Анализ схем

Концепция электронной лаборатории с виртуальными измерительными приборами, заложенная в программу EWB, существенно облегчает проведение самого сложного этапа — расчета процессов, протекающих в радиоэлектронном устройстве. После составления схемы и подключения к схеме измерительных приборов для начала анализа цепи достаточно нажать кнопку Activate/Stop. Рассчитанные значения токов, напряжений или сопротивлений показываются на экранах измерительных приборов. Аналогичный порядок работы имеет место в реальной лаборатории с реальными измерительными приборами.

На втором этапе моделирования можно изменить параметры элементов, удалить или добавить радиоэлементы, подключить приборы к другим контрольным точкам схемы и т. п. После таких изменений, как правило, требуется снова активизировать цепь, нажимая кнопку Activate/Stop. Отметим, что при использовании переменных резисторов, конденсаторов или катушек изменение процессов в цепи можно наблюдать, как правило, не прекращая моделирование. Однако при этом увеличивается погрешность получаемых результатов. Поэтому для получения надежных результатов расчет рекомендуется повторить при фиксированных параметрах, заново нажимая кнопку Activate/Stop.

В зависимости от типа подключенного прибора программа EWB автоматически настраивается на выполнение следующих основных видов анализа:

– DC Operating Point — расчет режима по постоянному току, при включении мультиметра, амперметров и вольтметров для измерения постоянных токов и напряжений;

– AC Frequency — расчет частотных характеристик, при включении измерителя АЧХ и ФЧХ, а также мультиметра, амперметров и вольтметров для измерения гармонических токов и напряжений;

– Transient — расчет переходных процессов, при использовании осциллографа.

В программе EWB предусмотрен другой (обычный для большинства других программ моделирования) порядок анализа схемы — выбор режимов анализа с помощью меню Analysis. Указанные выше режимы анализа электрической цепи можно получить, выбирая соответствующие команды меню Analysis. Настройка основных параметров в диалоговых окнах указанных видов анализа аналогична настройке параметров измерительных приборов.

Отметим, что в программе EWB по умолчанию установлен слишком большой шаг численного интегрирования. Для повышения точности и корректности результатов анализа переходных процессов особенно в узкополосных цепях, в цепях с нелинейными элементами и в других сложных цепях рекомендуется выбрать пункт меню Analysis\Analysis OptionYTransient и установить следующие значения параметров программы EWB: ITL4 = 100...1000 и TRTOL = 1 ... 0,1.

Кроме указанных трех основных видов анализа, с помощью меню Analysis можно дополнительно провести следующие, реже используемые виды анализа: спектральный анализ (Fourier), анализ спектра внутренних шумов (Noise), расчет нелинейных искажений (Distortion), анализ влияния вариаций параметра какого либо элемента схемы (Parameter sweep), анализ влияния изменения температуры на характеристики устройства (Temperature sweep), расчет нулей и полюсов передаточной характеристики моделируемой цепи (Pole-Zero), расчет передаточной функции (Transfer Function), расчет чувствительности и разброса характеристик схемы при изменении параметров компонентов (Sensitivity, Worst Case и Monte Carlo).

Для анализа спектров сигналов выбирается пункт меню Analy-sisVFourier. Диалоговое окно установки опций Фурье-анализа показано на рис. 1. В первом сверху окошке (блок параметров Analysis) устанавливается номер узла схемы, для которого проводится анализ. Во втором — устанавливается частота основной гармоники. В третьем — число рассчитываемых гармоник. В блоке Result выбирается вид масштаба по вертикальной оси, для отображения фазового спектра отмечается пункт Display phase, для показа амплитудного спектра с помощью непрерывной линии делается пометка пункта Output as line graph. Отметим, что расчет гармоник в спектре анализируемого сигнала производится без использования БПФ — применяется численное интегрирование по формуле (5.2.4) ряда Фурье. Поэтому при моделировании можно задавать расчет большого числа гармоник (параметр Number of harmonics можно установить много больше 10). Однако высшие гармоники в спектре сигнала будут рассчитаны с увеличенной погрешностью.

Анализ вольтамперных характеристик полупроводниковых приборов удобно проводить с использованием вариации параметров (пункт меню Analysis\Parameter Sweep). Например, варьируя напряжение на элементе и измеряя ток через него, получим вольт-амперную характеристику нелинейного элемента.

Диалоговое окно, содержащее параметры такого режима анализа приведено на рис. 2. В верхнем блоке параметров окна указываются внутреннее имя элемента (идентификатор) и изменяемый параметр элемента. На рис. 2 показано, что изменяется напряжение (Voltage) источника постоянного напряжения с именем VI. Для визуализации в окне схем внутреннего имени элемента требуется предварительно отметить в окне параметров схемы пункт Show reference ID.

Блок Analysis диалогового окна предназначен для установки начального и конечного значения напряжения источника VI, для выбора линейного или другого типа изменения параметра, для установки шага изменения напряжения и для выбора номера узла, напряжение в котором будет рассчитываться при вариации параметров. В блоке Sweep for устанавливается вид анализа. В данном случае выбран анализ схемы на постоянном токе.

Все радиоэлементы изготавливаются на предприятиях с некоторым разбросом параметров. В бытовой аппаратуре разброс параметров элементов достигает 20%. В аппаратуре специального назначения, в ответственных узлах радиоэлектронных устройств разброс параметров, как правило, не должен превышать 10%. Отдельные радиокомпоненты изготавливаются с разбросом параметров, равным 5%, 2%, 1% и менее. Например, в источниках питания ЭВМ для получения высокостабильного напряжения могут использоваться резисторы с разбросом параметров, равным 0,5%. Для расчета нестабильности характеристик устройства и их чувствительности к изменениям параметров компонентов при заданном разбросе параметров элементов используются пункты меню Analysis\Sensitivity, Analysis\Worst Case и Analysis\Monte Carlo. При анализе нестабильности характеристик, как правило, задается гауссово распределение случайного разброса параметров радиоэлементов. Анализ чувствительности и разброса характеристик схемы при изменении параметров компонентов требуется для оценки работоспособности устройств при модернизации, ремонте и при серийном производстве.

Пункт меню Analysis\ Noiseиспользуется для анализа шумов в малошумящих усилителях и в других малошумящих электронных устройствах. В диалоговом окне, появляющемся после выбора этого типа анализа, указываются эквивалентный источник входного шума, номер выходного узла, на котором рассчитывается шумовое напряжение, частотный диапазон анализа и компонент схемы, который дает вклад в шумы устройства.