Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
ІКНІ
Факультет:
Інформаційні технології проектування
Кафедра:
Кафедра САПР
Інформація про роботу
Рік:
2011
Тип роботи:
Методичні вказівки
Предмет:
Системи структурного, функціонольно- технічного схемотехнічного проектування.
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
ІКНІТ
Кафедра САПР
Методичні вказівки
для виконання лабораторних робіт
(цикл лабораторних робіт № 1-4)
“Автоматизація проектно-дослідних робіт з допомогою пакету
моделювання аналогових електронних схем”
з курсу
“Системи структурного, функціонально-логічного та схемотехнічного проектування”
для спеціальностей інженерної підготовки
7.08.04.02 “Інформаційні технології проектування”
та магістерської підготовки
“Інформаційні технології проектування”.
Львів-2011
“Автоматизація проектно-дослідних робіт з допомогою пакету моделювання аналогових електронних схем” - методичні вказівки для виконання циклу лабораторних робіт № 1-4 з курсу “Системи структурного, функціонально-логічного та схемотехнічного проектування” для спеціальностей інженерної підготовки 7.08.04.02 “Інформаційні технології проектування” та магістерської підготовки 8.08.04.02 “Інформаційні технології проектування”.“ для очної форми навчання.
Укладачі Іванців Р. Д., канд. техн. наук, доцент
Відповідальний за випуск Лобур М. В., доктор техн. наук, професор
Рецензенти Макар В.М., канд. техн. наук, доцент
Парамуд Я.С., канд. техн. наук, доцент
Мета лабораторної роботи
Ознайомитись і закріпити знання з опису електричної схеми в пакеті моделювання “Microcap”, отримати практичні навични з створення і відлагодження електричних схем (підсилювачів, фільтрів), вивчити оператори управління режимами аналізу електричних схем, дослідити схему в режимах, які задані індивідуальним завданням.
Короткі теоретичні відомості
В с т у п
Поняття “схемотехнічного проектування” було сформовано давно, ще тоді, коли всі складові радіоелектронної апаратури (РЕА) – були дискретні елементи: резистори, конденсатори, дроселі, трансформатори, транзистори, діоди.
В зв’язку з прогресом інтегральної технології і збільшенням інтегральної складності дискретних елементів поняття “схемотехнічного проектування” суттєво розширилося. Інженеру схемотехніку при проектуванні інтегральних схем (ІС) приходиться не тільки розраховувати електричні процеси, а й проектувати функціональні і структурні схеми. До таких пристроїв відносяться як ІС, які складаються з великої кількості елементів, розрахунок з допомогою ЕОМ електричних процесів (статичних і динамічних) практично нездійснимий через великі затрати часу. Тому виникла необхідність примінення методів спрощених розрахунків на логічному і функціональному рівні. Таким чином виникла необхідність розглянути методи автоматизації структурного, функціонального і логічного моделювання.
Основні задачі проектувння.
Схемотехнічне проектування включає в себе рішення таких задач: розрахунку, аналізу, оптимізації і синтезу.
Задача розрахунку передбачає визначення вихідних параметрів і характеристик пристрою при незмінних значеннях його внутрішніх параметрів і незмінній структурі.
Задача аналізу передбачає визначення зміну вихідних параметрів і характеристик пристрою в залежності від зміни його внутрішніх і вхідних параметрів.
Задача оптимізації передбачає визначення найкращих значень вихідних параметрів і характеристик за рахунок цілеспрямованої зміни внутрішніх параметрів пристрою (параметрична оптимізація) або структури пристрою (структурна оптимізація). При параметричній оптимізації змінні внутрішні параметри треба вибирати такі, які можна легко міняти і контролювати під час виробництва.
Найбільш складними є задачі параметричного і структурного синтезу. Синтезом називають процес генерування первинного варіанту пристрою, в тому числі його структуру (структурний синтез) і значення внутрішніх параметрів (параметричний синтез). Генерування первинного варіанту може виконуватися різними способами – вибір з ряду відомих пристроїв, побудова на основі доказаних теоретичних результатів (співвідношень), шляхом винахідництва і т.п. Пристрій, який отриманий як продукт синтезу, не повинен бути найкращим, але обов’язково працездатним.
