Skripta Analogové el.obvody- počítačová a laboratorní cvičení

Analogové elektronické obvody

Počítačová a laboratorní cvičení

Dalibor Biolek, ÚMEL FEKT VUT Brno
2003

3
Předmluva

Praktická výuka v předmětu „Analogové elektronické obvody“ (AEO) sestává z numerických,
počítačových a laboratorních cvičení (NC, PC a LC). Trojice NC+PC+LC je rozvrhově plánována
pro všechny studijní skupiny v uvedeném pořadí s cílem nejprve teoreticky rozebrat a navrhnout
elektronický obvod, pak simulovat různé jeho vlastnosti v počítačové laboratoři, a nakonec
realizovat jeho funkční vzorek a na něm ověřit, zda obvod funguje tak jak má. Pro studenty je
povinné absolvování všech PC a LC, nicméně pro jejich úspěšné absolvování jsou potřebné znalosti
a konkrétní data, získaná v předchozích numerických cvičeních.
Simulace obvodů v počítačových cvičeních probíhá na evaluační verzi programu MicroCap 7,
kterou si studenti mohou pro svoji potřebu stáhnout z www.spectrum-soft.com. V některých
úlohách je využíván i program SNAP 2.6, jehož plná verze je dostupná na
http://snap.webpark.cz/index.html. V laboratorních cvičeních si studenti sestavují měřený obvod
na kontaktním propojovacím poli.
Pro účely zápisu a vyhodnocování výsledků z „NC+PC+LC“ musí mít každý student založen
samostatný pracovní sešit. Každá z úloh se v něm objeví „natřikrát“ v uvedeném pořadí: nejprve
poznámky z numerického cvičení (návrhové postupy a výsledky), pak vlepené zadání „PC+LC“,
příprava na „PC+LC“ a nakonec vypracování se závěry. Obsah přípravy, jakož i vyhodnocení
simulací a měření jsou přesně vymezeny v zadání úlohy v rámečcích s nadpisy „Požadovaná
příprava v pracovních sešitech před zahájením cvičení“ a „Povinné výstupy v pracovních
sešitech“. Student je z každého cvičení hodnocen za splnění/nesplnění přípravy na hodinu
(„Požadovaná příprava…“), za svoji aktivitu a šikovnost během cvičení a za splnění bodů
„Povinné výstupy…“. Přijde-li např. student nepřipraven (příp. zapomene sešit apod.), pracuje ve
dvojici a pouze na kus papíru zapisuje výsledky, které změří jeho kolega, pak nemůže počítat
s bodovým ziskem.
V skriptech naleznete zadání všech počítačových a laboratorních cvičení. Těmto zadáním jsou
předřazeny dvě kapitoly, v nichž jsou podány stručné návody, jak pracovat s programy SNAP 2.6 a
MicroCap 7.
Další informace o předmětu, jakož i návody na cvičení v elektronické formě, jsou k dispozici na
http://user.unob.cz/biolek


