Cимуляция в программе Proteus

Cимуляция в программе Proteus VSM основання на графиках
(Исследование характеристик аудио усилителя на основе ОУ 741. Часть 1)

Введение

Цель этого руководства показать вам, используя схему простого усилителя, как выполнять симуляцию, основанную на графиках с PROTEUS VSM. Шаг-за-шагом мы пройдём через:

• Размещение графиков, пробников и генераторов.
• Выполнение актуальной симуляции.
• Использование графиков для отображения результатов и получения замеров.
• Обзор некоторых типов анализа, которые доступны.

Руководство не отражает полного использование ISIS, таких процедур, как размещение, соединение компонентов, выделение объектов и т.д. Полнее это описано в руководстве «По интерактивной симуляции» и ещё детальнее в руководстве к ISIS. Если вы ещё не освоились с использованием ISIS, сделайте это до того, как обратитесь к этому руководству. Мы очень советуем вам проработать это руководство до попыток самостоятельно использовать симуляцию, основанную на графиках: освоив концепции, много легче понять и весь материал в соответствующих разделах, что избавит вас от непроизводительных затрат времени и разочарования в дальнейшем.

Начнём

Схема, которую мы собираемся симулировать — это аудио усилитель на основе ОУ 741, как показано ниже. На ней ОУ 741 в обычной конфигурации с питанием от единственного источника 5 В. Резисторы обратной связи R3 и R4 задают усиление порядка 10. Входные компоненты R1, R2 и C1 создают «фальшивое» заземление на не инвертирующем входе, который «развязан» от сигнала. Как и принято в подобных случаях, мы используем анализ переходных процессов (transient analysis) электрической цепи. Этот вид анализа очень полезен, даёт большой объем информации о схеме. После завершения описания симуляции с анализом переходных процессов, будет сопоставление с другими видами анализа.

Если хотите, вы можете нарисовать схему самостоятельно, но можете загрузить готовый проект: «Samples\Tutorials\ASIMTUT1.DSN». Каков бы ни был ваш выбор, убедитесь сейчас, что ISIS запущен и схема нарисована.

Генераторы

Чтобы проверить схему, нам нужно снабдить её подходящим входным сигналом. Мы будем использовать источник напряжения прямоугольной формы в качестве тестового сигнала. Для генерации требуемого напряжения будет использован объект «генератор». Чтобы поместить на схему генератор, щёлкните правой клавишей мышки на свободном месте рабочего поля, выберите Place-Generator-PULSE: для нашей симуляции нам понадобится Pulse-генератор. Выберите генератор, переместите курсор мышки в окне редактора правее контакта IN, и щёлкните левой клавишей мышки по проводу, чтобы поместить генератор. Объект генератор похож на другие объекты в ISIS — такие же процедуры для предварительного просмотра и ориентации, редактирования генератора, перемещения или удаления (см. «Основные приёмы редактирования» в руководстве к ISIS или «Генераторы и пробники» в этом руководстве). Также, как мы «прицепили» генератор к существующему проводу, как мы это делаем, мы можем размещать генераторы на листе и соединять со схемой обычным образом. Если оттащить генератор от соединения, тогда ISIS «решит», что вы хотите его отсоединить, и не будет «тащить» провод за ним, как это делает для обычных компонентов. И, заметьте, как генератор автоматически присваивает ссылку — имя контакта IN. Если генератор соединяется с объектом (или помещается непосредственно на существующий провод) он присваивает имя цепи, к которой подключён. Если цепь не имеет имени, тогда имя ближайшего вывода компонента будет использоваться по умолчанию.

И, наконец, мы должны отредактировать генератор, чтобы определить параметры импульсов, которые нам нужны. Чтобы отредактировать генератор, щёлкните по нему правой клавишей мышки, выделяя, и выберите из выпадающего меню Edit Properties, открывая диалог свойств. Выберите поле Pulsed (High) Voltage и задайте значение 10mV. Также установите ширину импульса 0.5s. Нажмите клавишу ОК, чтобы изменения вступили в силу. Раздел «Генераторы и пробники» даёт исчерпывающую информацию о свойствах, распознаваемых всеми типами генераторов. Для этой схемы нужен только один генератор, но их количество для размещения не ограничено.