При проектуванні РЕА використовують різноманітні методи. Основні є такі:
Натурне макетування;
Математичне моделювання на ЕОМ.
Натурне макетування – один з найбільш старих і розповсюджених способів проектування РЕА. Основна перевага – висока достовірність результатів, тому що досліджуються реальні електричні схеми, а не їх приближені моделі. Недоліки – велика тривалість в часі, обмежені можливості проектувати НВІС – вноситься при макетуванні багато паразитних елементів: R, L, C. Крім цього неможливо забезпечити 100% перевірку деяких параметрів РЕА при крайніх розкидах параметрів елементів. Також необхідно відмітити велику вартість такого методу.
Під математичним моделюванням на ЕОМ звичайно розуміють весь комплекс питань, які зв’язані з розробкою математичної моделі пристрою РЕА і її використання в процедурах розрахунку, аналізу, оптимізації. В порівнянні з макетуванням математичне моделювання на ЕОМ має такі переваги.
В задачах розрахунку з допомогою моделі можна визначити любі вихідні і проміжні (внутрішні) параметри ІС.
В задачах аналізу моделювання дозволяє отримати вихідні параметри і характеристики схеми РЕА в граничних і заграничних режимах (що неможливо при макетуванні). Моделювання дозволяє отримати параметри серійнопридатності, тобто виконати аналіз статистичних характеристик схеми при певних законах розподілу ймовірностей зміни внутрішніх параметрів (нормальний закон розподілу, рівномірний закон розподілу …).
В задачах оптимізації можливості макету обмежені невеликим числом регулювальних елементів, тоді як в моделі можна змінювати любі параметри, маючи за мету покращення вихідних параметрів.
Роль моделювання в задачах синтезу визначається в перевірці правильності функціонуванні синтезованих схем шляхом розрахунку їх математичних моделей. Очевидно, що часові затрати значно менші ніж для макетування ряду синтезованих схем.
Однак, моделювання повністю не може витіснити макетування. При використанні добре відпрацьованих елементів (модулів) і високій достовірності їх математичних моделей – математичне моделювання дає досить достовірні результати.
Підсилювачі електричних сигналів застосовуються у всіх областях сучасної техніки і народного господарства:
Радіоприймальних та радіопередавальних пристроях.
Апаратури телебачення.
3) Системах звукового мовлення.
Апаратурі звукозапису та підсилення.
Радіолокації, апаратурі багатоканального та автоматичного електрозв’язку.
Вимірювальній апаратурі та електронно обчислювальних пристроях.
Проектування підсилювачів є часткою широкої комплексної задачі розробки нової апаратури зв’язку та її модернізації.
Простих шляхів для прямого визначення схеми і констукції підсилювачів немає, тому проектування проводиться методом послідовних наближень: робляться деякі припущення про кількість каскадів, типу транзисторів, схемах вхідного та вихідного кола підсилювачів, величина коефіцієнтів підсилення і т.д.
Отримані результати перевіряються на відповідність іншим технологічним вимогам. У випадку не виконання цих технічних вимог, вихідні дані змінюються в необхідну сторону, а потім знову розрахунково або експерементально визначається відповідність підсилювального пристрою всім технічним вимогам.
Всі методи перераховані вище використовуються при проектуванні касакдів попереднього підсилення.
Проектування каскадів попереднього підсилення зручно розділити на наступні етапи:
Розробка технічних вимог.
Розробка принципової схеми.
Розрахунок елементів принципової схеми.
Макетування каскадів підсилення і їх експерементальна перевірка на натурних або математичних моделях.
Технічні вимоги до каскадів попереднього підсилення містять в собі числові значення параметрів, які повинні мати дані каскади попереднього підсилення.
Фільтрація неперервних сигналів широко використовується в системах електрозв’язку для передачі інформації. Первинні інформаційні сигнали рідко передаються через лінії зв’язку. Звичайно інформаційні сигнали малого рівня, і як правило низькочастотні. В лініях зв’язку ефективно передаються високочастотні коливання. Високочастотні коливання в передавальних пристроях як правило модулюються низькочастотним інформаційним сигналом. Найчастіше використовується амплітудна, частотна і фазова модуляція високочастотного сигналу. Відповідно при прийомі сигналу необхідно вхідний сигнал підсилювати і виконати демодуляцію, тобто виділити із модульованого сигналу первинний інформаційний сигнал.
