Порядок выполнения лабораторной работы

Цель работы: изучение пакета схемотехнического проектирования MicroCAP.

Выполнение лабораторной работы начинается с запуска пакета MicroCAP из меню Пуск -> Программы -> Micro-CAP V -> Micro-CAP V операционной системы Windows (рис.3.1).

Рис.3.1. Запуск пакета MicroCAP.

После этого на экране появится основное окно системы MicroCAP. Можно приступать к вводу электрической схемы согласно вариантов задания, указанных в пункте 4 данного руководства. Редактирование схемы желательно производить на всем поле чертежа, чтобы индексные метки элементов и их значения, отображаемые на экране в процессе редактирования, не перекрывали друг друга. Настройка пакета выполнена таким образом, что все вводимые элементы отображаются на экране вертикально. Для того, чтобы повернуть элемент на 90 градусов (если это необходимо), нужно переключить курсор в режим выделения Select mode (крайняя левая верхняя кнопка на панели редактирования) и выделить необходимый элемент. Затем повернуть его согласно инструкций, указанных в пункте 1, либо при помощи вынесенной на панель редактирования кнопки поворота Rotates, которая активируется после выделения объекта.

Информацию по основным пиктограммам кнопок меню можно увидеть в нижней строке окна редактирования при подведении курсора к соответствующей пиктограмме. Данные кнопки дублируют основные команды меню, описанные в разделе 2, с целью упрощения редактирования.

После ввода схемы и редактирования ее компонентов необходимо выполнить анализ схемы по переменному току. При этом, если схема введена неверно, MicroCAP сообщит об этом. Основными, наиболее распространенными ошибками при вводе схемы являются:

- ошибки соединения: MicroCAP не может установить контакт между элементами схемы ввиду неточности редактирования соединения;

- отсутствие источника сигнала либо источника питания: любая схема должна иметь данные компоненты. Если схема замкнута (имеет только замкнутые контуры) – для анализа достаточно только источника питания. Данные компоненты находятся в меню Component -> Analog Primitives -> Waveform Source;

- отсутствие общего провода («земля»): любая схема в системе MicroCAP должна обладать общим проводом (меню Component -> Analog Primitives -> Connectors -> Ground).

После исправления всех ошибок и выполнения анализа необходимо закрыть окно вывода результатов расчета (при этом выполняется автоматический переход к окну редактирования). Далее нужно выполнить расчет напряжений в узловых точках схемы, как это указано в разделе 2. Кнопка Node voltages будет доступна для активирования только после проведения анализа схемы!

После того, как в окне редактирования появятся значения напряжений в узлах схемы, необходимо перечертить схему и переписать эти значения в отчет по лабораторной работе (либо распечатать итоговый результат на принтере).

Варианты заданий к выполнению лабораторной работы.

Варианты задания распределяются согласно подгруппам студентов, выполняющих лабораторную работу. Таблица распределения вариантов задания работы 1 представлена в (таб.4.1).

Таблица 4.1.

Варианты задания.

Вариант	Номер рисунка	Напряжение питания Eп, В	Сопротивление R1, кОм	Сопротивление R2, кОм	Сопротивление R3, кОм
1	3.1	10	1	2	4
2	3.1	15	10	10	10
3	3.1	20	5	10	15
4	3.1	30	10	100	1000

Необходимо смоделировать и рассчитать схему (рис.4.1) по постоянному току. Результаты записывать для всех узловых точек соединения в схеме, а также записать значение напряжения на резисторе R3. Сравнить полученные данные при моделировании с расчетными результатами.

Рис.4.1 Задание к лабораторной работе.

В работе 2 необходимо выполнить расчет по переменному току схемы активного фильтра на операционном усилителе согласно варианта задания (таблица 4.2). В качестве параметров расчета схемы взять зависимости амплитуды от частоты (АЧХ) и фазы от частоты (ФЧХ) для диапазона частот от 0 кГц до 100 кГц. Изобразить схему фильтра. Проиллюстрировать полученные в результате моделирования характеристики.

Таблица 4.2

Варианты задания к расчету фильтра

№варианта	Тип фильтра	Частота среза	Крутизна спада характеристики
1	ФНЧ	10 кГц	20 dB / дек
2	ФНЧ	50 кГц	40 dB / дек
3	ФВЧ	10 кГц	40 dB / дек
4	ФВЧ	50 кГц	60 dB / дек

Сравнить полученные при моделировании результаты с расчетными.

Вариант отчета по лабораторной работе.

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

- титульный лист с названием работы и перечнем лиц, выполняющих работу по данному варианту;

- цель работы;

- приборы и оборудование, использующееся в лабораторной работе;

- задание к выполнению работы;

- краткая теоретическая часть;

- расчеты по лабораторной работе;

- результат выполнения работы в виде таблиц и графиков;

- заключение.