V Brně, září 2003
4
OBSAH


1 Program SNAP 2.6 ......................................................................................................................... 5
1.1 Úvod .........................................................................................................................................5
1.2 Rychlé seznámení se základními možnostmi programu; soubor DEMRC.CIR ......................6
1.3 Tvorba vlastního zadání můj první obvod v SNAPu .............................................................11
Co je nutné vědět před zahájením práce s editorem (aneb nejčastěji se vyskytující chyby
začátečníka) .............................................................................................................................11
Zahájení práce s editorem ........................................................................................................12
Postup při kreslení vodiče z bodu A do bodu B ......................................................................13
Parametry součástek ...............................................................................................................13
Ukládání zadání do vstupního souboru *.cir ...........................................................................14
Číslování uzlů, netlist a analýza ..............................................................................................14
Zadávání číselných hodnot parametrů součástek – zpřístupnění dalších možností analýzy ...15
Některé další možnosti bližší specifikace parametrů součástek ..............................................16
2 Program MicroCap 7 ................................................................................................................... 18
2.1 Úvod .......................................................................................................................................18
2.2 První praktické kroky v programu MicroCap 7 .....................................................................18
2.2.1 LEKCE 1 - Toulky schématickým editorem ..................................................................18
2.2.2 LEKCE 2 - Analýza "Transient" ....................................................................................21
2.2.3 LEKCE 3 - Analýza "DC" ..............................................................................................24
2.2.4 LEKCE 4 - Analýza "AC" ..............................................................................................26
2.2.5 Dynamická stejnosměrná analýza („Dynamic DC“) ......................................................31
2.3 Tvorba vlastního zadání - Můj první obvod v MicroCapu .....................................................33
Co je nutné vědět před zahájením práce s editorem ................................................................34
Zahájení práce s editorem ........................................................................................................35
Zásady pro používání příkazu .MODEL .................................................................................37
Kreslení vodičů a práce s „GRID“ textem ...............................................................................39
Problém nevodivých spojení ...................................................................................................42
Kontrolní analýza obvodu SALLEN.CIR ...............................................................................43
Návody na počítačová a laboratorní cvičení ................................................................................. 44
Pracovní bod a jeho pohyb ...........................................................................................................45
Ověřování základních vlastností OZ ............................................................................................47
Nízkofrekvenční zesilovače s OZ ................................................................................................49
AKO a generátory signálů s operačními zesilovači .....................................................................53
Operační usměrňovače .................................................................................................................53
RC oscilátory ................................................................................................................................55

5
1 Program SNAP 2.6

1.1 Úvod
Klasické numerické simulační programy poskytují pouze kvantitativní výsledky analýzy,
většinou ve formě grafů. Tyto výsledky získává uživatel programu bezprostředně po zadání modelu
obvodu a požadavků na analýzu a spuštění analýzy, tj. bez jakýchkoliv mezivýsledků, které by mu
pomohly v orientaci, proč jsou výsledky právě takové jaké vyšly.
Programy pro symbolickou a semisymbolickou analýzu jsou většinou schopny poskytovat
rovněž tyto kvantitativní grafické informace, kromě toho však generují i podstatné mezivýsledky, tj.
analytické vzorce. Z vzorců jsou pak patrné důležité souvislosti mezi obvodem a jeho chováním,
například:
• které součástky zesilovače a které parametry tranzistoru se podílejí na tvorbě střídavého zesílení
stupně,
• co musí být splněno, aby se v oscilátoru udrženy ustálené kmity a které součástky mají vliv na
velikost kmitočtu,
• jaké jsou podmínky rovnováhy konkrétního střídavého můstku,
• které parametry operačního zesilovače je třeba „hlídat“, aby aktivní filtr s tímto zesilovačem
měl požadovanou kmitočtovou charakteristiku,
• jaká je optimální hodnota neutralizační kapacity ve vysokofrekvenčním zesilovači,
apod.

K těmto výsledkům se za pomocí klasických simulátorů nelze dopracovat buď vůbec, nebo
v ojedinělých případech pracnou a neefektivní opakovanou analýzou metodou „pokusu a omylu“.
Z těchto a dalších důvodů vznikají programy pro symbolickou analýzu jako je SNAP (Symbolic
Network Analysis Program). Počítačovou simulaci se nenaučíme pouhým čtením příruček. Proto
bude studium této kapitoly nejefektivnější při současném experimentování s programem. Po
zvládnutí minimálního základu z této kapitoly můžete přistoupit k řešení sady 123 příkladů
z různých oblastí analogové techniky, které jsou součástí instalace. Přehled příkladů naleznete
v souboru EXAMPLES.XLS, případně EXAMPLES.PDF. A narazíte-li na problém, využijte
rozsáhlé nápovědy SNAPu, kterou můžete vyvolat po stlačení klávesy F1.
6
1.2 Rychlé seznámení se základními možnostmi programu; soubor DEMRC.CIR

