Начало анализа переходных процессов

Перед выполнением анализа рекомендуется включить отображение номеров узлов на схеме, выполнив команду Node Numbers из подменю Viewменю Options, или щелкнуть мышью по пиктограмме (кнопке) в строке инструментов. Отображение номеров узлов облегчает ссылки на узлы при составлении задания на моделирование.

Если в ходе анализа предполагается расчет режимов схемы по постоянному току (< Operating point), то для отображения результатов расчета на схеме следует выполнить команду Node Voltages / States из подменю View меню Options или щелкнуть мышью по пиктограмме.

Для начала анализа переходных процессов выполняют команду Transient Analysis из меню Analysis или нажимают клавиши Alt 1. При этом система проверяет правильность составления схемы. При наличии ошибок выводится сообщение. При отсутствии ошибок в схеме программа составляет топологическое описание схемы, выполняет подготовку к расчету переходных процессов и открывает окно задания параметров моделирования Transient Analysis Limits.

Пример окна Transient Analysis Limits для версии 5 системы MicroCAP приведен на рис.1. В последующих версиях 6 и 7 системы это окно осталось практически без изменений.

 

Рис.1

 

Задание диапазонов изменения параметров

 

Производится в полях Time Range, Maximum Time Step, Number of Points и Temperature в верхней левой части окна на рис.1. Рассмотрим их назначение.

Time Range - задает конечное Ттах и начальное Tmin времена расчета переходных процессов, где Ттах > Tmin. Значения вводятся через запятую в виде Ттах, Tmin, причем сначала задается значение Ттах. Если значение Tmin не указывать (как на рис.1), то оно полагается равным 0.

Отрицательные значения моментов времени недопустимы.

Моменты времени рекомендуется указывать в секундах с добавлением суффиксов, задающих различные степени десяти:

f - фемто (10^-15), u - микро (10^-6), meg - мега (10⁶),

р - пико (10^-12), m - милли (10^-3), g – гига(10⁹),

n-нано(10^-9), к - кило (10³), t - тера (10^-12).

При этом размерность (секунда) указывать не обязательно. Например, запись 1.2m, 0.4m задает интервал моделирования от 0,4 до 1.2 миллисекунд, а запись 2m - от 0 до 2 миллисекунд. Правила записи чисел в системе MicroCAP подробно рассмотрены в приложении D части 1 данного пособия.

Maximum Time Step - задает максимальный временной шаг между точками при расчете переходных процессов. Расчет переходных процессов ведется с выбираемым автоматически переменным шагом, величина которого определяется допустимой ошибкой моделирования, но не может превосходить величины Maximum Time Step. Если шаг Maximum Time Step не задан или задан нулевым, то он полагается равным (Ттах -Tmin) / 50.

Замечание 1. Максимально допустимая относительная ошибка моделирования задается с помощью переменной RELTOL, а максимальная абсолютная ошибка - с помощью переменных ABSTOL (при расчете тока), CHGTOL (при расчете заряда) и VNTOL (при расчете напряжения). Эти переменные задаются в окне Global Settings (см. приложение А).

Замечание 2. При моделировании смешанных аналогово-цифровых уст­ройств шаги между временными точками в аналоговых и цифровых частях схемы выбираются независимо друг от друга. Шаг моделирования цифровой части определяется значениями задержек сигналов в цифровых компонентах. Его минимальное значение определяется параметром DIGFREQ в окне Global Settings (см. приложение А) и равно 1/DIGFREQ.

Number of Points - задает количество точек (значений функции), выводимых в таблицу и в текстовый выходной файл. Файл принимает имя схемы и расширение.TNO. Если количество точек не задано (или задано равным 0), то значение Number of Points принимается равным 51. Минимальное значение Number nf Points: значение Number of Points принимается равным 51. Если требуемые для вывода в таблицу моменты времени не совпадают со значениями, при которых проводился численный расчет, то производится интерполяция значений выводимой в таблицу функции.

Замечание. Вывод результатов моделирования в таблицу {Numeric Output) активизируется щелчком мыши по пиктограммам в окне Transient Analysis Limits (см. п 1.3). Таблица просматривается в специальном окне Numeric Output, которое открывается нажатием на клавишу F5.

Temperature - задает температуру или последовательность температурных точек (в градусах Цельсия), при которых проводится анализ.

В версиях 5 системы MicroCAP температура задается в виде записи High, Low, Step, где High -максимальная температура, Low - минимальная температура, a Step - шаг изменения температуры. Если параметр Step опущен, то анализ выполняется при двух значениях температуры - Low и High. Если указана только температура High, то расчет проводится при этой температуре.

В последующих версиях системы напротив надписи Temperature (рис.1) имеется диалоговое окно, в котором можно выбрать одну из опций - Linear или List. Если выбрана опция Linear, то задание температур производится, как описано выше. Если же выбрана опция List, то задается последовательность температур, перечисляемых через запятую.

Задание моделируемых переходных процессов.

 

Моделируемые переходные процессы (сигналы) отображаются в виде графиков в окне Analysis, а также могут быть занесены в таблицу, которая при необходимости сохраняется в файле.

