Методические указания к выполнению контрольной работы
Схемотехническое моделирование понимается, как моделирование электрических процессов в электронных устройствах, изображаемых в виде принципиальных схем, т.е. соединений условных обозначений компонентов (резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов и т.д.).
Цель схемотехнического моделирования состоит обычно в определении формы и параметров сигналов тока и напряжения, в разных точках схемы. Для этого приходится решать ряд типовых задач: расчет статического режима, переходных процессов, частотных характеристик. На основе решения этих задач можно вычислить параметры сигналов (фронт, длительность, задержку и др.), рассчитать спектр выходного сигнала, чувствительность схемы к изменению параметров ее элементов, решить задачи статического анализа схемы и оптимизации ее параметров.
5.1. Пример 1 выполнения работы в среде EWB
Пусть заданы: режим работы таймера – ОВ (ждущий мультивибратор); частота входных импульсов F = 15 кГц; длительность импульса tи = 15 мкс; напряжение питания Vcc = 10 В.
Выбираем значение R1 = 2 кОм (рис. П 1.2), удовлетворяющее условию 1 кОм ≤ R1 ≤ 10 МОм.
Рассчитаем значение C1 = tи / (1.1 ∙ R1) = 6.8 ∙ 10-9 Ф = 6.8 нФ.
Создаем файл “control_n.ewb”, где n номер варианта задания. Выбираем из библиотеки «Basic» конденсаторы C1, C2 и резистор R1. Выбираем из библиотеки «Soures» источники питания (заземление и источник постоянного напряжения). Выбираем из библиотеки «MIXED» микросхему «555».
Разрабатываем схему устройства (рис. 1). Результаты моделирования спроектированного устройства представлены на рис. 2, 3.
Рис. 1. Принципиальная схема устройства и таблица настройки многофункционального генератора
Особое внимание при подготовке моделирования в среде EWB следует уделить настройке многофункционального генератора (рис. 1). Длительность импульса отрицательной полярности, определяемая коэффициентом заполнения (Duty cycle), должна быть меньше длительности формируемого импульса на выходе устройства. Низкий уровень импульса генератора должен находиться в диапазоне 0≤ UL ≤ (1/3) Vcc, а высокий уровень – в диапазоне (2/3) Vcc ≤ UH ≤ Vcc. Указанные уровни задаются настройкой амплитуды и смещения (Offset) генератора. Краткое описание многофункционального генератора и осциллографа приведено в прил. 2.
Рис. 2. Временная диаграмма для определения tи, полученная в результате моделирования устройства
Из временной диаграммы, приведенной на рис. 2, рассчитываем относительную погрешность длительности выходного сигнала δИ.
δИ = |15 – 14,9588| / 15 = 0,003 = 0,3%.
Рис. 3. Временная диаграмма для определения T = 1/ F, полученная в результате моделирования устройства
Из временной диаграммы, приведенной на рис. 3, рассчитываем относительную погрешность частоты выходного сигнала δF.
F* = 1 / 66,64 ∙ 10-6 = 15,006 ∙ 103 = 15,006 кГц,
δF = |15 – 15,006| / 15 = 0,0004 = 0,04%.
Выводы: рассчитанные по временным диаграммам относительные погрешности временных характеристик импульсов по отношению к значениям технического задания не превышают 5%.
5.2. Пример 2 выполнения работы в среде EWB
Пусть заданы: режим работы таймера – ГИ (генератор импульсов); частота входных импульсов F = 10 кГц; длительность импульса tL = 20 мкс; напряжение питания Vcc = 10 В.
Выбираем значение R2 = 2 кОм (рис. П 1.3), удовлетворяющее условию 1 кОм ≤ R2 ≤ 10 МОм.
Рассчитаем значение C1 = tL / (0.693 ∙ R2) = 20 ∙ 10-6 / (0.693 ∙ 2 ∙ 103) = 14.4 ∙ 10-9 Ф = 14.4 нФ.
Рассчитаем длительность импульса высокого уровня tH = (1 / F) - tL = (1 / 104) – 20 ∙ 10-6 = 80 ∙ 10-6 = 80 мкс.
Рассчитаем значение R1 = (tH / 0.693 ∙ C1) – R2 = (80 ∙ 10-6 / 0.693 ∙ 14.4 ∙ 10-9) – 2 ∙ 103 = 6 ∙ 103 ≈ 6 кОм.
Создаем файл “control_n.ewb”, где n номер варианта задания. Выбираем из библиотеки «Basic» конденсаторы C1, C2 и резисторы R1, R2. Выбираем из библиотеки «Soures» источники питания (заземление и источник постоянного напряжения). Выбираем из библиотеки «MIXED» микросхему «555».
Разрабатываем схему устройства (рис. 4). Результаты моделирования спроектированного устройства представлены на рис. 5, 6.
Рис. 4. Принципиальная схема генератора импульсов
Рис. 5. Временная диаграмма для определения tL, полученная в результате моделирования устройства
Из временной диаграммы, приведенной на рис. 5, рассчитываем относительную погрешность длительности выходного импульса низкого уровня tL.
tL = |20 – 20,035| / 20 = 0,002 = 0,2%.
Рис. 6. Временная диаграмма для определения T = 1/ F, полученная в результате моделирования устройства
Из временной диаграммы, приведенной на рис. 6, рассчитываем относительную погрешность частоты выходного сигнала δF.
F* = 1 / 100,11 ∙ 10-6 = 9,999 ∙ 103 = 9,999 кГц,
δF = |10 – 9,999| / 10 = 0,0004 = 0,01%.
Выводы: рассчитанные по временным диаграммам относительные погрешности временных характеристик импульсов по отношению к значениям технического задания не превышают 5%.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1