Skripta Analogové el.obvody- počítačová a laboratorní cvičení

. ( ). Pro přehlednost nedoporučujeme
zobrazovat více druhů těchto veličin najednou.

Na závěr shrnutí:
Jaké „horké“klávesy je vhodné používat k urychlení práce se simulátorem?

F2 … Spuštění analýzy, pokud jsou již nastavena její vstupní data v okně „Analysis Limits“. Platí
pro všechny tři základní typy analýz (Transient, AC, DC).
F3 … Ukončí daný analyzační režim, uzavře všechna okna s výjimkou základního okna se
schématem obvodu. Výsledky analýzy jsou drženy v paměti.


2.2.3 LEKCE 3 - Analýza "DC"

V této lekci nahlédneme do dalšího zákoutí programu, které nabízí tzv. „DC“ neboli
stejnosměrnou analýzu. Program v tomto režimu simuluje stejnosměrná měření v laboratoři
metodou „bod po bodu“. Typickými úlohami jsou například měření ampérvoltových charakteristik
diod I = f(U) nebo napěťových převodních charakteristik U2 = f(U1). K demonstraci použijeme opět
model hradla NAND ze souboru TTLINV.CIR.

Z nabídky „Analysis“ nyní vybereme třetí položku „DC“. Otevře se okno „DC Analysis Limits“
(viz obr. 2.8).
Bez podrobného objasňování jednotlivých položek shrňme, že:

Budeme simulovat postupné nastavování napětí zdroje V1 („Variable 1“, je na vstupu hradla) od
0 V do 2 V. Krok nastavování 0,001 V se neuplatní, protože se bude nastavovat automaticky
(AUTO) tak, aby získaná křivka byla dostatečně hladká. Výsledkem analýzy budou 3 křivky
v jediném obrázku. Na vodorovné ose bude vždy uzlové napětí příslušející uzlu In, tj. napětí
zdroje V1. Na svislou osu se postupně vynáší napětí uzlu 4 a stavy logických signálů v uzlech č.
11 a 12. Simulace se provede pro teplotu 27 C.



Obr. 2.8. Okno „DC Analysis Limits“ přednastavené pro obvod TTLINV.CIR.

Po aktivaci „Run“ (F2) získáme výsledky simulace na obr. 2.9.
25

Obr. 2.9. Výsledek stejnosměrné (DC) analýzy obvodu TTLINV.CIR.
Převodní charakteristika hradla je vykreslena poněkud silně, protože je aktivována ikona
„Data Points“. To znamená, že na křivce jsou znázorněny všechny body, v nichž proběhl výpočet.
Zkuste do ikony kliknout, funguje jako přepínač.
Vrátíme se do okna „DC Analysis Limits“. Přepíšeme položky tak, jak je to vidět na obr. 2.10.
Nový zápis v položce „Range“ u „Temperature“ nyní znamená, že analýza proběhne pro teplotní
rozsah od 0°C do 100°C v krocích po 20°C. Měli bychom tedy obdržet celkem 6 charakteristik pro
teploty (0, 20, 40, 60, 80, 100)°C. V sloupci „P“ jsou v 2. a 3. řádku odstraněna čísla obrázku 1,
takže se nebudou do obrázku vykreslovat logické stavy v uzlech 11 a 12. Měřítko na ose Y je
pozměněno na 3V (tj. rozsah od 0 V po 3 V).

Obr. 2.10. Modifikace vstupních požadavků na DC analýzu zadáním simulačních teplot.
Po proběhnutí analýzy obdržíme výsledek na obr. 2.11.
26

Obr. 2.11. Převodní charakteristika hradna NAND pro teploty (0, 20, 40, 60, 80, 100) C.
Pomocí Helpu nebo své šikovnosti zkuste (v grafickém režimu „Cursor Mode“) zjistit, jak jsou
křivkám přiřazeny jednotlivé teploty. Z fyziky polovodičů je známo, že při růstu teploty se snižují
prahová napětí tranzistorů. To se promítá do posuvů převodní charakteristiky hradla.

