Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Інструкція до лабораторної роботи № 1,2
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Управління інформацією
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2011
Тип роботи:
Інструкція до лабораторної роботи
Предмет:
Схемотехніка
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»
СХЕМОТЕХНІЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ В СИСТЕМІ MICROCAP
Інструкція до лабораторної роботи № 1,2
з навчальної дисципліни: “Схемотехніка пристроїв технічного захисту інформації”, ч.1
для студентів базових напрямків
6.170102 “Системи технічного захисту інформації”,
6.170103 “Управління інформаційною безпекою”
Затверджено
на засіданні кафедри
(Захист інформації(
Протокол № від 2011 р.
Львів – 2011
Схемотехнічне моделювання в системі MicroCap: Інструкція до лабораторної роботи №1,2 з дисципліни: “Схемотехніка пристроїв технічного захисту інформації”/Укл.: Кеньо Г.В. ( Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2011. ( 18 с.
Укладач Кеньо Г.В., к. т. н., доц.,
Відповідальний за випуск Дудикевич В.Б., д.т. н., проф.
Рецензенти:
МЕТА РОБОТИ
Ознайомитися з основними параметрами і характеристиками коливальних контурів та пасивних фільтрів і отримати їх амплітудно-частотні характеристики.
ТЕОРЕТИЧНИЙ ВСТУП
Частотно-вибіркові пристрої призначені для виділення, підсилення або генерації сигналів на визначених робочих частотах. Основою будь-якого частотно-вибіркового пристрою є пасивний фільтр, утворений RС- або LC-колом. Власне пасивний фільтр виділяє сигнал заданих частот із всього спектру, а решта частина електронного пристрою виконує аналогове підсилення або генерацію цього сигналу. Крім того, електронна частина пристрою покращує вибіркові властивості самого частотно-задавального пасивного фільтра.
Резонансний режим – це такий режим роботи кола, що містить хоча би одну індуктивність і хоча би одну ємність, під час якого вхідний опір є чисто активним.
Розрізняють два основних резонансних режими:
резонанс наруг;
резонанс струмів.
Резонанс наруг – це такий режим роботи кола, що містить послідовно поєднані ємності й індуктивності, під час якого вхідний реактивний опір дорівнює нулю, а струм на вході співпадає за фазою зі вхідною напругою. Резонанс наруг відбувається в так званому послідовному коливальному контурі – рис.4.а). У такому контурі індуктивний опір компенсується ємнісним: , а сумарна реактивна потужність .
Домогтися резонансу можна змінюючи частоту, ємність, індуктивність.
Вводимо наступні поняття:
1) резонансна частота - частота під час резонансу , яка знаходиться з умови ; (1)
2) хвильовий (характеристичний) опір - це ємнісний або індуктивний опір під час резонансу, тобто ; (2)
3) добротність контуру - це відношення напруги на ємності чи напруги на індуктивності до вхідної напруги; показує в скільки разів напруга на ємності чи напруга на індуктивності більше напруги на вході під час резонансу: . (3)
Резонанс струмів - такий режим роботи кола, що містить паралельне з’єднанні ємності й індуктивності рис.4.б), за якого вхідна реактивна провідність дорівнює нулю, а струм співпадає за фазою з напругою на вході кола. Під час резонансу струмів струми в паралельних вітках можуть бути значно більшими, ніж в загальній вітці, індуктивна реактивна провідність компенсується ємнісною, реактивна потужність дорівнює нулю:
Отримати резонанс струмів можна змінюючи частоту, ємність, індуктивність.
Частотні характеристики(АЧХ) коливального контуру – це залежності різних параметрів контуру від частоти .
Фазочастотна характеристика(ФЧХ) – це залежність кута зсуву фаз від частоти.
Фільтр низьких частот це схема, яка без змін передає сигнали низької частоти, а на високих частотах забезпечує затухання сигналів і запізнення їх по фазі відносно вхідних сигналів. На рис.4. в) зображена схема простого RC-фільтра низьких частот, який складається з C1, C2, R2. Амплітудно-частотна(АЧХ) та фазо-частотна(ФЧХ) характеристики фільтра низької частоти показані на рис.1.
Рис.1. АЧХ та ФЧХ фільтра низьких частот.
Фільтр верхніх частот - це схема, яка без змін передає сигнали високих частот, а на низьких частотах забезпечує затухання сигналів і випередження їх по фазі відносно вхідних сигналів. На рис.4. г) зображена схема простого RC-фільтра високих частот. Амплітудно-частотна(АЧХ) та фазо-частотна(ФЧХ) характеристики фільтра високої частоти зображені на рис.2.
