Знакомство с программой Micro-Cap
Введение
В настоящее время имеется большое количество различных пакетов прикладных программ (ППП), используемых в инженерной практике. Графические интерфейсы многих ППП представляют собой стандартный многооконный интерфейс с ниспадающими и разворачивающимися меню и с характерными для Windows-приложений разделами: File, Edit, Options, Windows и т.д. Поэтому, освоив один из пакетов, пользователь сравнительно легко может перейти к использованию и других ППП.
Пакеты программ схемотехнического проектирования и моделирования семейства Micro-Cap (Microcomputer Circuit Analysis Program – «Программа анализа схем на микрокомпьютерах») фирмы Spectrum Software относятся к наиболее популярным системам автоматизированного проектирования электронных устройств. Последние версии Micro-Cap (далее МС), обладая большими сервисными возможностями, позволяют выполнять графический ввод и редактирование проектируемой схемы, проводить анализ характеристик аналоговых, цифровых и смешенных аналого-цифровых устройств. С помощью МС можно осуществить анализ электрических схем по постоянному току, рассчитать переходные процессы и частотные характеристики проектируемых схем, провести оптимизацию параметров схемы. Программы МС имеют средства синтеза пассивных и активных аналоговых фильтров, средства моделирования функциональных схем аналоговых и цифровых устройств, обладают возможностями построения 3-мерных графиков результатов моделирования и многое другое.
проектирование электронный программа схема
1. Знакомство с программой Micro-Cap
Изображения компонентов электрических схем (как и начертание самих схем) выполняются в соответствии с правилами ЕСКД (единая система конструкторской документации). ЕСКД представляет собой свод государственных стандартов (ГОСТ), устанавливающих условные графические обозначения в схемах изделий, выполняемых вручную или автоматизированным способом, для всех отраслей промышленности, включая радиоэлектронную промышленность. Библиотека программы МС8 содержит большое количество условных графических обозначений (УГО) компонентов. Причем отдельные компоненты имеют несколько графических обозначений, принятых в различных странах. Наиболее близким к российским ГОСТам является европейский стандарт, который в МС8 обозначается как “Euro”.
Для изменения УГО необходимо в меню Windows воспользоваться командой Component Editor (редактор компонентов) и, выбрав щелчком мыши из открывающегося списка библиотеки стандартных компонентов нужный, в перечне Shape (форма, очертание) указать требуемое УГО. Например, резистор имеет два УГО, именуемых в перечне Shape как “Resistor” и “Resistor_Euro”. При вводе и редактировании схем следует установить редакцию графического обозначения резистора “Resistor_Euro”.
На рис. 1 показаны принятые в МС8 (стандарт “Euro”) условные графические обозначения некоторых компонентов схем: резистор, конденсатор, индуктивность, «земля», диод, биполярный транзистор, источник постоянного напряжения. Изображения некоторых компонентов совпадают с принятыми в ЕСКД символами (резистор, конденсатор, диод, «земля»), изображения других компонентов (индуктивность, транзистор) имеют существенные отличия от ЕСКД. Для сравнения на рис. 2 приведены графические изображения индуктивности L1 и транзистора VT1, принятые в ЕСКД.
С
Рис. 1
ледует отметить не только отличие в графике символов этих компонентов, но и отличие в позиционном обозначении транзистора (VT1 вместо Q1). Текстовые метки позиционного обозначения можно изменить в окне свойств компонента, которое вызывается двойным щелчком мыши по УГО компонента, или непосредственно в самой метке. Графику символов типовых компонентов при необходимости следует отредактировать в окне редактора графики компонентов, вызываемом с помощью команды Shape Editor в меню Windows [2]. На начальном этапе освоения пакета Micro-Cap некоторые отличия в УГО компонентов от ГОСТов не имеют существенного значения и в дальнейшем будут использованы графические обозначения компонентов, принятые в МС8.