Na závěr lekce č. 3 provedeme opět rekapitulaci:

Co znamenají další položky v okně „DC Analysis Limits“, například „Variable 2“,
„Temperature/Metod“, “Maximum Change”?
Je třeba nastudovat z nápovědy programu.
Je možné v tomto režimu analyzovat součástky, jejíž stejnosměrné charakteristiky tvoří celý
system křivek, například soustavu výstupních charakteristik tranzistoru IC=f(UCE) při parametru IB?
Ano, zkombinujeme-li položky “Variable 1” a “Variable 2”. Podrobnosti nastudujete například
po spuštění souboru IVBJT.CIR.


2.2.4 LEKCE 4 - Analýza "AC"

Seznámíme se s jednou z nejčastěji používaných analýz – “AC” neboli “střídavou” analýzou,
nebo lépe kmitočtovou analýzou. V tomto režimu program simuluje činnost obvodového
analyzátoru při snímání kmitočtových charakteristik.
Z příkladu analýzy kmitočtového korektoru mimo jiné vyplynou další poznatky o způsobech
modelování součástek.

Otevřeme vstupní soubor BAX.CIR, který se nachází v adresáři DATA. Je to zapojení tzv.
Baxandalova korektoru hloubek, tedy obvodu určeného pro zpracován hudebního signálu. Zajímat
nás bude kmitočtový charakteristika, t.j. kmitočtová závislost zesílení signálu ze vstupu “In1” do
výstupu “Vout”.

27

Obr. 2.12. Model Baxandalova korektoru.
Před vlastní analýzou si povšimněme několika “nových věcí” ve schématu. Součástka ve tvaru T
má originální anglický název “Tie”, vázanka. Umístíme-li do různých uzlů obvodu vázanky se
stejným označením, např. “C” – viz obrázek, pak budou tyto ozly automaticky vodivě spojeny.
Tímto způsobem můžeme zpřehlednit schéma, protože se mnohdy vyhneme komplikovanému
vedení dlouhých vodičů. Poznamenejme, že v novějších verzích MicroCapu se již bez vázanek
docela dobře obejdeme, protože postačí, nazveme-li dva uzly stejnými jmény, a tím dojde k jejich
spojení stejně jako u vázanek. Vázanky však mohou působit přehledněji.
Dále si všimněme způsobu modelování rezistorů R1 a R2. Dohromady totiž modelují
potenciometr s odporem 10 kΩ, jeho jezdec je vyveden na spojnici R1 a R2. Odpor R1 má
nastavenou hodnotu na 10 Ω, odpor R2 je definován vzorcem
R2 = 10k – R(R1),
neboli je roven 10 kΩ mínus odpor rezistoru R1. Je to výhodnější zápis než
R2 = 9990 Ω.
Nyní totiž máme možnost měnit (krokovat) odpor R1 a R2 se bude automaticky přepočítávat tak,
že ve výsledném efektu budeme simulovat otáčení jezdce potenciometru.
Poklepáním na značku operačního zesilovače LF351 zjistíme, že se jedná o „MicroCapovský“
model o 24 parametrech. Některé z těchto parametrů jsou zapsány i ve složce „Text“. Proč ne
všechny? Prostudujte implicitní parametry na str. 39.
Kmitočtovou analýzu aktivujeme volbou „Analysis/AC“. Objeví se okno „AC Analysis Limits“.
Bez hlubšího vysvětlování konstatujme, že kmitočtová charakteristika bude analyzována
v kmitočtovém rozsahu od 20 Hz do 20 kHz („Frequency Range“), v jediném obrázku bude jedna
křivka (jen v prvním řádku definovaných veličin je v sloupci „P“ jednička), na vodorovnou osu se
vynáší kmitočet (proměnná f v sloupci „X Expression“) a na svislou poměr amplitud výstupního a
vstupního napětí v decibelech (vzorec v sloupci „Y Expression“).
Poznamenejme, že vzorec
dB(mag(v(Vout)/v(In1)))
je možné zapsat podstatně úsporněji, a to dB(v(Vout)) – viz nápověda.
28

Obr. 2.13. Okno „AC analýzy“ přednastavené pro obvod BAX.CIR.
Ještě je vhodné poznamenat, že vodorovná, tj. kmitočtová osa, bude vynesena v logaritmickém
měřítku, kdežto svislá, tj. decibelová, bude lineární. Pozná se to podle ikon a v 1. řádku,
které se při poklepání myší chovají jako přepínače.
Po proběhnutí analýzy obdržíme výsledek na obr. 2.14.

