Skripta Analogové el.obvody- počítačová a laboratorní cvičení

vykreslen
červenou barvou (je označen).
Toto odstraníme v režimu
Select kliknutím myší
kamkoliv na pracovní plochu
mimo prostor, kde jsou
umístěny objekty.

Parametry součástek

Součástky mají zatím zadány pouze své symbolické parametry R1, L1 a C1. Parametry je možné u
každé součástky modifikovat v okně Parameters, které se objeví, jestliže v režimu Select dvakrát
klikneme na tělo součástky.
Kliknutím na rezistor R1
zpřístupníme okno na obrázku.

Význam jednotlivých položek:

Part: Označení typu
součástky. R znamená rezistor.
Tmavé pozadí okénka značí, že
jeho obsah není možné
editovat.
označení součástky ve schématu
bližší specifikace parametru
zástupný symbol
14
Name: Označení součástky ve schématu. Toto označení je možné uživatelem změnit.
R .. bližší specifikace parametru, v tomto případě odporu součástky R1. Zástupný symbol % má
následující význam:
Zastupuje výraz v položce Name, tj. v našem případě R1. Tento výraz je pak použit ve vzorci
symbolického výsledku. Chceme-li docílit, aby ve vzorci výsledku namísto R1 figurovalo
například jen krátké R, máme 2 možnosti:
- namísto symbolu % zapíšeme přímo R
- zástupný symbol necháme nezměněn, ale přepíšeme obsah položky Name z R1 na R. Tím se
ale ve schématu u rezistoru objeví označení R namísto R1.
Chceme-li blíže specifikovat parametr součástky, např. zadat i jeho číselnou hodnotu R1=1kΩ,
můžeme to udělat připsáním
%=1k
(podrobnosti v dalším textu).

Poznámka: Pokud indexy vašich součástek jsou z jakéhokoliv důvodu jiné než jedničky, změňte je
tak, aby vaše schéma odpovídalo obrázku.

V první fázi nebudeme parametry součástek dále modifikovat.

Ukládání zadání do vstupního souboru *.cir
Před analýzou je vhodné uložit vytvořené schéma na disk. Provedete tak pomocí nabídky
File/Save as. Na obrázcích je
ukázka ukládání do adresáře
examples/my. Název souboru
jsme zvolili first.cir.

Číslování uzlů, netlist a
analýza

Během vytváření schématu si
editor provádí interní číslování
uzlů. Výsledek číslování závisí
na tom, v jakém pořadí jsme
jednotlivé součástky umísťovali
na plochu. Čísla uzlů lze
zobrazit pomocí nabídky
Analysis/show Node numbers
(viz obr.).
V rozbaleném menu Analysis
15
jsme si mohli všimnout položky
Save netlist.
Netlist je výstup editoru ve formě textového souboru *.snn,
v němž jsou uloženy informace o elektrických parametrech
součástek a jejich vzájemném propojení. Netlist je vstupním
souborem pro analyzátor SNAP.
Je-li schéma uloženo v souboru *.cir a spustíme-li analýzu přes
menu Analysis/Snap, automaticky se vygeneruje netlist *.snn, spustí
se Snap a převezme data z netlistu. V tom případě tedy není nutné
provádět samostatné ukládání netlistu příkazem Save netlist.
Pomocí menu Analysis/Snap (resp. stlačením horké klávesy F11)
tedy spustíme analyzátor Snap, čímž se otevře jeho okno.
Upozornění: Pokud se místo spuštění SNAPu objeví chybové hlášení „Could not launch application“, znamená to,
že je narušen obsah inicializačního souboru EDITOR.INI. V tom případě vyvolejte posloupností Options/Options
okno Options a vyplňte položku command line textem snap.exe %f. Podrobnosti viz dokumentace k editoru.
Nyní se přesvědčíme, že na disku je vygenerovaný netlist first.snn. Najdeme jej pomocí
průzkumníka nebo libovolného diskového manažera v stejném adresáři, do něhož jsme uložili
soubor first.cir. Prohlédneme si jeho obsah:

