою певного проекту можуть працювати декілька інженерів або навіть цілий інститут.

Ці системи можуть використовуватися у будь-якій сфері виробництва. Не виключенням є радіоелектроніка, з великою кількістю компонентів та суворими законами струмів. У цій галузі створено багато програм (ElectronicWorkBench, MicroCap, Pcad, AccelEDA).

1.Технічне завдання

1. Ввести задану викладачем схему у ППП «MicroCap» та зберегти окремим файлом.

2. Провести аналіз заданої схеми у часовій області. Для чого дослідити:

а) Реакція схеми на гармонічний сигнал

б) Реакція схеми на прямокутній сигнал

в) імпульсну характеристику;

Для вибраної схеми створити джерела сигналів для дослідження відповідних характеристик.

3. Провести аналіз заданої схеми у частотній області. Для чого дослідити:

а) коефіцієнт передачі по напрузі схеми у діапазоні температур -50º - +50º С з кроком 10º С;

б) відносну зміну характерних точок АЧХ і ФЧХ при зміні па­раметра, заданого викладачем, елемента схеми на 1%, 5%, 10%, 50% від номінального значення;

в) Схему при випадковій зміні параметрів елементів у схемі методом найгіршого випадку.

б) Роботу схеми при випадковій зміні параметра елементів за методом Monte-Carlo.

в) Визначитинайгіршийвипадок та побудуватигістограму.

4. Створитифільтр з параметрами заданимивикладачем.

5. Створитисигнализаданоїформи та дослідити спектр та кореляційнівластивості.

Принципова електрична схема

2. Проведення аналізу схеми у середовищі ППП" MicroCap -8"

2.1. Опис можливостей та характеристики ППП " MicroCap -8"

MicroCap -8 - це універсальна програма аналізу схемотехніки, призначена для вирішення широкого кола завдань. Характерною особливістю цієї програми, втім як і всього сімейства MicroCap [1-8], є наявність зручного і дружнього графічного інтерфейсу, що робить його особливо привабливим для непрофесійної аудиторії. Не дивлячись на досить скромні вимоги до програмно-апаратних засобів ПК (процесор не нижче PentiumII, ОС Windows 95/98/me або Windows NT 4/2000/хр, пам'ять не менше 64 Мб, монітор не гірше SVGA), його можливості досить великі. З його допомогою можна аналізувати не лише аналогові, але і цифрові схеми. Можливо також і змішане моделювання аналого-цифрових електронних пристроїв. Дослідні користувачі програми, застосовуючи власні макромоделі, можуть аналізувати складні замкнуті системи із змінною конфігурацією. Змішане моделювання і грамотне використання спрощених макромоделей функціональних вузлів дозволяють проводити розрахунки режимів роботи цих складних пристроїв з досить високою мірою точності.

Можливості програми MicroCap -8

Графічні можливості: побудова принципових і функціональних
електричних схем за допомогою вбудованого графічного редактора з
використанням бібліотеки умовних графічних позначень (УГП) електронних
компонентів; зміна УГП компонентів відповідно до ГОСТу (розробники
програми використовують американський стандарт); Створення власних УГП за
допомогою вбудованого редактора УГП ShapeEditor; додавання до принципової
схеми рамки і штампу з основними відомостями про схему. Відображення
номерів вузлів принципової схеми, що привласнюються графічним редактором
при введенні схеми; використання координатної сітки з різним кроком, показ якої можна включити/виключити; операції з виділеним блоком принципової схеми (копіювання, віддзеркалення, розмноження і т. д.).