Obr. 2.14. Výsledek kmitočtové analýzy obvodu BAX.CIR.

29
Oproti našemu očekávání se však namísto jediné kmitočtové charakteristiky objevilo hned 10
křivek. Je tomu tak proto, že je aktivován tzv. režim „Stepping“ neboli krokování. Z nápisu nad
grafem
BAX.CIR R1=0…9K
je možné vydedukovat, že je krokován odpor R1 v hodnotách (0,1,2,3,4,5,6,7,8,9) kΩ, čímž
simulujeme otáčení jezdce potenciometru, modelovaného rezistory R1 a R2. Přepneme-li zobrazení
do režimu „Cursor Mode“, pak pomocí kurzorových šipek ↑↓ snadno zjistíme, že „spodní“
charakteristice, která ukazuje na útlum nf kmitočtových složek do cca 1 kHz, odpovídá nulový
odpor R1, „horní“ charakteristice (zesílení nízkých tónů) odpor R1 = 9 kΩ, a k rovnoměrnému
přenosu dochází při odporu 5 kΩ, je-li jezdec v polovině dráhy.
Režim „Stepping“ je možné použít ve všech třech typech analýz, „Transient“, „AC“ i „DC“.
Příslušné ovládací okno se aktivuje pomocí nabídek na horní liště AC/Stepping nebo přímo
tlačítkem „Stepping“ z okna „AC Analysis Limits“, případně horkou klávesou F11.

Obr. 2.15. Okno pro nastavování podmínek krokování.
Z okna „Stepping“ je zřejmé, že je nastaveno krokování hodnot („Value“) odporu R1 („Step
What“) od („From“) 0 Ω do („To“) 9 kΩ po („Step Value“) 1 kΩ. Krokování je povoleno („Step It –
Yes“).
Vyblokujte krokování kliknutím na „Step It – No“. Pak zmáčkněte klávesu F2, čímž spustíte
analýzu. Nyní obdržíme jedinou charakteristiku. Pro jakou hodnotu R1? Pro tu, která byla původně
zadaná v schématickém editoru, tedy 10 Ω.
Na závěr lekce se pokusíme kromě amplitudové kmitočtové charakteristiky získat i křivku
skupinového zpoždění (GD = Group Delay). Aktivujeme opět okno „AC Analysis Limits“ a
upravíme poslední řádek, obsahující příkaz definující skupinové zpoždění tak, jak je vidět na obr.
2.16.

Obr. 2.16. Doplnění editačního okna o možnost analýzy skupinového zpoždění (gd).
Do sloupce „P“ zapíšeme dvojku, čímž dosáhneme toho, že křivka skupinového zpoždění se
vykreslí do jiného obrázku než amplitudová charakteristika. Je to rozumné vzhledem k úplně
odlišným jednotkám – a tím pádem i měřítkům – na svislých osách. Údaj v sloupci „X Range“
nejpohodlněji změníme tak, že umístíme kurzor do místa editace, aktivujeme pravé tlačítko myši a
ze seznamu vybereme text „20k,20“ (měřítko na ose X bude od 20 Hz do 20 kHz). Podobně budeme
30
postupovat pro sloupec „Y Range“, kde vybereme slovo „Auto“. Měřítko svislé osy se upraví
automaticky podle výsledků analýzy.
Po proběhnutí analýzy budou výsledky uspořádány ve dvou obrázcích tak, jak je to vidět na obr.
2.17.

