Но у программы Протеус есть один существенный минус. С его помощью невозможно производить моделирование аналоговых схем. Лучшей программой для моделирования именно аналоговых цепей является LTSpice. Но она довольно сложна в освоении. Компания Texas Instrument выпустила для этих целей свою программу, абсолютно бесплатную, под названием Tina-TI. Программа полностью русифицирована, имеет понятный интерфейс. Я и сам ее только начал осваивать и покажу пока основы работы с Tina-TI. Кстати скачать ее можно в конце статьи. Вот рабочее окно программы.

Как видно ничего сложного и лишнего здесь нет. Все понятно, все на русском языке. Вот панель инструментов крупнее.

Теперь покажу как работать с этой программой. Возьмем пока для себя простую задачу — смоделируем простейший RC фильтр низкой частоты, low-pass filter. Это фильтр который пропускает низкие частоты, но срезает верхние.

Теперь также добавляем конденсатор. Для поворота конденсатора щелкаем по нему правой кнопкой мыши и выбираем поворот.

Дальше соединяем компоненты — просто наводим на вывод компонента курсор щелкаем и ведем к соединяемому выводу.

Теперь добавляем заземление. Так же как и с элементами. Получается вот такая схема.

Теперь добавляем измерительные приборы. Сразу добавим генератор. Подключаем его в нашу схему.

Теперь добавим осциллограф. Идем во вкладку «Измерительные приборы» и выбираем «внешний вывод для измерения напряжения».

Подключаем его на выход нашего фильтра и в итоге получаем такую схему.

В Tina-TI есть функция проверки нарисованной схемы. Проверку нужно делать иначе, если будут какие-нибудь моменты которые не понравятся программе, симуляция не запустится.

Запускать здесь ничего не нужно. Чтобы настраивать параметры генератора и осциллографа, идем во вкладку T&M и поочередно добавляем генератор и осциллограф.

Ну с приборами вроде все понятно. На генераторе обратите внимание есть переключатель Start/Stop. Его нужно включить. А на осциллографе должен быть выбран нужный вывод напряжение (особенно если их несколько).

Теперь самое главное — просмотр амплитудно-частотной характеристики нашего фильтра. Для этого идем во вкладку «Анализ» -> «Анализ переменного тока» -> «Переходные характеристики переменного тока…».

Дальше перед нами откроется такое окно.

0

Сергей Скворцов

Продолжение цикла статей. Начало в «Радиоежегоднике» вып. 20 - 23

(Часть 1 )

Моделирование

Ни один из номиналов радиоэлементов на схеме не появился случайным образом. Особенно это касается номиналов резисторов. Их аналитический расчет достаточно громоздок, а с помощью доступных программ схемотехнического моделирования это занимает совсем немного времени. Я предпочитаю использовать программу TINA9-TI, которую можно рассматривать как своеобразный «схемотехнический калькулятор». Эта программа бесплатна, всегда под рукой, проста в освоении и не требовательна к ресурсам ПК. Моделирование, даже достаточно сложной схемы, не вызовет особых затруднений, если воспользоваться «Общими правилами моделирования» .

Начнем, как принято, с источника питания ОУ на микросхеме TL431. После «сборки» несложного фрагмента схемы воспользуемся функциями анализа:

Анализ -> Анализ постоянного тока ->

В открывшемся окне (Рисунок 6) установим диапазон изменения входного источника тока IS1 0 - 20 мА. На графике результата анализа хорошо видно, что режимы стабилизации +5 В и опорного напряжения +2.49 В наступают уже при токе около 0.5 мА. Также выбор микросхемы TL431 обусловлен ее достаточным для нашей задачи максимальным током (до 100 мА) и допустимой рассеиваемой мощностью (до 625 мВт).

Далее, к цепям питания подключим два ОУ на микросхеме LM358, которые выполняют функции усиления и нормализации измерительного сигнала (Рисунок 7). Нас будет интересовать вид характеристик преобразования; насколько они близки к требуемым. Вновь выполним:

Анализ -> Анализ постоянного тока -> Переходные характеристики постоянного тока…

Результат моделирования и характеристики преобразования наглядно представлены на графике результата анализа этой части схемы.

