Моделирование электронного расширителя стереобазы с помощью программного пакета OrCAD 9.2

КУРСОВАЯ РАБОТА По дисциплине: «Моделирование в электронике»

СОДЕРЖАНИЕ Введение

1. Построение модели с помощью программы OrCAD Capture.

1.1 Создание проекта

1.2 Построение электрической принципиальной схемы проекта

2. Моделирование схемы с помощью программы PSpice.

2.1 Создание профиля моделирования

2.2 Построение графика амплитудно-частотной характеристики Ku (f) для двух выходных стереоканалов

2.3 Моделирование зависимости формы АЧХ и коэффициента ослабления сигнала середины диапазона от соотношения амплитуд сигналов во входных каналах

2.3.1 Моделирование зависимости формы АЧХ от соотношения амплитуд сигналов во входных каналах

2.3.2 Моделирование зависимости коэффициента ослабления сигнала середины диапазона от соотношения амплитуд сигналов во входных каналах

2.4 Построить график зависимости частоты среза от емкости конденсатора С1._14

2.5 Подобрать такое значение конденсатора С1, чтобы частота среза была 2000 Гц

3. СОЗДАНИЕ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ С ПОМОЩЬЮ ORCAD LAYOUT

Заключение

Перечень ссылок

ВВЕДЕНИЕ

Возможность компьютерного моделирования электронных устройств открывает перед нами широкие возможности в изучении их характеристик, не прибегая к дорогостоящим и достаточно трудоемким затратам на реальные физические эксперименты. В данной курсовой работе было произведено моделирование электронного расширителя стереобазы с помощью программного пакета OrCAD 9.2.

Расширитель стереобазы используется в акустических системах, и предназначен для улучшения стереоэффекта при малом расстоянии между акустическими системами. Он использует в себе эффект расширения стереобазы, который заключается в подмешивании в один канал сигнала из другого канала со сдвигом по фазе на 180 градусов, что позволяет сделать звук более объемным. Также расширитель стереобазы может использоваться для преобразования моно сигнала в псевдо-стерео — сначала из моно-канала делается стерео, затем каждый из двух стерео-каналов слегка (на два-три процента — две-три сотых тона) сдвигается по высоте, один — вверх, другой — вниз на ту же величину. После этого включается задержка, таким образом, что канал с пониженной высотой звука вступает на 5 — 20 миллисекунд раньше второго. Затем этого один канал сдвигается влево, другой — вправо. Такая обработка дает эффект очень широкой стереобазы.

Расширение стереобазы широко используется в различных портативных устройствах, таких как мобильные телефоны, ноутбуки и т. д, а также для улучшения восприятия звука в наушниках.

1. ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММЫ ORCAD CAPTURE

1.1 Создание проекта Для создания проекта в программе OrCAD Capture выполняется команда File > New Project, после чего указывается имя проекта и каталог, в котором он будет находиться.

Рисунок 1.1 — Создание нового проекта в программе OrCAD Capture

1.2 Электрическая принципиальная схема проекта Для построения электрической принципиальной схемы были использованы следующие библиотеки элементов: Analog. olb, Source. olb, LM324/opamp.olb, special.olb.

Схема расширителя стереобазы содержит в себе элементы: указание в таблице 1.1.

Таблица 1.1 — Перечень элементов расширителя стереобазы

Затем необходимые элементы были размещены на рабочем пространстве (команда Place part) и соединены между собой с помощью проводников (команда Place wire). При создании схемы были применены команды поворота объекта (Rotate) и отражения по горизонтали (Mirror Horizontally).

Для снятия выходного сигнала были использованы вольтметры V (U1A:OUT) и V (U2A:OUT).

