МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ …. makarenko...стрируют...

44

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ № 3, март 2008

www.ekis.kiev.ua

В третьей части статьи перейдем к процессу подробного анализа схемы ФНЧ, рассмотренной в [1],с помощью меню Simulate/Analyses.

Начнем с анализа по постоянному току (DC Operating Point Analysis). В этом режиме из модели(руемой схемы исключаются все конденсаторы (разрыв цепи) и закорачиваются все индуктивности.Для анализа необходимо выбрать точки, в которых будет осуществляться контроль токов и напря(жений, а затем нажать на кнопку "Simulate" (рис. 1). Результаты анализа приведены на рис. 2. Ко(нечно, измерить постоянные токи и напряжения можно с помощью мультиметра. Для сравнениярезультатов анализа и измерений с по(мощью виртуальных приборов на выходевторого операционного усилителя постоян(ное напряжение измерено мультиметромXMM2. Полученное в результате анализазначение V(7)=7.31339 мВ, а в результатеизмерения – 7.313 мВ (рис. 3). Если числоточек анализа невелико, можно пользо(ваться для измерения мультиметрами или

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММЫ NI MULTISIM, часть 3

B статье рассмотрены примерыанализа схем с помощью различ�

ных инструментов программы моде�лирования радио�электронных уст�ройств NI MultisimAnalog Devices Edi�tion.

В. Макаренко

MULTISIM MODELLING OF RADIO-ELECTRONIC DE-

VICES BY MEANS OF PROGRAM NI MULTISIM, part 3

I n article examples of the analysis ofschemes by means of various tools of

the program of modeling of radio�electronicdevices NI Multisim Analog Devices Editionare considered.

V. Makarenko

Аbstract –

Рис. 1. Выбор точек анализа схемы

по постоянному току

Рис. 2. Результаты анализа

по постоянному току

Рис. 3. Результат измерения по постоянному

току с помощью мультиметра

45

№ 3, март 2008 МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

e%mail: [email protected]

вольтметрами и амперметрами. При большом чис(ле контрольных точек это становится неудобными тогда предпочтение следует отдать анализу попостоянному току.

Если при попытке провести анализ по постоян(ному току выводится сообщение об ошибке, следует проверить моделируемую схему на наличие не(допустимых комбинаций из последовательно включенных источников постоянного тока и конден(саторов или параллельно включенных индуктивности и источника напряжения [2]. При отсутствииошибок такого рода необходимо уменьшить значение параметра RSHUNT в 10…100 раз и увеличитьGMIN, а число итераций довести до 200…300.

Для анализа влияния изменения напряжения используемых источников питания предназначенрежим DC Sweep Analysis. Диалоговое окно выбора режимов анализа показано на рис. 4. В окнеможно задать пределы и шаг изменения напряжения одного или обоих источников питания:

• Start volue, Stop value – начальное и конечное значения варьируемой величины • Increment – шаг изменения варьируемой величины.

В рассматриваемом примере задано изме(нение напряжения обоих источников в диа(пазоне от 3 до 8 В с шагом 1 В.

На вкладке Output выбираются точкисхемы, в которых необходимо произвестианализ.

Результаты анализа (после нажатиякнопки "Simulate") выводятся в окне Gra(pher View (рис. 5). Из полученного графикаследует, что схема практически нечувстви(тельна к изменению напряжения источни(ков питания. После экспорта полученныхрезультатов в Excel (либо вывода на экранDC Transfer Haracteristik таблицы получен(ных значений) [1] в этом несложно убедить(ся. Полученные значения постоянных на(пряжений в точках 2 и 7 совпадают с вели(чинами, измеренными в режиме DC Opera(ting Point Analysis.

Перейдем к расчету частотных характе(ристик, который осуществляется в режиме

Рис. 4. Окно DC Sweep Analysis

установки параметров анализа

Рис. 5. Результаты выполнения анализа

на постоянном токе

Рис. 6. Окно установки параметров

AC Frequency

46

AC Frequency. При выборе этого пункта меню открывается диалоговое окно (рис. 6), в котором мож(но задать:

• FSTART – начальную частоту анализа• FSTOP – конечную частоту анализа • Sweep type – масштаб по оси частот (линейный, октавный или декадный) • Number of points per octave – число точек анализа на октаву• Vertical Scale – масштаб по вертикали (логарифмический или линейный).

