Урок 2 - Пример моделирования диодного выпрямителя

Урок 2 — Пример моделирования диодного выпрямителя

Русяев Н.Н.

 

Изучение программного продукта по его описанию требует обычно много времени и усилий, что далеко не всегда устраивает пользователей, имеющих опыт работы и желающих быстро оценить возможности новой программы.

Выполняя примеры и получая ожидаемые результаты можно освоить основные принципы работы в Среде проектирования AWR_DE достаточно быстро. Параллельно выполнению примеров происходит освоение интерфейса программы и понимание ее функциональных ресурсов, приобретаются навыки их применения на практике.

Выполнив примеры, пользователь может приступить к решению своих задач по аналогии с примерами. Это не дает повода считать, что все уже освоено, но дает хороший импульс для быстрого продвижения.

Первого знакомства с первым примером, очевидно, будет недостаточно для уверенной работы в Среде проектирования AWR_DE. Воспроизведение примеров на компьютере одного за другим является обязательным условием успешного освоения технологии применения Микроволнового офиса.

 

Содержание примера

Содержание первого примера оптимизировано под ускоренное начало работы пользователя, в нем сохранен минимум информации для того, чтобы далее суметь составить самостоятельно более сложные схемы и исследовать их характеристики.

Схема цепи составлена из диода и резистора, источника возбуждения цепи и вольтметра. Она дает возможность изучить все основные операции технологии построения схем и исследования их характеристик в Среде проектирования AWR_DE.

Режим реального времени или тюнер позволяет изменять параметры любых элементов схемы и наблюдать, как изменяются характеристики схемы по мере изменения ее параметров.

Исследование нелинейных преобразований во временной и в частотной области, возможности настройки схемы, форматирование графиков создают общее представление о порядке работы в Среде проектирования AWR_DE.

В примере встречаются действия, которые многократно повторяются во всех других примерах, такие как, создание проекта и создание схемы. Однако целесообразно сохранить эти повторы далее во всех примерах, чтобы иметь возможность каждый пример изучать независимо, не обращаясь к другим примерам. Повторение текста не столь значительно.

 

Технология построения схемы цепи

Процесс моделирования складывается из простых действий, выполняем их последовательно и получаем требуемый результат. Операции технологии составляют последовательность, подчиненную строгой логике, нарушение ее может приводить к непредсказуемым результатам.

 

Создание нового Проекта

Создайте новый проект. Выберите команду главного меню File — New Project (Файл — Новый Проект) Рис. 2.1.

 

Рис.2.1. Меню Файл в Среде проектирования AWR_DE. Команды создания и сохранения нового проекта.
 

Сохраните этот проект командой Save as… (сохранить как), определите место файла в памяти компьютера, введите имя нового проекта, щелкните на кнопке Save левой клавишей мыши в окне диалога Рис.2.2.

 

Рис.2.2. Окно сохранения проекта: адрес, имя и формат сохраняемого проекта

 

Создание новой схемы

В новом проекте создайте новую схему цепи. Из главного меню команд Project (Проект) выберите курсором мыши строку команды: Add Schematic (Добавить Схему), а в открывшемся подчиненном меню выберите команду New Schematic… (Новая Схема) Рис.2.3 и щелкните левой клавишей мыши на ней.

 

Рис.2.3. Меню Project (Проект), команда создания новой схемы

Появится окно запроса имени для новой схемы цепи Рис.2.4.

 

Рис.2.4. Окно определения имени новой схемы. Ввод имени новой схемы. Окно диалога, открываемое командой создания новой схемы, содержит поле ввода имени новой схемы. Вводить можно, не удаляя имени, стоящего в поле

Введите имя новой схемы Rectifier (Выпрямитель) с клавиатуры. В поле ввода обычно содержится имя Untitled 1, причем его можно не удалять, новое имя вводите поверх старого. Начало ввода удалит предложенное имя.

В одном проекте можно создать не одну, а несколько схем. Каждую из схем, имеющихся в проекте, можно использовать в качестве подсхем других схем. Число уровней иерархии схем выбирает пользователь, сообразуясь с их свойствами.