Физические характеристики компонентов определяются их параметрами, которые необходимо ввести в окне задания атрибутов (свойств) редактируемого компонента [1]. Программа МС8 позволяет вводить любые параметры, имеющие физический смысл (например, длительность импульсов не может быть больше периода их повторения). В случае некорректного введения того или иного параметра программа выдаст сообщение об ошибке и ее характере. Ввод значений параметров осуществляется в системе СИ (омы, фарады, генри, секунды, герцы и т.д.). Числовые значения параметров могут быть представлены в различном виде: с фиксированным или плавающим десятичным знаком (показательная форма). Наибольшее распространение получила инженерная интерпретация представления действительных чисел с плавающим десятичным знаком, согласно которой различные степени 10 обозначаются следующими суффиксами:
P (p) (пико) - 10-12 T (t) (тера) - 1012
N (n) (нано) - 10-9 G (g) (гига) - 109
U (u) (микро) - 10-6 MEG (meg) (мега) - 106
M (m) (милли) - 10-3 K (k) (кило) - 103.
Дело в том, что в инженерной практике наряду с основными единицами системы СИ очень часто используются и их производные обозначения, соответствующие указанным выше степеням. Полное обозначение параметра при этом состоит из цифрового значения и обозначения единицы измерения, например:
1 Ом – один ом, 1 кОм – один килоом, 1 МОм – один мегаом;
1 Ф – одна фарада, 1мкФ – одна микрофарада, 1 пФ – одна пикофарада.
Формально любую физическую величину можно представить с использованием любого из приведенных выше множителей (например, можно ввести понятие килосекунды или микрогерцы). Однако на практике при обозначении параметров компонентов используется ограниченное количество множителей, что обусловлено реальными параметрами применяемых компонентов и реальными процессами, протекающими в радиоэлектронных схемах. Используемые в радиотехнике единицы измерения некоторых физических величин представлены в табл. 1.
При вводе значений параметров необходимо использовать наиболее компактную запись, т.е. значение номинала резистора 2200 Ом в технической документации обозначается как 2,2 кОм, а значение номинала конденсатора 0,000051 мкФ записывается как 51 пФ. Это правило необходимо использовать при обозначении и других физических величин, руководствуясь табл. 1. Обозначение нФ применяется редко и, например, 10 нФ следует записывать как 0,01 мкФ, а 1 нФ – как 1000 пФ.
Таблица 1
-
Параметр
Единица СИ
Множитель
10-12
10-9
10-6
10-3
103
106
109
Сопротивление
Ом (Ом)
-
-
-
-
кОм
МОм
-
Емкость
Фарада (Ф)
пФ
(нФ)
мкФ
-
-
-
-
Индуктивность
Генри (Гн)
-
-
мкГн
мГн
-
-
-
Напряжение
Вольт (В)
-
-
мкВ
мВ
кВ
-
-
Ток
Ампер (А)
-
-
мкА
мА
-
-
-
Мощность
Ватт (Вт)
-
-
мкВт
мВт
кВт
МВт
Время
Время (С)
-
нс
мкс
мс
-
-
-
Частота
Герц (Гц)
-
-
-
-
кГц
МГц
ГГц
В результате расчета электрической схемы полученные значения номиналов компонентов определяются исходными данными и математическим выражением, связывающим искомый параметр с исходными данными. При этом полученный результат будет являться элементом бесконечного множества чисел. На практике номинальные значения величин некоторых компонентов стандартизированы и выбираются из определенных рядов чисел путем умножения либо деления их на 10n, где n – целое положительное или отрицательное число. Ниже приводится один из наиболее употребляемых рядов номинальных значений, который используется при выборе как номиналов резисторов, так и номиналов конденсаторов.
1; 1,1; 1,2; 1,3; 1,5; 1,6; 1,8;
2; 2,2; 2,4; 2,7;
3; 3,3; 3,6; 3,9
4,3; 4,7;
5,1; 5,6;
6,2; 6,8;
7,5;
8,2;
9,1.