Рисунок 1.2 — Схема электрическая принципиальная расширителя стереобазы

стереобаза расширитель амплитуда

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ СХЕМЫ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММЫ PSPICE

2.1 Создание профиля моделирования Чтобы исследовать характеристики схемы расширителя базы, её необходимо промоделировать с помощью программы PSpice. Для этого сначала необходимо создать список соединений между элементами. Это можно сделать с помощью команды PSpice > Create netlist. Далее необходимо создать профиль моделирования (команда PSpice > New simulation profile). В открывшемся окне мы задаем параметры моделирования. Так как нам необходимо исследовать частотные характеристики, выбираем тип анализа «AC Sweep/Noise» и задаем диапазон частот от 1 Гц до 25 КГц, с количеством исследуемых точек 25 000. Окно параметров моделирования представлено на рисунке 3.

Рисунок 2.1 — Окно параметров профиля моделирования

2.2 График амплитудно-частотной характеристики K_u(f) для двух выходных стереоканалов После того как все необходимые параметры моделирования были заданы, можно непосредственно приступить к анализу. Для этого нужно выполнить команду PSpice > Run. Программа произведет анализ схемы в заданных точках и покажет нам график зависимости напряжения на вольтметрах (U1A:OUT U2A: OUT).

Нам требуется построить зависимость K_u(f), где K_u — коэффициент усиления, который находится по формуле:

(2.1)

Чтобы сделать это, строим кривые U1A: OUT / V1 и U1A: OUT / V1 с помощью команды Trace > Add Trace.

В итоге мы получили график амплитудно-частотной характеристики K_u(f) для двух выходных стереоканалов в диапазоне частот 1 Гц — 25 КГц, который изображен на рисунке 4.

Рисунок 2.2 — АЧХ выходных стереоканалов

2.3 Зависимость формы АЧХ и коэффициента ослабления сигнала середины диапазона от соотношения амплитуд сигналов во входных каналах Для моделирования зависимости формы АЧХ и коэффициента ослабления сигнала середины диапазона от соотношения амплитуд нам необходимо провести параметрический анализ.

Чтобы изменять соотношение амплитуд, одну из них (V1) мы делаем переменной, для чего в графе «Value» изменяем значение 0.5 В на {V_Var}. Фигурные скобки указывают, что значение — переменная. Затем из библиотеки элементов «special» добавляем на рабочее пространство элемент PARAM.

В окне настройки параметров элемента PARAM необходимо добавить новый параметр (команда New Column), присвоить ему имя V_Var и значение 0.5 В.

Следующим шагом необходимо в окне «Edit Simulation profile» выбрать тип анализа «Parametric sweep». Выбираем Sweep Variable > Global parameter, и задаем имя нашей переменной V_Var. Затем Sweep type > Value list задаем значения амплитуды на источнике V1 — 0.5 В, 1 В и 2 В. Таким образом, получаем 3 соотношения амплитуд — 1:2, 1:1 и 2:1.

Теперь можно непосредственно приступить к моделированию.

2.3.1 Зависимость формы АЧХ от соотношения амплитуд сигналов во входных каналах.

Сначала промоделируем зависимость формы АЧХ от соотношения амплитуд. Для этого построим такой же график, как на рисунке 4, но с применением параметрического анализа. Эта зависимость представлена на рисунке 5.

Рисунок 2.3 — Зависимость формы АЧХ от соотношения амплитуд входных сигналов Как видно из полученного графика, изначально (при соотношении 1:2), АЧХ первого канала имеет значительно большую амплитуду, чем АЧХ второго (на рисунке — кривые 3 и 1 соответственно), затем кривые плавно начинают сближаться. В случае соотношения 1:1 входные сигналы совпадают, и АЧХ двух выходов идентичны (кривая 2). А в случае соотношения 2:1, амплитудно-частотные кривые получаются инвертированными к изначальным (кривые 1 и 3).

2.3.2 Зависимость коэффициента ослабления сигнала середины диапазона от соотношения амплитуд сигналов во входных каналах.

Коэффициент ослабления середины диапазона — это отношение максимальной амплитуды напряжения к амплитуде в середине исследуемого диапазона частот (в нашем случае это 12,5 КГц).