Spustíme program EDITOR.EXE. Zvolíme nabídku File/Open. Otevře se okno, v němž se
přemístíme do podadresáře examples/basic a vybereme soubor demrc.cir. Na pracovní ploše editoru
se objeví schéma s následujícím textem:
Součástky typu In/Out definují vstupní a výstupní bránu obvodu.
Dvakrát klikněme na tělo součástky R1. Otevře se okno parametrů dané součástky.
• V položce Part je uveden symbol R, tj. rezistor.
• V položce Name je parametr součástky v symbolickém tvaru. Zjednodušeně řečeno, tento
symbol se pak objeví ve vzorci obvodové funkce jako výsledku symbolické analýzy obvodu.
• V položce R je definována numerická hodnota parametru R1 na 1 kΩ. Podrobnosti o možných
formátech dat v této položce se dozvíme později v části 4.5.3 „Tvorba vlastního zadání“.
Okno parametrů zavřeme klávesou ESC. Podobně si můžete prohlédnout okno parametrů
kapacitoru C1 a ověřit, že číselná hodnota kapacity je 10nF. Součástky typu In a Out jsou bez
parametrů.
Analýza obvodu se aktivuje v nabídce Analysis/Snap. Spustí se vlastní analyzační program
SNAP.
Tip:
detailní hypertextovou nápovědu SNAPu získáte v jakémkoliv režimu po stlačení klávesy F1.
Okno programu SNAP vypadá následovně:
7

V pravém sloupci obvodových funkcí zvolíme Kv (přenos napětí). Výsledky analýzy se objeví
v okně Voltage gain (open output).
Všimněme si, že okno výsledků je uspořádáno do tří složek.
- symbolická a semisymbolická analýza obvodové funkce
- grafy kmitočtových charakteristik
- grafy časových odezev.
symbolická analýza:
semisymbolická analýza:
zlomková čára
111
1
CsRKV +=
seeKV += 51
151
žádné nulové body
pól –1e5
přechodová charakteristika – odezva na jednotkový skok
( ) teth 1000001 −−=
impulsní charakteristika – odezva na Diracův impuls
( ) teetg 10000051 −=
dvojbranové
funkce
sloupec
obvodových
funkcí
řádková nápověda
8
Klikněme do složky kmitočtových charakteristik . Objeví se graf amplitudové kmitočtové
charakteristiky typu dolní propust.
Klikneme do ikony cursor on/off. Táhnutím myši za současného držení levého tlačítka můžeme
pohybovat tzv. levým kurzorem (left cursor). Ve spodní části obrázku odečítáme v řádku L (left)
souřadnice kurzoru. Zkusme změřit mezní kmitočet f0, při němž poklesne přenos článku o 3 dB
oproti referenční hodnotě stejnosměrného přenosu 0 dB: je to asi 15.9 kHz (viz obrázek vpravo).
Další tip na samostatné experimenty:
Na obrazovce je i tzv. pravý kurzor (right cursor), který lze posouvat pravým tlačítkem myši.
Podrobnosti viz nápověda (F1).

Nyní přidejme do grafu fázovou kmitočtovou charakteristiku. Klikneme na ikonu Setup. Objeví
se okno Graph setup. Okno je uspořádáno do 6 složek (podrobnosti viz nápověda):
Sweep - parametry nezávisle proměnné (u kmitočtové
analýzy frekvence, u časové analýzy čas): hraniční
hodnoty a počet bodů výpočtu;
Step - krokování parametrů součástek pro vícenásobnou
analýzu
X - definice proměnné zobrazované na vodorovné ose a
parametry zobrazení
Y1 - definice proměnné č.1, které bude odpovídat
křivka č.1, a parametry zobrazení
Y2 - definice proměnné č.2 ,které bude odpovídat
křivka č.2, a parametry zobrazení
Dep. - editor závislostí.
Po kliknutí na složku Y1 se přesvědčíme, že nastavenou proměnnou č.1 je „mag. in dB“.
Proměnná č.2 standardně není definována (položka „none“ v složce Y2). Změňme ji na phase (viz
obr.). Po potvrzení OK získáme křivku fázové kmitočtové charakteristiky.
cursor on/off
řízení analýzy a
grafických výstupů
9

Tip:
pomocí nápovědy (F1) nastudujte, jak přepínat kurzory mezi křivkami. Pak ověřte, že na
kmitočtu f0 (kmitočet třídecibelového poklesu amplitudové kmitočtové charakteristiky) je fázový
posuv mezi výstupním a vstupním napětím 45 stupňů.