R_R1 1 2 R1
C_C1 2 3 C1
L_L1 2 3 L1
I_I1 1 3
O_O1 2 3

Každému řádku odpovídá jedna součástka ze schématu. První symbol na řádku koresponduje s
položkou Part v okně Parameters součástky. Pak následuje spojka _ a za ní obsah položky Name.
Čísla pak znamenají uzly, mezi nimiž je součástka zapojena. Řádek končí interpretací položky
bližší specifikace parametru, v níž jsme u všech součástek zatím ponechali zástupný symbol %.
Znamená to tedy, že se zde objeví kopie položky Name.
Vrátíme se do okna Snapu a klikneme do ikony Kv (přenos napětí). V okně výsledků se objeví
tento obsah:

_____________symbolic_________________
s*( L1 )
--------------------------------------
R1
+s*( L1 )
+s^(2)*( R1*C1*L1 )

Tento výsledek lze interpretovat jako vzorec pro přenosovou funkci
111
2
11
1
LCRssLR
sLK
V ++=
Další typy analýz (semisymbolická a numerická) nejsou k dispozici, protože jsme nezadali
číselné hodnoty parametrů všech součástek.
Zadávání číselných hodnot parametrů součástek – zpřístupnění dalších možností
analýzy
Následující práce budeme provádět ve schématickém editoru. Na spodní liště nalezneme jeho
ikonu a přepneme se do něj. Naším cílem bude nyní zadat numerické hodnoty parametrů R1 = 1 kΩ,
C1 = 10 nF, L1 = 253 µH.
16
Číselný parametr součástky se definuje v položce bližší specifikace parametru v okně
Parameters. V režimu Select dvakrát klikněte do schématické značky rezistoru R1. Zástupný
symbol % doplňte takto:
%=1k
Pozor! Mezi jednotlivými znaky nesmí být mezery! Další častou chybou je psaní desetinné čárky
namísto správné desetinné tečky, například: 1.75n (správně), 1,75n (špatně).
Tím jsme symbolu R1, který se skrývá za zástupným symbolem %, přiřadili hodnotu 1k. Stejně
tak dobře je možné místo 1k zapsat například 1000, 1e3 apod.
Poznámka k inženýrské notaci: nerozlišují se velká a malá písmena, takže 10-3 je 1m stejně jako
1M. Proto 106 má speciální označení 1meg (nebo 1MEG). Další anomálií je 10-6 jako 1u (1U).
Podrobnosti viz nápověda SNAPu a příloha P7).
Doplňte tedy postupně číselné hodnoty pro R1=1k (1k), C1=10nF (10n) a L1=253µH (253u).
Pak opět spusťte analýzu (F11 nebo Analysis/Snap). Pokud jste při zadávání udělali chybu, objeví
se chybové hlášení „Error in parameter definition“ s odkazem na číslo řádku v netlistu, kde k chybě
došlo. V tom případě nepostupujte dále, dokud chybu neodstraníte.
Zkuste si nyní prohlédnout netlist first.snn, který se mezitím změnil:
R_R1 1 2 R1=1k
C_C1 2 3 C1=10n
L_L1 2 3 L1=253u
I_I1 1 3
O_O1 2 3
Je doplněn o číselné parametry součástek.
Po aktivaci výpočtu KV v Snapu dostaneme kromě symbolické analýzy i analýzu
semisymbolickou a uvolní se další funkce včetně analýzy kmitočtových charakteristik a časových
průběhů.

