OrCAD Pspice (основная версия), OrCAD Pspice A/D (версия для смешанного моделирования аналоговых и цифровых устройств) или OrCAD

Pspice A/D Basics (то же самое, но с базовым комплектом библиотек) моделирование.

OrCAD Layout (основной пакет) или OrCAD Layout Plus (расширенный комплект) редактор печатных плат.

В комплект поставки редактора печатных плат входят дополнительные программы для промежуточной трассировки SmartRoute (бессеточный автотрассировщик), пакет Visual CADD по доводке механических характеристик платы и связи с AutoCAD и пакет по доводке слоев до требований производства GerbTool.

Рисунок 2.6. Состав САПР OrCad

Моделирование всех динамических процессов можно также проводить в двух программных средах: в приложении Simulink пакета MatLab и в VisSim Указанные программы предоставляют возможность создания моделей различных систем без серьезных затрат времени.

Новейшая версия системы MatLab поставляется вместе с пакетом расширения Simulink, предназначенным для моделирования динамических систем, модели которых составляются из отдельных блоков (компонентов). Этот пакет является самым ярким представителем программ, созданных на основе системы MatLab. В нем реализованы принципы визуально-ориентированного программирования, что позволяет легко набирать нужные блоки и соединять их с целью составления модели системы или устройства.

При этом сложнейшие уравнения состояния, описывающие работу моделей систем или устройств, формируются автоматически. По удобству графического пользовательского интерфейса, обилию моделей (блоков) компонентов в множестве библиотек, разнообразию виртуальных средств регистрации и визуализации результатов моделирования и, главное, по его надежности и достоверности Simulink выгодно отличается от множества подобных программ. Особенно это относится к открытости пакета и возможностям пополнения его библиотек.

VisSim - программа для симуляции систем. Имеет частотные, корневые, ариационные, нейронные инструменты оценки качества, устойчивости, синтеза, коррекции, оптимизации, линеаризации, отладки объектов в контуре модели и программирования цифровых сигнальных процессоров. Преимуществами VisSim перед Simulink является: удобство и простота наблюдения процессов как в частотной, так и во временной области, быстрота моделирования, а так же простота установки и небольшой размер программы, а недостатками можно считать ограниченные возможности моделирования по сравнению с Simulink.

Если провести сравнительный анализ всех перечисленных выше программных средств, то можно сделать вывод, что оптимальным средством для разработки имитационной модели формирования косинусоидальных импульсов с отсечкой тока является приложение Simulink пакета Matlab.

2.3 Разработка имитационной модели формирования сложных косинусоидальных импульсов с отсечкой тока в приложении Simulink пакета MatLab

Структура сложного импульса с отсечкой тока может быть представлена в виде линейной комбинации трех обычных импульсов с различными углами отсечки. Следовательно, имитационная модель формирования сложных импульсов с отсечкой также должна состоять из трех подсистем:

1) подсистема, формирующая обычный косинусоидальный импульс с отсечкой тока;

2) подсистема, формирующая провал в вершине импульса с отсечкой тока (при переходе АЭ из граничного в слабоперенапряженный режим работы);

3) подсистема, формирующая внутренний (нижний) угол отсечки при переходе АЭ из слабоперенапряженного в сильноперенапряженный режим работы.

Подсистема, отвечающая за формирование обычного косинусоидального импульса с отсечкой тока, имеет структуру, представленную на рис.2.7:

Рисунок 2.7. Имитационная модель формирования косинусоидальных импульсов с отсечкой тока

Signal generator формирует на своем выходе сигнал гармонической формы, с частотой заданной оператором и единичной амплитудой. Блок U_m служит для регулировки амплитуды формируемого импульса с отсечкой. Блок Product1 формирует на своем выходе сигнал гармонической формы, с частотой и амплитудой заданной оператором. Блоки E_c и E' служат для регулировки напряжения смещения АЭ и его напряжения отсечки соответственно. Блок Relational Operator имитирует отсечку выходного тока АЭ в случае если уровень входного сигнала превышает значение параметра E'. Блок Product формирует на выходе сигнал без отсечки в случае если уровень входного сигнала меньше значения параметра E'. Блок Scope предназначен для отображения результатов моделирования во временной области. Блок To workspace служит для импорта матрицы значений выходного сигнала в приложение sptool пакета Matlab для последующего вычисления и отображения его амплитудного спектра.

