В предыдущей публикации с помощью графического редактора системы моделирования Micro-Cap мы нарисовали схему простейшего автогенератора на биполярном транзисторе и промоделировали его работу. Сегодня продолжим знакомство с возможностями моделирования и рассмотрим несколько вариантов автогенераторов.
А ЧТО БУДЕТ, ЕСЛИ?..
А что будет, если к выходу автогенератора подключить нагрузку? Способов ее подключения несколько. Применим один из них. Не самый лучший, но самый наглядный: присоединим нагрузку через разделительный конденсатор С4 малой емкости (рис. 9). Так поступают, когда хотят наиболее простым способом отделить частотозадающие цепи автогенератора от нестабильной нагрузки и тем самым повысить стабильность частоты.
А теперь выполним моделирование (Analysis - Transient Analysis), задав построение графиков напряжений в двух наиболее интересных для нас точках: на правом по схеме выводе катушки L1 и на нагрузочном резисторе R4. Первая точка на схеме обозначена меткой "I", а вторая - "out". В окне задания на моделирование (рис.10) придется заполнить две строки таблицы. Как вы, наверное, уже догадались, именно их число и определяет число строящихся при моделировании графиков. Вот назначение столбцов этой таблицы:
Р - номер графика. Задав в обеих строчках одну и ту же цифру, например 1 , получим наложение двух графиков на одном поле, а указав две разные цифры, - два раздельных графика.
Х Expression - физический параметр, значение которого на графике откладывают по оси X. В нашем случае это - время, обозначаемое буквой Т.
Y Expression - физический параметр, значение которого на графике откладывают по оси Y. Мы хотим построить зависимость напряжения в точке с меткой "out". Так и напишем: v(out).
Х Range - интервал значений по оси X. Напишем auto: программа установит его автоматически.
Y Range - интервал значений по оси Y. Тоже напишем auto.
Fmt - формат записи чисел при построении таблиц. Во всех наших примерах он будет именно таким: пять знаков до десятичной точки и три - после, включая единицу измерения.
Слева от таблицы есть ряд кнопок. Манипулируя ими, устанавливают линейный или логарифмический масштаб графиков, меняют их цвета и записывают результаты моделирования на диск. Число строк в таблице может быть различным. Добавлять и удалять их можно кнопками Add и Delete, расположенными в верхней части окна. Чуть ниже этих кнопок вводят еще несколько параметров:
Time Range - временной интервал. Указав здесь 2u (2 мкс), мы зададим интервал времени моделирования от 0 до 2 мкс.
Maximum Time Step - шаг моделирования. От него зависит "плавность" графика. По умолчанию здесь устанавливается ноль. Это означает, что график состоит из 50 точек. Установим это значение равным 0.1n (0,1 нс). При этом график будет состоять из 2000 точек.
Number of Points - число точек, записываемых в таблицы результатов на диск.
Temperature - значение температуры в градусах Цельсия.
Установив, кроме этого, галочку напротив Auto Scale Range (автоматическое определение масштабов) и задав режимы моделирования (Run Options=Normal и State Variables=Zero), мы, нажав на кнопку Run, увидим результаты нашей работы. Они на рис.11. Моделирование показало нам: если форму напряжения на выводе катушки L1 еще можно назвать синусоидальной, хотя и сильно ограниченной сверху, то на нагрузочном резисторе она на синус уже совсем не похожа. Из этого сделаем вывод: развязка автогенератора от нагрузки через конденсатор небольшой емкости увеличивает искажения формы выходного сигнала.
Как же сделать автогенератор, вырабатывающий напряжение правильной синусоидальной формы? Существуют несколько решений, но почти все они связаны с усложнением устройства. Самый простой вариант - заменить биполярный транзистор полевым, установив соответствующий режим по постоянному току (рис. 12). Номиналы всех компонентов приведены на схеме. Полевой транзистор - MPF102. Форма сигнала в точке "out" нового варианта автогенератора - практически неискаженная синусоида - показана на рис. 13.
Можно заметить, что при замене биполярного транзистора на поле-вой частота автогенератора увеличилась. Это произошло из-за уменьшения емкости, вносимой транзистором в колебательный контур.
И В ЖАР И В ХОЛОД
Теперь, когда мы убедились в высоком качестве выходного сигнала автогенератора, займемся исследованием стабильности его частоты. Как вы, наверное, знаете, одна из основных причин ухода частоты - изменение характеристик электронных компонентов при изменении температуры. Наиболее важна температурная стабильность частотозадающих элементов контура. В нашем случае это конденсаторы С1, С2 и катушка L1, а также межэлектродные емкости полевого транзистора J1. Зависимость емкости конденсатора от температуры характеризует температурный коэффициент емкости (ТКЕ). При моделировании в системе Micro-Cap ТКЕ можно учесть. Щелкнем по изображению конденсатора С1 и вместо постоянной емкости 100р напишем в графе Value открывшегося окошка выражение: 100р*(1-0.02*(ТЕМР-27)). Это означает, что при температуре +27°С емкость конденсатора равна 100р, и при нагревании на один градус она уменьшается на два процента. Теперь С1 будет вести себя примерно, как реальный конденсатор К10-17 с ТКЕ, определяемый группой М1500. Ту же самую операцию проведем с конденсатором С2. А вот зависимость индуктивности катушки L1 от температуры определим следующим образом: 10u*(1+0.01*(ТЕМР-27)).