Поясню, что предварительно, в соответствии с рекомендациями из , выбор и расчет номиналов резисторов выполнялся на модели идеального ОУ. Результат анализа с использованием модели «реальной» микросхемы LM358 «честно» показывает ее несовершенство, связанное, в первую очередь, с ненулевым значением выходного напряжения при однополярном питании ОУ и также с влиянием напряжения смещения. Это привело к тому, что полученная характеристика преобразования для ОР1 (зеленая линия) имеет значительную погрешность для входных токов 0…4.5 мА. Частично этот недостаток можно устранить, применив известный схемотехнический прием: включим последовательно с выходом ОУ дополнительные диоды VD6 и VD7 (см. схему на Рисунке 5).

Повторим:

Анализ -> Анализ постоянного тока -> Переходные характеристики постоянного тока…

Удобно использовать возможность, имеющуюся в программе, увеличения фрагмента графика результата анализа. Тогда улучшение (график на Рисунке 8 справа) хорошо видно.

Вообще говоря, для нашей конструкции правильнее было бы использовать так называемые Rail-to-Rail ОУ, то есть, ОУ с диапазоном выходного напряжения практически совпадающим с напряжением питания. Кроме того, их отличает очень малый ток потребления и возможность работы при низком напряжении питания, например, при 2.5 В. Из имеющихся в библиотеке TINA9-TI моделей остановим свой выбор на микросхеме сдвоенного Rail-to-Rail ОУ LPV358 (Рисунки 9 и 10) и вновь проведем анализ:

Анализ -> Анализ постоянного тока -> Переходные характеристики постоянного тока…

Налицо практически идеальные характеристики. С другой стороны, как показал опыт предварительного макетирования и изготовления опытного образца устройства, использование недорогой и распространенной микросхемы LM358 дает вполне приемлемый результат.

Предвижу, что некоторые читатели скептически отнесутся к таким «гладким» графикам. И они будут совершенно правы. Поэтому я при помощи TINA9-TI обращу внимание на глубокий «овраг», который подстерегает тех, кто привык слепо повторять чужие схемы (Рисунок 11).

На этом фрагменте схемы видно, что рядом с номиналом резисторов R7, R8, R14 появился символ «*». Это означает, что к этим элементам будет применена функция «свип-сигнала», другими словами, вариации или «качания» параметра. Нам это необходимо сделать, чтобы оценить влияние разброса номиналов этих резисторов на характеристику преобразования ОР1 (DA2.1 на Рисунке 5). Резисторы R7, R8, R14 выбраны не случайно, так как именно они, главным образом, и определяют вид характеристики.

Ниже я кратко процитирую статью , где была описана эта несложная процедура.

Щелкнув по выделенной иконке (Рисунок 12), можно переместить курсор мышки к нужному элементу схемы (вид курсора меняется после щелчка по иконке) и выделить его щелчком левой клавиши.

Появляется диалоговое окно свойств элемента (Рисунок 13).

Выбранный параметр, в данном случае сопротивление резистора R7, будет изменяться в диапазоне между начальными и конечными значениями. Отмеченная в диалоговом окне кнопка «…» или «Выбрать…» позволяет вывести новое диалоговое окно Контроль объекта выделения, где устанавливаются эти значения. Здесь мы установим начальное и конечное значение сопротивления R7 из расчета 620 кОм ±5% (Рисунок 14). Аналогичную процедуру мы выполним и для резисторов R8 и R14. Затем вновь выбираем:

Анализ -> Анализ постоянного тока -> Переходные характеристики постоянного тока…

Так как в диалоговом окне Контроль объекта выделения (см. Рисунок 14) значение Количество случаев было указано равным 3, то для трех «качаемых» резисторов мы получили семейство из 33=27 графиков (Рисунок 15). На увеличенных фрагментах графика результата анализа (Рисунок 16) хорошо виден существенный разброс характеристик как в начальной точке 4 мА, так и в конце диапазона - 20 мА.

В заключение выполнялся подбор номиналов резисторов делителя масштабатора: R28, R30, R32, R34, R36, R38 (Рисунок 17). Их аналитический расчет также достаточно громоздок, а с помощью «схемотехнического калькулятора» TINA9-TI это заняло совсем немного времени.