(2.2)

Максимальные значения амплитуд можно найти добавлением на график прямых MAX (U1:OUT) MAX (U2:OUT). Далее находим значения в точках 12.5 КГц, и вычисляем коэффициент ослабления сигнала середины диапазона:

Таблица 2.1 — Зависимость коэффициента ослабления сигнала середины диапазон от соотношения амплитуд сигналов во входных каналах

Как видим, для первого канала разброс коэффициента ослабления середины диапазона значительно выше, чем для второго, и при соотношении амплитуд входных сигналов 2:1 он достигает наивысшего значения (среди исследованных).

2.4 Зависимость частоты среза от емкости конденсатора С1

Для построения зависимости частоты среза от емкости конденсатора С1 необходимо снова воспользоваться параметрическим анализом. Делаем значение емкости С1 переменной величиной {var}, добавляем на рабочее пространство объект PARAM и задаем в нем текущее значение емкости. Затем в окне Simulation Settings > Parametric Sweep задаем имя параметра {var}, границы изменения 50нФ — 550нФ, шаг изменения 20нФ.

Выполняем команду PSpice > Run, после чего программа выдает нам график зависимости АЧХ. Теперь необходимо выполнить команду Trace > Delete All Traces, чтобы очистить экран от ненужных нам кривых. Затем выполняем команду Trace > Performance analysis.

После выполненных действий по оси YAxis у нас теперь не частота, а емкость конденсатора. Командой Trace > Add Trace добавляем на график кривые частот среза для обоих выходных стереоканалов и получаем требуемую зависимость.

Рисунок 2.4 — График зависимости частоты среза от емкости конденсатора С1

2.5 Подбор такого значения конденсатора С1, чтобы частота среза была 2000Гц Частота среза — это частота, выше или ниже которой мощность выходного сигнала электронной схемы уменьшается вполовину от мощности в полосе пропускания.

Первым шагом выясним текущую частоту среза. Это можно сделать следующим образом:

Частота среза означает уменьшение мощности на 3 дБ. Значит в окне PSpice строим кривые выходных сигналов, и далее выполняем функцию Trace > Eval Goal > Center Freq, где задаем её входными параметрами наши кривые и 3 дБ.

В итоге получаем частоты среза:

— для первого канала Fc = 2205.3 Гц.

— для второго канала Fc = 2493.7 Гц.

Рисунок 2.5 — Определение частоты среза Чтобы найти значение конденсатора С1, при котором частота среза будет 2 КГц, необходимо воспользоваться модулем PSpice Optimizer. Для этого сначала необходимо выполнить команду PSpice > Place optimizer parameters. Появившемуся элементу добавляем параметры c_var1 c_var2. Задаем начальное значение, текущее значение, диапазон изменения. Затем эти параметры присваиваем как переменные емкости конденсаторов С1 и С2.

Рисунок 2.6 — Окно Optimizer parameters

Запускаем PSpice > Run Optimizer. Вводим задание для оптимизации (команда Edit > Specifications).

Рисунок 2.7 — Задание оптимизации Итак, теперь непосредственно можно приступить к оптимизации. Её запуск производится с помощью команды Tune > Auto > Start. Сделав оптимизацию для первого канала, мы видим, что в заданном нами диапазоне отсутсвует частота в 2 КГц. Дальнейшие попытки расширения диапазона показали, что при емкости конденсаторе выше 1300нФ вычислить частоту среза невозможно (программа выдает ошибку). Минимальное достигнутое значение частоты среза — 2173.22 Гц при С1= 1.28795uF.

Проведение оптимизации для второго канала возникли те же проблемы. Минимальное достигнутое значение частоты среза для второго канала — 2463.47 Гц при С1= 1.08947uF.

Рисунок 2.8 — Окно программы PSpice Optimizer

Изменим емкости конденсатора С1 в схеме на полученные с помощью PSpice Optimizer и изучим изменение АЧХ:

Рисунок 2.9 — АЧХ при С1= 1.28795uF

Рисунок 2.10 — С1= 1.08947uF

Заметим, что после изменения емкостей АЧХ на участке до 100 Гц приобрела несколько более крутую форму.