Klikneme do složky časové analýzy . Zobrazí se přechodová charakteristika obvodu jako
jeho odezva na jednotkový skok.

Stejným postupem jako u kmitočtové analýzy přidejte křivku impulsní charakteristiky, tj. odezvy
na jednotkový (Diracův) impuls (Setup/Y2/pulse resp.).
V režimu Cursor on si ověřte poučku, že kondenzátor se za časovou konstantu t = R1C1 = 10µs
nabije na 0,632 násobek konečného napětí v ustáleném stavu (viz obr. P1.8 v příloze P1).
Tipy pro samostatné experimenty:
Pro přesnější odečítání souřadnic kurzorů zvětšete počet bodů výpočtu
(Setup/Sweep/points). Detaily křivek lze získat buď úpravou parametrů min a max v složce
Sweep, nebo v režimu Cursor off lze detail „vyříznout“ přímo pomocí levého tlačítka myši.
Původní měřítka je možné obnovit klávesou F6.
Pokuste se v složce kmitočtové analýzy zobrazit komplexní kmitočtovou
charakteristiku {Im[KV], Re[KV]}: Setup/X/real part, Y1/imag. part, Y2/none. Prozkoumejte
osa křivky „mag“
osa křivky „phase“
10
způsob prohlížení křivky kurzory. Zamyslete se nad souvislostmi mezi komplexní
kmitočtovou charakteristikou a dílčími charakteristikami amplitudovou a fázovou.

Krokování: provedeme vícenásobnou analýzu obvodu při různých parametrech určité součástky,
např. R1.
Přepneme se do složky kmitočtové analýzy .Aktivujeme ikonu Setup a poté složku Step.
V okně Step what vybereme R1=1k a položky from, to a steps vyplníme podle obrázku. Kliknutím
na OK se vykreslí 10 kmitočtových charakteristik pro
R1=(100,200,300,400,500,600,700,800,900,1000) Ω.
V režimu Cursor on můžeme kurzor přepínat po křivkách pomocí kurzorových kláves ↑↓ (levý
kurzor), příp. Shift + ↑↓ (pravý kurzor). Krokovaný parametr R1 aktuální křivky se objevuje na
řádku souřadnic. Detaily viz nápověda (F1).
Přepněte do složky časové analýzy a zobrazte síť přechodových charakteristik.
Ověřte, že při růstu R1 klesá mezní kmitočet obvodu a roste jeho časová konstanta.

Krokování se vypíná volbou Setup/Step/none.

step what
R1 R1
11
1.3 Tvorba vlastního zadání můj první obvod v SNAPu

Nakreslete schéma RLC obvodu podle obrázku (viz též vzorový soubor demrlc1.cir).
Součástkám přiřaďte parametry R1=1 kΩ, C1=10 nF, L1=253 µH.
Vysvětlující poznámka: Součástky typu In a Out jsou vstupní a výstupní dvojpóly. Umístěním
součástky In, resp. Out mezi 2 uzly definujeme vstupní, resp. výstupní svorky obvodu. Zda je
vstupní, resp. výstupní veličinou napětí nebo proud, se dodatečně určí až při analýze obvodu v
programu SNAP.
Po spuštění programu EDITOR.EXE se objeví jeho úvodní obrazovka:

Co je nutné vědět před zahájením práce s editorem (aneb nejčastěji se
vyskytující chyby začátečníka):
Standardně je editor nastaven v režimu Select. Jestliže však kliknete levým tlačítkem myši na
libovolnou součástku v sloupci součástek, editor se nastaví do režimu Component a je připraven pro
pokládání vyznačené součástky na pracovní plochu. K umístění součástky dojde kliknutím levého
tlačítka myši kamkoliv na pracovní plochu, a to do místa kliknutí. Z toho plynou důležité závěry:
• Při umísťování součástky najeďte kurzorem kamkoliv na pracovní plochu, zmáčkněte a držte
levé tlačítko myši. Umístěte součástku do místa, kam ji chcete položit, a až pak tlačítko
uvolněte.
Tip: pokud při držení levého tlačítka současně mačkáte pravé, dochází k rotaci schématické
značky. Opakujte tak dlouho, dokud není značka v požadované pozici. Jestliže je značka
složitější (např. tranzistor), dochází postupně i k jejímu zrcadlení.
• Pokud se vám nepodařilo součástku umístit do správné pozice a chcete ji dodatečně změnit,
neklikejte znovu na pracovní plochu. Jste totiž v režimu Component, takže každé kliknutí
znamená opakované umísťování téže vybrané součástky na plochu. Pokud se tak stane, musíme
se nejprve přepnout do režimu Select. Klikneme-li na součástku v tomto režimu, dojde k jejímu
prosvětlení. Nyní máme řadu možností editace:
• smazání (Del)
sloupec součástek
lišta režimů editoru
vstup/výstup analýza obvodu