Подсистема, отвечающая за формирование провала в вершине импульса с отсечкой тока, имеет структуру, представленную на рис.2.8:

Рисунок 2.8. Имитационная модель формирования провала вершины косинусоидальных импульсов с отсечкой тока

До входа 1 в данную подсистему поступает сигнал, представляющий последовательность обычных косинусоидальных импульсов с отсечкой тока. Блок Relational Operator1 формирует «верхнюю» отсечку этих импульсов, в случае если значение входного сигнала превышает значение E'up, задаваемое пользователем перед началом моделирования. Блок const (сигнал постоянного уровня со значением - 2) совместно с блоком Product3 формирует остаточную долю входного импульса, превышающую уровень

E'up и инвертирует его значение. Выходной сумматор подсистемы вычитает остаточную долю входного импульса, превышающую уровень E'up из входного сигнала данной подсистемы.

Подсистема, формирующая внутренний (нижний) угол отсечки имеет структуру, представленную на рис.2.9:

Рисунок 2.9. Имитационная модель формирования внутреннего (нижнего) угла отсечки косинусоидальных импульсов

Со входа 1 в данную подсистему поступает сигнал, представляющий последовательность косинусоидальных импульсов с отсечкой тока с провалом вершины. Блок Relational Operator1 формирует «нижнюю» отсечку этих импульсов, в случае если значение входного сигнала не значение E', адаваемое пользователем перед началом моделирования. Блок const (сигнал постоянного уровня со значением - 1) совместно с блоком Product3 формирует остаточную долю входного импульса, расположенную ниже уровня E' и инвертирует его значение. Выходной сумматор подсистемы вычитает остаточную долю входного импульса, не превышающую уровень E' из входного сигнала данной подсистемы.

Подключив соответствующим образом друг к другу все три вышеописанные подсистемы, получим общую имитационную модель формирования сложных импульсов с отсечкой тока, представленную на рис.2.10:

Рисунок 2.10 Общая имитационная модель формирования сложных косинусоидальных импульсов с отсечкой тока

В этой модели блоки Scope1, Scope2 и Scope4 позволяют наблюдать во временной области каждый этап формирования сложных косинусоидальных импульсов с отсечкой тока, а блоки To Workspace, To Workspace2, To Workspace3 импортируют матрицы значений сигналов, формируемых на каждом этапе в приложение sptool для вычисления их амплитудных спектров.

Настройка режима моделирования последовательности сложных косинусоидальных импульсов с отсечкой тока включает в себя выбор следующих параметров:

1) максимальная частота входного сигнала модели: задается значением поля frequency в окне настройки блока signal generator. Так как соотношения между гармониками спектра исследуемого сигнала не зависят от его частоты, то этот параметр может быть выбран произвольно. Однако в то же время, необходимо учитывать, что от значения этого параметра будет зависеть скорость вычислительного процесса, которую необходимо обеспечить достаточно высокой. Следовательно, частоту входного сигнала необходимо выбирать невысокой (по сравнению с тактовой частотой процессора).

В экспериментах, проведенных в данной дипломной работе, данный параметр был выбран равным 1 Гц.

2) Время остановки моделирования: задается значением поля simulation stop time окна приложения Simulink. Данный параметр выбирается исходя из требований обеспечения достаточной степени приближения амплитудного спектра реализуемого сигнала к аналогичному параметру для бесконечной периодической последовательности сложных косинусоидальных импульсов с отсечкой тока. Для выполнения этого требования время остановки моделирования было выбрано равным 10 с, при этом на данном временном интервале «укладывается» последовательность из 10 таких импульсов.

3) Частота дискретизации сигналов, формируемых в ходе моделирования: задается значением поля sample time окна настроек блоков Scope. Данный параметр необходимо выбирать как минимум в 10 раз меньше чем величина обратная периоду самой высокочастотной гармоники в спектре исследуемого выходного сигнала модели. Поскольку уровень спектральных составляющих периодического сигнала, как правило, быстро убывает, начиная с 5 гармоники, то в нашем случае пороговое значение частоты дискретизации составляет 0,02 с. Однако для повышения точности процесса моделирования данный параметр был выбран равным 10 ^{- 4} с.

