3. Симулятор Симона. Поиграемся с графиками
Все не так сложно, когда знаешь как…
В предыдущей статье я показал первые шаги создания простейшей схемы и ее частотного анализа. Далее, не спеша, буду показывать как менять параметры схемы в зависимости от желаемого поведения характеристик.
Но, для начала еще раз повторюсь, в прошлой статье я не сразу выложил адрес, где скачать дистрибутив Симоны, поэтому еще раз указываю.
Лезем сюда: https://www.eremex.ru/download-or-buy/ , и качаем версию для радиолюбителей:
Поверьте, 50 цепей для большинства задач это ооочень много.
Итак, мы остановились на интегрирующей RC цепи:
АЧХ и ФЧХ ее следующие:
В текущем состоянии частота среза порядка 1 ГГц, что несколько запредельно, с точки зрения реального воплощения с помощью паяльника и анализа недорогим осциллографом «на кухонном столе», поэтому не плохо бы параметры схемы спустить на «землю», что бы частота среза находилась около 1 кГц.
Сразу скажу, что есть три способа это сделать:
1. Прямой ввод номиналов на схеме
2. Тюнинг — прямая подстройка параметров (Value/Номиналов)
3. Параметрический анализ — создание семейства графиков с помощью перебора параметров компонентов (Value/Номиналов)
Т.к. прямой ввод номиналов предельно прост и интуитивно понятен, рассматривать его не буду, и поэтому начну со второго способа:
2. Тюнинг:
Идея заключается в наблюдении изменения характеристик при изменении параметров движками (ползунками). Покажем как это делать на примере подстройки параметров резистора и конденсатора:
Для этого:
1. вызываем инструмент «подстройка параметров» нажав на отвертку с ключем (стрелка 1)
2. выбираем элемент из выпадающего списка: С1 (стрелка 2)
3. изменяем, по необходимости границы подстройки, например: верхнюю границу 10пФ, можно поменять на 1 мкФ (стрелка 3)
4. И жмем на галку (стрелка 4) — это мы закончили вводить настройки тюнинга С1
5. Для добавления элемента со схемы жмем на «Добавить» (стрелка 5)
6. далее проводим такие же операции, как с С1 (стрелки 6, 7, 8)
В результате чего у нас появляется возможность впрямую менять параметры компонентов R1 и С1 с помощью соответствующих ползунков (показал стрелочками) и при этом графики АЧХ/ФЧХ будут послушно перестраиваться (предварительно в настройках расчета sim ac1 измените нижнюю частоту расчета с 1кГц на 1Гц):
Но, имейте ввиду, что тюнинг, это такое ребячество, которое на первый взгляд удобное, но когда схемы становятся не простыми, то этот способ превращается в бесконечную игру… Что то сродни с тетрисом, движение есть, а результатов нет…
Поэтому более правильный путь, это Параметрический анализ, который настраивается и вызывается в настройках моделирования. Покажу это на примере перебора емкости С1:
Замечу, что приоритет тюнинга выше, чем параметрического анализа, поэтому что бы стал рассчитываться параметрический анализ необходимо его отключить нажав на отвертку с ключем).
Итак:
1. входим во вкладку параметрического анализа и сразу ставим галку — стрелка 1
2. выбираем объект С1 — стрелка 2
3. Контролируем, что будет у нас меняться параметр емкости (например, если бы это был транзистор, то можно было бы менять параметры внутренних характеристик, например, сопротивление базы, время переноса зарядов… Это очень мощный инструмент, который порой помогает понять, какая характеристика транзистора особо портит результат…) — стрелка 3
4. указываем начало и конец перебора от 1пФ до 1 мкФ, стрелки 4 и 5
5. В поле указанной стрелкой 7 выбираем способ перебора, из которых самый простой для понимания «линейный», поэтому расскажу про декадный (можно сказать по другому: порядковый, т.е. один порядок — это изменение величины в 10раз, два порядка — в 100 раз). Идея его состоит в том, что симона разбивает весь частотный диапазон на количество поддиапазонов, края которых меняются в 10 раз. В нашем случае симона разобьет на 7 поддиапазонов (пико — 10^-12, до микро — 10^-6, т.е. разница порядков (-6) — (-12) + 1 = 6 + 1 =7 порядков, т.е. 7 поддиапазонов). В итоге в каждом поддиапазоне симона сделает один расчет (как указано в поле стрелочкой 6). Если в этом поле указать 3 точки/дек, то симона рассчитает 7×3 = 21 график… Но это перебор, поэтому в данном случае вполне достаточно 1 расчет на одну декаду. Надеюсь понятно объяснил.