Частотна фільтрація сигналів в системах передачі інформації базується на відмінності спектрів корисного сигналу і завади. При прийомі неперервних сигналів основною задачею є відновлення форми переданого первинного сигналу. Від фільтрів вимагається не тільки подавлення завад, но і неспотворена передача сигналу. Параметри фільтрів визначаються спектральними характеристиками сигналу і завади. Відомо багато різновидностей фільтрів.
В циклі лабораторних робіт досліджуються характеристики фільтрів високих частот, фільтрів нижніх частот, LC – фільтрів з послідовним і паралельним резонансом (і їх вплив на гармонічний сигнал, який підсилюється).
Послідовний і паралельний резонанс LC – фільтрів виникає при рівності реактивних опорів елементів L і С
XL = XC, ωL = 1/ ωC, ω= 2 πf.
ω2= 1 / LC,
де L – величина індуктивності в Генрі, C – величина ємності в Фарадах, ω – кругова частота в радіанах, f – частота в Герцах.
Значення частоти зрізу fзр і fн для підсилювача і фільтра визначається як відхилення коефіцієнта підсилення (або коефіцієнта передачі) Кі на 3 дБ (або в 1,41 раз менше) відносно значення Ко на середніх частотах. Діапазон підсилювальних частот ∆f визначається як ∆f = fв - fн. Частота зрізу ФНЧ і ФВЧ визначається такою формулою
fзр = 1 / 2·π·τ, причому τ = R·C, і R = | XC |, Δφ = 45.
Коефіцієнти частотних спотворень для низьких і високих частот за визначаються формулами:
Мн = Ко / Кн, Мв = Ко / Кв;
або Мн = 20logКо / Кн, Мв = 20logКо / Кв, дБ.
На рис.1 наведена навантажувальна характеристика колекторного кола транзистора. Її аналітичний вираз такий
Eк = Iк * Rк + Uке,
де Eк - напруга живлення транзистора зі спільним емітером,
Iк – струм, який протікає в колекторному колі,
Rк – опір в колекторному колі транзистора,
Uке – напруга на колектор-емітерному переході.
Навантажувальна характеристика колекторного кола проходить через дві точки:
- на осі абсцис проходить через точку U = Ек,
- на осі ординат проходить через точку Ік = Ек : Rк.
На рис.2 наведена навантажувальна характеристика базового кола транзистора. Її аналітичний вираз такий
Eб = Iб * Rб + Uбе,
де Eб - напруга , яка подається на емітер-базовий перехід через опір Rб,
Iб – струм, який протікає в базовому колі,
Rб – опір в базовому колі транзистора,
Uбе – напруга на база-емітерному переході.
Навантажувальна характеристика базового кола проходить через дві точки:
- на осі абсцис проходить через точку U = Еб,
- на осі ординат проходить через точку Іб = Еб : Rб.
Робочі точки для вхідного і вихідного кола транзистора визначаються точками перетину навантажувальних характеристик з вхідною і вихідною характеристикою транзистора відповідно.
Завдання індивідуальні для виконання курсового проекту
Індивідуальним завданням для кожного студента є приципова електрична схема із вказаними параметрами елементів схеми, характеристиками вхідного сигналу (частотний та амплітудний діапазон), параметри оточуючого середовища, характеристиками режимів дослідження. Схема наведена на рис.1, параметри елементів схеми наведені в табл.1.
Викладач на консультаціях, під час виконання студентом курсового проекту може змінити завдання (при неохідності досягнення кращих характеристик).
Набрати задану схему, згідно свого варіанту завдання, в пакеті моделювання “Microcap”, “MicroPC” чи “PSpice”. Описати задану схему, використовуючи мову вибраного пакета моделювання.