Моделювання режимів роботи електронних пристроїв, заданих за
допомогою принципових і функціональних схем: аналіз перехідних процесів в
схемах при подачі напруги живлення і (або) дії (дій) довільної форми з
побудовою графіків змінних стану схеми і їх функцій; аналіз малосигнальних
частотних характеристик схеми при дії на неї одного або декількох джерел
гармонійного сигналу з постійною амплітудою і змінною частотою; динамічний
аналіз схеми по постійному струму з відображенням на схемі напруги, струмів,
потужностей, станів напівпровідникових приладів при зміні sliders-величин
джерел ЕРС, струму, опорів резисторів; динамічний малосигнальний аналіз схеми по змінному струму з показом на схемі величин комплексних змінних стану схеми при різних частотах, при зміні величин пасивних компонентів; розрахунок чутливості в режимі по постійному струму; розрахунок мало сигнальних передавальних функцій в режимі по постійному струму; розрахунок нелінійних спотворень підсилювальних схем з використанням математичного апарату спектрального Фурьє-аналізу; багатоваріантний аналіз усередині основних трьох режимів моделювання: перехідних процесів, малосигнальних частотних характеристик і передавальних характеристик по постійному струму.

- Синтез аналогових фільтрів.

- Створення нових моделей компонентів.

2.2. Набір схеми в середовищі ППП " MicroCap -8"

Набір схеми в ППП " МІСRОСАР-8" здійснюють шляхом введення елементів і електричних з'єднань. Елементи вводимо із строки меню «Компоненти», а електричні з'єднання реалізуємо за допомогою клавіші додавання ортогональних провідників та клавіші додавання провідників довільної орієнтації, які розміщені на панелі інструментів (рис.3).

Рис.3. Шлях введення елементів в схему

Рис.4. Принципова схема побудована у середовищі ППП" MicroCap -8"

3.1. Проведення часового аналізу схеми.

Для виконання часового розрахунку схеми потрібно із строки меню «Аналіз» вибрати стрічку «Перехідні процеси»

На екрані появиться вікно задання параметрів розрахунку ПП і вікно для виведення графіків

Задаємо потрібний діапазон часу тривання процесу та крок по часу. Щоб вивести на екран у верхньому полі осцилограму сигналу на вході схеми потрібно в колонці виводу графіка поставити 1 і визначити вираз для осі У. Визвемо меню змінної У натиснувши л. к. миші на клавішу «YExpression» і виберемо напругу на джерелі живлення

Аналогічно виводимо графік сигналу на виході схеми у нижньому полі екрану. В колонці виводу графіка ставимо 2 і вибираємо із меню змінної У напругу на вихідному елементі.

3.1.1. Реакція схеми на гармонічний сигнал

Таким самим шляхом як і в попередніх пунктах у бібліотеці програмованих джерел створюємо синусоїдальне джерело з наступними параметрами: А=2, 6мВ(максимальна амплітуда сигалу яка без спотворень підсилюється), f=1000 Гц, φ =0°.

Подамо на вхід схеми підсилювача синусоїдальний сигнал і виконуємо аналіз схеми в часовій області, натиснувши клавіші Аlt+l. У вікні задання параметрів розрахунку ПП (рис. 5) задаємо діапазон часу тривання процесу 4мс та крок по часу авто. Дослідження проводимо при температурі 27 °С, використовуємо розрахунок по постійному струмі.

Сигнал на вході та виході, потужність на виході, схеми показаний на рис. 6.

Рис. 5. Задання параметрів розрахунку ПП

Рис. 6. Вихідні осцилограми напруги на джерелі живленнята опорі навантаження

T v(v3) v(r11) PD(r11)

(Secs) (V) (V) (W)