На вкладке Output задаются точки схемы, в которых необходимо произвести расчет АЧХ иФЧХ. Для начала анализа необходимо нажать кнопку "Simulate" (рис. 6).

Полученные при заданных параметрах анализа (FSTART=1 Гц, FSTOP=10 кГц, Sweep type – Oc(tave, Number of points per octave=10, Vertical Scale – Logarithmic) характеристики фильтра (АЧХ иФЧХ) показаны на рис. 7.

Расчет переходных процессов в схеме осуществляется при выборе пункта меню Transient Analy/sis. В диалоговом окне на вкладке Analysis Parameters (рис. 8) задаются начальное и конечное вре(мя анализа, минимальное число точек анализа и шаг изменения времени. Если поставить птичкувозле пункта "Generate time steps automatically", то шаг изменения времени будет задан автомати(чески. На вкладке Output задаются точки (ноды) анализа.

Для анализа переходных процессов необходимо подать на вход фильтра сигнал прямоугольнойформы и такой амплитуды, чтобы усилители фильтра не переходили в режим ограничения. Зададим

амплитуду прямоугольного входного сигнала 200 мВ (отпика до пика) и частоту 200 Гц. Проконтролируем про(цессы на входе и выходе фильтра с помощью осциллогра(фа (рис. 9). Результаты анализа переходных процессов,выводимые в окне Grapher View, приведены на рис. 10.


www.ekis.kiev.ua

Рис. 7. Рассчитанные

АЧХ и ФЧХ фильтра

Рис. 9. Осциллограммы входного и выходного

сигналов ФНЧ при анализе переходных процессов

Рис. 10. Результаты анализа переходных процессов

Рис. 8. Окно выбора параметров

при анализе переходных процессов

47

Если проводить анализ переходных процес(сов при гармоническом входном воздействии, торезультат получается ненаглядным, что иллю(стрируют диаграммы рис 11. Для того чтобысравнить входной и выходной сигналы фильтра,введем дополнительный делитель напряженияR6/R7, коэффициент деления которого практи(чески равен 1 (рис. 11, а). Это сделано для созда(ния искусственной точки анализа входного сиг(нала, так как по умолчанию на вкладке Outputнельзя выбрать для анализа точку входа (отсут(ствует соответствующая нода схемы) при ис(пользовании функционального генератора какисточника входного сигнала. Нода источникавходного сигнала формируется при подключении генерато(ров, которые выбираются из меню Components.

Спектральный анализ сигналов в схеме осуществляет(ся при выборе пункта меню Simulate/Analyses/FourierAnalysis. В окне (рис. 12) задаются параметры анализа:

• Frequency resolution (Fundamental Frequency) –частота первой гармоники анализируемого сигнала

• Number of Harmonics – число гармоник,подвергающихся анализу

• Results – способ отображения результатов анализа:♦ Display phase – фазовый спектр♦ Display as bar graph – амплитудный спектр♦ Normalize graphs – нормализация амплитудного

спектра• Vertical scale – масштаб по вертикальной оси:

♦ Linear – линейный♦ Logarithmic – логарифмический♦ Decibel – логарифмический в дБ♦ Octave – логарифмический октавный

• Sampling frequency – частота дискретизации.Для проведения спектрального анализа выбе(

рем входной сигнал гармонической формы часто(той 200 Гц и размахом 200 мВ. Зададим частотупервой гармоники 200 Гц, число анализируемыхгармоник – 9, отображение амплитудного и фазо(вого спектров, масштаб по вертикали – логариф(мический в дБ, частоту дискретизации – 20 кГц.Результаты анализа приведены на рис. 13. Кромеграфиков амплитудного и фазового спектров в ок(но просмотра выводится таблица с рассчитаннымизначениями составляющих спектра.

Анализ полученных результатов позволяет оце(нить уровень составляющих спектра нелинейныхискажений, вносимых фильтром, как видно, их ве(личина не превышает (127 дБ (4.9351·10(5%).

