Анализ переходных процессов

Анализом переходных процессов (Transient Analysis)называют моделирование электрических процессов во временной области. Это наиболее часто используемый вид анализа в моделирующих программах типа PSpice.

ЗАДАНИЕ 4.

Во время анализа переходных процессов будут задействованы все независимые источники, имеющие атрибут transient. Остальные источники будут иметь величины, описанные атрибутом DC, либо 0, если этого атрибута нет.

Параметры расчета переходного процесса вводятся с помощью диалогового окна Transient, вызываемого либо из меню Analysis/Setup/Transient, либо нажатием соответствующей копки (рис. 2).

Рассмотрим процесс моделирования в реальном времени на примере простой RLC-цепи (рис. 16, где приведены параметры генератора импульсного напряжения). Импульсный источник находится в библиотеке source.slb.

Рис. 16	Рис. 17

Сохраним схему под именем Transient.sch.

Окно задания параметров моделирования Transient показано на рис. 17. Период импульсов равен 2 мс, а постоянная времени цепи примерно на два порядка меньше, поэтому окончание времени моделирования Final time устанавливаем 10 мс. Такое время окончания моделирования позволит получить установившийся процесс в цепи. Для получения достаточной точности вывода результатов установим шаг вывода результатов расчета Print step – 1 мкс. Поскольку время моделирования невелико относительно периода входного напряжения и постоянной времени цепи, графу No-Print Delayне используем.

Если пункт Detailed Bias Pt. (рис. 17) не активизирован, то результаты расчетов по постоянному току не будут выведены в выходной файл. Пункт Skip Initial Transient Solution предписывает не проводить подробного расчета процесса на начальном участке, что существенно экономит время счета.

Добавим в схему пробники напряжения V у узлов 1 и 2 и пробник тока I у вывода катушки индуктивности L1 (рис. 16).

Графический вывод результатов моделирования. В схемном файле команда на вывод результатов в режиме графики дается оператором.probe, который автоматически подключает к графическому постпроцессору файл результатов анализа (*.dat).

В нашем случае после окончания моделирования на э кране появится окно PSpice A/D – [Transient]. В скобках указано имя схемного файла. Для вывода результатов на экран необходимо воспользоваться пунктом меню Trace /Add Trace (либо нажать клавишу <Insert>). В появившемся окне Add Traces в левом поле выбираем щелчком мыши необходимую для вывода величину, например V(2), т.е. напряжение узла 2 относительно нулевого (0) узла схемы, которое копируется в поле Trace Expression. Нажимаем OK и получаем необходимую зависимость. На одном графике можно построить несколько кривых. Если они отличаются размерностями либо величинами, например напряжение и ток, то, воспользовавшись пунктом меню Plot/Add Y Axis, можно добавить вертикальную ось для еще одной переменной, имеющую другой масштаб. Активной считается ось, на которую указывают символы SEL>>. Выберем в окне Add Traces величину I(L1).

Для наглядности бывает необходимо поместить выводимые величины на несколько графиков. Это можно сделать с помощью пункта меню Plot/Add Plot to Window. Новый график всегда появляется над уже существующим. Это всегда нужно учитывать, если важен порядок вывода рассчитанных величин.

Выведем на график напряжение узла 1 V(1) и напряжение на дросселе. Для этого в окне Add Traces выберем переменную V(1), и затем в поле Trace Expression через пробел записываем (2,1) либо V(2)–V(1). Эти два выражения равнозначны – с их помощью выводится разность потенциалов между двумя узлами схемы.

Необходимо помнить, что моделирование во временной области всегда начинается с нулевого момента времени. Поэтому, если нужно просмотреть результаты на каком-либо определенном отрезке времени, нужно воспользоваться пунктом меню Plot/Axis Settings, выбрать закладку X Axis и в поле Data Range вместо кнопки Auto Range активировать кнопку User Defined, после чего вписать величины начала и конца отрезка времени (рис. 18, а).

Рис. 18

Результаты моделирования схемы с учетом всех замечаний показаны на рис. 19.

Рис. 19

То же самое нужно сделать, чтобы изменить масштаб по оси Y, открыв закладку Y Axis (рис. 18, б).

ЗАДАНИЕ 5.

Исследование работы выпрямителей также можно проводить в режиме переходного процесса Transient. Введем схему однополупериодного выпрямителя, работающего непосредственно от сети 220В (рис. 20).

Рис. 20	Рис. 21

Появились новые элементы схемы: выпрямительный диод BYT12P-600 и источник переменного напряжения синусоидальной формы VSIN. Для их ввода нужно вызвать диалоговое окно Part Browser и в поле Part Name напечатать BYT12P-600 (рис. 4, а), вставить диод в схему. Так же поступить с источником. Соедините компоненты проводниками.

Введите параметры источника в окне его свойств после двойного щелчка по символу. VOFF – постоянная составляющая выходного напряжения (0V), VAMPL – амплитуда напряжения (311V для действующего 220В), FREQ – частота (50Hz). R1 символизирует нагрузку выпрямителя. Назовите именем VR верхний вывод R1. Подключите пробники, как показано на схеме. Сохраните схему под именем rectif1.sch.

Измените параметры для расчета переходного процесса transient (рис. 17): Final time = 100ms, Step ceiling = 10us. Запустите на моделирование (F11). По окончании расчета выведите графики напряжения на нагрузке V(VR) и тока диода I(D1) (рис. 21).

Добавьте в схему конденсатор фильтра C1 (рис. 22). Промоделируйте (рис. 23).