Виконати графоаналітичні дослідження режиму роботи транзистора V1 – побудувати навантажувальні характеристики вхідного і вихідного кола транзистора. Для дослідження використати параметри транзистора з бібліотеки елементів “LIB” (див. Інструкція з використання пакету моделювання електронних схем "MICROCAP-2"). Для розрахунків використати середньо геометричне значення коефіцієнта підсилення за струмом
( = (min, (max – мінімальне і максимальне значення коефіцієнта підсилення.
Дослідити режими роботи схеми за постійним струмом з допомогою пакету моделювання.
Оптимізувати режими роботи підсилювача за критерієм мінімальних спотворень форми сигнала на основі отриманих досліджень в п.3 і 4.
Досягнути заданого коефіцієнта підсилення К змінюючи величину опорів R1, R7, R10.
Забезпечити значення нижньої частоти підсилення, підбираючи величину конденсаторів С1, С2.
Виконати аналіз схеми в частотній області. Досягнути заданого значення fр – резонансної частоти контура з послідовним резонансом. Спочатку розрахувати, а потім підібрати на моделі величини ємності і індуктивності для забезпечення заданої величини fр. Частоту зрізу RC – фільтра fзр забезпечити розрахунком величин опору R9 і ємності С5.
Параметри елементів схеми при необхідності змінити для досягнення заданих характеристик індивідуального завдання.
Визначити коефіцієнти частотних спотворень для низьких і високих частот за формулами: Мн = Ко / Кн, Мв = Ко / Кв; або Мн = 20logКо / Кн, Мв = 20logКо / Кв, дБ.
Моделювання заданих параметрів і характеристик виконувати з похибкою не більше
3-5 %.
Виконати аналіз параметрів і характеристик схеми з врахуванням температури навколишнього середовища (амплітудно-часова характеристика, амплітудно-частотна характеристика, фазо-частотна характеристика, коефіцієнт підсилення) для всього заданого діапазону робочих температур від tmin до tmax з кроком Δt [˚C ].
В пояснювальній записці в кожному розділі навести початкову і кінцеві схеми досліджень, початкові і результуючі графіки відлагодженої схеми, а також протоколи, які визначають параметри моделі досліджкння.
В додатку до пояснювальної записки повинна бути тверда копія (дискета 3,25”) з налагодженою схемою, яка відповідає індивідуальному завданню і працююча модель схеми у всіх заданих режимах.
Зробити висновки за результатами досліджень. Порівняти результати аналізу режимів роботи транзистора з допомогою графіко-аналітичних методів і результатів, які отримані з допомогою пакету моделювання.
Пояснювальну записку виконати згідно вимог методичних вказівок. З циклу лабораторних робіт може виконуватись один звіт або звіт на кожну роботу окремо.
Рекомендований зміст звіту до циклу лабораторних робіт.
Зміст.
Завдання.
Вступ.
Короткі теоретичні відомості.
Опис схеми на мові Microcap.
Наладка схеми. Оптимізація параметрів схеми за критерієм мінімальних спотворень форми сигнала.
Аналіз схеми в часовій області.
Амплітудно-частотний і фазо-частотний аналіз схеми.
Дослідження роботи схеми в заданому температурному діапазоні.
Відлагоджена схема і її опис на мові Microcap.
Висновки.
Таблиця 1.
Параметри моделі
№ варіанту
Еж
В
Ген.
Fзр фільтра, кГц
АЧХ
Гц
ФЧХ
град.
Темп.діап.
град. С
F, кГц
U, В
F1
F2
F3
F4
1
10
12
1/0.005
22
42
62
82
1...1Е7
+360...
-360
-60/+60/15
2
11
11
0.9/0.02
33
53
73
93
1...1Е7
+360...
-360
-60/+30/15
3
13
15
0.9/0.005
38
58
78
98
1...1Е7
+360...
-360
-30/+60/20
4
15
30
1/0.003
26
46
66
86
1...1Е7
+360...
-360
-60/+60/10
5
9
9
0.8/0.005
44
64
84
104
1...1Е7
+360...
-360
-50/+40/20
6
14
25
1/0.002
24
44
64
84
1...1Е7
+360...
-360
-60/+60/15
7
14
9
0.9/0.005
48
68
88
108
1...1Е7
+360...
-360
-50/+60/20
8
13
12
0.7/0.009
50
70
90
110
1...1Е7
+360...