Мои наблюдения показывают, что начинающие освоение программ схемотехнического моделирования обычно используют инструменты, к которым они привыкли в практической работе: осциллограф и мультиметр. Уверен, что приведенные в этой статье наглядные графики результатов схемного анализа, побудят многих преодолеть этот психологический стереотип и шире использовать возможности специализированных программ.

Настройка и калибровка

Рассматривая графики на Рисунках 15 и 16, можно сделать однозначный вывод: без процедуры настройки устройства нам не обойтись. Чтобы ее упростить, советую резисторы (см. схему на Рисунке 5) R1, R8, R11, R14, R15 приобрести или подобрать с точностью не хуже ±1%. В этом случае достаточно будет только уточнить номинал резистора R7. Это делается следующим образом:

Далее необходимо установить ток задатчика 20.00 мА и убедиться, что напряжение в контрольных точках КТ1 и КТ2 равно 2.00±0.08 В. Для обеспечения приемлемой точности нашего устройства для калибровки необходимо использовать приборы с классом точности не ниже 0.2.

Окончательная калибровка устройства проводится по показаниям цифровой измерительной панели при токе задатчика 20.00 мА:

Затем необходимо убедиться, что погрешность показаний индикатора в середине диапазона (при токе задатчика 12.00 мА) и в начале (4.00 мА) не превышает допустимой. Опыт макетирования и изготовления опытного образца устройства показывает, что его общая погрешность определяется, в первую очередь, погрешностью цифровой измерительной панели. Существенных расхождений между результатами моделирования в TINA9-TI и практически полученными значениями не было.

Конструкция и детали

Фотография опытного образца прибора представлена на Рисунке 2. Печатная плата для него не разрабатывалась. Весь монтаж выполнен на нескольких макетных платах и размещен в подходящем корпусе, который был «доработан по месту напильником». Для лицевой панели и галетного переключателя SA3 использовались детали от неисправного цифрового мультиметра. Подстроечные резисторы можно использовать недорогие однооборотные, например, СП3-38. Постоянные резисторы - из недорогих, предпочтительнее использовать металлопленочные MF-0.25, они имеют сравнительно небольшой ТКС (температурный коэффициент сопротивления). К другим радиоэлементам особых требований не предъявляется.

Все работы по макетированию, монтажу, наладке и калибровке опытного образца устройства выполнил киповец с 40-летним профессиональным стажем М.А. Кирпиченко, которому я также благодарен за важные практические предложения. Отдельно отмечу большую помощь в подготовке статьи В.Н. Гололобова и советы В.Я. Володина.

Загрузки

SPICE-симулятор, предназначенный для проектирования, симуляции и отладки различных схем электронных устройств.

TINA-TI представляет собой обычный SPICE-симулятор с простым, интуитивно понятным графическим интерфейсом, позволяющим освоить программу в кратчайшие сроки. Данный софт не имеет каких-либо ограничений на число используемых устройств и узлов, без проблем справляется с комплексными работами, идеально подходит для моделирования поведения различных аналоговых схем и импульсных источников питания. При помощи TINA-TI возможно «с чистого листа» создать проект любой сложности, объединить фрагменты уже готовых решений, проверить и определить некоторые качественные показатели схемы.

Все компоненты, представленные в TINA-TI, распределены по шести группам: основные пассивные радиодетали, ключи, полупроводники, измерительные приборы, макромодели сложных устройств и источники. Также данная программа включает в себя несколько десятков разнообразных примеров.

TINA-TI предоставляет широкие возможности по рисованию и редактированию электронных схем. После того как их создание закончено, наступает очередь симуляции. Имеются следующие виды анализов: по постоянному и переменному току (сюда входит: вычисление узловых напряжений, создание таблицы результатов, построение переходных характеристик и температурный анализ), переходных процессов, шумов, преобразование Фурье и некоторые другие. Каждый из вариантов имеет свои собственные уникальные настройки. В зависимости от вида выполняемого анализа программа генерирует результаты в виде графиков или таблиц. Перед стартом любой симуляции выполняется проверка схемы на ошибки (ERC). Все найденные дефекты отображаются в особом окне в виде списка. При щелчке мыши на строке с ошибкой «непонятый» программой элемент или область схемы выделяются маркерами.

