Symulacja częstotliwościowa - AC Analysis
Symulacja częstotliwościowa polega na obliczeniu wartości prądów i napięć
przy założeniu, że w układzie płynie jedynie prąd sinusoidalnie zmienny
(Alternating Current). Jest to tzw. symulacja małosygnałowa, liniowa.
Przebiega następująco:
- Program wylicza spoczynkowy punkt pracy układu (DC Operating Point).
- Tworzone są dla wszystkich elementów małosygnałowe schematy
zastępcze, których parametry są wyliczane na podstawie spoczynkowego
punktu pracy i podczas dalszej symulacji pozostają stałe - jest to tzw.
linearyzacja układu. Elementy cyfrowe są ignorowane podczas linearyzacji.
- Program w pętli zmienia częstotliwość w układzie
od wartości minimalnej do maksymalnej i za każdym razem oblicza wszystkie
napięcia i prądy w postaci zespolonej.
Wyniki obliczeń są przedstawiane na wykresach w postaci charakterystyk
częstotliwościowych.
W celu przeprowadzenia symulacji częstotliwościowej musisz w układzie zastosować
źródło (wymuszenie) sinusoidalne (AC Signal).
Możesz w tym celu wykorzystać źródła Sine Source oraz Pulse Source,
które są dla potrzeb symulacji częstotliwościowej wymuszeniami o wartości
1V i częstotliwości zmienianej przez program. Wartości zaprogramowane
na kartach tych źródeł są wykorzystywane podczas symulacji czasowej;
podczas symulacji częstotliwościowej są ignorowane.
Podczas symulacji częstotliwościowej program nie uwzględnia nieliniowości charakterystyk
elementów półprzewodnikowych - wszystkie przebiegi są wtedy sinusoidalnie
zmienne.
Programowanie symulacji częstotliwościowej - impedancja
(przykład 1)
Przedstaw charakterystyki częstotliwościowe obwodu RLC równoległego
w postaci Z=f(f) oraz
j=f(f).
Rys. 1 Schemat obwodu RLC równoległego
W celu rozpoczęcia symulacji częstotliwościowej kliknij w menu Analysis
polecenie AC jak pokazano na rys. 2.
Rys. 2 Uruchomienie symulacji częstotliwościowej
Pojawi się karta AC Analysis Limits jak na rys. 3, na której programujesz symulację.
Rys. 3 Karta AC Analysis Limits
Programowanie symulacji częstotliwościowej polega przede wszystkim na wypełnieniu pól:
-
Frequency Range – zakres zmian częstotliwości w formacie
częstotliwość_końcowa, częstotliwość_początkowa.
W tym przypadku częstotliwość rezonansowa wynosi około 10kHz, więc wybieramy
fmin=1kHz oraz fmax=100kHz (zakres jednej dekady w otoczeniu fr).
-
Frequency Step - sposób zmiany częstotliwości. Najlepiej wybierz Auto.
-
Maximum Change % – maksymalny przyrost częstotliwości podczas obliczeń.
Parametr ten wpływa na dokładność wykresu. Jeżeli chcesz "wygładzić" wykres
to zmiejsz wartość tego parametru. Wartość 1% najczęściej jest prawidłowa.
-
Możesz zaznaczyć pole Auto Scale Ranges jeśli chcesz.
Programowanie wykresów
- Na osiach OX będzie przedstawiona częstotliwość, więc w polach X Expression
wpisz f. Zauważ, że program domyślnie wybrał skalę logarytmiczną na tych osiach.
- Impedancja obwodu wyraża się wzorem Z=U/I
(patrz oznaczenia na schemacie).
Napięcie U jest równe napięciu na źródle zasilania V1,
zatem U=v(V1).
Prąd I jest równy prądowi źródła V1. Program Micro-Cap traktuje jednak prąd
wpływający do końcówki "+" źródła jako ujemny,
zatem I=-i(V1).
- Na wykresie 1 przedstawimy zależność impedancji obwodu od częstotliwości
Y Expression=v(V1)/(-i(V1)).
- Na wykresie 2 przedstawimy zależność przesunięcia fazowego między napięciem a prądem
od częstotliwości, które jest równe argumentowi impedancji
Y Expression=ph(v(V1)/(-i(V1))).
- W polach X Range oraz Y Range wpisz Auto lub przepisz wartości z przykładu.
Rys. 4 Wynik symulacji (wykres górny - moduł, wykres dolny - faza)
Programowanie symulacji częstotliwościowej - transmitancja
(przykład 2)
Przedstaw chrakterystyki częstotliwościowe dolnoprzepustowego filtru RC
o schemacie jak na rys. 5. Do wejścia jest podłączone dowolne źródło
Sine Source.
Rys. 5 Schemat filtru dolnoprzepustowego
Określenie zakresu częstotliwości symulacji fmin...fmax
Pierwszy obwód RC:
t1=R1×C1=56ms,
fg1=1/(2×p×t1)@2.8kHz
Drugi obwód RC:
t2=R2×C2=1ms,
fg2=1/(2×p×t2)@160Hz
fmin@0.01×160Hz=1.6Hz@1Hz
(dwie dekady mniej od mniejszej fg)
fmax@100×2.8kHz=280kHz@100kHz
(dwie dekady więcej od większej fg)
Określenie transmitancji filtru - jest to stosunek napięcia wyjściowego
do wejściowego v(Wy)/v(We).
Charakterystykę amplitudową przedstawimy w decybelach stosując wyrażenie dB(v(Wy)/v(We))
Charakterystykę fazową przedstawimy stosując wyrażenie ph(v(Wy)/v(We))
Na karcie AC Analysis Limits programujemy symulację
(należy wypełnić pola oznaczone żółtym kolorem).
Rys. 6 Karta AC Analysis Limits
Wyniki symulacji - obie charakterystyki przedstawia rys. 7.
Rys.7 Charakterystyki częstotliwościowe filtru
Opracował: Stanisław Pelczar PZNr10 SME Kęty