PP>WE>Z>AiR>Inż>Sem3 Podstawy Elektroniki Ćw. 01. Program

PP>WE>Z>AiR>Inż>Sem3 Podstawy Elektroniki Ćw. 01. Program

PP>WE>Z>AiR>Inż>Sem3
Podstawy Elektroniki
Ćw. 01. Program LTSpice do symulacji układów elektronicznych
1. Wprowadzenie:
Edytor schematów i zintegrowany z nim program symulacyjny SwitcherCAD III / LTspice są własnością firmy Linear
Technology Corporation. Oprogramowanie jest udostępniane do użytku własnego bezpłatnie (
http://ltspice.linear.com/software/swcadiii.exe ) i może być wykorzystane jako uniwersalny symulator obwodów elektrycznych i
elektronicznych.
2. Wstępne zapoznanie się z programem na przykładzie analizy stałoprądowej (.op)
Zadania:
2.1. Otwórz przykładowy schemat: ..\SwCADIII\examples\Educational\DcOpPnt.asc
2.2. Zapisz schemat (Save As) pod nową nazwą w folderze roboczym grupy studenckiej
2.3. Uruchom symulację komendą Simulate\Run lub przyciskiem z paska narzędziowego
2.4. Przeanalizuj wyniki, a w szczególności:
– dokładnie rozpoznaj jakie informacje pokazują się na pasku stanu przy przesuwaniu kursora nad elementami schematu
– ustal i opisz w sprawozdaniu sposób oznaczania i zasady kierunkowe („strzałkowanie”) jakie stosowane są w programie
odnośnie do napięć, mocy oraz prądów płynących przez elementy różnego typu (V, Q, R, C)
– oblicz sprawność układu (%) dla impedancji obciążenia R14 = 10 [Ohm]
2.5. Sprawdź jakie parametry można edytować dla elementów każdego typu (R,C,V,Q) po kliknięciu prawym klawiszem myszy
przy zwolnionym/wciśniętym klawiszu Ctrl
2.6. Wykonaj inne zadania zlecone przez prowadzącego
3. Edytowanie schematu; inne typy analizy (.tf , .ac)
W przeciwieństwie do czysto graficznych edytorów SwCADIII służy przede wszystkim
do sterowania symulacją i analizy jej wyników. Ten tryb pracy sygnalizowany jest kursorem w
kształcie krzyża. Aby przesunąć, usunąć, przeciągnąć, obrócić lub odbić jakiś element schematu
trzeba najpierw wywołać z menu Edit jedną z komend : Delete ,Duplicate , Move , Drag , albo
wcisnąć odpowiedni klawisz lub przycisk z paska narzędziowego. Wygląd kursora zmieni się, a
kliknięcie nad elementem schematu spowoduje jego zaznaczenie i przygotowanie do edycji.
Rys. 3.1) Menu "Edit" LTSpice
Można zaznaczyć wiele elementów równocześnie, przeciągając myszą nad wybranym
o
obszarem. Zaznaczone elementy można obrócić o 90 w prawo (Ctrl+R) lub odbić w poziomie (Ctrl+E). Program pozostaje w
jednym z trybów edycyjnych aż do kliknięcia prawym przyciskiem myszy. Wszystkie operacje edycyjne można wielokrotnie cofać i
przywracać.
Zadania:
3.1. Wybierz tryb Drag, zaznacz symbol Ground w lewym dolnym rogu schematu i przeciągnij go pionowo w dół, na wysokość
napisów u dołu ekranu
3.2. Wybierz tryb Duplicate i kliknij nad symbolem źródła napięciowego V1; kopię elementu
przeciągnij i upuść na przewód łączący rezystor R1 z symbolem Ground.
