Электроника:Справочные материалы/Использование программы SPICE для моделирования электрических схем/Примеры электрических цепей и списков связей: различия между версиями
Временной диапазон в этой конкретной «колоде» позволяет проводить анализ Фурье с довольно низкой точностью. Чем больше циклов основной частоты выполняет анализ переходных процессов, тем точнее будет анализ Фурье. Это не причуда SPICE, а основной принцип анализа волн.
Временной диапазон в этой конкретной «колоде» позволяет проводить анализ Фурье с довольно низкой точностью. Чем больше циклов основной частоты выполняет анализ переходных процессов, тем точнее будет анализ Фурье. Это не причуда SPICE, а основной принцип анализа волн.
{{Блок/Инфо2|Список связей|v1 1 0 sin(0 15 60 0 0)<br />rload 1 0 10k<br />* change tran card to the following for better Fourier precision *<br />.tran 1m 30m .01m and include .options card: * .options<br />itl5=30000<br />.tran 1m 30m<br />.plot tran v(1)<br />.four 60 v(1)<br />.end}}
{{Блок/Инфо2|Список связей|v1 1 0 sin(0 15 60 0 0)<br />rload 1 0 10k<br />* change tran card to the following for better Fourier precision *<br />.tran 1m 30m .01m and include .options card: * .options<br />itl5=30000<br />.tran 1m 30m<br />.plot tran v(1)<br />.four 60 v(1)<br />.end}}
'''Выходные данные'''
'''Выходные данные'''
Строка 120:
Строка 120:
|-
|-
| colspan='6' | total harmonic distortion = 0.186350 percent
| colspan='6' | total harmonic distortion = 0.186350 percent
Для всех приведённых ниже схем предварительно протестированы списки связей для SPICE версии 2g6, при необходимости, дополненные краткими описаниями. (Дополнительную информацию о списках связей в SPICE смотрите том I, глава 2, раздел «Компьютерное моделирование электрических цепей».)
Не стесняйтесь «копипастить» любой из списков связей в свой собственный исходный файл SPICE для анализа и/или модификации. Моя цель двоякая: дать практические примеры для улучшения понимания синтаксиса списка связей SPICE и показать, насколько простыми и компактными они могут быть при анализе простых схем.
Все выходные данные в этих примерах избавлены от лишней информации, что даёт максимально сжатое представление выходных данных SPICE. Я делаю это прежде всего, чтобы не перегружать вас несущественной информацией.
Типичные выходные данные SPICE содержат множество заголовков и сводной информации, не обязательно относящейся к поставленной задаче. Так что не удивляйтесь, если вы запустите симуляцию самостоятельно и обнаружите, что результат не совсем похож на то, что я показывал здесь!
Постоянный ток от нескольких источников
Без «карт» .dc и .print (или .plot) вывод для этого списка связей будет отображать напряжения только для узлов 1, 2 и 3 (со ссылкой на узел 0, конечно).
Список связей
Multiple dc sources v1 1 0 dc 24 v2 3 0 dc 15 r1 1 2 10k r2 2 3 8.1k r3 2 0 4.7k .end
Выходные данные
node
voltage
node
voltage
node
voltage
(1)
24.0000
(2)
9.7470
(3)
15.0000
voltage source currents name current
v1 -1.425E-03 v2 -6.485E-04
total power dissipation 4.39E-02 watts
Сети резисторов с несколькими источниками постоянного тока
Добавив в анализ «карту» .dc и указав источник напряжения постоянного тока V1 на 24 В, мы можем использовать .print для распечатки напряжений между любыми двумя желаемыми точками.
Как ни странно, когда вызывается опция .dc, выводы напряжения по умолчанию для каждого узла (на «землю») исчезают, поэтому нам приходится явно указывать их в .print, чтобы их вообще увидеть.
Для анализа постоянного тока необходимо указать начальные условия любой реактивной составляющей (C или L) (напряжение для конденсаторов, сила тока для катушек индуктивности). Это обеспечивается последним полем данных каждой платы конденсаторов (ic=0).
Чтобы выполнить анализ для постоянного тока, необходимо указать параметр анализа .tran («переходный», от англ. «transition»), при этом первое поле данных указывает приращение времени в секундах, второе – общее время анализа в секундах, а «uic» указывает «использовать начальные условия» при анализе.