0.000m 0.000m 8.009 641.487u

0.080m 0.617m 7.610 579.250u

0.160m 1.064m 7.312 534.852u

0.240m 1.257m 7.183 515.949u

0.320m 1.140m 7.261 527.293u

0.400m 0.740m 7.526 566.647u

0.480m 0.157m 7.907 625.558u

0.560m -0.465m 8.301 689.427u

0.640m -0.971m 8.601 739.944u

0.720m -1.238m 8.740 763.799u

0.800m -1.211m 8.741 764.075u

0.880m -0.882m 8.559 732.535u

0.960m -0.322m 8.225 676.597u

1.040m 0.314m 7.805 609.381u

1.120m 0.868m 7.446 554.516u

1.200m 1.208m 7.212 520.136u

1.280m 1.249m 7.191 517.072u

1.360m 0.981m 7.362 542.202u

1.440m 0.470m 7.705 593.963u

1.520m -0.157m 8.104 657.098u

1.600m -0.745m 8.474 718.273u

1.680m -1.149m 8.695 756.105u

1.760m -1.279m 8.762 767.731u

1.840m -1.077m 8.672 752.004u

1.920m -0.622m 8.406 706.623u

2.000m 0.001m 8.010 641.878u

2.080m 0.612m 7.611 579.623u

2.160m 1.070m 7.307 534.021u

2.240m 1.263m 7.177 515.163u

2.320m 1.144m 7.256 526.545u

2.400m 0.742m 7.523 566.150u

2.480m 0.156m 7.906 625.332u

2.560m -0.468m 8.302 689.615u

2.640m -0.977m 8.604 740.389u

2.720m -1.244m 8.740 763.823u

2.800m -1.226m 8.750 765.575u

2.880m -0.886m 8.564 733.382u

2.960m -0.323m 8.216 675.080u

3.040m 0.313m 7.808 609.972u

3.120m 0.865m 7.442 553.962u

3.200m 1.203m 7.218 520.981u

3.280m 1.244m 7.188 516.734u

3.360m 0.977m 7.367 542.958u

3.440m 0.468m 7.701 593.385u

3.520m -0.156m 8.106 657.426u

3.600m -0.742m 8.467 717.095u

3.680m -1.145m 8.694 755.945u

3.760m -1.272m 8.758 767.032u

3.840m -1.073m 8.667 751.307u

3.920m -0.621m 8.404 706.436u

4.000m 7.963E-15m 8.012 641.880u

3.1.2 Реакція схеми на сигнал прямокутної форми.

У бібліотеці програмованих джерел виберемо закладку PulseSource. Подаємо на вхід схеми сформований сигнал і проводимо аналіз в часовій області (Аlt+l). Вихідні осцилограми реакції схеми на прямокутній сигнал показані на рис. 8.

Рис. 7 Задання параметрів розрахунку ПП

Рис. 8 Осцилограми імпульсу на вході, виході та потужність виділена на опорі навантаження.

3.1.3 Реакція схеми на імпульсну характеристику.

У бібліотеці програмованих джерел виберемо закладку PulseSource і створимо імпульсне джерело сигналу IMPULSE. Подаємо на вхід схеми сформований сигнал і проводимо аналіз в часовій області (Аlt+l). Вихідні осцилограми реакції схеми на прямокутній сигнал показані на рис. 10.

Рис.9 Задання параметрів розрахунку ПП

Рис. 10 Осцилограми імпульсу на вході, виході та потужність виділена на опорі навантаження.

4.1 Проведення частотного аналізу схеми

4.1.1Виведення АЧХ і ФЧХ схеми

Для проведення частотного аналізу схеми фільтра використаємо вже створене джерело синусоїдального форми. Заходимо на панелі інструментів в меню «Аналіз», вибираємо пункт «Частотні характеристики» (рис.11).

Рис.11. Ввімкнення аналізу частотних характеристик схеми

У вікні розрахунку частотних характеристик (рис.12) задаємо діапазон частот від 0, 1 Гц до 100 МГц та температуру 27°С. Щоб вивести на екран у верхньому полі осцилограму АЧХ потрібно в колонці виводу графіка поставити 1 і ввести вираз для осі Y-> db

Аналогічно виводимо графік ФЧХ у нижньому полі екрану. В колонці виводу графіка ставимо 2 і вводимо вираз для змінної Y-> ph.