-360
-60/+40/25
9
11
40
1/0.001
28
48
68
88
1...1Е6
+360...
-360
-50/+50/20
10
12
20
1/0.010
20
40
60
80
1...1Е7
+360...
-360
-60/+60/20
11
12
50
0.8/0.002
30
50
70
90
1...1Е6
+360...
-360
-50/+50/25
12
14
14
1/0.005
42
62
82
102
1...1Е7
+360...
-360
-50/+60/15
13
12
10
1.1/0.009
52
72
92
112
1...1Е7
+360...
-360
-50/+40/25
14
10
15
1.2/0.007
54
74
94
114
1...1Е7
+360...
-360
-50/+60/15
15
14
20
0.8/0.003
32
52
72
92
1...1Е6
+360...
-360
-50/+50/10
Продовження таблиці 1.
Параметри моделі
№ варіанту
Еж
В
Ген.
Fзр фільтра, кГц
АЧХ
Гц
ФЧХ
град.
Темп.діап.
град. С
F, кГц
U, В
F1
F2
F3
F4
16
14
14
0.7/0.002
25
45
65
85
1...1Е7
+360...
-360
-40/+60/12
17
9
16
0.4/0.009
33
43
63
83
1...1Е7
+360...
-360
-60/+40/18
18
15
18
0.9/0.004
34
54
74
94
1...1Е6
+360...
-360
-50/+40/10
19
11
22
0.7/0.005
36
56
76
96
1...1Е6
+360...
-360
-40/+50/10
20
13
19
0.9/0.005
37
57
77
97
1...1Е6
+360...
-360
-50/+60/20
21
12
15
0.5/0.008
38
58
78
98
1...1Е7
+360...
-360
-40/+50/15
22
8
12
0.4/0.003
39
59
79
99
1...1Е7
+360...
-360
-50/+60/15
23
16
8
1.3/0.003
42
62
82
102
1...1Е7
+360...
-360
-50/+40/20
24
12
20
1/0.010
20
40
60
80
1...1Е7
+360...
-360
-60/+60/20
25
12
50
0.8/0.002
30
50
70
90
1...1Е6
+360...
-360
-50/+50/25
26
14
14
1/0.005
42
62
82
102
1...1Е7
+360...
-360
-50/+60/15
27
13
15
0.9/0.005
38
58
78
98
1...1Е7
+360...
-360
-30/+60/20
28
15
30
1/0.003
26
46
66
86
1...1Е7
+360...
-360
-60/+60/10
29
9
9
0.8/0.005
44
64
84
104
1...1Е7
+360...
-360
-50/+40/20
Продовження таблиці 1.
Параметри моделі
№ варіанту
Еж
В
Ген.
Fзр фільтра, кГц
АЧХ
Гц
ФЧХ
град.
Темп.діап.
град. С
F, кГц
U, В
F1
F2
F3
F4
30
10
52
1/0.005
54
64
74
84
1...1Е7
+360...
-360
-60/+60/15
32
11
41
0.9/0.02
62
72
82
102
1...1Е7
+360...
-360
-60/+30/15
33
13
85
0.9/0.005
78
88
98
108
1...1Е7
+360...
-360
-30/+60/20
34
15
38
1/0.003
84
94
104
114
1...1Е7
+360...
-360
-60/+60/10
35
9
92
0.8/0.005
92
102
112
122
1...1Е7
+360...
-360
-50/+40/20
36
14
98
1/0.002
104
114
124
134
1...1Е7
+360...
-360
-60/+60/15
37
10
48
1/0.001
126
135
140
145
1...1Е7
+360...
-360
-60/+40/10
38
15
39
0.8/0.007
144
150
155
160
1...1Е7
+360...
-360
-50/+40/9
39
16
28
1/0.003
124
144
164
184
1...1Е7
+360...
-360
-60/+60/15
40
14
39
0.9/0.004
148
148
188
208
1...1Е7
+360...
-360
-50/+60/20
41
13
42
0.7/0.003
50
80
90
110
1...1Е7
+360...
-360
-60/+40/25
42
11
30
1/0.002
128
148
168
188
1...1Е6
+360...