) Метод решения дифференциальных уравнений, используемых в ходе моделирования: задается в поле Solver меню Simulation - Configuration parameters. Поскольку в дипломной работе исследуемый сигнал формируется как решение алгебраической системы уравнений (т.е. дифференциальных уравнений нулевого порядка), то любой метод решения дает достаточно точные результаты. В ходе проведения экспериментов был выбран метод Рунге-Кутта в модификации Дормана-Принса 4-5 порядка.

На рис.2.11 представлены результаты моделирования во временной области последовательности из 10 сложных косинусоидальных импульсов с тсечкой тока без внутренней отсечки (слабоперенапряженный режим работы АЭ):

Рисунок 2.11. Осциллограмма сложных косинусоидальных импульсов с отсечкой тока для случая работы АЭ в слабоперенапряженном режиме

На рис.2.12 представлен график спектральной плотности (Power Spectrum Density, PSD) данного сигнала, вычисленный в приложении sptool пакета atLab. Анализ этого рисунка показывает, что мощность данного сигнала составляют его гармоники 0 - 9 порядка.

Рисунок 2.12. Спектральная плотность сложных косинусоидальных импульсов с отсечкой тока для случая работы АЭ в слабоперенапряженном режиме

На рис.2.13 представлены результаты моделирования во временной области последовательности из 10 сложных косинусоидальных импульсов с внутренней отсечкой тока (сильноперенапряженный режим работы АЭ). На рис.2.14 представлен график спектральной плотности данного сигнала, вычисленный в приложении sptool пакета MatLab. Анализ этого рисунка показывает, что мощность данного сигнала составляют его гармоники 0 - 16 порядка.

Рисунок 2.13. Осциллограмма сложных косинусоидальных импульсов с отсечкой тока для случая работы АЭ в сильноперенапряженном режиме

Рисунок 2.14. Спектральная плотность сложных косинусоидальных импульсов с отсечкой тока для случая работы АЭ в сильноперенапряженном режиме

Для проведения глубокого сравнительного анализа структуры спектров косинусоидальных импульсов на рис.2.15 и рис.2.16 приведены результаты моделирования во временной области последовательности из 10 сложных косинусоидальных импульсов с отсечкой тока в недонапряженном режиме работы АЭ и график спектральной плотности данного сигнала соответственно.

Рисунок 2.15. Осциллограмма сложных косинусоидальных импульсов с отсечкой тока для случая работы АЭ в недонапряженном режиме

Рисунок 2.16. Спектральная плотность сложных косинусоидальных импульсов с отсечкой тока для случая работы АЭ в недонапряженном режиме

Сравнивая результаты, представленные на рис.2.12, 2.14 и 2.16 можно сделать следующие выводы:

1) Структура спектра последовательности сложных косинусоидальных импульсов с отсечкой тока сильно зависит от степени напряженности режима работы АЭ

2) Для случая слабоперенапряженного режима работы АЭ спектр последовательности сложных косинусоидальных импульсов с отсечкой тока имеет сходные черты его огибающей с аналогичной кривой для случая недонапряженного режима в диапазоне гармоник 0 - 5 порядка. Начиная с 6 гармоники проявляется сильное изменение структуры спектральной плотности.

3) В сильноперенапряженном режиме работы АЭ спектр последовательности сложных косинусоидальных импульсов с отсечкой тока имеет сильные отличия от спектра аналогичного сигнала для случая недонапряженного режима начиная уже с 1 гармоники.

Таким образом, результаты моделирования полностью соответствуют положениям теории работы АЭ в нелинейном режиме, согласно которой анализ работы АЭ в сильноперенапряженном режиме необходимо проводить с учетом сильных отличий спектральной структуры импульсов выходного тока АЭ от аналогичных показателей для недонапряженного режима работы АЭ.