Některé další možnosti bližší specifikace parametrů součástek

Vrátíme se do editoru. Změňme zadání symbolických parametrů tak, aby ve vzorci přenosové
funkce namísto symbolů R1, C1 a L1 figurovaly pouze zkrácené symboly R, L a C. V režimu Select
dvakrát klikněte na značku rezistoru a původní obsah položky
%=1k
přepišme na
R=1k
Původní zástupný symbol % představuje položku R1 z okénka Name. Nyní bude symbolický
parametr rezistoru R1 přímo R.
Obdobně změňte zástupné symboly C1 a L1 na C a L. Přesvědčte se, že výsledek symbolické
analýzy ve Snapu je nyní
________symbolic_________________
s*( L )
--------------------------------------
R
+s*( L )
+s^(2)*( R*C*L )
Další výsledky analýzy jsou pochopitelně nezměněny.
Vraťte se do editoru. Zkuste nyní modifikovat současný popis induktoru
L=253u
na
253u.
17
Prohlédněte si nyní výsledky symbolické analýzy
_____symbolic_________________
s*( 0.000253 )
--------------------------------------
R
+s*( 0.000253 )
+s^(2)*( 0.000253*R*C )

a pokuste se porozumět principu. K čemu je možno tohoto postupu využít?
S dalšími možnostmi definování parametrů se můžete seznámit prostřednictvím nápovědy Snapu
(F1).


18
2 Program MicroCap 7

2.1 Úvod

Na úvod jedno důležité upozornění. V následujících lekcích budeme pracovat se vzorovými
vstupními soubory („circuit files“), které jsou součástí instalace MC7. Během experimentů bude
docházet k jejich modifikacím. Je proto vhodné před ukončením programu nebo vždy, když se
program zeptá, zda si přejeme uložit změny, odpovědět NE (NO). Pokud chcete mít větší jistotu, že
originální soubory zůstanou nezměněny, zálohujte si raději jejich kopie.

2.2 První praktické kroky v programu MicroCap 7

2.2.1 LEKCE 1 - Toulky schématickým editorem

V této lekci se seznámíme s prostředím schématického editoru, ovšem zatím bez toho, abychom
se učili kreslit schémata. Nahlédneme do metod zadávání vstupních dat pro simulátor. Poprvé se
seznámíme s příkazem .model a začneme tušit jeho význam. Vyvstane řada otázek. Na některé
nalezneme odpověď hned, zodpovězení dalších si vyžádá další studium.

Spustíme program MC7.EXE. V nabídce File zvolíme Open a v okně Otevřít vybereme vstupní
soubor TTLINV.CIR, který se nachází v adresáři DATA. Na monitoru se objeví schéma z obr. 2.1.

Obr. 2.1. Model hradla NAND na tranzistorové úrovni.
Jedná se o model hradla NAND na tranzistorové úrovni. Je doplněn dvěma invertory, které jsou
modelovány jako logické obvody.
Na pracovní ploše jsou v podstatě tyto objekty:
Schématické značky součástek, popsané jejich identifikátory (označení součástek, resp. jejich
parametrů, a číselné hodnoty), propojovací vodiče a text. Text v horní části obrázku evidentně
obsahuje informativní poznámky, které nemají pro vlastní simulaci význam. Text .options itl4=20
je příkaz (jak uvidíme později, příkazy začínají tečkou) a jako takový ovlivňuje činnost simulátoru.
19
Další typ textu je představován textem In, který je umístěn u horního vývodu zdroje V1. Jedná se o
jméno příslušného uzlu.
Všimněme si, že se nacházíme v složce, ne nepodobné složkám Excelu, jejíž jméno je Page 1.
Druhá složka editoru se jmenuje Text. Klikneme-li do ní, objeví se její obsah:
.options digiolvl=1
.MODEL d d (is=10f tt=10n cjo=900f vj=0.7)
.MODEL qn npn (bf=75 is=1f cjc=5p cje=2p vaf=50 tf=.5n tr=5n var=100)
.MODEL v pul (vone=3.5 p1=1000p p2=2n p3=40n p4=41n p5=100n)
.MODEL DLY_TTL UGATE (TPLHTY=11NS TPLHMX=22NS TPHLTY=8NS TPHLMX=15NS)

* STANDARD TTL DIGITAL INPUT and OUTPUT MODELS
.model DO74 doutput (
+ s0name="1" s0vlo=2 s0vhi=5.5
+ s1name="X" s1vlo=.8 s1vhi=2
+ s2name="0" s2vlo=-1.5 s2vhi=.8)