Задание моделируемых переходных процессов производится в таблице вывода нижней части окна Transient Analysis Limits (рис.1). Рассмотрим назначение полей этой таблицы.

X Expression - задает имя переменной, откладываемой по оси X. Обычно при анализе переходных процессов по оси X откладывается время Т. При расчете спектров сигналов по оси X откладывается частота F. Можно использовать и другие переменные.

Y Expression - задает выражение для моделируемой характеристики (сигнала), откладываемой по оси Y. Например,

V(5) - потенциал в узле 5,

V(l,2) - напряжение между узлами 1 и 2,

V(R1) - напряжение на двухполюсном компоненте R1 (резисторе),

Q(C1) - заряд конденсатора С1,

I(1,2) - ток между узлами 1 и 2,

I(R1) - ток через двухполюсный компонент R1 и др.

Список стандартных констант и переменных системы MicroCAP, а также правила их записи рассмотрены в приложении Е к части 1 данного пособия. В поле Y Expression допустимы математические выражения. Например,

I(R1)*V(R1) - мощность, выделяемая на резисторе R1,

LOG(V(2)/V(l)) - логарифм отношения напряжений в узлах 2 и 1,

SUM(V(3),T) - текущий интеграл от напряжения в узле 3 и т.п.

Основные операторы и функции приведены в приложении F части 1 пособия.

X Range - задает максимальное High и минимальное Low значения переменной X при построении графика. Значения вводятся через запятую в виде High, Low, причем сначала задается значение High. Если значение Low не задано, то оно полагается равным нулю. Значения High и Low следует выбирать так, чтобы выполнялись условия High < Ттах, Low > Tmin, где параметры Ттах и Tmin указаны в поле Time Range (п. 1.2).

Если в поле X Range ввести Auto, то диапазон значений переменной X совпадает с интервалом моделирования Ттах, Tmin, заданным в поле Time Range.

Y Range - задает максимальное High и минимальное Low значения переменной Y при построении графика. Значения вводятся через запятую в виде High, Low, причем сначала задается значение High. Если значение Low не задано, то оно полагается равным нулю.

Если в поле Y Range ввести Auto, то диапазон значений переменной Y выбирается так, чтобы все результаты моделирования умещались на графиках.

Замечание. Установленные в полях X Range и Y Range значения High и Low принимаются во внимание, если в окне Transient Analysis Limits выключена¹⁾ опция Auto Scale Ranges. Если же опция включена, то значения High и Low игнорируются, а диапазон значений переменных X и Y автоматически выбирается

¹⁾ Опция включается щелчком мыши по пустому квадрату (кружочку) напротив имени опции. При этом в квадрате (кружочке) появляется галочка (точка). Щелчок мышью по квадрату (кружочку) с галочкой (точкой) выключает опцию. При этом галочка (точка) исчезает.

Так, чтобы все результаты моделирования умещались на графиках.

Fwt - формат представления чисел в таблицах, на графиках и др. Числа представляются в одном из двух форматов: в инженерной или в научной нотации (см. приложение D к части 1).

Для представления чисел в инженерной нотации используется запись типа L.R, где L указывает число знаков слева от десятичной точки, a R - справа от нее. Например, запись 5.3 в поле Fmt задает представление чисел с помощью 5 знаков до точки и 3 знаков после точки.

Для представления чисел в научной нотации используется запись RE, где R указывает число знаков справа от десятичной точки, а количество знаков слева от нее равно 1. Например, запись ЗЕ или Зе задает представление с плавающей десятичной точкой и с тремя знаками после нее.

В поздних версиях системы столбец Fmt может отсутствовать. Формат представления чисел можно изменить в диалоговом окне Properties, которое вызывается двойным щелчком мыши в поле графика или клавишей F10.

Р - задает номер графического поля (от 1 до 9) в пределах графического окна Analysis, на котором строится задаваемая зависимость. Всего на экране может размещаться до 9 графических полей, причем в каждом поле может быть построено несколько кривых. Если значение Р не определено {поле Р пустое), то график соответствующего переходного процесса {сигнала) не строится.

При работе с таблицей вывода можно использовать кнопки команду расположенные в верхнем ряду окна Transient Analysis Limits (рис.1).

Add - добавление пустой строки в таблицу вывода после строки, где размещается курсор. При наличии большого количества строк, не умещающихся на экране, появляется линейка прокрутки.

Delete - удаление строки таблицы, в которой находится курсор.

Expand - открытие дополнительного окна для ввода текста большого объема при расположении курсора в одной из граф таблицы.

 

Задание формы представления результатов моделирования

 

Выполняется с помощью кнопок (пиктограмм), расположенных слева от таблицы вывода (рис.1). Кнопки включаются или переключаются щелчком мыши. Каждая строка кнопок определяет форму представления графиков, заданных в той же строке таблицы вывода.

Рассмотрим назначение этих кнопок:

1) Кнопка или (X Log/Linear Scale) - задание логарифмической (кнопка имеет вид ) или линейной (кнопка имеет вид , как на рис.1) шкалы графика по оси X. Изменение вида кнопки производится щелчком мыши по ее изображению. При выборе логарифмической шкалы значения переменной X должны быть строго положительными.