Рис. 22	Рис. 23

ЗАДАНИЕ 6.

Исследование мостового двухполупериодного выпрямителя без фильтра (рис. 24) и с емкостным фильтром (рис. 26). Доработайте сначала первую схему и промоделируйте, а затем то же самое сделайте со второй схемой. Результаты показаны на рис. 25 и 27 соответственно.

Рис. 24	Рис. 25
Рис. 26	Рис. 27

ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ НА ОСНОВЕ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ.

ЗАДАНИЕ 7.

Инвертирующий усилитель.

Соберите схему на рис. 28.

Рис. 28.

Задайте параметры моделирования и проведите моделирование процесса усиления синусоидального сигнала. Выведите результата, как показано на рис. 29.

Рис. 29.

Убедитесь, что сигнал на выходе инвертируется и что коэффициент усиления определяется только резисторами обратной связи.

Увеличьте резистор R2 до 4k, повторите моделирование и проанализируйте результаты.

ЗАДАНИЕ 8.

Неинвертирующий усилитель.

Схема на рис. 30.

Рис. 30.

Результаты – на рис. 31.

Рис. 31.

Проделайте анализ, как в Задании 7.

Увеличьте резистор R2 до 3k, повторите моделирование и проанализируйте результаты.

ЗАДАНИЕ 9.

Суммирующий усилитель.

Схема на рис. 32.

Рис. 32.

Результаты – на рис. 33.

Рис. 33.

Убедитесь, что сигнал на выходе инвертируется и что выходное напряжение соответствует приведенной формуле.

Измените величину резистора R3 на 2k и повторите моделирование.

ЗАДАНИЕ 10.

Усилитель тока (источник тока, управляемый напряжением).

Схема на рис. 34.

Рис. 34.

Результаты – на рис. 35.

Рис. 35.

С помощью выключателей величина сопротивления нагрузки ступенчато по времени изменяется (уменьшается) сначала в два раза, затем в три раза. Обратите внимание, что величина тока через нагрузочный резистор при этом не зависит от величины сопротивления (нижний график). Напряжение на нагрузке соответствует закону Ома (верхний график).

ЗАДАНИЕ 11.

Дифференциальный усилитель при наличии синфазного напряжения.

Схема на рис. 36.

Рис. 36.

Результаты на рис. 37.

Рис. 37.

Убедитесь, что при соблюдении попарного равенства резисторов обратной связи синфазный сигнал не оказывает влияния на выходной сигнал. Посчитайте коэффициент усиления усилителя и проверьте его соответствие с моделированием.

Измените один из резисторов, например R4, на 0,5%, до 5,025k. Повторите моделирование (рис. 38). Убедитесь, что небольшое рассогласование схемы существенно исказило выходной сигнал.

Рис. 38.

ЗАДАНИЕ 12.

Инструментальный усилитель при наличии синфазного напряжения.

Схема на рис. 39.

Рис. 39.

Результаты при симметричных сопротивлениях – на рис. 40.

То же, но при R6 больше на 0,5% – на рис. 41.

Рис. 40.

Рис. 41.

ЗАДАНИЕ 13.

Интегратор входного сигнала напряжения.

Схема на рис. 42.

Рис. 42.

Результаты интегрирования показаны на рис. 43.

Рис. 43.

Изменяя знак напряжения, можно получить линейно изменяющееся напряжение. Схема на рис. 44, результаты – на рис. 45.

Рис. 44.

Рис. 45.

ЗАДАНИЕ 14.

Триггер Шмитта – компаратор с гистерезисом.

Схема – на рис. 46, результаты – на рис. 47.

Рис. 46.

Рис. 47.

ЗАДАНИЕ 15.

Генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) с использованием интегратора и триггера Шмитта – рис. 48, результаты – на рис. 49.

Рис. 48.

Рис. 49.

ЗАДАНИЕ 16.

Широтно-импульсный модулятор на базе ГЛИН и компаратора – рис. 50, результаты – на рис. 51.

Рис. 50.

Рис. 51.

Рис. 52.

Рис. 53.

Рис. 51.

ЗАДАНИЕ 18.

СОЗДАНИЕ МОДЕЛИ ТРАНСФОРМАТОРА ДЛЯ ТРАНСФОРМАТОРНО-ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА (ТВУ) В ПРОГРАММЕ PSpice.

В этой работе использован графический интерфейс Schematics. Для работы в этом режиме нам необходимы библиотеки математических моделей всех элементов, которые мы будем использовать. Стандартные библиотеки содержат, как правило, модели зарубежных компонентов, не имеющих отечественных аналогов.

К достоинствам программы PSpice относится её открытость, позволяющая создавать собственные модели, описывающие поведение новых компонентов. Возможны два пути решения этой задачи.

Первый путь заключается в создании библиотек моделей необходимых нам компонентов. Этот путь достаточно трудоёмок в начальный период, но созданные один раз библиотеки мы можем неоднократно использовать в дальнейшем.

Однако есть другой путь решения данной задачи. Можно использовать модели любых компонентов (конечно, с одинаковой физической сущностью), а затем редактировать (изменять) необходимые параметры для получения нужной модели. Важно лишь сохранять такие изменённые модель отдельно от исходных, чтобы не испортить стандартные библиотеки. Именно так мы и поступим.

В этой работе будет создана макромодель силового трансформатора мощностью 40 Вт, которую мы используем для моделирования ТВУ. Последовательность работы описана ниже.

Дата добавления: 2017-01-14