 

Переход на вкладку Менеджер элементов

Первые два действия подготовили Среду проектирования AWR_DE для приема информации пользователя о проектируемом устройстве. Сам процесс ввода информации пользователя еще не начат.

Созданное окно One_Diod предстоит заполнить схемой. Элементы для построения схем находятся в базе данных Среды проектирования AWR_DE.

Доступ к базе данных осуществляется Менеджером элементов. Местом его расположения является вкладка с ярлычком Elem (Элементы).

Выберите вкладку, щелкнув по ярлычку Elem (Элементы) в левой части главного окна. Это действие настраивает Менеджер AWR_DE на управление базой данных, хранящей все доступные элементы.

 

Установка элементов схемы

Верхнее поле окна Менеджера AWR_DE отображает классы элементов. Выберите группу элементов с именем Nonlinear (нелинейные элементы). Их много и потому рядом с узлом стоит знак плюс  . Щелкните по нему левой клавишей, чтобы отобразить список подгрупп. Двойной щелчок тоже откроет список элементов или подгрупп, находящихся в той папке, на которой сделан двойной щелчок. Верхнее поле Менеджера элементов показано на Рис.2.5.

 

Рис.2.5. Верхнее поле Менеджера элементов. Указание группы диодов в группе нелинейных элементов

Выберите группу элементов Diode (Диод). Так как в ней нет вложенных классов подгрупп, то ее элементы типа диод отобразятся в нижнем поле окна Менеджера элементов (левый нижний угол Рис.2.6).

 

Рис.2.6. Начало построения схемы цепи выпрямителя. Окно схемы с одним диодом занимает часть рабочего поля Среды проектирования AWR_DE

Выберите элемент SDIODE, не отпуская левой клавиши мыши, элемент SDIODE переместите на поле схемы, где появится его условное обозначение, графический образ элемента. Отпустите левую клавишу мыши и передвиньте элемент в нужное место, перемещая курсор по полю схемы (Рис.2.6 справа).

Установите элемент в схему, щелкнув левой клавишей мыши там, где должен находиться устанавливаемый элемент (вложенное окно на Рис.2.6).

Выделите в верхнем поле Менеджера элементов Sources (Источники), источники переменного (АС) тока или напряжения. Нижнее поле Менеджера содержит элемент ACVS (Переменный Ток Напряжения Источник) Рис.2.7.

 

Рис.2.7. Менеджер элементов. Выбор источника возбуждения цепи переменным напряжением

Переместите элемент ACVS (Переменный Ток Напряжения Источник) на поле окна схемы, так же как переместили в него диод.

 

Поворот элементов

Установка элементов в схему иногда требует поворота изображения на 90 или 270 градусов, для того чтобы схема имела общепринятый вид.

Используйте правую клавишу мыши, чтобы повернуть элемент на угол в 90−градусов. Каждый щелчок правой клавишей мышки поворачивает на 90 градусов изображение элемента против часовой стрелки. Поворот элемента схемы рассмотрим на примере резистора.

Резисторы находятся в классе дискретных элементов. Выделите в поле Менеджера элементов класс Lumped Element (дискретные элементы, иначе их называют элементами с сосредоточенными параметрами). Выделите среди них элементы Resistor и найдите в нижнем поле Менеджера элементов RES (Резистор).

 

Рис.2.8. Соединение элементов. Элементы ACVS, SDIOD и RES соединены друг с другом

Переместите элемент RES (Резистор) в окно схемы, чтобы в результате получить схему, показанную на (рис. 2.8). Поверните условное обозначение резистора, щелкая правой клавишей мыши, и затем установите его в схему.

 

Соединение элементов

Выводы элементов, установленных в схему, требуется соединить друг с другом в соответствии с топологией цепи. Имеется два способа соединения выводов элементов. Можно так устанавливать элементы в окно схемы, чтобы их точки соединения, помеченные косыми крестами, совпали. Тогда на месте двух косых крестов в схеме появится маленький прямоугольник, он заполнен зеленым цветом Рис.2.8.