pracovní plocha
pro kreslení
Lišta režimů editoru:
Component: pokládání
schématických značek na
plochu pro kreslení.
Select: Editace již
položených značek, vodičů a
textů (mazání, rotace,
přemísťování, modifikace).
Line: Kreslení vodičů.
Jumper: Umísťování
„jumperů“ pro nevodivé
křížení vodičů.
Text: Umísťování textů na
plochu (nadpisy, nápisy,
poznámky…).
12
• přesun (držením levého tlačítka myši)
• rotaci a zrcadlení (držením levého a mačkáním pravého tlačítka myši)
• změny atributů součástky (dvojím kliknutím).
Zahájení práce s editorem:
Klikněte levým tlačítkem myši do lišty součástek na položku R (rezistor). Položka R se zvýrazní
a editor přejde do režimu Component (režim vkládání značek na pracovní plochu, zvýrazní se
položka Component v spodní liště). Nyní přesuňte kurzor myši kamkoliv do prostoru pracovní
plochy a zmáčkněte a držte levé tlačítko myši. Na místě kurzoru se objeví schématická značka
rezistoru, kterou můžeme pohybovat po ploše. Po nalezení vhodné polohy (předloha viz obr.)
uvolníme levé tlačítko, čímž se schématická značka umístí.
POZOR! Pokud nejste s pozicí
značky spokojeni, postupujte
podle výše uvedených pokynů
z části „Co je nutné vědět před
zahájením práce s editorem
(aneb nejčastěji se vyskytující
chyby začátečníka)“.

Poznámka: pokud se vám
podařilo součástku správně
umístit až na několikerý pokus
a mezitím jste prováděli její
mazání, budete mít
pravděpodobně namísto R1
součástku označenu vyšším
indexem. Vůbec se tím
neznepokojujte, nápravu
sjednáme na závěr tvorby
schématu.
Nyní přidáme kapacitor podle
následujícího obrázku.
Klikneme na C v sloupci
součástek, najedeme kurzorem
na pracovní plochu,
zmáčkneme a držíme levé
tlačítko myši. Kapacitor je
nutné překlopit do svislé
polohy, což zajistíme kliknutím
na pravé tlačítko myši. Pak
teprve součástku umístíme.
Pokud jste to zvládli, umístěte
obdobným způsobem induktor
(L), vstupní (input) a výstupní
(output) dvojpól. Snažte se
docílit stavu podle obrázku
(pozor na orientaci polarity
vstupního a výstupního
dvojpólu!).
Nyní můžeme doplnit schéma propojovacími vodiči.

13
Postup při kreslení vodiče
z bodu A do bodu B:
• Editor přepneme do režimu
Line.
• Kurzor myši přemístíme do
bodu A.
• Zmáčkneme a držíme levé
tlačítko myši.
• Táhnutím přemístíme
kurzor do bodu B.
• Uvolníme tlačítko myši.

Aplikujte na naše schéma.
Výsledek by měl odpovídat
následujícímu obrázku.

Tip: Nejsou-li body A a B na
stejné horizontální úrovni, je
možné měnit charakter
zalomení čáry při jejím
„tažení“ přepínat pravým
tlačítkem myši.

Poznámka: Hodláte-li nyní
editovat položené součástky
nebo vodiče, je nutné přepnutí
do režimu Select.
Všimněte si, že vždy poslední
umístěný objekt je