6. Далее жмем на расчет, стрелочка 8:
В итоге мы видим семейство характеристик АЧХ и ФЧХ в зависимости от перебора значения емкости нашей RC цепи.
Как уже я говорил, нас интересует характеристика, которая будет иметь частоту среза около 1кГц, поэтому наводя курсор на нужную линию выскакивает подсказка:
Стрелочкой 1 — указано выражение соответствующее линии графика
2. стрелочкой 2 — текущее значение параметра в переборе при котором рассчитывался этот график, в нашем случае это значение емкости С1=1 мкФ
3. стрелочкой 3 и 4 — частота на которой стоит курсор и значение затухания сигнала через анализируемую цепь соответственно.А теперь добавим еще один перебор, но только уже значения резистора следующим образом (линейно от 700 до 1300 Ом, с шагом 300 Ом) и сразу жмем на расчет:
И не забудьте поставить галочку указанную стрелочкой
Красота. Мы получили семейства характеристик. Как мы видим в каждой семье сгруппировано по 3 графика АЧХ/ФЧХ соответствующих значению резисторов 700, 1000, 1300 Ом. А установленная галочка про цвет в итоге не только радует глаз, но и помогает соотнести по цвету линии АЧХ с соответствующей линией ФЧХ (они одинаковые по цвету). Присмотритесь.
В итоге самая близкая комбинация сопротивления+емкость к частоте перегиба 1кГц будет:
Т.е. при С1=0,1 мкФ и R1= 1,3кОм.
Прямо на схеме укажем эти значения, далее в расчетах снимем галочку параметрического анализа, уменьшим конечную частоту расчета до 1МГц и запускаем на расчет:
Вот так получилась классическая характеристика интегрирующей цепочки из учебника. Теперь добавлю ка я дифференцирующую цепочку, да с теми же номиналами, заодно изменю названия узлов цепи на более удобные для смысла:
далее поправим настройки расчета следующим образом:
Зная результат, я сразу от фазы дифференцирующей цепочки отнял 90 градусов, что бы графики фазы совпали, так более рационально линии отображаются на поле графиков, но всегда надо помнить, что фаза дифференцирующей цепочки опережает фазу интегрирующей цепочки на 90 градусов. Для этого самостоятельно удалите слагаемое -90 и посмотрите итоговую разницу.
Обратите внимание, что фазы пересекают 90 градусов в точке перегиба -3Дб, для обоих графиков АЧХ. Из картины АЧХ можно сделать выводы, что:
интегрирующая цепочка проявляет свойства фильтра низкой частоты (ФНЧ) 1 порядка с наклоном в полосы заграждения -20Дб/декаду, а
дифференцирующая цепочка проявляет свойства фильтра высокой частоты (ФВЧ) 1 порядка с наклоном в полосы заграждения +20Дб/декаду
При одинаковых ТАУ=RC, характеристики АЧХ обоих цепей встречаются в точке -3Дб, которая является половинной с точки зрения ослабления сигнала по мощности, т.е. в этой точке амплитуды сигналов ослабляются на 30%. Проверить это можно, удалив преобразование db () и отключив на время ФЧХ:
А вот теперь следующая задача, которая часто встречается на практике:
А если нам требуется одновременное изменение частот среза у обоих цепей, как это сделать удобно и просто? Да, конечно можно врукопашную менять значения прямо на схеме, но если требуется менять номиналы по каким то зависимостям сразу на многих компонентах, то как быть???
Задача глобальная, и решение тоже глобальное, а значит нас ждут в следующей части глобальные изменения))).