Obr. 2.17. Analýza amplitudové kmitočtové charakteristiky a skupinového zpoždění.
Na závěr proveďme opět shrnutí poznatků z této lekce:

V okně „AC Analysis Limits“ jsou některé položky, jejichž význam jsme si neobjasnili, např.
„Frequency Step“, „Numer of Points“, „Maximum Change“. Je možné při simulaci
standardních obvodů ponechat implicitní přednastavení těchto položek?

V podstatě ano. Číslem v položce „Maximum Change“ můžeme regulovat hladkost vykreslení
křivek. Čím menší číslo, tím vyhlazenější průběh, ovšem za cenu většího počtu bodů výpočtu a tím
pádem prodlužování doby analýzy.
V režimu „AC“ analýzy je možné používat zajímavé funkce, např. „dB“, „gd“ a existuje jistě
řada dalších. Kde je možné najít jejich úplný seznam?
V manuálech a programové nápovědě.
Kmitočtové charakteristiky obvodů se měří v harmonickém ustáleném stavu, což znamená, že
vstupní signály by měly být harmonické a jejich amplitudy bychom měli volit natolik malé,
abychom obvod nepřebuzovali do nelineárního režimu. Znamená to, že při analýze „AC“ bychom
měli tyto skutečnosti respektovat při výběru zdroje signálu?
Naštěstí ne, a to z praktických důvodů. Při kmitočtové analýze bychom museli zaměňovat
původní zdroje signálu za jiné, které by vyhovovaly výše popsaným atributům, a při přechodu na
jiné typy analýz, např. „Transient“ zase vše uvádět do původního stavu. Je to tedy zařízeno tak, že
při analýze „AC“ je každý budicí zdroj považován za zdroj harmonického signálu o amplitudě, která
je specifikována speciálním atributem v modelu zdroje. Obyčejně je tato amplituda 1 V. Nezávisle
na tom, jak je amplituda velká, provede program linearizaci obvodu kolem stejnosměrného
pracovního bodu, z tohoto modelu určí požadovaný přenos na výstup, a pak jej vynásobí velikostí
vstupního signálu.
31
2.2.5 Dynamická stejnosměrná analýza („Dynamic DC“)

V tomto zajímavém interaktivním režimu uživatel provádí modifikaci obvodu v schématickém
editoru, program okamžitě přepočítává stejnosměrný pracovní bod a zobrazuje výsledky.

Analýza se aktivuje v menu Analysis/Dynamic DC (Alt + 4). Automaticky je aktivováno
zobrazování uzlových napětí (je aktivní ikona „Node Voltages“). Za účelem zobrazení proudů,
výkonů a stavů aktivních součástek, resp. spínačů, je třeba aktivovat příslušné další ikony ( ,
, ).
Obvod můžeme modifikovat velmi obecně, od změny konkrétního parametru součástky až po
mazání stávajících a přidávání dalších součástek. Kromě toho můžeme zvláštním způsobem
krokovat parametry následujících součástek:
• Napětí baterie
• Napětí zdroje „V“
• Proud zdroje „I“
• Stejnosměrný odpor rezistoru („Value“).

Krokování lze provést jedním ze dvou způsobů:
1. V režimu „Select“ klikneme do dané součástky (prosvětlíme její značku). Kurzorovými
klávesami ↓↑ měníme parametr součástky po krocích, které jsou dány hodnotou 1% z položky
„SLIDER_MAX“ (o prvku „Slider“ viz dále) v okně atributů součástky. Možné změny jsou
vymezeny parametry „SLIDER_MIN“ a „SLIDER_MAX“. Standardně je „SLIDER_MIN“
nastaveno na nulu a „SLIDER_MAX“ přebírá hodnotu z položky „Value“. Vyznačíme-li více
součástek najednou, např. postupným klikáním na jejich značky za současného držení klávesy
„Shift“, pak dochází k současnému krokování jejich parametrů.
2. Každá z výše vyjmenovaných součástek má tzv. “Slider”, t.j. symbol tahového potenciometru,
který se standardně u součástky nevykresluje. Vykreslení povolíme zatržením položky “Show
Slider” v okně Options/Preferences. Pomocí myši pak máme možnost tahový potenciometr
ovládat.
Režim dynamické stejnosměrné analýzy se deaktivuje buď opětnou volbou v menu
Analysis/Dynamic DC, nebo aktivací jiné analýzy.

Ukázka výsledků dynamické „DC“ analýzy je na obr. 2.18. Program analyzuje obvod, který se ve
skutečnosti skládá ze dvou samostatných podobvodů. V levé části je můstkové zapojení, mezi jehož
svorky A1 a B1 je zapojena zátěž Rz1. V pravé části je Théveninův model tohoto obvodu se stejným
zatěžovacím odporem Rz2 = Rz1.
Obvody jsou ekvivalentní, takže napětí na obou zátěžích, jejich proudy i výkony by se měly
shodovat bez ohledu na velikosti Rz1 = Rz2.

180
100 180
47
5V
Ri101.554
Ui 2.17904VRz1
101
Rz2
101
B2
A2
1.0865
B1
A1
1.0865
1.0865
-2.4773
2.5227
1.08652.179
pd=70.5604m
pd=61.3696m pd=35.356m
pd=43.8849m
pg=222.8596m
pd=11.7529m
pg=23.4417mpd=11.6888m pd=11.6888m

Obr. 2.18. Ukázka interaktivního režimu dynamické stejnosměrné analýzy.
32
Tuto ekvivalenci můžeme v režimu dynamické stejnosměrné analýzy ověřit tak, že vyznačíme obě
zátěže a kurzorovými klávesami ↓↑ krokujeme jejich velikosti. Na obr. 2.18 jsou aktivována
zobrazení uzlových napětí a výkonů. U výkonů značí symboly „pg“ a „pd“ tzv. „power generated“
– generovaný výkon (vytvářený zdrojem), a „power dissipated“ – ztrátový výkon na rezistorech.
Sledováním výkonu na zátěži si můžeme navíc ověřit poučku o výkonovém přizpůsobení:
k maximu výkonu dojde při rovnosti odporu zátěže a vnitřního odporu Théveninova modelu.
Počet desetinných míst zobrazovaných údajů můžeme změnit v menu
Options/Preferences/Format/Schematic Voltages/Current/Power.

33
2.3 Tvorba vlastního zadání - Můj první obvod v MicroCapu



Pokusíme se vytvořit model aktivního filtru typu dolní propust „Sallen-Key“ podle obr. 2.19.
Použijeme operační zesilovač typu OP27. Poznamenejme, že tento obvod si můžete pro zajímavost
odsimulovat i v programu SNAP a výsledky porovnat. Příslušné soubory STUSALI.CIR (ideální
operační zesilovač), případně STUSALR.CIR (zesilovač s 2 kmitočty lomu) jsou k dispozici po
nainstalování SNAPu. Musíte však změnit parametry operačního zesilovače, v souborech je
modelován typ 741.
R2
16k
R1
16k
C2
100p
C1
10n
V3
X1
out
VC
VE

Obr. 2.19. Aktivní filtr „Sallen-Key“ typu dolní propust 2. řádu.

Spustíme program MC7.EXE. Objeví se úvodní obrazovka schématického editoru. Na obr. 2.20
jsou popsány některé důležité položky a ikony.


Obr. 2.20. Úvodní obrazovka schématického editoru MicroCapu 7.
Schéma se kreslí na tzv. stránky („Pages“). Nyní se nacházíme na stránce 1 („Page 1“) – viz
popis příslušné záložky ve stylu „Excel“. Rozsáhlá schémata se vyplatí rozdělit a kreslit na více
stránek. Existují jednoduché prostředky na jejich propojování. Další stránka se přidá pomocí ikony
„Add Page“, ikona vpravo od ní slouží k odstraňování stránek.
Editor umožňuje práci v 9 režimech („Modes“):
Help
Info
Flag
Graphics
Diagonal Wire
Wire
Text
Component
Select