В программе TINA-TI также доступны возможности тестирования и измерения сигналов. Для этого существуют следующие виртуальные приборы: осциллограф, анализатор сигналов, цифровой тестер (с измерителем частоты), генератор функций и записывающее устройство. Виртуальные приборы программного комплекса максимально приближены по использованию к реальным устройствам. «Подключить» их можно к любой точке рассматриваемой схемы. Вся информация, снятая виртуальными приборами, может сохраняться в памяти компьютера. Поддерживается псевдо-реальный режим работы, в котором данные устройства могут использоваться для наблюдения прямо во время функционирования схемы.
TINA-TI поддерживает горячие сочетания клавиш, имеет встроенную контекстную справку и всплывающие подсказки на рабочем окне.

Программа разрабатывалась совместными усилиями сотрудников компаний и DesignSoft и является ограниченной версией более мощного, но платного программного пакета DesignSoft под названием TINA. Являясь одной из крупнейших компаний-производителей электронных устройств, микросхем и полупроводниковых элементов, Texas Instruments выкупила права на данный софт, дополнив библиотеки компонентов своей продукцией и немного изменив название. А венгерская компания DesignSoft до сих пор занимается созданием высокотехнологичных образовательных и инженерных программ в области физики, электроники, архитектурного проектирования, 3D-графики и мультимедиа. Ее продукция переведена на многие языки и нашла применение более чем в пятидесяти странах мира.

Рассматриваемое программное обеспечение доступно и в англоязычной, и в русскоязычной версиях (а также в японском и китайском вариантах). Причем на хорошем русском языке выполнено не только меню TINA-TI, но и руководство пользователя.

Tina-TI предназначена для работы в операционных системах Microsoft Windows (включая Vista и 7), однако программа успешно функционирует и в среде Linux (с помощью виртуальной машины Wine). Единственным условием является соответствие языка операционной системы устанавливаемой версии софта.

Распространение программы: бесплатная

Программа TINA-TI есть в англоязычной и русскоязычной версиях. При установке программы она может оказаться чувствительной к языку операционной системы. Особенно это относится к операционной системе Linux, где программа успешно (в настоящее время) работает в среде Wine. Если язык не совпадает с устанавливаемой версией, то установка может не получиться, и следует установить другую версию TINA-TI.

Программа имеет множество примеров, которые интересны и полезны. Загляните в них. Если примеры не открываются по умолчанию, то в разделе «Файл» есть подраздел «Открыть примеры».

Начнем рассказ с простой схемы. Схема управления.

Не космическим кораблем, даже не моделью самолета. Но управления. Итак, что должна делать схема:

За основу данной схемы взят триггер на транзисторах с двумя устойчивыми состояниями. Аппарат реагирует на кратковременный сигнал звуковой частоты, который и переводит триггер в другое устойчивое состояние, то есть включает и выключает нагрузку.

Я не буду приводить всю схему, есть вопросы и по другим элементам схемы, но давайте рассмотрим, как работает (или как должна работать) схема триггера на транзисторах. Вот часть оригинальной схемы, выделенная мной:

В таком виде, исключая резистор R2, заменивший транзистор VT1 оригинальной схемы, и наличие генератора VG1, заменившего источник сигнала и усилитель, в таком виде схема в точности повторяет ту, что приведена выше. Источник VG1 будет генерировать короткие импульсы, имитирующие напряжение, возникающее при «кратковременном сигнале звуковой частоты».

Первый опыт я проведу со схемой «как есть», хотя можно заметить на оригинальном фрагменте, что резистор в коллекторной цепи второго транзистора не имеет точки соединения с положительным полюсом источника питания. Не исключено, что схема имеет и еще аналогичные дефекты. Тем не менее:

Я не знаю реальной длительности и амплитуды кратковременного сигнала, так что мой выбор, что называется, «навскидку». После импульса от генератора длительностью 1 мс на коллекторе транзистора VT2 (измеритель VF2) напряжение 12 В. Это приведет к включению реле (отсутствующего на оригинальном рисунке). Что должно нас насторожить в данный момент?

Согласен, напряжение на коллекторе транзистора VT1 (измеритель VF1). Если это триггер, то его выходы должны попеременно переходить в высокое и низкое состояние. Причиной может стать опечатка - нет соединения резистора R8 с коллектором VT1. Исправим эту опечатку.

