(.tran), przeglądarka przebiegów

PP>WE>Dz>AiR>Inż>Sem3
02
ELEKTRONIKA
Program LTSpice do symulacji obwodów
elektronicznych (2)
laboratorium
2009
1. Cel ćwiczenia
Nabranie wprawy w posługiwaniu się programem LTSpice.
2. Wprowadzenie
Oprogramowanie LTSpice jest udostępniane do użytku własnego bezpłatnie i może być
wykorzystane jako uniwersalny symulator obwodów elektrycznych i elektronicznych. Na drugich
z kolei zajęciach z symulatorem studenci zapoznają się z trybem analizy stanów przejściowych
(.tran) oraz innymi, bardziej złożonymi analizami parametrycznymi.
3. Program zajęć
3.1. Analiza stanów nieustalonych (.tran), przeglądarka przebiegów
Symulacja przebiegów czasowych w stanach nieustalonych (przejściowych) wywoływana
jest dyrektywą .tran (transient), której obowiązkowym parametrem jest czas końca symulacji
Stop time. Inne parametry (tzw. modyfikatory) są opcjonalne. Przed rozpoczęciem analizy
czasowej program oblicza stan początkowy na podstawie analizy stałoprądowej .op. Aby tego
uniknąć wprowadza się modyfikator uic (use initial conditions). Wszystkie napięcia i prądy są
wówczas w chwili początkowej zerowe, chyba że zostaną zdefiniowane przy pomocy dodatkowej
dyrektywy .ic (initial conditions).
Wyboru przebiegów do wyświetlenia można dokonać na początku symulacji, albo/oraz po
jej zakończeniu, klikając nad elementami schematu; kursor myszy przybiera wówczas kształt
próbnika napięcia lub prądu. Kolejne wybrane przebiegi są wykreślane w innych kolorach, w
skalach dobieranych automatycznie, oddzielnie dla prądów, oddzielnie dla napięć.
Szybki odczyt wartości napięć, prądów i czasu jest możliwy przy pomocy kursora myszy
(mały krzyż) przesuwanego nad wykresami. Jego współrzędne są podawane na pasku stanu.
Przyciśnięcie lewego przycisku myszy i przeciąganie nad wykresami powodują zmianę kursora
na lupę (+) i zakreślanie linią przerywaną prostokąta; na pasku stanu podawane są wówczas
różnice współrzędnych przeciwległych wierzchołków. Pozwala to na szybki odczyt przedziałów
czasu oraz amplitudy i częstotliwości przebiegów okresowych. Przed zwolnieniem lewego
przycisku myszy należy kliknąć prawym (RightClick), co zapobiega powiększeniu wykresu.
Zmiany skal, powiększanie, zmniejszanie, przesuwanie i inne operacje wpływające na
wygląd są dostępne w menu kontekstowym pojawiającym się po RightClick nad obszarem
wykresów. LeftClick nad osią czasu pozwala ustalić ręcznie zakres i rodzaj skali czasu, a także
wprowadzić inny sygnał jako zmienną niezależną i tworzyć wykresy trajektorii X-Y.
Nad górną ramką wykresów wyświetlane są etykiety przebiegów w tym samym kolorze co
linia wykresu. LeftClick nad etykietą powoduje że z danym przebiegiem zostaje skojarzony i
wyświetlony kursor 1 w postaci dwóch długich linii. Współrzędne tego kursora są wyświetlane w
oddzielnym oknie. Ctrl+LeftClick nad etykietą przebiegu wyświetla informacje całkowe, tj.
wartości średnią i skuteczną obliczone za przedział czasu widoczny na wykresie. RightClick
otwiera okno dialogowe, w którym można edytować sposób wyświetlania przebiegu i kursorów.
Można tu wprowadzić proste lub skomplikowane wyrażenia, zawierające funkcje algebraiczne
napięć i prądów oraz stałej pi i zmiennej time (czas w sekundach, liczony od początku
symulacji).