Здесь нужно сделать пояснение. Температурный коэффициент индуктивности (ТКИ) почти всегда будет положительным. Это результат того, что при нагревании материал, из которого выполнен каркас катушки, расширяется и значение индуктивности увеличивается. Выбранное нами значение ТКИ в один процент на градус - довольно велико. У реальных катушек, применяемых в стабильных автогенераторах и выполненных, например, по технологии осаждения меди на радиочастотную керамику, он в сотни раз меньше.
То же самое можно сказать и о конденсаторах. Обычно в таких случаях применяют конденсаторы с ТКЕ группы М47 или М75. Иногда конденсаторы разных номиналов с разным температурным коэффициентом соединяют параллельно или последовательно, стремясь получить одновременно требуемую емкость и ТКЕ. И почти всегда для стабильной работы автогенератора необходим отрицательный ТКЕ. Именно противоположность знаков температурных коэффициентов емкости и индуктивности позволяет скомпенсировать изменение индуктивности за счет изменения емкости. Высокие значения ТКЕ и ТКИ выбраны здесь исключительно с целью получения большей наглядности результатов, однако и такая ситуация вполне может встретиться на практике.
Теперь приступим к моделированию. Укажем новое значение температуры +40°С и проведем моделирование. Сравним период полученной синусоиды с периодом, измеренным во время моделирования при +27°С. В результате увидим, что при нагревании частота автогенератора "поплыла".
НЕ ТОЛЬКО ОСЦИЛЛОГРАФ
А как наглядно увидеть, куда и насколько "убегает" частота нашего автогенератора при нагревании или охлаждении? Для этого есть очень хороший способ: сравнить спектры сигналов при разных температурах. Вспомните о таком приборе, как анализатор спектра. На его экране отображается спектр исследуемого сигнала. В случае, если сигнал синусоидальный, мы увидим отметку на одной частоте, если же в сигнале присутствуют гармоники этой частоты, отметки появятся и на частотах гармоник.
Прежде мы пользовались системой моделирования Micro-Cap как осциллографом, наблюдая на экране компьютера графики зависимости напряжения от времени в той или иной точке схемы. На самом деле по осям Х и Y можно откладывать и другие физические параметры. Если по оси Х отложить частоту (f), а по Y - амплитуду гармоник напряжения в точке с меткой "out" (эта запись будет выглядеть так: harm(v(out))), то в наших руках окажется отличный анализатор спектра.
Есть, правда, одна тонкость, о которой нельзя забывать. Речь идет о том, что нам нужен спектр выходного сигнала автогенератора в установившемся режиме. У нас же в течение нескольких микросекунд после подачи напряжения питания происходит процесс нарастания амплитуды сигнала и изменения его частоты. Поэтому программе необходимо указать, что при построении спектра эти несколько микросекунд не следует принимать во внимание. Если быть совсем точным, то для того чтобы получить спектр периодического сигнала, требуется обрабатывать временной интервал, в точности кратный периоду повторения этого сигнала. У нас такой возможности нет, поскольку в наших опытах частота "плавает". Что ж, сделаем по-другому: выберем отрезок времени, на котором укладываются сразу несколько сотен периодов. Тогда точность графика, характеризующего спектр сигнала, окажется вполне приемлемой.
Итак, приступим к составлению задания на моделирование (рис. 14). Построим два графика. На верхнем будем наблюдать выходной сигнал, а на нижнем - его спектр. Интервал времени анализа, как мы уже договорились, зададим большой - 20 мкс. А вот значений температуры укажем сразу два: 54°С - верхнее значение и 27°С - нижнее, а поскольку при вводе требуется еще и шаг изменения температуры, сделаем его равным тоже 27°С. В результате получим пару наложенных друг на друга графиков при двух температурах: 54°С и 27°С.
Осталось задать промежуток времени, в течение которого будем строить спектр сигнала. Делается это так. Пройдем по пути Transient - DSP Parameters. Откроется окно DSP Control Parameters (рис. 15). В нем укажем время, с которого начинается (Lower Time Limit) и которым заканчивается (Upper Time Limit) построение спектра, а также число отсчетов (Number of Points), характеризующее точность преобразования.
А теперь смело можно нажимать на кнопку Run и запускать процесс моделирования. То, что должно получиться, изображено на рис. 16. Правда, мы немного растянули масштаб нижнего графика. Вы тоже сможете сделать это, воспользовавшись кнопкой
и выделив ту часть графика, которую нужно растянуть на все его поле. Еще мы поставили стрелки-указатели, над которыми нанесены два числа: координаты точек на графике. Устанавливаются эти стрелки с помощью кнопки
.
Теперь можно точно сказать, что при изменении температуры от 27°С до 54°С частота автогенератора изменилась с 7,158 до 9,053 МГц.
Вот и все на сегодня. На следующем занятии мы превратим наш компьютер с системой моделирования Micro-Cap в измеритель амплитудно частотных характеристик и будем проектировать фильтр для приемника прямого преобразования, а заодно изучать основные приемы моделирования частотных характеристик электронных устройств.
(Продолжение следует)