Теперь напряжения на коллекторах транзисторов больше похожи на правильные, но первый импульс не включает, а выключает реле. Посмотрим, не сделает ли это второй импульс. Для этого я перестрою работу генератора VG1. В программе Tina-TI это можно сделать в разделе свойств генератора напряжения. Вначале обратимся к свойствам сигнала, затем выберем и настроим нужный нам вид генерируемого напряжения.

Перестроив генератор, повторим анализ переходного процесса:

Нет. Это не тот результат, которого я ожидал.

Не знаю, как удобнее вам, а я в подобных случаях начинаю «танцевать от печки». Если у меня возникают сомнения, я стараюсь перерисовать схему в том виде, в каком увидел когда-то впервые, открыв перед экзаменами учебник. Потратив немного времени на перерисовку схемы, я быстрее начинаю понимать, на что следует обратить внимание. Виною того, что происходит со схемой, может быть и ошибка в схеме, и ошибка в номиналах элементов, и неправильная работа программы. Триггер на двух транзисторах - это симметричная схема. В реальной жизни после включения питающего напряжения сработает естественная асимметрия: номиналы деталей никогда не совпадут в точности. Программа, основанная на математических вычислениях, оперирует с числами, которые заданы одинаковыми, поэтому в случае с триггером программа может неправильно показывать результат работы схемы.

Чтобы схема получилась симметричной, мне пришлось добавить еще один резистор; транзисторы я заменил конкретным моделями. Вид схемы не столь элегантен, как изначально, но, похоже, схема начинает работать. Убедимся в этом, увеличив интервал наблюдений:

После первого импульса, как видно на рисунке, схема работает не совсем ожидаемым образом, но второй импульс восстанавливает «справедливость». В дальнейшем видно, как чередуются состояния высокого и низкого уровня на коллекторах транзисторов.

Небольшая деталь, касающаяся программы Tina-TI: по умолчанию и сигналы, и их отображение используют положительное и отрицательное напряжение. Я не ожидаю появления на коллекторах транзисторов отрицательного напряжения. Поэтому мне удобнее исправить вид кривых. Для этого, выделив мышкой первую кривую VF1, я обращаюсь к свойствам кривой, щелчком правой клавиши мышки вызвав выпадающее меню свойств, где и исправляю нижний предел измерений.

Когда схема заработала в программе Tina-TI, мы можем разобрать подробнее, как она работает. Принято (или было принято) начинать с предположения, что при включении питающего напряжения, благодаря естественному разбросу номиналов деталей, один из транзисторов начинает включаться. Положим, что это транзистор VT2. Напряжение на базе транзистора VT1 будет уменьшаться, поскольку напряжение на базу VT1 подается с коллектора VT2 через делитель напряжения: R8 - сопротивление перехода база-эмиттер VT1. Уменьшение базового напряжения транзистора VT1 приведет к тому, что ток через него уменьшится, а напряжение на его коллекторе увеличится. Увеличение напряжения через резистор R9 увеличит напряжение базы-эмиттер транзистора VT2, что приведет к еще большему открыванию транзистора VT2. Процесс проходит лавинообразно до тех пор, пока транзистор VT2 не перейдет в режим насыщения, то есть, транзистор VT2 будет полностью открыт, а транзистор VT1 полностью закрыт. Нарисуем этот момент в виде схемы, где транзистор VT2 будет заменен резистором, скажем, 100 Ом.

После первого импульса, переключающего транзисторы, конденсатор C1 заряжен до напряжения, определяемого импульсом генератора VG1 (отмечено на рисунке выше). Конденсатор C2 не заряжен. В момент, когда импульс прошел, то есть, конденсаторы подключены к общему проводу, конденсатор C1 через диод и резистор R3 отрицательным напряжение на базе транзистора T1 помогает удерживать его в закрытом состоянии. Но с приходом следующего импульса конденсатор C2 заряжается, а конденсатор C1 оказывается разряжен. И после прохождения импульса конденсатор C2 отрицательным напряжением на базе транзистора T2 закрывает его, что приводит к открыванию транзистора T1. Триггер переключился и перешел во второе устойчивое состояние до прихода очередного переключающего импульса с генератора VG1.