Цель работы: изучение системы схемотехнического проектирования MicroCAP.

Используемое оборудование: персональный компьютер IBM PC с процессором Intel Celeron 833MHz, память 512 MB RAM, жесткий диск 20GB

Вариант задания: 5

Исходные данные к выполнению лабораторной работы:

Резистор R1 – 10кОм, R2 – 10 кОм, R3 – 10 кОм, напряжение питания – 10вольт.

Для расчета фильтра (задание 2):

Полосовой фильтр с резонансной частотой 2 кГц и крутизной спада характеристики в области задерживания 12 dB / окт.

Рис.5.1. Расчетная схема по варианту задания.

Расчет данной схемы выполняется по алгоритму расчета лестничных цепей, либо по методу эквивалентных сопротивлений с использованием закона Кирхгофа.

Выполним вывод формул для определения напряжения в узловых точках U1, U2, U3. Напряжение в точке U1 будет определяться делителем, образованным резистором R1 и R2-R6, и входным напряжением Uвх. Сопротивление нижнего звена делителя (R2-R6), определим, как:

Rz = (((R5+R6)||R4)+R3)||R2. (5.1)

Значения сопротивлений, согласно варианта задания:

R1 = 10 кОм; R2 = 10 кОм; R3 = 10 кОм;

R4 = 10 кОм; R5 = 10 кОм; R6 =10 кОм,

при входном напряжении Uвх = 10В.

Подставляя данные значения в формулу (5.1), получим формулы эквивалентных сопротивлений:

R’ = R5 + R6 =20 кОм;

R’’ = R’||R4 = (R’*R4)/(R’+R4) =20*10*10⁶ / (30*10³)= 6.67 кОм.

R’’’= R’’+ R3 = 16.67 кОм.

Rz = R’’’||R2 = 16.67*10*10⁶/(26.67*10³) = 6.25 кОм.

Физический смысл данных формул заключается в разбиении схемы на сектора для упрощения расчета. Элементарным сектором является один резистор (к примеру, R6). Далее к нему подключается следующий сектор, связанный с ним (R5). Вычисляется общее сопротивление этих резисторов (R’) - второй сектор. Процесс повторяется до охвата всей схемы. Далее, зная сопротивление каждого сектора, по закону Кирхгофа о распределении тока, определяется падение напряжения, что, в свою очередь, позволяет вычислить напряжения в узловых точках.

Получим значение амплитуды в точке U1:

U1 = Uвх*Rz/(R1+Rz) = 10*6.25*10³/(16.25*10³) = 3.8 В.

Аналогичным образом выполним расчет напряжений в других узлах схемы. При этом, в качестве входного напряжения, будем использовать только что полученное значение U1 для узла схемы R3 - R6.

U2 = U1* R’’/(R3+R’’) = 3.8*6.67*10³/(16.67*10³) = 1.52 В.

Значение напряжения в точке U3:

U3 = U2*R6/R’ = 1.52*10*10³/(20*10³) = 0.76В.

Расчеты, полученные в результате данного решения, совпадают с лабораторным моделированием на персональном компьютере в системе MicroCAP в пределах погрешности расчета.

Для построения фильтра используем в качестве прототипа фильтр Чебышева (рис.5.2).

Рис.5.2. Фильтр Чебышева

В результате расчета номиналов элементов данного фильтра и его анализа при моделировании была получена амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристика, приведенная на рис. 5.3.

Рис.5.3. Результат расчета фильтра по варианту задания.

Полученные результаты подтверждают правильность теоретических расчетов.

Заключение: В работе проведен анализ различных схем по постоянному и переменному току в среде схемотехнического проектирования MicroCAP. Полученные данные совпадают с расчетными теоретическими значениями.

Список литературы.

1. Основы радиоэлектроники. Москва, МАИ, 1993.

2. Ю. Г. Толстов, А. А. Теврюков. Теория электрических цепей. Москва, Высшая школа, 1971.

3. Р. Коутс, И. Влейминк. Интерфейс «Человек-компьютер». Москва, издательство МИР, 1990.

4. В. А. Прянишников. Электроника. Курс лекций. С/Пб, Солон-Питер, 1993.

5. Ерошенко В.В., Малакеев А. К., Поливанов С. А.. Справочник по транзисторам., Воронеж, «Коммуна», 1991.

6. Л. М. Фолкенберри. Справочное пособие по ремонту электрических и электронных систем., М., Энергоатомиздат, 1989.

7. Схемотехника1. Курс лекций.

8. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М.: Мир, 1989.

9. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. М.: Мир, 1993, т. 1

10. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. М.: Высш. Шк., 1991.

11. Рогинский В. Ю. Современные источники питания., С/Пб, «Энергия», 1989г.