Построение и анализ простой цепи синусоидального напряжения переменного тока
В этом упражнении показана правильные настройки для построения графика мгновенных значений источника синусоидального напряжения с помощью функции .plot (для анализа переходных процессов). Неудивительно, что анализ Фурье в этой «колоде» также требует, чтобы параметр (переходного) анализа .tran был указан в подходящем временно́м диапазоне.
Временной диапазон в этой конкретной «колоде» позволяет проводить анализ Фурье с довольно низкой точностью. Чем больше циклов основной частоты выполняет анализ переходных процессов, тем точнее будет анализ Фурье. Это не причуда SPICE, а основной принцип анализа волн.
Список связей
v1 1 0 sin(0 15 60 0 0) rload 1 0 10k * change tran card to the following for better Fourier precision * .tran 1m 30m .01m and include .options card: * .options itl5=30000 .tran 1m 30m .plot tran v(1) .four 60 v(1) .end
Выходные данные
}
fourier components of transient response v(1) dc component = -1.885E-03
«Карта» .ac указывает точки анализа переменного тока от 60 Гц до 60 Гц (т.е. в одной-единственной точке). Эта «карта», конечно, полезнее для многочастотного анализа, когда диапазон частот можно анализировать пошагово. «Карта» .print выводит напряжение переменного тока между узлами 1 и 2, а также напряжение переменного тока между узлом 2 и «землёй».
Список связей
Demo of a simple AC circuit v1 1 0 ac 12 sin r1 1 2 30 c1 2 0 100u .ac lin 1 60 60 .print ac v(1,2) v(2) .end
Выходные данные
freq
v(1,2)
v(2)
6.000E+01
8.990E+00
7.949E+00
Фильтр нижних частот (ФНЧ)
Данный фильтр нижних частот блокирует переменный ток и пропускает постоянный ток на нагрузочный резистор R. Это типичный фильтр, используемый для подавления пульсаций в цепи выпрямителя. Фактически он имеет резонансную частоту, что технически делает его полосовым фильтром.
Тем не менее, ФНЧ в любом случае хорошо работает, пропуская постоянный ток и блокируя высокочастотные гармоники, генерируемые процессом выпрямления переменного тока в постоянный. Его производительность измерена с источником переменного тока, работающим в диапазоне от 500 Гц до 15 кГц. При желании «карту» .print можно заменить или дополнить «картой» .plot для графического отображения переменного напряжения в узле 4.
Список связей
Lowpass filter v1 2 1 ac 24 sin v2 1 0 dc 24 rload 4 0 1k l1 2 3 100m l2 3 4 250m c1 3 0 100u .ac lin 30 500 5k .print ac v(4) .plot ac v(4) .end
Выходные данные
}
}
Сеть с несколькими источниками переменного тока
Одной из особенностей SPICE является его неспособность обрабатывать любой контур в цепи, состоящей исключительно из последовательных источников напряжения и катушек индуктивности. Поэтому «петля» V1—L1—L2—V2—V1 недопустима.
Чтобы обойти это, мне пришлось вставить резистор с низким сопротивлением где-то в этом контуре, чтобы разорвать его. Таким образом, у нас есть RФиктивн. между точками 3 и 4 (с сопротивлением 1 пикоом), а V2 между 4 и 0. Схема выше является оригинальной, а в схеме ниже RФиктивн. вставлен, чтобы избежать ошибки SPICE.
Список связей
Multiple ac source v1 1 0 ac 55 0 sin v2 4 0 ac 43 25 sin l1 1 2 450m c1 2 0 330u l2 2 3 150m rbogus 3 4 1e-12 .ac lin 1 30 30 .print ac v(2) .end
Токи через каждую ветвь обозначаются падением напряжения на каждом соответствующем шунтирующем резисторе (1 ампер = 1 вольт через 1 Ом), выводимые выражениями v(1,2) и v(1,3) «карты» .print. Фаза токов через каждое ответвление указывается фазой падения напряжения на каждом соответствующем шунтирующем резисторе, выводимой выражениями vp(1,2) и vp(1,3) в «карте» .print.
Список связей
phase shift v1 1 0 ac 4 sin rshunt1 1 2 1 rshunt2 1 3 1 l1 2 0 1 r1 3 0 6.3k .ac lin 1 1000 1000 .print ac v(1,2) v(1,3) vp(1,2) vp(1,3) .end
Выходные данные
freq
v(1,2)
v(1,3)
vp(1,2)
vp(1,3)
1.000E+03
6.366E-04
6.349E-04
-9.000E+01
0.000E+00
Трансформаторная схема
SPICE понимает трансформаторы как набор взаимно связанных катушек индуктивности. Таким образом, чтобы смоделировать трансформатор в SPICE, надо указать первичную и вторичную обмотки как отдельные катушки индуктивности, а затем указать SPICE связать их вместе с «картой» k, являющейся константой связи.