Пробники

После того, как мы определили входной сигнал для нашей схемы, используя генератор, мы должны теперь поместить пробники в точки, за которыми хотим наблюдать. Более всего нас интересует выход, и вход, после того, как он был настроен, тоже полезная точка для пробника. Если нужно, можно добавить ещё пробники в ключевые точки и повторить симуляцию. Для размещения пробников щёлкните правой клавишей мышки на свободном месте чертежа и выберите из выпадающего меню Place-Voltage Probe (убедитесь, что выбрали ненароком не Current Probe — мы вернёмся к этому позже). Пробники должны помещаться поверх проводов или помещаться, а затем соединяться с проводами, так же, как и генераторы. Переместите курсор мышки в окне редактирования левее вывода 3 U1 и щёлкните левой клавишей мышки, чтобы добавить пробник к проводу, соединённому с выводом 3 и резисторами R1 и R2. Убедитесь, что пробник помещён на провод, поскольку он не может быть помещён непосредственно на вывод. Заметьте, что пробник приобрёл имя ближайшего компонента, к которому он присоединён, с номером вывода в скобках. Теперь поместите второй пробник левее контакта OUT на провод между точкой соединения и контактом. Пробник, как объект, подобен генераторам и большинству других объектов в ISIS — те же процедуры для просмотра, ориентации пробника перед размещением, редактирования, перемещения, переориентации или удаления после размещения (см. раздел « см. «Основные приёмы редактирования» в руководстве к ISIS или «Пробники» в этом руководстве). Пробники можно редактировать, изменяя их этикетки. В нашем случае прекрасно подходят названия по умолчанию, но при необходимости используйте кончик пробника, а не тело. Теперь, когда схема готова к симуляции, нам нужно разместить график для отображения результатов.

Графики

Графики играют важную роль в симуляции: они не только служат средой для отображения результатов, но действительно отражают все, что выполняет симуляция. Размещая один (или более) график и показывая какой из типов данных вы ожидаете увидеть на графике (цифровой, напряжение, импеданс и т.п.), вы даёте знать ISIS, какой тип симуляции следует применить и какую часть схемы следует включить в симуляцию. Для анализа переходных процессов нам нужен аналоговый (Analogue) тип графика. Он назван аналоговым, а не transient, чтобы отличать его от цифрового (Digital) типа, который используется для отображения результатов при цифровом анализе, действительно специализированной форме transient (анализ переходного процесса) анализа. Оба могут изображаться на той же оси времени, если использовать Mixed (смешанный) график.

Чтобы поместить график, вначале выберите иконку Graph Mode: в окне выбора компонентов отобразится список всех доступных типов графиков. Затем выберите Analogue тип, поместите курсор мышки на свободном месте окна редактирования, щёлкните левой клавишей мышки и «растащите» прямоугольник, чтобы он стал нужного размера, и щелкните ещё раз, размещая график.

График ведёт себя подобно другим объектам в ISIS, хотя есть и некоторые тонкости. Мы снабдили необходимым пример для руководства, но соответствующий раздел будет лучше почитать. Вы можете выделять график обычным образом, затем, используя «ручки» и левую клавишу мышки растягивать график, или поместив курсор на график послед выделения, когда курсор приобретает вид руки, перемещать сам график

Нам сейчас нужно добавить наш генератор и пробники на графике. Каждый генератор имеет пробник, связанный с ним, так что нет необходимости помещать пробник непосредственно на генераторе, чтобы увидеть входной сигнал. Есть три способа добавить генератор и пробники на график:

• Первый — выделить каждый пробник/генератор по очереди и перетащить их на
график — точно так, как вы их перемещаете на новое место. ISIS обнаружит, что вы
пытаетесь поместить пробник/генератор на графике, возвращает их на место и
добавляет кривые на графике с теми же ссылками, что и на пробнике/генераторе.
Кривые могут быть связаны с левой или правой осями в аналоговом графике, а
пробник/генератор будут добавлены к ближайшей оси со стороны размещения.
Независимо от того, куда вы поместили пробник/генератор, новая кривая всегда
добавляется ниже уже существующих графиков.

Второй и третий методы добавления пробников/генераторов на график оба используют команду Add Trace из меню графика; эта команда всегда добавляет пробники к текущему графику (если их более одного, текущий график, он один, выбирается через раздел основного меню Graph).

• Если команда Add Trace выполняется без выделенного пробника или генератора, тогда
появляется диалоговая форма Add Transient Trace, и пробник может быть выбран из
списка всех пробников проекта (включая пробники на других листах).
• Если есть выделенные пробники/генераторы, выполнение команды Add Trace (из
основного меню) приведёт к тому, что появится приглашение Quick Add (быстро
добавить) выделенные пробники к текущему графику; при выборе опции Cancel,
появляется диалоговая форма Add Transient Trace, как описано выше. Выбор ОК
добавляет все выделенные пробники/генераторы к текущему графику в алфавитном
порядке.