Часть выводов элементов схемы остается не соединенной, а соединение их выполняется вторым способом.

Подведите курсор мыши к выводу элемента помеченного знаком косого креста Х. Над этой пометкой курсор превращение в спиральку, что означает выбор полюса элемента.

Щелкните левой клавишей мыши, когда курсор имеет вид спиральки, и ведите пунктирную линию к другому полюсу, у другого знака «X» щелкните еще раз левой клавишей мыши. На схеме появляется провод соединяющий, те два вывода, между которыми он был протянут.

Знаки косых крестов Х превращаются в зеленые прямоугольники, если соединены выводы элементов, но они могут принять вид кругов, если одним из соединяемых объектов является соединительный провод. Круг заполнен зеленым цветом.

Появление красной линии, соединяющей выводы элементов, означает то, что соединение установлено.

Выделите в Менеджере элементов узел Meters (Измерители) и выберите V_Meter (Вольтметр), переместите его на поле окна и соедините вольтметр со схемой.

 

Установка часто используемых элементов

Каждая схема в Среде проектирования AWR_DE должна иметь элемент GND (Землю), чтобы в схеме было определено начало отсчета напряжения. Этот элемент, используемый часто, можно выбрать не только из Менеджера элементов, но и на панели инструментов.

 

Рис.2.9. Полная схема цепи. Выполнены все соединения и установлен узел заземления, видны оба варианта обозначения точек соединения

Щелкните на кнопке  панели инструментов, поместите курсор мыши в окно схемы, здесь вместе с курсором перемещается условное изображение узла заземления. Поместите его в требуемое место щелчком левой клавиши мыши. Схема должна приобрести вид, показанный на рис.2.9.

 

Редактирование значений параметров элементов

Все элементы в базах данных Среды проектирования AWR_DE имеют значения параметров, установленные по-умолчанию. Реальные значения для них необходимо установить, используя методы редактирования параметров.

 

Рис.2.10 Окно редактирования параметров элемента схемы цепи. Управление параметрами элемента, выделенного на схеме

Для редактирования параметров элемента схемы щелкните по нему два раза, например, для RES (Резистора) и откройте окно диалога, показанное на рис. 2.10. В окне диалога имеется несколько вкладок, показана одна вкладка Parameters (параметры). На ней находится таблица, в которой под параметр отведена строка. Столбцы таблицы имеют имена, отражающие содержание, представленное в них. В первом столбце находятся идентификаторы, далее значения параметров. Редактируемое значение выделено рамкой. Выберите R и установите его величину в 100 Ом. Нажмите OK.

Изменить можно идентификатор ID равный R1 — этот параметр нужен для различения однотипных элементов. Им дается общее имя, например, R и присваивается цифровой индекс.

Щелкнув дважды элемент SDIODE, можно отредактировать значения его параметров. На этапе редактирования можно изменить параметры модели его нелинейных свойств, а также другие параметры этого элемента, если есть необходимость в изменении их значений.

 

Технология исследования характеристик цепи

Схема цепи является объектом исследования, а целью моделирования могут быть графики процессов в ней или ее характеристик. Проектирование требует определения значений параметров тех или иных элементов, дающих определенный требуемый эффект. Сообразно цели выбирают содержание тех графиков, по которым можно составить полное представление о работе цепи.

Практически знание частотных переходных импульсных характеристик проектируемых устройств является необходимым или желательным. Расчет частотных характеристик производится в диапазоне частот.

Частоты, используемые в проекте, устанавливают следующим образом. Снова перейдите на вкладку Proj. Щелкните дважды по узлу Project Options (Параметры проекта), в окне диалога перейдите на вкладку Frequency Values (Значения частоты).

На этой вкладке окна установите Data Entry Units (Единицы измерения вводимых данных) размерность GHz (ГГц). Выберите режим расчета одной частоты- Single point (Одна точка), введите 1 (GHz), нажмите кнопку Apply (Применить).

