Использование программ PSpice и Probe в учебном процессе

Целесообразность использования компьютерного моделирования при изучении дисциплины «Электротехника — Теория электрических цепей» вызваны следующими обстоятельствами:

• • с одной стороны, возрастающая сложность электронной аппаратуры требует дорогого лабораторного оборудования. С другой стороны, динамичное развитие компьютерной техники и успехи, достигнутые в этом направлении, создали условия для организации компьютерных классов, которые можно использовать в процессе изучения различных дисциплин;
• • имеются пакеты программ схемотехнического моделирования, которые могут быть использованы для учебных целей;
• • программы моделирования предоставляют возможность более глубокого и всестороннего изучения электрических цепей и электронных устройств с использованием современных схемных решений и элементной базы. В процессе моделирования можно «вторгаться» в участки схемы и исследовать режимы, недоступные для реальных устройств;
• • схемотехническое моделирование электрических цепей с использованием компьютеров ускоряет процесс познания, что весьма важно в связи с сокращением количества часов, отводимых на изучение этой дисциплины.

Для изучения студентами теории электрических цепей и аналоговых узлов электронной аппаратуры автор в течение многих лет использует ООБовский пакет из двух программ (PSpice и Probe) совместно с управляющей оболочной Volkov Commander — VC (можно Norton Commander). Пакет программ легко осваивается студентами, занимают небольшой объем памяти и не требуют инсталляции, что позволяет использовать его для работы в домашних условиях. Изучение (исследование) цепи начинается с составления электрической схемы и задания на ее моделирование, после чего запускается программа PSpice для выполнения задания, а затем программа Probe — для вывода результатов. При необходимости задание корректируется с помощью встроенного редактора управляющей оболочки VC и процесс исследования повторяется.

Покажем некоторые возможности компьютерного моделирования на трех примерах.

Исследование переходных процессов RLC-цепи (рис. 11.3.1). Поскольку в заданиях на моделирование требуется указывать конкретные значения физических величин, в тестовых примерах выбрано: VI = 1 В, L = 1 Гн, С = 1 Ф, что соответствует резонансной частоте контура со = 1 Гц.

Ниже приведены задания па моделирование и результаты в виде временных диаграмм напряжений на отдельных элементах цепи.

RLC-1.

* Исследование свободных колебаний в RLC-цспи.

* Резонансная частота со = 2nf = 1/(LC)V2 =.

*Начальное напряжение на конденсаторе С равно 1 В.

Рис. 11.3.1. Схема последовательной RLC-цепи для составления задания на моделирование.

*Выявить форму напряжения на отдельных элементах цени *в переходном режиме при различных значениях сопротивления R *(или добротности контура Q = caL/R).

L 2 3 1; индуктивность L= 1 Гн включена между точками 2 и 3 С 3 0 1; емкость С=1 Ф включена между точками 3 и О R 0 2 0.01; колебательный процесс (типа «вечный двигатель»).

*R 0 2 0.1; затухающий колебательный процесс.

*R 0 2 1; апериодический процесс.

*R 0 2 10; медленный апериодический процесс.

.1C V (3) = 1.

.tran .01s 30s 0s .01s.

.probe V® V (L) V©.

.end.

Результаты моделирования представлены на рис. 11.3.2, а —г для колебательного, затухающего колебательного, апериодического и медленного апериодического процессов.

RLC-2.

* Исследование вынужденных колебаний в RLC-цепи.

*при воздействии напряжения ступенчатой и гармонической формы.

* Выявить форму напряжения на отдельных элементах цепи *в переходном режиме для низкой и высокой добротности.

V 1 0 PULSE (0 1 0 0 0 0 0).

*V 1 0sin (0 1 0.159 155 0 0 90).

R 1 2 10; добротность Q = 0.1 *R 1 2 1; добротность Q= 10 L 2 3 1 C30 1.

.tran, 01s 30s 0s, 01s. probe V (l) V® V (L) V©.

.end.

Рис. 11.3.2. Свободные колебания в ЛДС-цепи:

а — колебательный процесс; б — затухающий колебательный процесс; в — апериодический процесс; г — медленный апериодический процесс Результаты моделирования при воздействии напряжения ступенчатой формы представлены на рис. 11.3.3, а, б, при воздействии напряжения гармонической формы — на рис. 11.3.3, в, г.