Мы используем Quick Add для добавления наших пробников и генератора к графику. Либо выделите пробники и генераторы индивидуально, или, ещё быстрее, сделайте прямоугольное выделение всей схемы — механизм Quick Add проигнорирует все выделенные объекты, кроме пробников и генераторов. Выберите команду Add Trace из раздела Graph основного меню и нажмите кнопку ОК в приглашении. Кривые (их заголовки) появятся на графике (поскольку график один, и он последним использовался, понятно, что он — текущий график). В этот момент кривые состоят из имени (на левой оси) и из области пустых данных (основная область графика). Если кривые не появились, возможно, они слишком малы, чтобы программа ISIS смогла нарисовать их. Увеличьте график, выделив его и растаскивая углы, чтобы получить нужный размер. Как только это произойдёт, наши кривые (размещённые в алфавитном порядке) появятся. Однако мы можем их перемешать. Чтобы это сделать, убедитесь, что график не выделен, щёлкните левой клавишей мышки по имени кривой и перетащите, удерживая левую клавишу, её в нужное место. Кривая подсвечивается, чтобы показать, что она выделена. Кривую можно удалить, выбрав команду Delete Trace из выпадающего меню после щелчка правой клавишей мышки по имени кривой. Чтобы снять выделение со всех кривых, щёлкните мышкой в свободном месте чертежа. Остался последний штрих установок перед тем, как выполнить симуляцию — это задать время симуляции. ISIS симулирует схему согласно со временем окончания на шкале x графика, а для нового графика это задано в 1 секунду. Для нашей цели мы хотели бы, чтобы входной сигнал был близко к высшей рабочей частоте, скажем, 10 кГц. Это потребует общего периода в100?s. Выделите график и щёлкните по нему левой клавишей мышки, чтобы появился диалог Edit Transient Graph. Форма эта имеет поля, которые позволяют вам озаглавить график, задать время начала и окончания симуляции (это относится к левому и правому наибольшим значениям оси x), озаглавить левую и правую оси (это не отображается на цифровых графиках), а также задать основные свойства для запуска симуляции. Всё, что нужно сделать нам, это изменить время окончания симуляции с 1.0 на 100u (вы можете ввести символы 100u — ISIS конвертирует это в 100E-6) и нажать ОК.

Теперь проект готов к симуляции. В этом месте, пожалуй, лучше загрузить нашу версию проекта (Samples\Tutorials\ASIMTUT2.DSN), чтобы избежать появления каких-либо проблем при симуляции и для следующих разделов. Но вы можете и продолжить с проектом, который правили сами, а загрузить файл ASIMTUT2.DSN только в том случае, если проблемы появятся.

Симуляция

Чтобы симулировать схему, всё что вам нужно сделать, это дать команду Simulate Graph в разделе Graph основного меню (или использовать клавиатуру — пробел). Команда выполнит симуляцию и текущий график (тот, что отмечен в меню Graph) будет обновлён результатами симуляции. Выполните это сейчас. Панель состояния показывает, до какого места дошёл процесс симуляции. Когда симуляция завершена, график перерисовывается, используя новые данные. Для текущей версии ISIS (версии 6.0) и ядра симулятора начало графика игнорируется — симуляция всегда начинается с нулевого времени и продолжается до достижения времени остановки или до момента, когда симуляция доходит до неизменного состояния. Вы можете прервать симуляцию на середине, нажав клавишу ESC. Журналирование симуляции ведётся для последней выполненной симуляции. Вы можете увидеть лог (запись журнала), используя команду View Log из раздела Graph основного меню (или с помощью горячих клавиш CTRL+V клавиатуры). Лог при аналоговой симуляции редко появляется для немедленного чтения, только тогда, когда есть предупреждения или ошибки, о которых нужно знать, и в этом случае вы можете просмотреть детали — что пошло не так. В некоторых случаях, однако, запись симуляции может предоставить полезную информацию, которую нелегко найти на кривых графика. Итак, первая симуляция завершена. Бросив взгляд на график, трудно разглядеть какие-то детали. Чтобы проверить, работает ли схема должным образом, нам нужно выполнить некоторые замеры (см. Часть 2).

Файлы проекта можно скачать здесь (ASIMTUT1.DSN):

Файлы проекта можно скачать здесь (ASIMTUT2.DSN):