Несложно убедиться в том, что расчет спектра врежиме Fourier Analysis производится намного



Рис. 12. Окно формирования

параметров спектрального анализа

Рис. 13. Результаты спектрального

анализа в режиме Fourier Analysis

Рис. 11. Искусственно введенная нода 5 (а)

и результаты анализа переходных процессов в

нодах 5 и 7 при гармоническом входном сигнале (б)

а) б)

48

быстрее, чем анализ спектра с помощью спектроанализатора [1], и результаты измерения могутбыть представлены более наглядно.

Анализ спектра собственных шумов схемы осуществляется при выборе пункта меню Simu(late/Analyses/Noise. В диалоговом окне задаются параметры моделирования.

На вкладке Analysis Parameters:• Input noise reference source * – место подключения источника сигнала (выбирается из списка

всех имеющихся источников сигнала, включая источники питания)• Output node – узел (нода) схемы, в которой анализируется выходной сигнал• Reference node – нода схемы, относительно которой измеряются параметры выходного сигнала

(по умолчанию – общий провод, обозначаемый как V(0))На вкладке Frequency Parameters:

• FSTART – начальная частота анализа• FSTOP – конечная частота анализа • Sweep type – выбор масштаба по оси частот (линейный, октавный или декадный) • Number of points per octave – число точек анализа на октаву• Vertical scale – масштаб по вертикальной оси:

♦ Linear – линейный♦ Logarithmic – логарифмический♦ Decibel – логарифмический в дБ♦ Octave – логарифмический октавный.На вкладке Output выбираются компоненты схемы (из списка, в котором перечислены компо(

ненты схемы, создающие шум), вклад шумов которых в спектр шума на выходе схемы отобра(жается отдельно.

Выберем в качестве источника входного сигнала генератор переменного напряжения. Модифи(цированная схема фильтра с подключенными приборами приведена на рис. 14.

Анализ спектральной плотности шума проведем при следующих параметрах: источник входно(го сигнала V1 (генератор напряжения), выходная нода V(7), FSTART=1 Гц, FSTOP=1 МГц, Sweeptype – decade, число точек анализа на декаду равно 5, масштаб по вертикальной оси – логарифми(ческий. Полученные в результате моделирования зависимости спектральной плотности шума отчастоты приведены на рис. 15. Максимальное значение спектральной плотности мощности шумавсего фильтра в полосе пропускания не превышает 6.0·10(14 В2/Гц, что соответствует спектральнойплотности шума 0.245 мкВ/√Гц.


www.ekis.kiev.ua

Рис. 14. Модифицированная схема для измерения

нелинейных и интермодуляционных искажений

Рис. 15. Зависимости спектральной

плотности мощности шума

от частоты

* Если в схеме источником входного сигнала является функциональный генератор, то он в

этом списке отображаться не будет. Чтобы источник входного сигнала отображался, необ�

ходимо выбрать генератор из списка, открывающегося в меню Components.

49

В программе предусмотрен режим Noise Figure Analy/sis, в котором вычисляется фактор шума цепи (Noise Fac(tor), обозначаемый буквой F и численно равный отноше(нию сигнал/шум на входе цепи к отношению сигнал/шумна выходе цепи (F = Input SNR/Output SNR). Коэффици(ент шума (Noise Figure) или NF вычисляется по формулеNF = 10lg10F и измеряется в дБ.

Анализ нелинейных и интермодуляционных искаженийосуществляется в режиме Distortion Analysis. В окне форми(рования параметров анализа (рис. 16) задаются: начальная(FSTART) и конечная (FSTOP) частоты анализа; масштаб пооси частот (Sweep type) – линейный, логарифмический, октав(ный или декадный; число точек анализа на октаву (Number ofpoints per octave); масштаб по вертикальной оси (Verticalscale) – линейный, логарифмический, октавный или декад(ный; F2/F1 ratio – отношение частот входных сигналов в ре(жиме анализа интермодуляционных искажений. На вкладке

Output задаются точки, в которых необходимо провести анализ.Все параметры (кроме F2/F1) встречались ранее и пояснений не требуют.

Новый параметр F2/F1 определяет режим моделирования: в выключенномсостоянии производится анализ нелинейных искажений устройства с уче(том только одного источника входного сигнала, а во включенном – анализинтермодуляционных искажений при воздействии на вход двух сигналов,отношение частот которых задается в окне F2/F1 ratio. Результатами моде(лирования являются зависимости уровней второй и третьей гармоник сиг(нала и их фазы от частоты (см. рис. 16). В одном окне Graph Viewer выводят(ся зависимости для второй, а во втором окне – для третьей гармоник.

Для проведения анализа искажений необходимо правильно за(дать параметры источника входного сигнала. На рис. 17 показаноокно настройки параметров источника переменного напряжения.Для проведения анализа нелинейных и интермодуляционных иска(жений обязательно задаются значения напряжений сигналов вокошках (рис. 17) Distortion Frequency 1 Magnitude и DistortionFrequency 2 Magnitude [3]. Можно также задать начальные фазыэтих сигналов. В рассматриваемом примере заданы амплитуды си(

гналов, равные 1 В. Результаты анализа нелинейных искажений приведены на рис. 18, а интермо(дуляционных – на рис. 19.



Рис. 16. Окно формирования

параметров анализа нелинейных

и интермодуляционных искажений

Рис. 17. Окно настройки

параметров генератора

входного сигнала

а) б)Рис. 18. Зависимости уровней второй (а) и третьей (б) гармоник сигнала и их фазовых

характеристик от частоты

50

Анализ полученных результатов показывает,что нелинейные и интермодуляционные искаже(ния растут с увеличением частоты и достигаютмаксимума вблизи частоты среза фильтра. Придальнейшем увеличении частоты измеренный уро(вень искажений уменьшается, что объясняетсятем, что ФНЧ ослабляет частотные компоненты,лежащие выше его частоты среза.

Анализ чувствительности схемы к изменениюпараметров элементов и напряжения источниковпитания осуществляется при выборе пункта ме(ню Simulate/Analyses/Sensitivity. Окно настрой(ки параметров и выбора элементов, параметрыкоторых учитываются при расчете параметровчувствительности, приведено на рис. 20. Пара(метры анализа заданы в соответствии с рекомен(дациями [3].


www.ekis.kiev.ua

б)

Рис. 20. Окна настройки параметров анализа чувствительности схемы (а)

и выбора элементов схемы, которые учитываются при анализе (б)

Рис. 21. Влияние изменения сопротивления резисторов R

2и R

3

на АЧХ фильтра

а) б)Рис. 19. Зависимости уровней сигналов интермодуляционных искажений

с частотами f1�f

2(а) и 2f

1�f

2(б) и их фазовых характеристик от частоты

а)

51



В окне Analysis Parameters необходимо открыть дополнительно окно Edit Analysis, в котором за(даются начальная и конечная частоты анализа, масштаб по вертикали и по горизонтали, как и длядругих методов анализа. В рассматриваемом примере задан диапазон частот анализа от 1 Гц до10 кГц, масштаб по вертикали логарифмический, масштаб по горизонтали – декадное изменениечастоты. Для оценки влияния изменения параметров элементов выбраны резисторы R2 и R3.

Результаты моделирования приведены на рис. 21. Из полученных результатов следует, что из(менение сопротивления резистора R3 на 1 Ом приводит к изменению напряжения на выходе фильт(ра не более чем на 1 мкВ ((115 дБ). Зная чувствительность к изменению сопротивления резистора на1 Ом, несложно рассчитать допустимое отклонение номиналов резисторов для того, чтобы неравно(мерность АЧХ не выходила за заданные пределы.

Кроме рассмотренных методов анализа программа NI Multisim AD Edition предлагает еще 9 дру(гих, которые мы рассмотрим в последующих публикациях. Более подробную информацию о прове(дении анализа и интерпретации результатов можно найти в [3].

ЛИТЕРАТУРА1. Макаренко В. Моделирование радиоэлектронных устройств с помощью программы NI MUL(

TISIM // ЭКиС – Киев: VD MAIS, 2008, № 1, 2.2. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее

применение. Изд. 3(е переработанное и дополненное. – М.: СОЛОН(Пресс. 2003. – 736 с.3. Multisim 10 User Guide.pdf.

№ 3, март 2008

www.ekis.kiev.ua52

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ …. makarenko...стрируют...

Documents