Применительно к номинальным значениям сопротивлений это означает, что в разрабатываемой схеме могут быть использованы выпускаемые промышленностью резисторы с номиналом 1 Ом; 82 Ом; 9,1 кОм; 330 кОм и т.д., а значения конденсаторов 51 пФ; 750 пФ; 2200пФ; 0,015 мкФ также относятся к ряду номинальных значений. Фактические значения параметров компонентов могут отличаться от номинальных (значения допустимых отклонений также стандартизированы и могут составлять от десятых долей до десятков процентов). Однако определенные схемотехнические приемы позволяют получить заданные характеристики схемы при достаточно большом разбросе параметров компонентов, а компьютерное моделирование схемы (в том числе и с помощью МС8) – определить степень влияния реальных значений параметров на эти характеристики.
При вводе значений параметров компонентов (атрибут VALUE в окне задания параметров – см. раздел 3 в [1]) необходимо указать численное значение номинала, отделяя дробную часть от целой “точкой”, и без пробела ввести условное обозначение (суффикс) степени числа 10. Указывать наименование физической величины нет необходимости, так как предлагая пользователю ввести значение параметра, программа МС8 «знает» о каком параметре идет речь. Тем не менее пользователь может после обязательного суффикса ввести для наглядности любые символы, которые программой МС8 игнорируются (например, емкость 1 мкФ может быть введена как 1U или 1UF). При задании параметров резисторов и конденсаторов рекомендуется использовать таблицу 1, хотя для программы МС8 и иные представления числовых значений параметров вполне допустимы. Так сопротивление резистора 24 кОм можно ввести в виде числа 24000 или 2.4Е+4, а также (используя суффиксы) - как 24k или 0.024meg.
Главная задача, решаемая любой радиоэлектронной схемой, - обработка и преобразование сигналов, подаваемых на ее вход. Сигналы как некие физические процессы (ток, напряжение, напряженность электромагнитного поля и др.) можно наблюдать с помощью различных приборов и устройств. Однако эмпирический подход имеет существенные ограничения, и для того чтобы сделать сигналы объектом теоретического изучения и расчетов, следует указать способ их математического описания, т.е. создать математическую модель исследуемого сигнала. Математическая модель сигнала представляет собой функциональную зависимость, в которой аргументом является время. Программа МС8 содержит модели источников сигналов различного назначения (см. раздел 3.3 пособия [1]), позволяющих моделировать сигналы различной формы: импульсные и синусоидальные сигналы, сигналы с частотной модуляцией и др. Причем в качестве физической природы сигнала в МС8 используется напряжение U(t) или ток i(t).
На рис. 3 показан периодический импульсный сигнал U(t), который в МС8 можно получить с помощью источников Pulse Source и Voltage Source. На графике отмечены характерные точки сигнала:
U1 и U2 – минимальное и максимальное значения сигнала;
U>m> – амплитуда сигнала;
T1 и Т2 – начало и конец переднего фронта импульса;
Т3 и Т4 - начало и конец заднего фронта импульса;
Т – период повторения импульсов;
τ1 и τ2 – длительность переднего и заднего фронта импульса;
τ – длительность вершины импульса.
И
ногда
невозможно точно определить начало или
конец фронта импульса (или самого
импульса). Тогда длительность фронта
импульса принято измерять по точкам
графика, соответствующим уровням 0,1 и
0,9 от амплитуды сигнала U>m>
, а длительность импульса – по уровню
0,5.
Следует заметить, что обозначения параметров импульсного сигнала, принятые в моделях источников сигнала Pulse Source и Voltage Source, отличаются от вышеприведенных. Поэтому при выполнении п.п. 8…11 настоящей лабораторной работы необходимо руководствоваться описанием данных источников, приведенном в разделе 3.3 пособия [1].
М
атематической
моделью синусоидального сигнала может
служить выражение U(t)=
U>0>
+ U>m>·sin(2πft+φ),
где U>0
>- постоянная составляющая,
U>m>
– амплитуда сигнала, φ – начальная
фаза, f
– частота гармонического
колебания (период колебания T = 1/f). График функции U(t) показан на рис. 4. В программе МС8 синусоидальный сигнал U(t) моделируется с помощью источников Sine Source и Voltage Source.