3.3. Wartość napięcia źródła zmień na 0V (patrz rysunek 3.2)
3.4. Kliknij prawym klawiszem nad tekstem dyrektywy SPICE'a: .op
3.5. W oknie Edit Simulation Command wybierz zakładkę DC Transfer i wpisz Output: V(out),
Source: V3
3.6. Po zamknięciu okna Edit Simulation Command lewy dolny róg schematu powinien
wyglądać jak na rysunku obok
3.7. Uruchom symulację i zinterpretuj jej wyniki
3.8. Porównaj wyniki dla zmienionych wartości parametrów wybranych elementów, np. R1, V3
3.9. Wykonaj inne zadania zlecone przez prowadzącego
3.10. Kliknij prawym przyciskiem myszy nad symbolem V3 i przyciskiem Advanced otwórz okno
parametrów rozszerzonych . W polu AC Amplitude wpisz 1V
Rys. 3.2) Połączenie źródła
3.11. Otwórz okno Edit Simulation Command, wybierz zakładkę AC Analysis i wypełnij puste
napięcia V3
pola
3.11. Uruchom symulację; z listy sygnałów proponowanych do wyświetlania wybierz V(out)
3.12. Przeanalizuj wykreślone charakterystyki, a w szczególności wyznacz przy pomocy kursorów 3dB częstotliwość
pasma przenoszenia wzmacniacza (rysunek 3.3). Dostęp do kursorów uzyskuje się po kliknięciu prawym
przyciskiem myszy nad etykietą przebiegu V(out)
3.13. Wykonaj inne zadania zlecone przez prowadzącego
Rys. 3.3) Wyniki analizy częstotliwościowej badanego układu
4. Tworzenie nowych schematów
Pracę rozpoczyna się od wywołania z menu File komendy New schematic, a następnie nadania nazwy (domyślnie:
DraftN.asc ) i zapisania (Save As) pustego projektu w wybranejlokalizacji. Elementy z których składa się schemat wybieramy i
lokujemy w edytorze korzystając zpaska narzędziowego lub komend menu Edit. Elementy: R, L, C, D, Gnd są dostępne
bezpośrednio,pozostałe (jest ich w sumie około 800) poprzez okno wyboru: Select Component Symbol. Jeżeli znamy nazwę elementu,
wystarczy wpisać w polu tekstowym pierwsze litery jego nazwy aby dokonać wyboru. Przed ulokowaniem wybranego elementu
(lewy klik) można go obracać (Ctrl+R) i odbijać w poziomie (Ctrl+E) . Obracając i odbijając dwójniki R, C warto się zastanowić nad
pożądanym zwrotem prądu w tych elementach. Praca z symulatorem najczęściej odbywa się w dwóch oknach: edytora schematów i
wizualizatora przebiegów wynikowych. Program domyślnie przyjmuje poziome rozmieszczenie tych okien. Dlatego warto planować
schemat w taki sposób aby wypełniał całą szerokość ekranu i połowę jego wysokości. Do powiększania i zmniejszania rozmiarów
schematu oprócz typowych narzędzi i komend z menu View można posłużyć sie rolką myszy. Po rozmieszczeniu wszystkich
elementów warto najpierw dokonać edycji parametrów i ewentualnie skorygować rozmieszczenie, a dopiero później łączyć je ze sobą
narzędziem Wire. Każde klinięcie lewym przyciskiem myszy rozpoczyna nowy odcinek „przewodu”, który może biec prostopadle do
poprzedniego. Można prowadzić linie poprzez symbole elementów, pozornie zwierając ich zaciski. Te zwarcia zostaną automatycznie
usunięte przez program. Węzły (linie ekwipotencjalne), których potencjały są dla nas ważne powinny zostać zaetykietowane przy
pomocy narzędzia Label Net ; operacja ta znacznie ułatwia późniejszą analizę wyników symulacji. UWAGA: nadanie tej samej
nazwy dwóm różnym węzłom tworzy niewidoczne połączenie (zwarcie) między tymi węzłami. Kolejnym etapem jest umieszczenie
na schemacie tekstów zawierających dyrektywy SPICE'a sterujące przebiegiem symulacji. Najłatwiej można to zrobić wykorzystując
okno Edit Simulation Command. Zaawansowani użytkownicy mogą również umieszczać na schemacie inne teksty interpretowane
przez program, jak definicje parametrów globalnych, modeli lub podobwodów. Teksty mające wpływ na działanie programu
zaczynają się od kropki i wyświetlane są kolorem czarnym. Inne teksty (komentarze) wyświetlane są na niebiesko i mają znaczenie
czysto informacyjne. Oprócz komentarzy tekstowych można na schemacie umieścić również elementy graficzne stworzone przy
pomocy narzędzi z menu Edit\Draw.