RLC-3.

*RLC-uenb — биения в переходном режиме.

* Частота сигнала fc = 0,14 Гц; частота контура — fo = 0,159 155 Гц;

* Частота биений — fo-fc = 0,19 155 Гц.

* Добротность контура Q= 100.

V 1 0 sin (0 1 0.14 0 0 90).

L2 3 1 С 30 1 R 1 2 0.01.

.tran, 05s 100s 0s, 05s. probe V (l) V® V (L) V©.

.end.

На рис. 11.3.4 показана форма напряжения на конденсаторе в переходном режиме. Биения проявляются при частоте воздействия, близкой к резонансной частоте контура.

2. Расчет частотных характеристик усилительного каскада с общим эмиттером (рис. 11.3.5).

Usilil-OE.

Рис. 113.3. Вынужденные колебания в jRLC-цепи при воздействии:

а, б— ступенчатого напряжения; в, г — гармонического напряжения.

Рис. 11.3.4. Биения в переходном режиме.

* Схема с ОЭ.

* Расчет коэффициента усиления R1 1 3 109К.

R2 3 О 32К RC 1 2 4.7К.

Рис. 11.3.5. Схема каскада с ОЭ для составления задания на моделирование.

RE 4 О 2.35К RL 5 О 4.7К С1 6 3 10и С2 2 5 10и СЕ 4 0 20и CL 5 0 20рЕ Q1 2 34 КТ315 VCC 1 0 12 V 6 О АСlmVО.

.MODEL КТ315 NPN (Is=10f Xti=3 Eg=l.ll Vaf=100 Bf=100 + Ne=1.5 lse=0 lkf=0 Xtb=1.5 Br=l Nc=2 lsc=0.

+ lkr=0 Rc=0 Cjc=2p Mjc=.3333 Vjc=.75 Fc=.5.

+ Cjc=5p Mje=.3333 Vjc=.75 Tr=10n Tf=l n ltf=0.

+ Vtf=0 Xtf=0).

.OP.

.AC DEC 10 100H 10MEG. PROBE V (RL).

.end.

На рис. 11.3.6 приведена частотная характеристика, выведенная программой Probe по результатам расчетов моделируемой схемы.

3. Расчет передаточных характеристик дифференциального каскада (рис. 11.3.7) в виде зависимостей напряжений на коллекторах транзисторов Q1, Q2 от входного напряжения V1.

Задание на моделирование:

Dif_usilitcl.

* Дифференциальный усилитель.

* Расчет передаточных характеристик R1 1 4 4К.

R2 1 6 4К.

Рис. 11.3.6. Частотная характеристика усилительного каскада.

R3 2 3 0.1 R4 7 0 0.1 R5 9 11 1.8К R6 8 0 9.7К R7 11 10 1.7К VCC 1 0 4 VFF 110−4 VI 2 0.

Q1 4 3 5 КТ315 Q2 6 7 5 КТ315 Q3 5 89 КТ315 Q4 8 8 10 КТ315.

.MODEL КТ315 NPN (Is=10f Xti=3 Eg=l.ll Vaf=100 ВЫ00 Ne=1.5 lse=0 lkf=0 Xtb=1.5 Br=l Nc=2 lsc=0 + lkr=0 Rc=0 Cjc=2p Mjc=.3333 Vjc=.75 Fc=.5.

+ Cje=5p Mje=.3333 Vje=.75 Tr=l On Tf=ln ltf=0.

+ Vtf=0 Xtf=0).

.DC LIN VI -200MV 200MV 10MV. PROBE V (4) V (6).

.END.

Передаточные характеристики приведены на рис. 11.3.8.

Как показывает опыт, использование программ схемотехнического моделирования позволяет ускорить процесс изучения цепей, повысить качество знаний, глубже понять про;

Рис. 11.3.7. Схема дифференциального каскада для составления задания на моделирование.

текающие в схемах процессы. С этим материалом полезно ознакомиться, чтобы иметь представление о средствах и принципах компьютерного моделирования электрических цепей.