В большом поле Current Range (Текущий Диапазон) отображаются те значения частот, на которых будут выполнены вычисления. Нажмите кнопку OК, убедившись в том что установлена требуемая частота.

 

Добавление графика

Результаты расчетов в Среде проектирования AWR_DE представлены, как правило, в форме графиков. Задание на тот или иной расчет определяют путем добавления соответствующего графика в проект. Добавление графиков начинают с определения форма представления данных. Имеется шесть форм. Затем выбирается конкретное содержание графиков.

 

Рис.2.11. Выбор команды создания нового графика. Меню Project, при активном окне схемы.

Добавить в проект график можно, как минимум, двумя способами. Они наиболее удобны. Выберите в главном меню Project (Проект) команду Add Graph (Добавить график) Рис.2.11. По этой команде откроется окно диалога, показанное на Рис.2.12.

 

Рис.2.12. Определение формы представления графических данных. Выбор имени и прямоугольной формы для графика

Выберите Rectangular (Прямоугольный), используйте имя I_Time. Так будет подготовлена форма графика и его имя. Нажмите кнопку OK.

На вкладке Proj в группе Graph появится узел I_Time, а рабочее поле главного окна AWR_DE пополнится новым окном окно с тем же именем. Это действие определяет форму или систему координат графика и его имя, но не определяет его содержание.

 

Рис.2.13. Окно созданного графика. График имеет прямоугольную форму и имя, но он еще пуст

Наполнение графика содержанием составляет второй этап определения задания.

 

Выбор величин для расчета и графического представления

Содержание графика определяют в специальном окне диалога с именем Measurement (Измерения). Предоставляемые здесь варианты многочисленны настолько, что выбор подходящего содержания производят в две ступени. На первой ступени выбирают тип графика, а на второй определяют конкретное содержание.

Вывести окно диалога Measurement (Измерения) можно различными способами. Можно подать команду Add Measurement (Добавить измерения) из главного меню Project (Проект) Рис.2.11. Здесь она расположена строкой ниже команды Add Graph (Добавить график). Можно вызвать контекстное меню щелчком правой клавишей мыши на узле I_Time в папке Grphs, в нем выбрать команду Add Measurement (Добавить измерения) Рис.2.14.

 

Рис.2.14. Контекстное меню графика. Выбор команды  Add Measurement из контекстного меню графика

Подайте команду Add Measurement (Добавить измерения). Рассмотрим  окно диалога с тем же именем. Не вдаваясь в детали этого окна, в поле Meas. Type (Тип измерений) выберите строку, с названием типа Nonlinear Voltage (Нелинейный анализ напряжения). Это первая ступень выбора типа графика.

 

Рис.2.15. Окно диалога Add Measurement. Двухступенчатый выбор содержания графика и его привязки к элементам схемы цепиРезультаты расчетов

В поле Measurement (Вычисления) следует выбрать строчку с Vtime (Напряжение-Время). Это вторая ступень выбора содержания графика. Затем необходимо определить схему или элемент схемы, для которого выполняется расчет Рис.2.15.

Список имен источников данных (Data Source Name) данного примера мал. Выберите Rectifier (Имя схемы). Далее в поле Measurement Component (Измеряемые элементы) выберите строку ACVS.V1.

Установите в счетчике Frequency Index (Индекс Частоты) значение 1.

Установите на счетчике Power Sweep Index (Индекс Сканирования Мощности) тоже значение 1.

Нажмите последовательно кнопки Add (Добавить) и Close (Закрыть).

Смысл этих действий состоит в том, что они определяют вычисляемые величины и способ графического представления их.

В Среде проектирования AWR_DE заложено множество возможностей для моделирования различных характеристик и все они собраны в этом окне, поэтому на нем так много устанавливаемых значений и опций.

 

Анализ цепи

Анализ схем в Среде проектирования AWR_DE проходит столь быстро, что для многих моделей можно провести моделирование в реальном времени. Наблюдая на экране монитора изменение характеристик модели на графиках, как они следуют за изменением параметров элементов схемы тюнером, легко можно составить достаточно полное представление о работе проектируемого устройства.