V této složce jsou z „estetických“ důvodů umístěny texty, které by působily rušivě, kdybychom
je rozmístili přímo na kreslicí plochu do složky Page 1. Principiálně je to však možné. Zatím víme
jen to, že texty typu .options a .model jsou příkazy pro simulátor. Text začínající znakem * je
poznámka. Prozatím si řekněme, že zde první tři uvedené příkazy .model definují matematické
modely diody D1, tranzistorů Q1, Q2 a Q3 (které mají stejný model s označením qn), a model
zdroje signálu V1.
Přepněme se zpět do složky Page 1.
V tuto chvíli nám možná již vrtají hlavou první nejasnosti, například:
Nestačí nakreslit schéma jako v programu SNAP bez toho, abychom museli psát nějaké
příkazy (kdo se je má učit..)?
V této věci můžeme zůstat prozatím klidní: například příkazy .model se vytvářejí zcela
automaticky po umístění značky konkrétní součástky na kreslicí plochu. Tyto příkazy pak můžeme,
ale nemusíme upravovat k „obrazu svému“. Příkaz .options .itl4=20 je vložen “ručně” uživatelem
programu (již zkušenějším) ve snaze obejít určité problémy simulátoru při analýze tohoto
konkrétního obvodu.
Když už musím něco psát do záložek, jak je to s dodržováním konvence VELKÁ/malá písmena
(např. u příkazů .options jsou malá písmena a u .MODEL velká)?
Většina simulátorů nerozlišuje mezi velkými a malými písmeny. Tak je tomu i u MicroCapu. To
je například důvod, proč se u inženýrské notace musí odlišit mili (což lze zapsat buď jako m nebo
M) od mega (zapísuje se jako MEG, případně meg, mEg apod.).
Z jaké nabídky mohu vybírat součástky, jaká jsou pravidla pro ukládání značek na kreslicí
plochu, jakým způsobem se kreslí vodiče, co to znamená, že některé uzly mohou mít své jméno,
a jak se vůbec pracuje v prostředí schématického editoru?
Nepředbíhejme, tyto věci se naučíme v části „Tvorba vlastního zadání“.

Během kreslení schématu si program automaticky čísluje uzly. Čísla uzlů nejsou běžně viditelná.
Zobrazit je můžeme buď kliknutím na ikonku na dolní liště v horní části obrazovky, nebo
aktivací nabídky Options/View/Node Numbers. Výsledek je uveden na obr. 2.2.

20

Obr. 2.2. Zviditelnění čísel uzlů.
Uzel, k němuž je připojeno uzemnění, je automaticky opatřen číslem 0 a toto číslo se
nezobrazuje. Z hlediska metody uzlových napětí, která bude použita k sestavování obvodových
rovnic, se jedná o referenční uzel. Značka uzemnění nesmí chybět v modelu žádného obvodu,
chceme-li jej analyzovat MicroCapem. Upozorňujeme na rozdíl oproti programu SNAP, kde se
uzemnění nepoužívá. SNAP totiž pracuje s úplnou pseudoadmitanční maticí, z nichž nakonec
sestavuje potřebné algebraické doplňky.
Způsob číslování uzlů závisí na tom, v jakém postupu jsme vytvářeli schéma. Teoreticky tedy
mohou existovat dvě na první pohled stejná zapojení s různě očíslovanými uzly.
Texty 4$ATOD, 11 a 12 v obdélníčcích souvisí s pravidly simulace logických obvodů. V tomto
textu se jimi nebudeme zabývat.
Zatím toho mnoho nevíme o signálovém zdroji V1, který je připojen k vstupu simulovaného
hradla do uzlu In (číslo uzlu 10). Poklepáním na jeho značku levým tlačítkem myši se aktivuje okno
Pulse Source – viz obr. 2.3.

Obr. 2.3. Editační okno zdroje impulsního napětí.