Рис.12. Розрахунок частотних характеристик

Отримаємо графіки АЧХ та ФЧХ при температурі 27°С:

Рис.13. АЧХ та ФЧХ досліджуваної схеми

Визначення частот нижнього та верхнього зрізу, та ширину смуги пропускання

З графіка видно, що:

частота нижнього зрізу – 3.5кГц

частота верхнього зрізу – 100кГц

ширину смуги пропускання – 96.5 кГц

Ці дані не задовільняють технічні умови тому приймається рішення змінити ємність вхідного конденсатора на ємність 220nF. Ми отримуємо результат на рис 13.1

Рис 13.1 АЧХ та ФЧХ відкоректованої схеми

З графіка видно, що:

частота нижнього зрізу – 15Гц

частота верхнього зрізу – 100кГц

ширину смуги пропускання – 99.85 кГц

Це цілком задовольняє умови поставленої ТЗ

4.1.2 Дослідження відносної зміни характерних точок АЧХ та ФЧХ при зміні температури

Визначимо відносну зміну характерних точок АЧХ і ФЧХ у діапазоні зміни температур від -50С⁰ до +50С⁰. Для цього всі елементи схеми зробимо температурно залежними. Як приклад покажемо це на резисторі R2. Відкриваємо подвійним клацанням л.к. миші на резисторі R2 вікно задання параметрів виберимо пункт MODEL= та вибираємо зі списку потрібну температурну модель резистора, що є у базі даних програми. Всі наступні елементи будемо зрівнювати таким же чином. Температурну модель елементів можна також створити самому, заповнивши потрібні значення нижніх пунктів. Заходимо в частотний аналіз (Аlt+2), вказуємо діапазон зміни температури таким чином " 50, -50, 10", що означає зміну температури від -50 до 50 °С з кроком 10°С і запускаємо аналіз. Графіки АЧХ та ФЧХ наведені на рис.14.

Рис.14. Температурний вплив на АЧХ і ФЧХ

4.1.3. Дослідження відносної зміни характерних точок АЧХ та ФЧХ при зміні параметра елементів схеми

Дослідимо відносну зміну характерних точок АЧХ і ФЧХ при зміні параметра одного пасивного елемента. Дослідимо як зміняться АЧХ та ФЧХ при зміні параметра відповідного елемента при змінійого номінального значення.

Розглянемо зміну параметрів найбільш впливових елементів резистора. Спочатку змінюємо резистор R9. Для цього в меню розрахунку частотних характеристик схеми виберемо пункт «По крокам» (рис.15).

Рис.15. Ввімкнення по крокової зміни параметрів елементів.

Рис.16. Зміна АЧХ та ФЧХ при зміні параметра резистора R2

4.2 Аналіз роботи схеми за методом Монте Карло

Метод Монте Карло дозволяє оцінити роботу пристрою при заданих параметрах розкиду елементів схеми. Це варіант статистичного оцінювання, прогнозування, імітації роботи схеми при не ідеальності технології виконання елемента. За цим методом можна отримати найгірший випадок роботи схеми або всі варіанти реакції схеми при заданому розкиді та числу експериментів.

Застосуємо метод Монте-Карло для найгіршого випадку роботи схеми, як в часовій так і в частотній області дослідження схеми. Аналогічно як при дослідженні температурної залежності схеми визначимо для всіх елементів їх моделі. Тепер в часовому режимі заходимо в закладку " MonteCarlo/Опції", де заповнюємо відповідні графи (рис.17).

Рис.17. Вікно опцій методу Монте-Карло

Результати використання методу Монте-Карло при дослідженні в часовій області схеми показані на рис.18.

Рис.18. АЧХ та ФЧХ при випадковій зміні параметрів елементів у схемі методомнайгіршого випадку.

Список використаної літератури

1. Амелина М. А., Амелин С. А., Програма схемотехнического моделирования Micro-Cap 8 – М.: Горячая линия – Телеком 2007. – 464с.

2. Николаєв А. П., Малкина М. В., 500 схем для радиолюбителей часть третья. Усилители НЧ и усилительно – комутационные устройства. Приставки к усилителям. УФА 1998. – 146с.

3. М.А. Амелина“ Конспект лекций по курсу „Компьютерный анализ и синтез электронных устройств”

4. Разевиг.В.Д. Система проектированияOrCad 9.2. – М.: Солон-Р, 2001.

5. Попов В.П. Основытеориицепей. – М.: Высш. шк., 1985.