-360
-50/+50/20
43
15
40
1/0.010
120
140
160
180
1...1Е7
+360...
-360
-60/+60/20
44
12
45
0.8/0.008
130
150
170
190
1...1Е6
+360...
-360
-50/+50/25
45
14
34
1/0.005
142
162
182
202
1...1Е7
+360...
-360
-50/+60/15
46
12
42
1.1/0.009
152
172
192
212
1...1Е7
+360...
-360
-50/+40/25
47
10
55
1.2/0.007
144
174
194
214
1...1Е7
+360...
-360
-50/+60/15
48
14
35
0.8/0.003
132
152
172
192
1...1Е6
+360...
-360
-50/+50/10
49
15
30
1/0.003
126
146
166
186
1...1Е7
+360...
-360
-60/+60/10
50
9
42
0.8/0.005
94
114
124
134
1...1Е7
+360...
-360
-50/+40/20
Вимоги до пояснювальної записки.
Пояснювальна записка повинна бути оформлена на стандартних листках формату А4. Пояснювальна записка українською мовою може бути надрукована (розмір шрифта – 14, інтервал між рядками – 1.5) або написана від руки. В обох випадках текст розміщується на одному боці аркуша. Рекомендується розміщувати до 30 рядків на сторінці.
На аркушах необхідно залишити поля з усіх боків. Розмір лівого поля – 25 мм, правого – не менше 10 мм, верхнього і нижнього – не менше 20мм.
На аркушах, де починаються розділи, зміст, анотація, вступ, список літератури рекомендується збільшувати розмір верхнього поля до 40 мм.
У верхньому колонтитулі написати:
Лабораторні роботи №1-4 з курсу “Системи структурного, функціонально-логічного та схемотехнічногопроектування” і в правому куточку – номер сторінки.
У нижньому колонтитулі написати:
Прізвище студента і номер групи.
Нумерація сторінок має бути наскрізною, першою сторінкою є титульна сторінка. На титульній сторінці номер сторінки не пишеться.
Розрахунки виконуються безпосередньо в тексті записки при аналізі резонансних властивостей схеми, частотних діапазонів і допустимих частотних спотворень досліджуваного підсилювача.
Пояснювальна записка має бути стислою, чіткою, лаконічною і містити лише інформацію, яка має пряме відношення до предмету дослідження.
Список рекомендованої літератури.
1. Л.О.Чуа, Пен-Мин Лин. Машинный анализ електронных схем. –М.,1980.
2. В.И.Ильин, В.Л.Коган. Разработка и применение программ автоматизации схемотехнического проектирования. –М., 1984.
3. Автоматизация схемотехнического проектирования. Учебное пособие для высших учебных заведений. / В.И.Ильин, В.Г.Фролкин, А.И.Бушко / М., 1987.
4. Інструкція з використання програми моделювання електронних схем
"MICROCAP-2". Національний Університет “Львівська Політехніка”, каф. САПР,
2005 р.
5. Разевиг В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью Micro-Cap 7.-М.: Телеком, 2003.-368с.
6. Методичні вказівки для виконання лабораторних робіт № 1- 4 з курсу “Системи структурного, функціонально-логічного та схемотехнічного проектування”. Національний Університет “Львівська Політехніка”, каф. САПР, 2005 р.
7. Лихтциндер Б.Я. Микропроцессоры и вычислительные устройства. – М.: Радио и связь, 1988.
8. Програма Micro-Cap (Microcomputer Circuit Analysis Program) виробництва фірми Spectrum Software (http://www.spectrum-soft.com) .
9. Основи теорії електронних кіл: підручник для студентів вищих навчальних закладів/ Ю.Я. Бобало, Б.А. Мандзій, П.Г.Стахів та інші; НУ ”ЛП” – за ред. Ю.Я. Бобалою – Л.: Вид-во НУ ”ЛП”, 2008. – 332с.
10. М.А.Амелина. ”Компьютерный анализ и синтез электронных устройств”. Пакет программ схемотехнического анализа MicroCAP-8/ Конспект лекций, версия 1.2. МЭИ, Смоленск 2006. -135с.
20.07.2020 12:07-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора