Электроника:Постоянный ток/Экспоненциальная запись и метрические приставки/Экспоненциальная форма в программе SPICE

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Экспоненциальная форма в программе SPICE

Компьютерная программа для моделирования электрических цепей SPICE на выходе использует экспоненциальную форму для отображения информации. Во входных файлах с описаниями схем программа может интерпретировать как экспоненциальный способ записи чисел, так и метод, основанный на метрических приставках. Чтобы разобраться в результатах анализа SPICE в этой книге, необходимо понимать систему обозначений, используемых в программе для переменных, выражающих напряжение, силу тока и т.п.

Простое моделирование электрической цепи в программе SPICE

Начнем с очень простой схемы, состоящей из одного источника напряжения (батареи) и одного резистора:

Рис. 1. Простейшая электрическая цепь с резистором

Чтобы смоделировать эту схему с помощью SPICE, сначала необходимо обозначить номера для каждого отдельного узла в схеме, а затем перечислить компоненты вместе с соответствующими им номерами узлов, чтобы программа понимала, какой компонент к какому подключен и каким именно образом. Рассматриваемая схема крайне проста, и, вообще говоря, использование SPICE для неё кажется излишним, однако у нас сейчас цель продемонстрировать как на практике используется экспоненциальная форма записи чисел:

Рис. 2. Модифицированная электрическая схема для программы SPICE – пронумерованы узлы, соединяющие элементы цепи

Файл описания данной цепи, содержащий список узлов цепи будет выглядеть так:

simple circuit
v1 1 0 dc 24
r1 1 0 5
.end

Строка «v1 1 0 dc 24» описывает источник питания, расположенный между узлами 1 и 0 и имеющий напряжение 24 вольт в цепи постоянного тока. Строка «r1 1 0 5» описывает резистор с электрическим сопротивлением 5 Ом, расположенный между узлами 1 и 0.

Анализа данной схемы с помощью программы SPICE

Запустив на компьютере SPICE-анализ данного файла с описанием схемы, получаем следующие результаты:

node    voltage
(1)       24.0000
voltage source currents
 
name    current
v1         -4.800E+00
 
total power dissipation    1.15E+02 watts

Программа SPICE сообщает, что напряжение «на» узле 1 (если точнее, это напряжение между узлами 1 и 0, поскольку узел 0 является контрольной точкой по умолчанию для всех измерений напряжения) равно 24 вольт. Ток, протекающий через источник питания «v1» имеет значение -4,800E+00 ампер. Именно так и выглядит экспоненциальная форма записи чисел в SPICE. Если представить в более традиционном виде, то тут указано значение: «-4,800 x 100 ампер» ну, или же просто -4,800 ампер. Что касается отрицательного значения тока, то это связано с особенностями программы SPICE и знак «минус» не означает чего-либо существенного в самой схеме. «Предельная рассеиваемая мощность» («total power dissipation») вычислена как 1,15E+02 Вт, что означает «1,15 x 10² Вт» или просто 115 Вт.

Изменение схемы исходного примера в SPICE

Давайте изменим нашу схему так, установив сопротивление резистора равным 5 кОм (т.е. 5 килоом или 5000 Ом) вместо старого значения 5 Ом, и посмотрим, что произойдет.

Рис. 3. Модифицированная электрическая схема для программы SPICE – сопротивление резистора с 5 Ом увеличено до 5 кОм.

Входной файл с описанием схемы теперь выглядит так:

simple circuit
v1 1 0 dc 24
r1 1 0 5k
.end

Буква «k» (если по-русски то «к») после цифры 5 в строке, описывающей резистор, говорит программе SPICE, что сопротивление равно 5 кОм, а не 5 Ом. Поглядим, какой выйдет результат, если эти входящие данные пропустить через программу:

node    voltage
(1)       24.0000
voltage source currents
 
name    current
v1         -4.800E+03
 
total power dissipation    1.15E+01 watts

Напряжение батареи, конечно же, не изменилось по сравнению с предыдущей задачей: оно по-прежнему составляет 24 вольт. С другой стороны, сила тока в цепи на этот раз имеет гораздо меньшее значение, поскольку мы указали для резистора большее сопротивление, что затрудняет прохождение через него электронов. Программа SPICE сообщает, что ток на этот раз равен -4,800E-03 ампер или -4,800 x 10^-3 ампер. Это эквивалентно тому, как если бы взять число -4,8 и передвинуть десятичный знак на три разряда влево.

Как мы знаем, 10^-3 равнозначно метрической приставке «милли», поэтому мы могли бы записать данное значение как -4,8 миллиампер или -4,8 мА.

Глядя на «предельную рассеиваемую мощность», вычисленную нам программой SPICE во второй симуляции, видим, что она составляет 1,15E-01 Вт, или 1,15 x 10^-1 Вт. Степень -1 соответствует метрической приставке «деци», однако, как правило, в электронике используются метрические приставки, соответствующие степеням десятки, кратных трём (десять в степени… -12, - 9, -6, -3, 3, 6, 9, 12 и т.д.).

Поэтому, если следовать данному стандарту, нужно выразить значение рассеиваемой мощности как 0,115 Вт или 115 милливатт (115 мВт), а не 1,15 дециватт (1,15 дВт).

Приведение чисел в экспоненциальной записи к форме с общепринятыми метрическими приставками

Возможно, простейший способ преобразовать число, записанной экспоненциальным способом в вид, использующий общепринятые метрические приставки - переключить калькулятор из режима «научный» в «инженерный». Просто установите в калькуляторе «научный» режим, введите экспоненциальную запись любого числа, используя соответствующие клавиши (как именно это сделать, см. в руководстве пользователя для калькулятора), после чего нажмите клавишу «=» или «Ввод», и, по идее, это число отобразится в «инженерном» виде, то есть в виде метрической записи.

Опять же, далее программа SPICE будет широко использоваться в этой книге при демонстрации различных концепций для электрических цепей. Так что, стоит освоить экспоненциальную запись, чтобы легко понимать выходной формат данных при анализе электрических схем.