2) Кнопка или (Y Log/Linear Scale) - задание логарифмической

(кнопка имеет вид ) или линейной (кнопка имеет вид , как на рис.1) шкалы графика по оси Y. Изменение вида кнопки производится щелчком мыши по ее изображению. При выборе логарифмической шкалы значения переменной Y должны быть положительными.

3) Кнопка (Color) - вызов меню для выбора цвета графика. При этом кнопка окрашивается в выбранный цвет.

4) Кнопка (Numeric Output) - в текстовый файл заносится таблица значений функции, заданной в графе Y Expression. Файл имеет имя схемы и расширение.TNO. Таблица значений просматривается в окне Numeric Output, открываемом при нажатии клавиши F5. Количество выводимых в таблицу значений функции (число строк таблицы) задается в поле Number of Points (см. п. 1.2).

5) Кнопка (User File) - создание файла с именем схемы и с расширени­ем.USR, в который заносятся значения функции, заданной в графе Y Expression. В отличие от кнопки Numeric Output, здесь записываются все значения функции, полученные при расчетах. Содержимое файла.USR может служить описанием сигнала источника типа User Source.

6) Кнопка (Monte Carlo) - выбор функции, для которой производится статистический анализ по методу Монте-Карло.

В поздних версиях системы кнопки и могут отсутствовать.

 

Задание опций управления моделированием

 

Опции Run Options, State Variables, Operation Point, Operation Point Only и Auto Scale Ranges в окне Transient Analysis Limits (рис.1) управляют выполнением моделирования. Рассмотрим назначение этих опций.

Run Options - управление сохранением результатов моделирования. В поле опции Run Options можно выбрать один из вариантов:

- Normal –результаты моделирования не сохраняются;

- Save –сохранение результатов моделирования в виде таблицы в файле с именем схемы и расширением.TSA;

- Retrieve –моделирование не выполняется, результаты считаются из файла с именем схемы и с расширением.TSA, при этом производится построением графиков и вывод таблиц результатов как после обычного расчета.

При отладке схемы и выполнении пробных расчетов рекомендуется уста­навливать значение Normal опции Run Option, принятое по умолчанию.

State Variables - управление установкой начальных условий моделирования (начальных значений переменных состояния). Состояние электрической схемы полностью описывается ее переменными состояния: потенциалами аналоговых узлов, токами через индуктивности и логическими состояниями цифровых узлов. Перед началом моделирования все значения переменных состояния должны быть установлены.

В поле State Variables следует выбрать один из следующих вариантов:

- Zero – установка нулевых начальных значений потенциалов аналоговых узлов и токов через индуктивности, а также неопределенных логических состояний (X) цифровых узлов. Выходами Q и QB триггеров присваиваются состояния “0”, “1” или “X” в соответствии со значением параметра DIGINISTATE в окне Global Settings (см. приложение А).

- Read – чтение начальных значений из файла с именем схемы и расширением.TOP, создаваемого с помощью редактора переменных состояний State Vari­ables Editor (см.п. 1.7).

- Leave - здесь возможно несколько вариантов.

1) Значения переменных состояния не редактировались с помощью редактора State Variables Editor (п. 1.7). Тогда при первом моделировании переходных процессов для данной схемы начальные значения переменных состояния полагаются нулевыми (как при установке Zero). При следующих расчетах в качестве начальных выбираются значения переменных состояния, полученные при окончании предыдущего расчета переходных процессов. Если при предыдущем моделировании рассчитывался только режим по постоянному току (включена опция Operating Point Only), то в качестве начальных значений будут приняты результаты расчета этого режима.

2) Если переменные состояния редактировались перед моделированием с помощью редактора State Variables Editor, то установленные там значения принимаются в качестве начальных условий.

Начинающим пользователям рекомендуется выбирать значение Zero опции State Variables, принятое по умолчанию.

Operation Point – включает ¹⁾расчет режима по постоянному току перед началом каждого расчета переходных процессов. Для отображения режима по постоянному току на схеме следует выполнить команду Node Voltages / States из подменю View меню Options или щелкнуть мышью по пиктограмме .

Если опция Operation Point включена, то результаты расчета режима по постоянному току заменяют значения всех начальных условий.

Включение опции Operation Point устраняет наблюдение переходных процессов в схеме из-за включения источников питания. Если эти процессы необходимо наблюдать или они влияют на работу схемы (например, при анализе генераторов сигналов), то опцию Operation Point следует выключить.

Operation Point Only - включает расчет только режима по постоянному току. Расчет переходных процессов при этом не производится.

Auto Scale Ranges - автоматическое масштабирование графиков по осям X и Y. Если опция включена, то значения, указанные в полях X Range и Y Range таблицы вывода результатов моделирования, игнорируются. При этом масштаб по осям X и Y автоматически выбирается так, чтобы все результаты моделирования полностью умещались на графиках. Если опция выключена, то значения X Range и YRange принимаются во внимание при построении графиков.

Во избежание ошибок в выборе диапазона значений по осям X и Y графиков рекомендуется при первом расчете переходных процессов устанавливать включенной опцию Auto Scale Ranges.