PartSim - это веб-приложение, которое позволяет создавать и моделировать электронные схемы без установки программного обеспечения на ваш компьютер. Все, что вам нужно, это подключение к Интернету и браузер. В этой статье из серии PartSim мы продолжим исследование возможностей этой мощной системы электронного моделирования.
Предыдущая статья: Проектирование электронных схем с помощью онлайн-симулятора PartSim (учебное пособие)
Анализ переменного тока
Изменяя частоту напряжения входных генераторов, можно использовать анализ переменного тока для наблюдения за поведением электрической или электронной схемы. Таким образом, можно изучить частотные характеристики различных компонентов электронной схемы, особенно индуктивных и емкостных. Этот тип анализа обычно используется при разработке электронного усилителя или LC-фильтра.
Настроенное схемное моделирование
Проведем анализ типичной схемы, которая обычно используется в радиоприемниках. Она создается на веб-сайте PartSim путем перетаскивания электронных компонентов с соответствующих панелей на диаграмму. Он состоит из следующих компонентов:
- Генератор синусоидального напряжения V1: его напряжение и частота не имеют решающего значения, так как имитатор автоматически устанавливает эти параметры;
- Входное сопротивление 10 кОм R1: влияет на полосу пропускания схемы и определяет добротность;
- Индуктивность 50 мГн L2;
- Конденсатор емкостью 1 нФ С1.
Это типичная схема настройки, которая принимает определенную радиочастоту, отклоняя все другие частоты. Это особый вид полосового фильтра.
Недавно разработанная схема работает в режиме переменного тока и ведет себя по-разному в зависимости от частоты сигнала, подаваемого на ее вход. Схема более чувствительна к одной частоте, а именно к резонансной.
Резонансная частота в цепи RLC - это частота, на которой реактивные составляющие импедансов (индуктивное и емкостное реактивное сопротивление) равны и уравновешиваются. В этом случае схема ведет себя чисто резистивно, с минимальным модулем и нулевой фазой.
Следующая формула используется для расчета резонансной частоты контура:
где: f - частота, выраженная в герцах, L - значение индуктивности, выраженное в генри, C - емкость конденсатора, выраженная в фарадах.
Подставляя значения компонентов в формулу, мы получаем:
Другими словами, на частоте 22507,9079 Гц схема становится чисто резистивной, и на ее выходе присутствует максимальный сигнал.
Моделирование
Давайте теперь выясним, подтверждает ли практика теорию, запустив симуляцию переменного тока в PartSim.
Для этого на выходе схемы должен быть установлен «зонд», точно в соответствии между резистором и параллельным соединением между конденсатором и индуктивностью. В этот момент улавливается выходной сигнал.
Этому узлу также можно присвоить имя, например «Out», просто щелкнув правой кнопкой мыши соответствующее соединение и выбрав пункт меню «Set Net Name». Теперь нажмите кнопку «Выполнить» и укажите следующие данные, как показано на рисунке 1:
- «Анализ переменного тока» определяет тип моделирования.
- «DEC» указывает тип развертки между «Dec», «Oct» и «Lin».
- «Начальная частота» - это самая низкая начальная частота симуляции.
- «Конечная частота» - это самая высокая частота прихода симуляции.
Также можно просматривать график фазы сигнала, выражать амплитуду сигнала в вольтах или децибелах и указывать единицы измерения фазы в градусах или радианах.
Рисунок 1: Настройки для моделирования переменного тока
Моделирование переменного тока происходит в частотной, а не временной области. Следовательно, по оси абсцисс шкала выражается частотой в логарифмическом формате (с степенями 10 Гц, кГц, МГц и т. д.).
После нажатия кнопки «Выполнить» система отображает результаты моделирования на экране в виде графиков, как показано на рисунке 2. Мы можем видеть два типа графиков:
Рисунок 2: Графики, созданные при моделировании переменного тока
- Верхний график показывает амплитуду выходного сигнала в частотной области. Его максимальный пик приходится на резонансную частоту.
- Нижний график показывает изменение фазы выходного сигнала по отношению к входному сигналу. Этот аспект будет лучше объяснен в следующем абзаце.
Фазовый сдвиг сигнала на разных частотах
Графики на рисунке 3 ясно показывают, как фаза выходного сигнала изменяется по отношению к фазе входного сигнала, изменяя его частоту в исследуемой цепи. На резонансной частоте выходной сигнал идеально совпадает по фазе с входным, а амплитуда равна входному сигналу.
На частоте 10 кГц выходной сигнал сдвинут по фазе на 68,623° по отношению к входному сигналу, а его амплитуда равна 36,4% по отношению к максимальному пику.
На частоте 100 кГц выходной сигнал сдвинут по фазе на –80,483° по отношению к входному, а его амплитуда равна 15,53% относительно максимального пика. Для лучшего понимания графиков к входному сигналу применено смещение в 1 В.
Рисунок 3: Изменение фазы и амплитуды выходного сигнала при изменении входной частоты.
Ток через резистор R1
На резонансной частоте (в нашем случае равной 22507,9079 Гц) две реактивные составляющие компенсируют друг друга, и создается впечатление, что их не существует, поэтому электрический ток, проходящий через резистор R1, равен нулю, как видно из осциллограмма на рисунке 4. В этом электрическом состоянии напряжение на выходе максимально.
Рисунок 4: Ток, протекающий через резистор R1, равен нулю на резонансной частоте.
Смотрите также: Основные параметры переменного тока: период, частота, фаза, амплитуда, гармонические колебания
Заключение
Чем чаще вы будете использовать веб-приложение PartSim, тем больше вы будете ценить эту среду электронного моделирования. Качество и точность результатов находятся на высочайшем уровне благодаря очень мощному и быстрому движку SPICE.
Еще одна особенность PartSim (видна на рисунке 5) заключается в том, что он может экспортировать результаты в один из следующих форматов: простой текстовый файл, XLS и CSV.
Для этого просто щелкните меню в правом верхнем углу графика и выберите желаемый формат. В этом контексте также можно экспортировать графику в векторный формат SVG, который можно использовать с наиболее популярным графическим программным обеспечением.
Рисунок 5: Результаты моделирования можно экспортировать в разные форматы