Z okna lze i bez předběžných znalostí zjistit, že:
Součástka se nazývá “Pulse Source” – zdroj impulsů. Autor obvodu TTLINV.CIR nazval
model tohoto zdroje jednoduše V. Pro tento model pak vyplnil 7 číselných parametrů v dolní části
obrazovky. Význam těchto parametrů zdroje impulsů je zřejmý z přílohy P10.1.1: Jedná se o zdroj
napětí o minimální hodnotě 0 V (VZERO) a maximální hodnotě 3,5 V (VONE). Signál je nulový až
do časového okamžiku 1000 ps (= 1ns = P1). V čase P2 = 2ns dosáhne hodnoty VONE = 3,5 V,
21
nástupná hrana impulsu tedy bude trvat 1 ns. V čase P3=40 ns začíná sestupná hrana impulsu a
končí zpátky na úrovni VZERO= 0 V v čase P4=41 ns (sestupná hrana tedy má délku 1 ns). Impulsy
se opakují s periodou P5=100 ns.
Z textu “Source:Local text area of C:\CAD\MC7\DATA\TTLINV.CIR” je zřejmé, že parametry
modelu jsou načteny ze vstupního souboru TTLINV.CIR.
Porovnejme nyní parametry zdroje s příslušným zápisem modelu tohoto zdroje v složce Text:

.MODEL v pul (vone=3.5 p1=1000p p2=2n p3=40n p4=41n p5=100n)

Chybí parametr VZERO, jinak vše ostatní „sedí“. Proč tento parametr chybí? Na začátku
nemusíme vědět všechno, je třeba se doučit něco o tzv. implicitních parametrech modelů, viz str.
39.


2.2.2 LEKCE 2 - Analýza "Transient"

V této lekci přistoupíme k analýze obvodu TTLINV.CIR. Pokusíme se zjistit, jaké budou
časové průběhy výstupního napětí hradla (uzel 4 oproti zemi) a napětí kolektor-emitor u tranzistoru
Q2, bude-li na vstupu působit zdroj definovaných impulsů.
Rozbalíme položku Analysis na horní liště a zvolíme první z nabízených typů analýz – Transient
(analýza časových průběhů). Objeví se okno Transient Analysis Limits (viz obr. 2.4).
Podrobný popis jednotlivých položek je uveden v dokumentaci programu. Prozatím si řekneme,
že:
Simulace časových průběhů proběhne pro časový interval 100 ns (Time Range). Výsledkem
analýzy bude 5 časových průběhů v jediném obrázku č. 1 (jedničky ve sloupci P). Na vodorovné
ose bude vždy čas (proměnná T v sloupcích X expression), na svislé ose budou vyneseny tyto
veličiny: napětí uzlu in proti zemi, napětí uzlu č. 4, napětí mezi kolektorem a emitorem
tranzistoru q2, a digitální stavy signálů na uzlech č. 11 a 12 (v(in), v(4), vce(q2), d(11), d(12) ve
sloupci Y expression). Další dva časové průběhy, elektrický náboj mezi bází a emitorem
tranzistoru q1 (qbe(q1)) a kapacita mezi bází a kolektorem téhož tranzistoru (cbc(q1)) se
nebudou zobrazovat.
K simulaci dojde po aktivaci tlačítka „Run“ v okně „Transient Analysis Limits“ nebo po stisku
„horké“ klávesy „F2“. Objeví se okno s výsledkem analýzy (viz obr. 2.5).
Z obrázku je zřejmá setrvačnost odezvy hradla (křivka v(4)) na vstupní signál (křivka v(in)).

Poznámka: Jestliže se vám „podaří“ během experimentů v tomto grafickém režimu („Scale
Mode“, viz dále) například podstatně změnit měřítka grafu a potřebujete obrázek
uvést do původního stavu, slouží k tomu „dvojhmat“ Ctrl Home.

