3.3. Анализ переходных процессов (Transient Analysis)

Выбрав команду Analysis /Transient (<Alt> + <1>), переходим в меню задания параметров моделирования переходных процессов Transient Analysis Limits.

В строке Time Range указывается длительность интервала времени моделирования; в графе Operating Point указывается на необходимость перед расчетом переходных процессов выполнить расчет режима по постоянному току; в строке State Variables — тип используемых начальных условий для расчета (Zero — нулевые, Read — считанные с диска, Leave — достигнутые в конце предыдущей стадии расчета); в нижней части окна указываются имена переменных, графики которых нужно построить. Имена аналоговых и цифровых переменных, откладываемых по оси Y графиков, указываются в графе Y Expression, при этом допускается применение математических выражений и функций. Приведем ряд примеров:

• V(5) — потенциал узла 5;

• V(7,4) — разность потенциалов между узлами 7 и 4;

• VBE(Q1) — напряжение база-эмиттер транзистора Q1;

• I(V1) — ток через источник сигнала V1;

• I(V1)*V(V1) — мгновенная мощность источника сигнала V1;

• CBC(Q1) — емкость перехода база-коллектор транзистора Q1;

• Q(C1) — заряд конденсатора С1,

• FFT(V(7)) — спектр напряжения в узле 7 (при этом по оси X нужно откладывать частоту F);

• D(QA) — логический уровень сигнала в цифровом узле QA.

Моделирование начинается после нажатия на кнопку Run, на пиктограмму или на клавишу <F2>. Моделирование может быть остановлено в любой момент нажатием на пиктограмму или клавишу <Esc>. Запустив анализ, можно наблюдать на экране результирующие графики моделирования. Графики различаются цветом, который назначается в меню Transient Analysis Limits путем нажатия на цветную пиктограмму. В примере AMPLDET.CIR изображены два графика: на одном размещаются напряжения V(4) и V(4,6), на другом — ток через диод I(D1) (на одном графике их нежелательно строить из-за различия в масштабах).

Номера графиков указываются цифрой в графе Р. Масштабы графиков по осям X, Y указываются в явном виде в графах X Range, Y Range или выбираются автоматически, если установить флажок Auto Scale Ranges.

8. Войти в меню анализа переходных процессов для загруженной схемы, выполнив команду Analysis/Transient (<Alt> +<1>)

9. Запустить анализ переходных процессов с параметрами загруженного файла AMPLDET, выполнив команду RUN в открывшемся подменю Transient Analysis Limits.

10. Вывести на экран одновременно с результатами анализа и принципиальную схему, выполнив команду Windows/The Vertical (<Shift> + <F4> или ). Это необходимо для сопоставления схемных узлов и результатов анализа для них. Закрыть окно схемного редактора, выполнив команду Windows/maximize ( ).

11. Изменить масштаб графиков по оси Y на автоматический (включить auto scale range или auto для каждой переменной), войдя в подменю Transient Analysis Limits (Transient/Limits, или <F9>, или ). Запустить анализ переходных процессов. Объяснить вид полученных графиков.

12. Изменить цвет графиков: V(4,6) — светло-зеленый, V(4) — розовый, I(D1) — красный. Это можно выполнить двумя способами: 1) зайдя в подменю Transient Analysis Limits (Transient/Limits или <F9> или ) или 2) щелкнув левой клавишей мыши на окне графиков, в открывшемся подменю Properties изменить соответствующие параметры закладки Colors, Fonts and Lines.

13. Изменить расположение графиков: в нижнем окне — зависимости напряжений от времени, в верхнем — зависимости токов от времени.

14. Изменить время расчета и вывода результирующих графиков на 5 миллисекунд (установить 5m в Time Range и соответствующий диапазон в параметрах вывода графиков X range). Запустить анализ, убедиться в правильности установок.

15. Сохранить значения переменных состояния в конечной точке расчета. Для этого необходимо выполнить команду Transient/State Variables Editor/Write (<F12> или ) и согласиться с предложенным именем файла начальных условий.

16. Продолжить расчет переходного процесса в течение следующих 5 мс. Для этого изменить опции расчета переходного процесса в Transient Analysis Limits:

• Operating Point — выключить (расчет продолжается)

• State Variables — Read (начальные условия читаются с ранее записанного на диске файла с расширением .top — ampldet.top).

Запустить анализ (RUN). Убедиться, что схема вошла в установившийся режим. Установить время анализа (Time range) и диапазон по оси абсцисс графиков (X range) для последующих исследований 1ms. Запустить анализ.

17. Изменить шаг расчета (Maximum Time Step) с 1Е-7 на 1Е-4. Остальные параметры анализа не менять по сравнению с предыдущим пунктом. Запустить анализ. Объяснить вид полученных графиков. Выполнить команду показа расчетных точек графиков Scope/View/Data points ( ). Вернуть шаг расчета к исходному значению 1E-7. Опять запустить анализ. Отменить показ на графике точек расчета, повторно выполнив команду Scope/View/Data points ( ). Объяснить вид графиков, построенных в данном пункте.

18. Выйти из режима анализа переходных процессов Transient, закрыв его окно (или нажав клавишу <F3>). Вернуть все параметры схемы к исходной дисковой версии, выполнив команду File/Revert ( ).

19. Запустить снова анализ переходных процессов Analysis/Transient/Run. После окончания анализа программа автоматически переходит в режим Scale Mode (из других режимов вызывается нажатием <F7> или ).

Это значит, что правой клавишей мыши можно передвигать график по его окну так, как удобно для просмотра, а левой клавишей мыши можно увеличивать задаваемый ей прямоугольный фрагмент.

20. Передвинуть правой клавишей мыши графики в верхнем окне, чтобы они полностью умещались в нем. Левой клавишей мыши выбрать и увеличить выходной импульс тока амплитудного детектора I(D1) в нижнем окне так, чтобы он занимал полностью нижнее окно вывода графиков. Восстановить исходные масштабы вывода графиков выполнив команду Scope/Restore Limit Scale (<Ctrl>+<Ноmе>).

21. Войти в подменю Transient Analysis Limits (Transient/Limits или <F9> или ). Установить в нем опцию Auto Scale Ranges. Запустить анализ. Активизировать режим электронного курсора Cursor Mode (<F8> или ). Выбрать график напряжения V(4) щелчком мыши по аналогичной надписи на графике.

22. Установить левый электронный курсор (щелчок и перетаскивание левой клавишей мыши) на любом максимуме установившейся синусоиды, правый курсор (щелчок и перетаскивание правой клавишей мыши) на следующем максимуме справа. Измерить период колебаний напряжения V(4). Он будет индицироваться в таблице координат курсоров, расположенной под графическим окном, в столбце Delta и строке T.

Нанести надпись с измеренным периодом на график, выполнив команду Scope/Tag Horizontal (<Shift>+<Ctrl>+<H>). Вернуться в обычный режим отображения графиков, нажав <F7> ( ).

23. Выйти из режима анализа переходных процессов, закрыв соответствующее окно (или нажав <F3>).

24. Определить напряжение база-эмиттер транзистора Q1 в отсутствии входного синусоидального сигнала, т.е. в точке покоя. Определить состояние транзистора Q1 и диода D1 в точке покоя (см. текст ниже).

25. Закрыть окно схемного редактора без сохранения схемы.

При моделировании нелинейных схем первоначально интересно определить режим по постоянному току. Это можно сделать несколькими способами:

1) В подменю Transient Analysis Limits имеется флажок Operating Point Only, установка которого означает проведение только расчета режима по постоянному току (расчет переходных процессов не производится). Для определения карты режимов компонентов электронной схемы по постоянному току необходимо установить указанный флажок, выполнить команду RUN, а затем выйти из режима анализа (нажав <F3>), вернувшись в схемный редактор. После этого следует выполнить команду Options/View/Node Voltages States ( ) для отображения в узлах схемы потенциалов на постоянном токе в Вольтах. Также могут быть отображены токи в ветвях в точке покоя в Амперах (Options/View/Currents или ) и состояния полупроводниковых приборов (Options/View/Conditions или ).

Переводятся состояния полупроводниковых приборов следующим образом: ON – диод включен, OFF – диод (транзистор) выключен, LIN – транзистор в линейном активном режиме, SAT – транзистор в режиме насыщения, HOT – транзистор перегрет.

Следует отметить, что переход в режим отображения карты напряжений (токов) на постоянном токе после проведения анализа переходных процессов во всех других случаях (без установки флага Operating Point Only) приводит к отображению значений потенциалов (токов, состояний приборов) в конечной точке расчета.

2) Карту режимов на постоянном токе, можно узнать, предварительно запустив AC Analysis с любыми имеющими смысл параметрами. Частотный (AC) анализ всегда начинается с расчета режима по постоянному току, поэтому после выхода из него можно узнать карту режимов схемы путем нажатия кнопок на панели инструментов .

3) Карту режимов схемы на постоянном токе можно узнать путем запуска анализа по постоянному току Dynamic DC после выполнения команды Analysis/Dynamic DC (<Alt>+<4>). Показ нужной информации о состоянии схемы в этом режиме анализа устанавливается так же нажатием/отжатием кнопок на панели инструментов .