3. СОЗДАНИЕ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ С ПОМОЩЬЮ ORCAD LAYOUT

Для создания печатной платы в среде OrCAD Layout, сначала необходимо в OrCAD Capture создать список соединений, совместимый с Layout. Для этого выполняем команду Tools > Create Netlist. В открывшемся диалоговом окне выбираем вкладку «Layout» и вводим имя файла списка соединений, после чего нажимаем кнопку ОК.

Рисунок 3.1 — создания списка соединений, совместимого с OrCAD Layout

После создания списка соединений, запускаем программу Layout и создаем новый файл. Как образец указываем файл «metric.tpl», затем наш список соединений и имя файла печатной платы.

В итоге на рабочем пространстве Layout мы получаем схему, созданную с помощью OrCAD Capture.

Рисунок 3.2 — Корпуса элементов и электрические соединения в OrCAD Layout после загрузки списка соединений Затем необходимо добавить к имеющимся элементам разъем и подсоединить его к необходимым контактам схемы (Tool > Component > New). Чтобы ограничить пространство печатной платы, выполняется команда Obstacle Tool.

Теперь можно приступить непосредственно к трассировке. Трассировка выполняется с помощью команды Auto > Place > Board.

Рисунок 3.3 — Печатная плата с выполненной трассировкой

Нанесение дорожек на плату может быть двух видов: одностороннее и двустороннее. Тип платы указывается в пункте меню Tool > Layer > Select from spreadsheet. Различные типы плат показаны на рисунках 13 и 14.

Рисунок 3.4 — Односторонняя печатная плата Рисунок 3.5 — Двусторонняя печатная плата

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения курсовой работы было произведено ознакомление с возможностями программного пакета OrCAD 9.2. Смоделирован электронный расширитель стереобазы. В процессе моделирования были исследованы амплитудно-частотные характеристики его выходных стереоканалов, а также зависимость их формы от соотношения амплитуд на входе. Замечено, что напряжение на выходных каналах находятся в противофазе. Затем было произведено параметрическое исследование зависимости коэффициента ослабления середины диапазона от емкости конденсатора С1, а также произведена оптимизация частоты среза обоих выходных стереоканалов.

Сравнение полученных с помощью моделирования результатов с данными о расширителях стереобазы, полученными из других источников [1][2] показало, что моделирование дало нам верные результаты.

Проведенное исследование показало, что компьютерное моделирование практически ни в чем не уступает реальным экспериментам, но при этом имеет ряд положительных сторон. Оно намного более доступно, чем реальный физический эксперимент, и позволяет избавиться от произведения большого количества расчетов и построений вручную. Приняв во внимание все это, можно сказать, что компьютерное моделирование открывает огромные перспективы в изучении электронной техники.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «МОДЕЛИРОВАНИЕ В ЭЛЕКТРОНИКЕ» В.П.ГЕРАСИМОВ, Л.И. СВИДЕРСКАЯ, О.М. РЫБИН. ХАРЬКОВ, ХНУРЭ, 2006.

2. ЗВУКОТЕХНИКА, М.С. БЕНИН, А.С. ПОДУНОВ. ДОСААФ, 1976.

3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИЕМНО-УСИЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА: СПРАВ. РАДИОЛЮБИТЕЛЯ, Р.М. ТЕРЕЩУК, К.М. ТЕРЕЩУК, С.А.СЕДОВ. КИЕВ, НАУК. ДУМКА, 1989.

4. www.radiomaster.ru «УРОКИ СПРАВОЧНИК РАЗРАБОТКА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ ПРОЕКТИРОВАНИЕ CAD САПР ORCAD FAMILY RELEASE 9.2»

5. www.kit-e.ru «ORCAD 10.5 ДЛЯ НАЧИНАЮЩИХ ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ»

6. www.power-e.ru «ОПЫТ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ В СРЕДЕ ORCAD 9.2 ЧАСТЬ II», ЮРИЙ БОЛОТОВСКИЙ, ГЕОРГИЙ ТАНАЗЛЫ