Рис.2. АЧХ та ФЧХ фільтра високих частот.
Шляхом послідовного з’єднання фільтрів високих та низьких частот можна отримати смуговий фільтр. Його вихідна напруга дорівнює нулю на високих та низьких частотах. Одна з можливих схем реалізації смугового фільтра представлена на рис.4. д). Амплітудно-частотна(АЧХ) та фазо-частотна(ФЧХ) характеристики смугового фільтра зображені на рис.3.
Рис.3. АЧХ та ФЧХ смугового фільтра.
ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ
Синтезувати схему послідовного коливального контура рис.4.а), за допомогою системи схемотехнічного моделювання Micro-Cap8(MC8). Використати джерело напруги V1, яке генерує сигнал з амплітудою 1В і частотою резонансу . Зняти амплітудно-частотні та фазо-частотні характеристики послідовного коливального контура . Розрахувати хвильовий опір та добротність контура (2) і (3). Дослідити вплив L і C на АЧХ та ФЧХ.
Синтезувати схему паралельного коливального контура рис.4.б), за допомогою системи схемотехнічного моделювання Micro-Cap8(MC8). Використати джерело напруги V1, яке генерує сигнал з амплітудою 1В і частотою резонансу . Зняти амплітудно-частотні та фазо-частотні характеристики паралельного коливального контура. Розрахувати хвильовий опір та добротність контура (2) і (3). Дослідити вплив L і C на АЧХ та ФЧХ.
Синтезувати схему фільтра низької частоти рис.4.в), за допомогою системи схемотехнічного моделювання Micro-Cap8(MC8). Використати джерело напруги V1, яке генерує сигнал з амплітудою 1В і частотою F=50Гц. Зняти амплітудно-частотні та фазо-частотні характеристики фільтра низької частоти.
Синтезувати схему фільтра високої частоти рис.4.г), за допомогою системи схемотехнічного моделювання Micro-Cap8(MC8). Використати джерело напруги V1, яке генерує сигнал з амплітудою 1В і частотою F=50Гц. Зняти амплітудно-частотні та фазо-частотні характеристики фільтра високої частоти.
Синтезувати схему смугового фільтра рис.4.д), за допомогою системи схемотехнічного моделювання Micro-Cap8(MC8). Використати джерело напруги V1, яке генерує сигнал з амплітудою 1В і частотою F=50Гц. Зняти амплітудно-частотні та фазо-частотні характеристики смугового фільтра .
а) б)
в)
г) д)
Рис.4. Частотно-вибіркових пристрої:а) послідовний коливальний контур, б) паралельний коливальний контур, в) фільтр низької частоти, г) фільтр високої частоти, д) полосковий фільтр .
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
Після виклику программы МС подвійним клацком на її піктограмі на екрані появиться основне вікно програми, зверху якого розміщена стрічка системного меню, в якій розміщені імена режимів Файл, Редактирование, Компоненты, Окна, Опции, Анализ, Dynamic DC, Создание, Помощь (рис.5). Нижче цієї стрічки розміщені панелі інструментів з піктограмами кнопок команд. Тут і надалі для зручності користувача програми для виклику команди будуть даватись 3 рівноцінних варіанти: за допомогою команди меню, гарячої клавіші та кнопки панелі інструментів.
Завантаження схеми. Спочатку курсором вибирається режим Файл . По команді Новый... пропонується зробити вибір:
Схема — створення нового креслення схеми, який заноситься у файл з розширенням *.CIR;
SPICE/Text — створення нового текстового файлу з описанням схеми або текстового файлу бібліотеки математичної моделі компонента у форматі SPICE (розширення імені *.СКТ);
Библиотека — створення нового бінарного файлу бібліотек (розширення імені *.LIВ). У цьому файлі розміщуються моделі біполярних транзисторів (BJT), польових транзисторів (JFET), МДН-транзисторів (MOSFET), арсенід-галієвих польових транзисторів (GaAsFET), біполярних транзисторів з ізольоованим затвором (IBGT), діодів (Diode), джерел синусоїдальних сигналів (Sinusoidal), джерел імпульсних сигналів (Pulse), операційних підсилювачів (Ораmр), ліний передачі з втратами (TRN), магнітних сердечників (Core), конденсаторів (Capacitor), індуктивностей (Inductor), резисторів (Resistor), ключів, що управляються напругою (S) та струмом (W).