Zadania:
Rys. 4.1) Rozmieszczenie elementów nowego obwodu
Rys. 4.2) Połączenia i parametry elementów w obwodzie
4.1. Wybierz i rozmieść elementy jak na rysunku 4.1 (lub wg zaleceń prowadzącego)
4.2. Wpisz wartości parametrów jak na rysunku 4.2 (lub wg zaleceń prowadzącego)
4.3. Połącz ze sobą elementy i zaetykietuj węzły
4.4. Wybierz rozdzaj analizy DC_Transfer
4.5. Zbadaj wpływ zmian napięcia zasilającego V1 na zmiany napięcia wyjściowego V(n3)
4.6. Zbadaj wpływ prądu obciążenia I1 na napięcie wyjściowe V(n3)
4.7. Wykonaj inne zadania wskazane przez prowadzącego
5. 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).
Rys. 5.1) Przebiegi wartości napięć/prądów w badanym
obwodzie RC
Rys. 5.2) Parametryzacja przebiegów w badanym obwodzie RC
Zadania:
5.1. 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
5.2. 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
5.3. Uruchom symulację i obejrzyj napięcie w węźle wejściowym (napięcie źródła V1), w węźle wyjściowym (napięcie na
kondensatorze) oraz prąd w obwodzie
5.4. Sprawdź jaki wpływ na przebieg symulacji ma wybór opcji: Time to Start Saving Data, Maximum Timestep, Start external
DC supply voltages at 0V
5.5. Przywróć stan zakładki Transient jak w punkcie 5.2
5.6. Wykonaj inne zadania wskazane przez prowadzącego
6. 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.
Zadania:
6.1. 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 (przełączanie między przebiegami przy pomocy klawiszy ↑↓, informacja: Ctrl+RightClick nad linią kursora)
6.2. 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.
6.3. 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.
6.4. Modyfikuj wg własnego pomysłu dyrektywę .step ; sprawdź jak działa włączenie kilku dyrektyw dotyczących różnych
parametrów.
6.5. 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.
Zadania:
7.1. Utwórz schemat składający się z połączonych szeregowo: źródła napięcia stałego V1 (0V) rezystora R1 (100Ώ) i diody D1
(1N750) ; zaetykietuj węzły
7.2. Wybierz rodzaj analizy: DCsweep i ustal zakres zmian napięcia V1 od -15V do 15V co 0.1V
7.3. Wystartuj obliczenia i wybierz prąd diody jako zmienną Y
7.4. Zamień zmienną X na napięcie na diodzie; przeanalizuj kształt charakterystyki statycznej diody
7.5. Otwórz schemat przykładowy ..Examples\Educational\curvetrace.asc. Zmieniaj typ tranzystora oraz zakres zmian V1 ;
zinterpretuj uzyskane wykresy
7.6. Wykonaj inne zadania zlecone przez prowadzącego
Rys. 7.1) Charakterystyka wyjściowa diody D1
Rys. 7.2) Rodzina charakterystyk wyjściowych tranzystora BJT
Sprawozdanie:
Opisz zwięźle, własnymi słowami:
– Poznane rodzaje analiz: .op, .tf, .ac, .tran, .dc (składnia, zastosowania, warianty)
– Dyrektywy .param, .step param, .step list,
– Poznane elementy R, L, C, V, I, Q, D (parametry, schemat zastępczy, strzałkowanie, warianty)
– Wyniki zadań: 2.4; 3.7; 3.8; 3.12; 4.5; 4.6; 5.3; 5.4; 6.4; 7.4; 7.5 (syntetycznie, bez zbędnych rysunków)
– Zadania które sprawiły trudności
– Propozycje uzupełnień i zmian do objaśnień wstępnych i programu ćwiczenia