-1/4-
Rys. 3.1) Przebiegi wartości napięć/prądów w badanym
obwodzie RC
Rys. 3.2) Parametryzacja przebiegów w badanym
obwodzie RC
–
utwórz prosty schemat składający się z połączonych szeregowo: źródła napięcia stałego
V1, rezystora R1 i kondensatora C1; zaetykietuj węzły; wpisz wartości parametrów V,C,R –
według własnego wyboru z uwzględnieniem wskazówek prowadzącego
–
otwórz okno Edit Simulation Command i wybierz zakładkę Transient; wpisz czas końcowy
Stop time równy 5-krotnej wartości stałej czasowej RC oraz zaznacz pole wyboru Skip
initial operating point solution
–
uruchom symulację i obejrzyj napięcie w węźle wejściowym (napięcie źródła V1), w węźle
wyjściowym (napięcie na kondensatorze) oraz prąd w obwodzie
–
sprawdź, jaki wpływ na przebieg symulacji ma wybór opcji: Time to Start Saving Data,
Maximum Timestep, Start external DC supply voltages at 0V
–
przywróć stan zakładki Transient jak w kroku 2
–
wykonaj inne zadania wskazane przez prowadzącego
3.2. Wielokrotna analiza parametryczna (.step, .param)
Oprócz jednokrotnych analiz typu .tran, .op, .ac, .tf symulator może wykonać szereg
symulacji tego samego typu, przy zmienianych wariantowo wartościach zewnętrznych napięć i
prądów źródłowych, temperatury oraz parametrów modelu elementów. Służy do tego dyrektywa
.step.
Jeżeli zmieniany ma być parametr taki jak rezystancja, pojemność lub indukcyjność
jakiegoś elementu, to powinien on być wyrażony symbolicznie np. przy pomocy parametrów
globalnych zdefiniowanych dyrektywą .param.
–
uzupełnij schemat o dyrektywę SPICE'a: .step V1 list 4 7 10 13 16 (ciąg liczb może być
inny); uruchom symulację i obejrzyj rodzinę przebiegów napięcia wyjściowego dla
zadanych wartości napięcia źródłowego V1; przećwicz posługiwanie się kursorami 1 i 2
-2/4-
(przełączanie między przebiegami przy pomocy klawiszy ↑↓, informacja: Ctrl+RightClick
nad linią kursora)
–
dodaj dyrektywę definiującą parametry globalne: .param R=100 C=1u (zarówno nazwy
parametrów jak i wartości mogą być inne); parametr Value rezystora R1 zapisz jako
wyrażenie w nawiasach klamrowych, zależne od uprzednio określonych parametrów
globalnych (np.: { R } ); podobnie postąp z kondensatorem C1;
–
zmień dyrektywę .step na następującą : .step param R 50 100 25; pierwsze dwie liczby
określają zakres zmienianego parametru, a trzecia krok z jakim parametr jest zmieniany w
kolejnych powtórzeniach symulacji; obejrzyj i opisz wykres napięcia wyjściowego;
dodatkowe elementy graficze (strzałki, napisy) są dostępne z menu Plot
Settings/Notes&Annotations
–
modyfikuj wg własnego pomysłu dyrektywę .step; sprawdź jak działa włączenie kilku
dyrektyw dotyczących różnych parametrów
–
wykonaj inne zadania zlecone przez prowadzącego
7. Charakterystyki statyczne dla prądu stałego (analiza DCsweep, .dc)
Symulator powtarza wielokrotnie obliczenia punktu pracy (.op) dla rożnych wartości
zewnętrznego źródła napięcia lub prądu. Wyniki tych obliczeń są przedstawiane w formie
wykresów, w których jako zmienna niezależna na osi x występuje domyślnie wartość
zmienianego napięcia lub prądu źródłowego (można to później zmienić). Podobnie jak w analizie
.step możliwe jest zdefiniowanie więcej niż jednego źródła o zmienianych w zadanych
zakresach wartościach. W ten sposób można uzyskać wykresy nie tylko pojedynczych
charakterystyk statycznych, ale całych ich rodzin.
–
utwórz schemat składający się z połączonych szeregowo: źródła napięcia stałego V1 (0V)
rezystora R1 (100Ώ) i diody D1(1N750); zaetykietuj węzły
–
wybierz rodzaj analizy: DCsweep i ustal zakres zmian napięcia V1 od -15V do 15V co 0.1V
–
wystartuj obliczenia i wybierz prąd diody jako zmienną Y
–
zamień zmienną X na napięcie na diodzie; przeanalizuj kształt charakterystyki statycznej
diody
–
otwórz schemat przykładowy: Examples\Educational\curvetrace.asc; zmieniaj typ
tranzystora oraz zakres zmian V1; zinterpretuj uzyskane wykresy
Rys. 7.1) Charakterystyka wyjściowa diody D1
Rys. 7.2) Rodzina charakterystyk wyjściowych
tranzystora BJT
-3/4-
–
wykonaj inne zadania zlecone przez prowadzącego
4. Wskazówki do sprawozdania
Opisz:
–
poznane rodzaje analiz: .tran, .dc (składnia, zastosowania, warianty)
–
dyrektywy .param, .step param, .step list,
–
wyniki zadań (syntetycznie, bez zbędnych rysunków)
–
zadania, które sprawiły trudności (dlaczego?)
–
propozycje uzupełnień i zmian do objaśnień wstępnych lub programu ćwiczenia
-4/4-