Okno grafických výstupů se nyní nachází v tzv. „Scale Mode“ (je „zamáčklá“ ikona tohoto
režimu). Požadujeme-li „měřit“ souřadnice jednotlivých křivek, hledat jejich maxima, minima a
další význačné body, přepneme se do „Cursor Mode“ kliknutím na ikonu , případně na některou
z ikon v pravé části lišty pro vyhledávání specifických bodů křivky. Podrobnosti naleznete v
nápovědě programu nebo v manuálu.
22

Obr. 2.4. Přednastavené okno “Transient Analysis Limits” pro obvod TTLINV.CIR.

Obr. 2.5. Výsledky časové analýzy (Transient Analysis) obvodu TTLINV.CIR.
Prohlédneme-li si znovu obr. 2.4, zjistíme, že je zatržena položka Operating Point, tj. „Pracovní
bod“. Znamená to, že program nejprve nalezne stejnosměrný pracovní bod obvodu „v čase 0“, tzn.
při uvažování napětí vstupního impulsního zdroje na úrovni VZERO = 0 V, a teprve pak řeší –
rozvíjením z tohoto bodu – odezvy na impulsní signál. V praxi to odpovídá situaci, kdy při
VZERO = 0 V připojíme k obvodu napájecí zdroj, počkáme, až dozní přechodné procesy s tím
spojené a obvod se ustálí do stejnosměrného pracovního bodu, a teprve pak simulujeme odezvu na
vstup.
23
Nyní zkusme zatrhnout položku „Operating Point Only“, tj. „Jen pracovní bod“. V tomto režimu
simulátor nalezne stejnosměrný pracovní bod a ukončí analýzu, abychom si mohli prohlédnout
výsledek. Po aktivaci Run, resp. F2, se objeví „prázdné“ okno výsledků analýzy, bez vykreslených
odezev. Nacházíme se totiž v počátku časové osy. Nalezený pracovní bod si můžeme prohlédnout
dvěmi metodami: pomocí tzv. „State Variables Editoru“ nebo přímo ve schématu.
Do State Variables Editoru, neboli editoru stavových proměnných, se dostaneme přes volby
Transient/State Variables Editor. Příslušné okno je na obr. 2.6.

Obr. 2.6. Okno editoru stavových proměnných.
Podrobnosti budou popsány v nápovědě. Prozatím postačí konstatování, že za stavové proměnné
považuje simulátor všechna uzlová napětí, proudy všemi induktory, pokud se v obvodu nacházejí,
popř. logické stavy v uzlech, kam jsou připojeny logické obvody. V sloupci „Node Voltages“ si
můžeme prohlédnout příslušná napětí v pracovním bodu.
Stavové veličiny si můžeme takto zobrazit vždy po ukončení každého analyzačního běhu, nikoliv
pouze u stejnosměrného pracovního bodu. Důležité je uvědomit si, že se jedná o okamžité hodnoty
v okamžiku ukončení analýzy. Je-li viditelné toto okno i během analýzy, můžeme dokonce sledovat
vývoj stavových proměnných i při analyzačním běhu.
Všimněme si, že editor umožňuje jednak libovolně editovat jednotlivé proměnné, jednak stav
obvodu ukládat („Write“) do souboru, načítat stav ze souboru („Read“) a další operace, o nichž je
podrobněji pojednáno v nápovědě programu.
Nyní ukončíme analýzu v režimu „Transient“ a vrátíme se do schématického editoru. Můžeme
tak učinit buď postupným uzavíráním otevřených oken, nebo výhodněji aktivací horké klávesy F3.
V paměti je držena informace o stavu obvodu, ve kterém se nacházel v okamžiku ukončení
analyzačního běhu, tj. informace o pracovním bodu. Kliknutím do ikony na liště zviditelníme
rozložení uzlových napětí – viz obr. 2.7.

Obr. 2.7. Druhá metoda zviditelnění uzlových napětí – přímo v schématu.
24
Podobně lze zobrazit proudy všemi prvky ( ), výkon rozptylovaný na každém prvku ( ) a
stav aktivních prvků, tj. lineární režim, saturace apod