При исследовании математических моделей других сигналов следует руководствоваться сведениями, приведенными в разделе 3.3 учебного пособия [1]. Математическая модель сигнала, физической сущностью которого является ток i(t), может быть задана с помощью независимого источника тока Current Source, генерирующего импульсные, синусоидальные и другие сигналы.
Для измерения параметров исследуемых сигналов следует использовать команды, сгруппированные в разделе Options>Mode [1]:
Scale (F7)
– вывод в графическое окно части графика,
заключенного курсором мыши в рамку;
Cursor
(F8)
– режим электронного курсора для
считывания координат одной или двух
точек на графике, имя переменной которого
подчеркнуто;
Point Tag
– нанесение на график значений координат
X,
Y
выбранной точки;
Horizontal
Tag
– нанесение расстояния по горизонтали
между двумя выбранными точками графика;
Vertical
Tag
- нанесение расстояния по вертикали
между двумя выбранными точками графика.
В режиме электронного курсора
()
в окне графиков появляются изображения
двух вертикальных пунктирных линий,
перемещаемых в определенные точки
графиков буксировкой правой и левой
кнопками мыши. Курсоры привязываются
к графикам, имена которых выбраны щелчком
курсора. Ниже каждого графического окна
размещается таблица значений переменных
(включая независимую переменную,
откладываемую по оси X).
В колонках таблицы располагается
информация:
имя переменной;
Left – значение переменной, помеченной левым курсором;
Right – значение переменной, помеченной правым курсором;
Delta – разность значений координат курсора;
Slope – тангенс угла наклона прямой, соединяющей два курсора.
Большинство команд управления электронным курсором и оформления графиков располагаются в меню Scope. В частности, при выполнении лабораторной работы рекомендуется применять команды:
Peak
– перемещение курсора к следующему
пику, расположенному слева или справа
от текущего положения курсора;
Valley –
перемещение курсора к следующей впадине,
расположенной слева или справа от
текущего положения курсора;
High –
перемещение курсора к наиболее высокой
точке графика;
Low –
перемещение курсора к наиболее низкой
точке графика;
Inflection
– перемещение курсора к следующей точке
перегиба.
Перемещение курсоров влево или вправо при выполнении перечисленных выше команд выполняется нажатием клавиш ←‚ → (для левого курсора) или комбинацией клавиш Shift + ←‚ (→) для правого курсора. Не менее полезными при анализе графиков являются следующие (не имеющие пиктограмм) команды из меню Scoupe:
Tag Left Cursor – нанесение на график координат левого курсора;
Tag Right Cursor – нанесение на график координат правого курсора;
Tag Horizontal – нанесение на график размерных линий между точками графика, отмеченными левым и правым курсорами, и указание расстояния между ними по горизонтали;
Tag Vertical - нанесение на график размерных линий между точками графика, отмеченными левым и правым курсорами, и указание расстояния между ними по вертикали.
Заключение
Перечисленные достоинства делают пакет программ MicroCAP-7 весьма привлекательным для моделирования электронных устройств средней степени сложности. Удобство в работе, нетребовательность к ресурсам компьютера и способность анализировать электронные устройства с достаточно большим количеством компонентов позволяют успешно использовать этот пакет в учебном процессе. В данной работе рассмотрены лишь основные сведения, необходимые для начала работы с пакетом и анализа большинства электронных схем, изучаемых в специальных дисциплинах и используемых при курсовом и дипломном проектировании. В случае необходимости дополнительные (и более подробные) сведения могут быть получены из встроенной подсказки системы (вызывается клавишей <F1> или через меню HELP/Contens).
Библиографический список
Косс В.П. Схемотехническое проектирование и моделирование в среде Micro-Cap 8: учебн. пособие. Рязан. гос. радиотехн. ун-т – Рязань, 2007. 80 с.
Разевиг В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью Micro-Cap 7. – М.: Горячая линия – Телеком, 2003. 368 с.
Крылов В.В., Корсаков С.Я. Основы теории цепей для системотехников. – М.: Высш. школа. 1990. 224 с.