Мы убедились, что триггер (пусть и виртуальный) переключается. Добавим каскад усиления, который не вошел из оригинальной схемы в тот фрагмент, что был первоначально выделен.

И, я думаю, пора привести полную оригинальную схему устройства.

Добавим и к нашей схеме входной каскад на транзисторе.

Точка соединения резисторов R2 и R5 на оригинальной схеме, конечно, должна соединяться с базой транзистора. Но зачем нам нужно повторять эту часть схемы?

Меняя амплитуду входного сигнала, то есть, амплитуду сигнала генератора VG1 мы можем определить ее значение, при котором триггер устойчиво переключается. Эта амплитуда сигнала послужит отправной точкой в дальнейших экспериментах с микрофоном.

Задав амплитуду напряжения генератора VG1 равной одному вольту, мы получим такую картину:

Похоже, что напряжение на входе схемы должно быть более 1 В. Проводя анализ при напряжениях до 9 В, я не увидел убедительного результата. И только увеличение входной емкости до 1 мкФ дает что-то похожее на работу устройства при амплитуде входного сигнала в 2 В:

Так чем же управляет схема? В описании устройства написано:

Сигнал (звук хлопка в ладоши) улавливается угольным микрофоном ВМ1 типа МК16-У, затем фильтруется RC-цепочкой C1R4, (Она пропускает только сигнал с частотой, соответствующей звуковым колебаниям от хлопка в ладоши).

Я не хочу сказать, что результаты, полученные при моделировании схемы в программе Tina-TI - это истина в последней инстанции. Однако прежде чем раздадутся аплодисменты, прежде чем схема начнет работать, ее следует тщательно проверить. Не скажу, что подобная проверка на макетной плате невозможна. Но, согласитесь, сделать это за компьютером гораздо удобнее. За компьютером легче поменять, например, тип транзистора, чтобы определить, как эта замена повлияет на работоспособность схемы.

Симулятор электронных схем на русском — это обыкновенный SPICE-симулятор под названием TINA-TI с легкой для понимания графической оболочкой. Данная программа работает без всякого лимита на количество применяемых приборов, легко обрабатывает всесторонние работы. Прекрасно соответствует имитированию поведенческой реакции разнообразных аналоговых схем, а также импульсных блоков питания. Используя TINA-TI можно легко сконструировать схему какой угодно степени сложности, соединить раннее созданные фрагменты, исследовать и распознать показатели схемы по качеству.

Все представленные элементы, которыми располагает симулятор электронных схем на русском TINA-TI , рассредоточены распределены на шесть типов: компоненты пассивного действия, ключи переключения, полу-проводниковые приборы, устройства измерения, миниатюрные модели устройств повышенной сложности. Дополнительно данный софт имеет в своем составе множество показательных образцов.

Симулятор электронных схем составлен на русском языке, поэтому с его помощью можно легко освоить черчение и корректировку принципиальных схем. Процесс создания схемы сам по себе не сложный и после завершения этой операции начинается этап симуляции. Программа может выполнять ниже перечисленные виды исследования: оценку постоянного и переменного тока. В данный анализ входит — расчет ключевых напряжений, построение графика конечного итога, определение промежуточных параметров и тестирование температуры.

Далее идет исследование промежуточных процессов, шумовых искажений. Обусловленность от категории исследования, учебная программа формирует окончательный итог в форме графических изображений или таблиц. Прежде чем начать симуляцию, TINA-TI производит проверку схемы на наличие или отсутствие ошибок. Когда обнаруживаются какие либо отклонения, то все изъяны будут показаны в отдельном окошке в форме списка. Если кликнуть мышью на надписи с ошибкой не распознанной симулятором, то деталь или часть чертежа обозначится маркеровочными знаками.

Дополнительно TINA-TI может выполнять измерение различных сигналов и их испытание. Чтобы реализовать данный вид исследования, для этого имеются виртуальные устройства: цифровой мультиметр, осциллограф, контрольно-измерительный прибор сигналов, источник периодических сигналов и устройство записи. Все имеющиеся в программе приборы симуляции предельно возможно соответствуют по использованию фактическим измерительным устройствам. Виртуально подключать их можно в любом участке исследуемой схемы. Все полученные условными приборами информационные данные сохраняются в памяти компьютера.