Režimy schématického editoru
zadávání součástek
analýza
ikony často používaných součástek
„Refresh Models“
„Add Page“
čísla uzlů
„Pin Connections“
„Grid“
34
Select – pro editaci (posuv, rotaci, zrcadlení, mazání, změnu atributů) objektů, již umístěných na
stránku.
Component – pro umísťování schématických značek součástek na stránku. Značky se vybírají
buď kliknutím do příslušné ikony často používaných součástek, nebo z menu „Component“.
Text – pro umísťování textové informace na stránku (poznámky, příkazy, názvy uzlů).
Wire – pro kreslení ortogonálních vodičů.
Diagonal Wire – pro kreslení vodičů vedenými pod obecnými úhly.
Graphics – pro vkládání různých grafických objektů na stránku za účelem „vylepšení“ její
grafické podoby (přímka, elipsa, obdélník, kosočtverec, kruhový oblouk, kruhová výseč, obrázky ve
formátu .wmf, .emf, .bmp, .gif, .jpg).
Flag – pro umísťování tzv. vlajek do libovolných míst stránky za účelem rychlé orientace
v složitých zapojeních. Každé vlajce přiřadíme jméno. Při jeho zadání v režimu „Go To Flag“
(ikona s motivem tmavé vlajky vpravo od „Zoom Out“) kurzor přeskočí do daného místa.
Info – slouží k zjišťování detailních informací o konkrétní součástce, na kterou klikneme
v tomto režimu.
Help – objeví se obecná nápověda k typu součástky, na kterou klikneme v tomto režimu.

Po spuštění programu se editor automaticky nastaví do režimu „Component“ a na pozici kurzoru
se objeví schématická značka součástky, s kterou se pracovalo naposledy. Můžeme ji buď pokládat
na stránku nebo vybrat jinou.

Objekty se na stránku neumísťují do libovolných pozic, ale přichycují se do mřížky („Grid“),
kterou lze zviditelnit kliknutím na příslušnou ikonu. Objektů, které jsou normálně skryty, je více
(čísla uzlů, tzv. piny, a řada dalších). Pro jejich zviditelňování slouží buď ikony, nebo položky
v menu „Options/View“.
Za zmínku stojí ještě ikona „Refresh Model“, o jejímž významu bude hovořeno později.

Co je nutné vědět před zahájením práce s editorem

Takto se jmenovala obdobná kapitola v části 1.3 o editoru programu SNAP, s podtitulem „Aneb
nejčastěji se vyskytující chyby začátečníka“. Předpokládejme, že jsme již seznámeni s editorem
SNAPu, tudíž že nejsme začátečníci. Způsob práce v režimech „Select“ a „Component“ je u obou
programů velmi podobný. Režim „Line“ u SNAPu odpovídá režimu „Wire“ u MicroCapu. Proto
můžeme v podstatě převzít všechny hlavní zásady popsané v úvodu části 1.3
Oproti SNAPu platí v MicroCapu tyto odlišnosti:
• Standardně je nastaven režim „Component“.
• Bezprostředně po položení značky součástky na stránku se otevře okno jejích atributů, které
je nutné vyplnit. Položky jsou samozřejmě jiné než u SNAPu.
• Při kreslení vodičů je třeba uvážit jinou filozofii spojování vodičů a jejich nevodivého
křížení. Má-li se vodič elektricky spojit s daným bodem, je třeba jej dotáhnout do tohoto
bodu a uvolnit levé tlačítko myši. Má-li v daném bodě dojít k nevodivému průchodu,
přejedeme při tažení vodiče přes daný bod bez kliknutí. Na rozdíl od SNAPu je vodivé
spojení vyznačeno plným kolečkem, tedy uzlem. Ze starších verzí MicroCapu zde zůstává
možnost použít pro nevodivé křížení prvek typu „Jumper“, jak je tomu u SNAPu.
• U MicroCapu existuje reálné nebezpečí, že v důsledku chybného umístění objektů na
stránku nedojde k jejich elektrickému propojení. Blíže to objasníme na následujícím
příkladu. Účinnou pevencí je zobrazování čísel uzlů.
• V schématu obvodu nesmí chybět značka uzemnění. Microcap pracuje na principu
modifikované metody uzlových napětí a sestavuje zkrácenou pseud