 

Рис.2.16. График входного и выходного напряжения выпрямителя. Легенда графика показывает, к какому элементу относится каждая кривая на графике

Программы моделирования в Среде проектирования AWR_DE пускают командой Analyze (Анализ). Она помещена в меню Simulate (Моделировать), здесь она записана на первой строке. Для этой команды помещена на панель инструментов кнопка быстрого доступа с изображением молнии. Щелчок на кнопке левой клавишей запускает программу анализа. По окончании анализа появится график, показанный на Рис.2.16.

 

Построение выходного спектра

Преобразование спектра сигнала нелинейными цепями представляется наиболее интересным явлением, широко применяемым в радиоэлектронных системах. Расчет спектра выходного сигнала производится столь же просто, как и предыдущий расчет, надо добавить Vharm, повторяя вышеописанные действия с той разницей, что вместо измерения Vtime следует настроиться на измерение Vharm (Напряжение гармоник). Результаты расчета спектра тока и напряжения на выходе детектора можно видеть на Рис.2.17.

 

Рис.2.17. Спектр гармоник. Напряжение на выходе диодного детектора содержит постоянную составляющую и гармоники по пятую включительно

 

Форматирование графиков

Оформление графиков для инженерно-технической документации надо приводить к определенным требованиям. Средства редактирования графиков позволяют придать графику подобающий вид. Они сконцентрированы в окне диалога Рис.2.18. Оно открывается двойным щелчком на легенде графика. На окне диалога Рис.2.18 присутствует много вкладок, из которых видна только одна.

 

Рис. 2.18. Редактирование графика. Настройку элементов изображения графика производят в окне диалога Свойства Графика, где можно изменить все свойства графика

Графики можно скопировать и вставить в другие программы Windows. Для этого в главном меню Edit (Правка)выберите команду All to Clipboard (Все в буфер обмена). Команда поместит содержимое активного объекта окна в буфер обмена. Из буфера обмена можно вставить график в Word или Excel, или другое приложение Windows.

 

Настройка цепей

Режим реального времени представляет большой интерес для многих разработчиков потому, что с его помощью можно быстро и полно изучить те характерные реакции цепи на регулирующие действия, которыми пользуются инженеры настройщики в процессе подготовки изделия к эксплуатации.

Режим реального времени можно включить командой Tune главного меню Simulate или кнопкой  на панели инструментов, кнопка похожа на ползунок тюнера. Нажмите на нее. Это вызовет окно диалога Variable Tuner (Тюнер настройки) Рис.2.19.

 

Рис.2.19. Тюнер настройки значений параметров в реальном времени

Тюнер работает в режиме реального времени, его можно использовать как механизм для регулировки ранее введенных параметров. Все изменения параметров, связанные с перемещением ползунков тюнера будут отражаться на графиках. Перейдите теперь в окно схемы, выбрав в меню Window (Окно), а в нем строку с именем Rectifier.

Режим реального времени предполагает изменение параметров схемы цепи. Изменяемые параметры необходимо выделить инструментом Tune Tool похожим на отвертку с крестообразным шлицем. Вызвать инструмент можно кнопкой  на панели инструментов.

Выбор конкретного параметра элемента для подстройки происходит по нажатию кнопки с изображением отвертки и указанию курсором в активном окне схемы на значение параметра элемента.

Параметр, выделенный для регулировки, отмечается на схеме синим цветом. Для каждого параметра Тюнер имеет отдельный движок Рис.2.19.

Перемещая движки тюнера можно наблюдать изменения рассчитанных характеристик на обоих графиках в реальном времени. Перемещение движка и движение линий графика напоминают работу с действующим макетом.

 

Сохранение Проекта

Сохранить результаты работы позволяет команда из меню File (Файл) Save As… (Сохранить как). Укажите имя, под которым Вы хотите сохранить свой проект, и укажите место для сохранения файла проекта. Открыв проект, можно продолжить работу в нем, но ранее полученные графики исчезнут, для восстановления их необходимо подать команду Analyze. 

Другие уроки