MDL — параметри математичних моделей окремих компонентів у форматі МС (ці файли створюються за допомогою програми MODEL);
Вибираємо тип файлів Схема і задаємо ім’я файлу student_1.CIR. Екран на рис.5 розділений на дві частини вибором в меню Окно команди Разделить по горизонтали, щоб у нижньому вікні продивитись (і за необхідністю відредагувати) тексти математичних моделей компонентів схеми. Показ номерів вузлів схеми може бути включений/виключений натисненням на піктограму .
Вибір елементі та синтиз схеми. Перед початком створення схеми рекомендується нанести на пустий екран координатну сітку. Для цього необхідно натиснути на піктограму , яка знаходиться в рядку інструментів рис.5. Елементи в схему можна вибирати двома способами:
за допомогою панелі інструментів , щоб вибрати елемент, наприклад резистор, необхідно навести курсор на піктограму і лівою кнопкою миші клацнути по ній, після чого можна розміщати резистор у будь-якому місці робочого вікна;
вибрати у рядку інструментів Компоненты, відриється вікно у якому вибирають елементи, наприклад транзистор, і розміщають у будь-якому місці робочого вікна. Інструменти Компоненты/Russian Analog дозволяють вибрати інші напівпровідникові прилади рис.6, 7.
Рис.5. Вікно програми Micro-Cap 8.
Рис.6. Вікно вибору Компоненты/Russian Analog.
Після вибору елемента і фіксації його в робочому вікні відкривається вікно у якому потрібно вказати технічні параметри вибраного елемента, наприклад для резисторів та конденсаторів задають номер елемента(R1, R2, C1, C2…) і його номінал(2к або 1u(див.табл.1) відповідно два кілооми і одна мікрофарада). Номінали пасивних елементів можна задавати по різному, наприклад опір резистора 1,5 Мом можна записати так: 1.5 MEG, 1.5 meg, 1500K, 1500000, 1.5Е6 або ємність конденсатора 1мкФ – 1U, 1uF, 0.000001, 1Е-6.
Таблиця 1. Буквені позначення дійсних чисел з 10n .
F
10-15
фемто
M
10-3
мілі
P
10-12
піко
K
103
кіло
N
10-9
нано
MEG
106
мега
U
10-6
мікро
G
109
гіга
Якщо після вибору номіналу у робочому вікні не відображаються задані значення, необхідно використати піктограму з набору інструментів.
Біполярні транзистори,
n-p-n або p-n-p
Операційний підсилювач
Діод
МДН-транзистор з інду кованим каналом n-типу
МДН-транзистор з інду кованим каналом р-типу
МДН-транзистор n-типу
МДН-транзистор р-типу
Стабілітрон
Рис.7. Інструменти Компоненты/Russian Analog.
Система Micro-Cap8 дає можливість задіяти три види джерел енергії:
Батарея напруги .
Джерело напруги .
Джерело струму .
Після вибору джерела енергії, наприклад , відривається інформаційне вікно у якому задаються параметри джерела рис.8.
Рис.8. Визначення атрибутів джерела напруги.
Вибрати джерело живлення можна також іншим шляхом – зайти в Компоненты і вибрати Analog Primitives. Після того як відкриється вікно можна вибрати джерела живлення різного призначення, наприклад Waveforom Sources/Sine Source див. рис. 9. Вибране джерело напруги V1розміщаємо на полі і включаємо в схему. Система Micro-Cap8 пропонує вибрати параметри джерела рис.10, наприклад задаємо напругу 1В і частоту , яка є резонансною для запропонованих резонансних контурів.
Елементи, нанесені на схему можна повертати на 90○ за допомогою піктограми , робити дзеркальне відображення - , утворювати блоки з фрагментів схеми - .
Нанесені і розміщені елементи з’єднуються за допомогою провідників, які включаються клацанням кнопки миші по піктограмі . Початок провідника відмічається клацанням миші на виводі елемента. Пересуванням миші, при одночасній фіксації лівої клавіші миші, наносимо провідник на креслення.
Рис.9. Альтернативний спосіб вибору джерел живлення.
Якщо курсор рухається по горизонталі або по вертикалі, то прокладається прямолінійний провідник. Якщо курсор рухається по діагоналі, то утворюється згин під кутом 90○ . Фіксація закінчення провідника відбувається при відпусканні клавіші. Нанесення провідника під довільним кутом виконується натисканням піктограми . Електричне з’єднання позначається на схемі крапкою і утворюється, коли провідник закінчується на середній частині іншого провідника або .