Для моделирования идеального трансформатора константа связи должна быть равна единице (= 1). Однако SPICE не может обрабатывать это значение, поэтому мы используем что-то вроде 0,999 в качестве коэффициента связи. Обратите внимание, что все пары катушек индуктивности должны быть соединены с их собственными k, чтобы симуляция работала правильно. Для двухобмоточного трансформатора достаточно одной «карты» k.
Для трёхобмоточного трансформатора необходимо указать три «карты» k (чтобы связать L1 с L2, L2 с L3 и L1 с L3). Соотношение индуктивностей L1/L2, равное 100:1, обеспечивает понижающий коэффициент трансформации напряжения 10:1. При напряжении 120 вольт мы должны увидеть 12 вольт из обмотки L2. Соотношение индуктивностей L1/L3 равное 100:25 (4:1) обеспечивает понижающий коэффициент трансформации напряжения 2:1, что должно дать нам 60 вольт на выходе из обмотки L3 при 120 вольтах на входе.
В этом примере RФиктивн.0 представляет собой резистор очень низкого номинала, служащий для размыкания цепи источник_питания/катушка_индуктивности V1/L1. RФиктивн.1 и RФиктивн.2 – очень мощные резисторы, необходимые для обеспечения путей постоянного тока к «земле» в каждой из изолированных цепей. Обратите также внимание на то, что одна сторона первичной цепи заземлена напрямую. Без этих опорных точек SPICE будет выдавать ошибки!
Двухполупериодный мостовой выпрямитель
Диоды, как и все полупроводниковые компоненты в SPICE, должны быть смоделированы таким образом, чтобы SPICE знал все мельчайшие детали их работы. К счастью, SPICE поставляется с несколькими универсальными моделями, и диод является самой простой из них. Обратите внимание на «карту» .model, которая просто указывает «d» как общую модель диода для mod1.
Опять же, поскольку здесь мы строим графики сигналов, нам нужно указать все параметры источника переменного тока на одной «карте» и распечатать/построить все значения, используя параметр .tran.
Этот анализ изменяет входное напряжение (VВх.) от 0 до 5 вольт с шагом 0,1 вольт, а затем выводит напряжение между выводами коллектора и эмиттера транзистора v(2,3). Транзистор (Q1) представляет собой NPN с прямым коэффициентом бета, равным 50.
[[File:V-7_8_14.png|400px|center|thumb|Рис. 14. Операционные усилитель с инвертированием.|alt=]Рис. 14. Операционные усилитель с инвертированием.]
Чтобы смоделировать идеальный операционный усилитель в SPICE, мы используем источник напряжения, зависящий от напряжения, в качестве дифференциального усилителя с чрезвычайно высоким коэффициентом усиления. «Карта» e устанавливает зависимый источник напряжения с четырьмя узлами, 3 и 0 для выходного напряжения и 1 и 0 для входного. Для зависимого источника напряжения не требуется источник питания, в отличие от реального операционного усилителя. В этом случае коэффициент усиления по напряжению установлен на уровне 999 тысяч. Источник входного напряжения (V1) колеблется от 0 до 3,5 вольт с шагом 0,05 вольт.
Список связей
Inverting opamp v1 2 0 dc e 3 0 0 1 999k r1 3 1 3.29k r2 1 2 1.18k .dc v1 0 3.5 0.05 .print dc v(3,0) .end
Ещё один пример «странностей» SPICE: поскольку зависимый источник напряжения «e» не считается нагрузкой для источника напряжения V1, SPICE интерпретирует V1 как разомкнутую цепь и отказывается анализировать. Исправление состоит в том, чтобы подключить RФиктивн. параллельно с V1, чтобы он действовал как нагрузка постоянного тока.
Будучи подключённым напрямую через V1, сопротивление RФиктивн. не имеет решающего значения для работы схемы, поэтому 10 кОм будет работать нормально. Я решил вообще не изменять входное напряжение V1 в этой схеме, чтобы не усложнять список связей и вывод.
Обратите внимание на очень высокоомные резисторы RФиктивн.1 и RФиктивн.2 в списке цепей (не показаны на схеме для краткости) для каждого источника входного напряжения, чтобы SPICE не подумал, что V1 и V2 разомкнуты.