Заключение

В представленной дипломной работе удалось провести подробный анализ структуры СКИ, в ходе которого были выявлены основные закономерности их временной структуры. В результате был сделан вывод о том, что оптимальным способом представления СКИ на определенном интервале времени является последовательность суммы трёх косинусоидальных импульсов с отсечкой тока, каждый из которых имеет собственную амплитуду (зависящую от степени напряженности режима работы АЭ); при этом для каждого из этих импульсов свойственно чередование фазы. Такое представление позволяет отказаться от моделирования достаточно сложных процессов происходящих внутри АЭ (описываемых дифференциальными уравнениями не ниже 2 порядка), и описать СКИ в виде алгебраического уравнения.

На основе структуры алгебраического уравнения последовательности СКИ был проведен анализ программных средств, позволяющих реализовать это уравнения в виде имитационной модели. В результате среди возможных вариантов был выбран пакет MATLAB, т.к. он позволяет отказаться от рутинного процесса составления листинга программы моделирования на базе стандартных команд сложных для восприятия неподготовленному пользователю. Вместо этого оператор имеет возможность быстро вносить необходимые изменения в структуру модели построенной в приложении Simulink, изменяя параметры её составных блоков или используя дополнительные блоки из числа имеющихся в составе встроенных библиотек. При этом все изменения являются наглядными и интуитивно онятными.

В результате испытаний построенной имитационной модели СКИ была продемонстрирована её адекватность (соответствие реальным СКИ на выходе АЭ, работающего в различных режимах). Также было выявлено, что даже при использовании весьма жестких требований к параметрам процесса моделирования вычислительный эксперимент проходит с достаточно высокой скоростью (близкой к режиму «реального времени»).

На основании всего вышеперечисленного можно сделать заключительный вывод о целесообразности использования разработанной имитационной модели формирования СКИ как для анализа их структуры (например в образовательном процессе) так и для автоматизации расчётов оптимального режима работы АЭ в составе генератора с внешним возбуждением.

Список используемых источников

генератор сигнал импульс

1. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет; - , 2014. - 464 c.

2. Широкополосные радиопередающие устройства (Радиочастотные тракты на полупроводниковых приборах); - , 2013. - 304 c.

3. Ворона В. А. Радиопередающие устройства. Основы теории и расчета; - , 2007. - 386 c.

4. Гавриленко, И.И. Радиопередающие устройства; - , 2014. - 368 c.

5. Нейман М. С. Курс радиопередающих устройств. Часть 1. Радиопередатчики высоких частот; - , 2009. - 296 c.

6. Петров Б. Е., Романюк В. А. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Учебное пособие; - , 2007. - 232 c.

7. Полищук А.И. Основы проектирования и устройства фундаментов реконструируемых зданий; - , 2015. - 988 c.

8. Шахгильдян, В.В. Радиопередающие устройства; - , 2012. - 560 c.

9. Алгазинов, Э. К. Анализ и компьютерное моделирование информационных процессов и систем / Э.К. Алгазинов, А.А. Сирота. - М.: Диалог-Мифи, 2017. - 416 c.

10. Володин, В. LTspice. Компьютерное моделирование электронных схем / В. Володин. - М.: БХВ-Петербург, 2010. - 400 c.

11. Кардашев, Г. А. Виртуальная электроника. Компьютерное моделирование аналоговых устройств / Г.А. Кардашев. - М.: Горячая линия - Телеком, 2012. - 260 c.

12. Королев, А.Л. Компьютерное моделирование / А.Л. Королев. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2016. - 977 c.

13. Ларченко, Д. Интерьер. Дизайн и компьютерное моделирование (+ CD-ROM) / Д. Ларченко, А. Келле-Пелле. - М.: Питер, 2011. - 496 c.

14. Марк, Е. Хернитер Multisim. Современная система компьютерного моделирования и анализа схем электронных устройств / Марк Е. Хернитер. - М.: ДМК Пресс, 2015. - 492 c.

15. Хернитер, М.Е. Multisim 7. Современная система компьютерного моделирования и анализа схем электронных устройств / М.Е. Хернитер. - М.: ДМК Пресс, 2011. - 536 c.

Размещено на Allbest.ru