Рис.10. Вибір параметрів джерела напруги.
Якщо схема повністю синтезована вставимо та пронумеруємо вузли (наприклад див. рис. 4) за допомогою піктограми , після чого можна переходити аналізу процесів, які проходять у створеній схемі.
Вид аналізу характеристик схеми вказується в меню Анализ:
Якщо необхідно провести аналіз вхідних та вихідних характеристик, наприклад для схеми підсилювального каскаду з спільною базою, для цього виберемо з меню команд Анализ/Переходные процессы. Задамо параметри аналізу рис.11, де діапазон часу – 0.1с(оскільки частота сигналу 50Гц, то на екрані буде відображено 5 коливань -0.1*50=5), по осі Х(XExpression) задаємо час Т, по осі Y(YExpression) задаємо номери вузлів у яких ми хочемо отримати значення величини сигналу в вольтах(наприклад v(6) і v(5)).Мінімальні та максимальні значення величин по осях X таY(XRange та YRange) при першому запуску рекомендується встановити Auto, оскільки нам невідомо верхня межа значень напруги у заданих вузлах.
Рис.11. Вікно аналіз перехідних процесів.
Після натискання кнопки Запуск ми отримаємо на екрані віртуальні залежності напруги від часу в заданих вузлах схеми. Використавши з панелі інструментів отримаємо значення напруги у будь-якій точці графіка , в даному випадку напруга = 1.4В.
Якщо в меню команд вибрати Анализ/Частотные характеристики то отримаємо АЧХ та ФЧХ досліджуваної схеми. Після вибору Частотные характеристики відкривається вікно(рис.12) у якому задаються параметри моделювання характеристик.
Рис. 12. Вікно Розрахунок частотних характеристик.
Діапазон частот – верхня 106 Гц і нижня 1 Гц межі, температура 27○ . По осі Х задаємо частоту, по осі Y I(R1) – струм на резисторі R1 в децибелах (рис.4а) та фазу струму на R1, максимальні та мінімальні значення – Auto. Після натискання клавіші Запуск на екрані отримаємо осцилограми АЧХ та ФЧХ досліджуваної схеми.
Програма Micro-Cap8 дозволяє моделювати зміну параметрів вибраного елемента та досліджувати вплив цих змін на АЧХ та ФЧХ. Для цього в вікні Расчет частотных характеристик (рис.12) вибираємо По шагам і отримаємо доступ до параметрів елементів, які будуть змінюватись. Після активації вікна рис.13 можемо вибрати елемент, наприклад С1, а також задати межі зміни параметра – від 5мкФ(5е-06) до 50мкФ(5е-05) з кроком 5мкФ(5е-06). Після активації прапорців(опцій) натискаємо ОК і переходимо до моделювання характеристик підсилювача.
Рис.13. Вибір зміни параметрів елементів схеми.
Для того щоб отримати осцилограми необхідно в меню команд вибрати АС
і натиснути Запуск або клавішу F2.
Контрольні запитання та завдання
Що є основою частотно-вибіркових пристроїв?
Яка функція пасивного фільтра?
Який режим називають резонансним?
Резонанс напруг-це?
Як знайти резонансну частоту?
Що таке добротність контура?
Яка функція фільтра низьких частот?
Яка функція фільтра високих частот?
Яка функція смугового фільтра?
Намалювати АЧХ та ФЧХ смугового фільтра і пояснити ці залежності.
РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА
Разевиг В.Г. Система схемотехнического моделирования Micro-Cap 6.- М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 344 с., ил.
Кардашов Г.А. Виртуальная електроника. Компьютерное моделирование аналогових устройств.- М.: Горячая линия – Телеком, 2006. – 260 с., ил.
Бойко В.И. и др.. Схемотехника электронных систем. Аналоговые ы импульсные устройства.- СПб.: БХВ-Петербург, 2004.-496 с., ил.
Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Електроніка і мікросхемотехніка: Підручник / За ред. А.Г. Соскова - К.: Каравела, 2006. - 384 с.
Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Промислова електроніка та мікросхемотехніка: теорія і практикум: Навч. посіб. / За ред. А.Г. Соскова. 2-е вид. - К.: Каравела, 2004. - 432 с.
21.03.2013 18:03-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора