Найти в Дзене
Старый радиолюбитель

Полезные программы. Моделируем в LTspice.

Какому радиолюбителю не приходилось при выборе схемы собирать ее на макетной плате, подбирать компоненты, делать измерения. Но ведь существуют компьютерные программы, позволяющие делать это на экране компьютера. Я завидовал своим читателям, которые в комментах прилагали графики, выполненные в Proteus. Пробовал и я в нем работать, но что-то не срослось :). И вот вчера в разговоре с сыном узнал, что он использует для моделирования LTspice. Он рассказал коротко о программе и даже показал, как она работает (спасибо WhatsApp). Мне понравилось и я ее скачал. За вечер смоделировал несколько схем, конечно не без ошибок, но все заработало. И я хочу поделиться с вами.

Рис. 1. Окно программы LTspice.
Рис. 1. Окно программы LTspice.

Достоинством программы является то, что она бесплатная и скачать ее можно на сайте Analog Devices (разработчик программы - Linear Technology): https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html, русифицированная версия лежит здесь: https://soft.sibnet.ru/soft/37871-ltspice-xvii-09-08-2021/ или здесь: https://install.download/ru/windows/ltspice .

Сейчас наибольшей популярностью пользуются программы, использующие SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) — алгоритм моделирования процессов, протекающих в электронных схемах. Алгоритм SPICE, разработанный в конце 70-х годов в университете Беркли (Калифорния), де-факто стал стандартом для разрабатываемых и уже эксплуатируемых в настоящее время коммерческих систем схемотехнического моделирования для персонального компьютера. К таким системам относятся: HSPICE (фирма MetaSoftware), PSpice (Microsim), MicroCap (Spectrum Software), Circuit Maker (The Virtual Elektronics Lab), Dr. Spice, ViewSpice (Deutsch Research) и др. Все приведенные программы - коммерческие (но на торрентах .....).

Но у нас есть LTspice (он же SwitcherCAD), который представляет собой универсальную среду для проектирования и создания электрических схем с интегрированным симулятором смешанного моделирования. Программа позволяет быстро менять компоненты и параметры электронных схем, испытывать работоспособность новых вариантов, находить оптимальные решения. Возможна загрузка списка соединений, сгенерированного другими инструментами для рисования схем или созданного вручную (расширения *.sp, *.cir, *.net или *.but). От аналогичных программ (Microcap, OrCAD) рассматриваемое ПО отличается малым объемом необходимого дискового пространства и более высокой скоростью моделирования процессов.

К сожалению, LTspice содержит полную библиотеку компонентов только компании Linear Technology Corporation (пассивные элементы и интегральные схемы, включая редкие модели импульсных контроллеров и регуляторов). Поскольку программа использует стандартные SPICE-модели электронных деталей, то к имеющейся базе можно добавлять библиотеки сторонних производителей, а также создавать свои собственные модели.

Данный симулятор позволяет проводить:
• амплитудно-частотный анализ, при этом необходимо установить количество точек данных между линиями, тип шкалы, нижнюю и верхнюю частоты;
• анализ переходных процессов;
• спектральный анализ, который возможен лишь после исследования переходных процессов;
• анализ гармоник, включающий вычисление уровней и общего коэффициента гармонических искажений в процентах;
• спектральный анализ шумовых характеристик в выбранной точке схемы, а также шумовые характеристики, приведенные к входу.

Кроме этого в LTspice можно построить семейство амплитудно-частотных характеристик при пошаговом изменении номинала выбранного элемента. Результаты всех моделирований отображаются в графическом окне, при этом существует возможность их дальнейшего анализа.

В отличие от других программ LTspice способен записывать в wav-файл сигнал из любой точки цепи. Частота дискретизации и количество разрядов устанавливаются пользователем, а полученный файл может редактироваться в специализированной программе. Данные из файлов с расширением *.wav, помимо внутренних источников, генерируемых программой, могут являться входными сигналами рабочих схем.

Дистрибутив программы включает в себя готовые примеры схем и руководство пользователя (Help). Программа регулярно обновляется и поддерживает все операционные системы семейства Microsoft Windows.

В установке программы нет никаких секретов (по крайней мере англоязычной - русскоязычную я не ставил), все устанавливается автоматически. После запуска открывается окно программы.

Рис. 2. Интерфейс программы.
Рис. 2. Интерфейс программы.

Интерфейс программы напоминает интерфейс SPlan, только элементы находятся не сбоку, а в панели инструментов. В стоке подсказок написано "готов". Давайте соберем простейшую цепь и на примере посмотрим, как работает программа. Для этого жмем File и выбираем New Schematic или кликаем мышкой на крайний левый символ на панели инструментов (лист с черным треугольником), жмем Ctrl + N.

Рис. 3. Окно программы после нажатия Ctrl + N.
Рис. 3. Окно программы после нажатия Ctrl + N.

Как видите, активировались символы в панель инструментов и появились новые вкладки на панели команд. А что-то у нас маловато элементов, только резисторы, конденсаторы, катушки и диоды. Все есть, но спрятано в символе операционного усилителя. Жмем на него.

Рис. 4. Вкладка выбора элементов.
Рис. 4. Вкладка выбора элементов.

Вначале ничего не понятно, какие-то столбики с сокращениями, но стоит кликнуть мышкой на любом из них, как в сером квадрате появляется его условное изображение, а справа вверху его полное название, в данном случае Bipolar NPN transistor. Перевод не вызывает трудностей даже у такого "знатока" английского, как я (учил немецкий). Если вы нажмете Ок, то этот символ появится на рабочем поле. Но транзисторы подождут, начнем с источника питания - он в конце списка.

Рис. 5. Вкладка выбора элементов (выбран источник).
Рис. 5. Вкладка выбора элементов (выбран источник).

Вот он, источник всего : постоянного или переменного тока, импульсов, синусоидального сигнала и т.д. Жмем Ок и ставим элемент туда, куда надо. Щелкаем левой кнопкой мыши и, если нам не нужен еще один ИП, то затем - левой. Затем кликаем по резистору и, не удерживая кнопку, переносим курсор с элементом туда. куда хотим и щелкаем мышкой. Теперь нам нужно соединить резистор и источник питания . Для этого жмем в панели инструментов на карандашик и соединяем выводы элементов. Если провод нужно согнуть, то в месте сгиба щелкаем мышкой и ведем проводник дальше. Не забудьте пристроить значок заземления, иначе схема работать не будет.

Рис. 6. Вот что у нас получилось.
Рис. 6. Вот что у нас получилось.

Если вы ошиблись, то элемент или проводник можно удалить, выбрав в панели инструментов ножницы и щелкнув ими на ненужном элементе. Можно просто нажать F5, и ножницы появятся сами. Чтобы скопировать элемент нажмите F6, а затем кликните нужный элемент.

Чтобы перенести элемент в другое место кликните в панели инструментов руку с пятью (!) пальцами или нажмите F7. Затем нужно выделить нужный элемент или группу элементов (на запястье руки есть крестик прицела), а потом перетащить куда надо. Если нажать на руку с четырьмя (!!!) пальцами, сжатыми в кулак или F8, то появляется рука с пятью пальцами, сжатыми в кулак (во как!) с прицелом. В этом случае можно перетащить проводники, в том числе и расположив их под углом отличным от прямого. Попробуйте это проделать, а потом перейдем к основному действу.

Чтобы все корректно работало, нужно задать параметры элементов схемы. Вт тут-то и порылась собака. Все единицы измерения из системы СИ.

Рис. 7. Соответствие обозначений единиц измерения электрических величин
Рис. 7. Соответствие обозначений единиц измерения электрических величин

Соответственно, по умолчанию, сопротивление измеряется в Омах, емкость - в Фарадах, время - в секундах и т.д. как в таблице. Числовые значения параметров элементов могут выражаться в экспоненциальной форме, как например 1e12, или с использованием суффиксов, соответствующих определенным масштабным коэффициентам. Например, 1000.0 можно записать как 1e3 или 1K

Рис. 8. Суффиксы и масштабные коэффициенты.
Рис. 8. Суффиксы и масштабные коэффициенты.

Суффиксы могут писаться в любом регистре, т. к. LTspice не различает прописных и строчных букв. Неузнанные символы, следующие за числом или множителем, игнорируются. Следовательно, записи "10", "10V", "10Volts" и "10Hz" будут восприняты как число 10, а записи "M", "MA", "MSec" и "MMM" будут восприняты как масштабный коэффициент 0.001. У меня, например, возникли трудности с частотой. Пробовал написать 10 meg - выскочила ошибка, а когда написал 10000000 - никаких проблем. Так что будем внимательны.

Чтобы ввести параметры элемента надо навести на него курсор - появится "указующий перст". Щелкнем правой кнопкой мышки - появится окно ввода.

Рис. 9. Окно ввода параметров источника питания.
Рис. 9. Окно ввода параметров источника питания.

Введем в верхнее окошко значение напряжения витания в вольтах, например, 12. Сопротивлением источника питания заморачиваться не будем и жмем Ок.

Рис. 10.
Рис. 10.

Окно ввода пропало, а справа внизу от символа ИП вместо V появилось значение 12. Затем нажмем на значок резистора - появится окно ввода параметров.

Рис. 11. Окно ввода параметра резистора R1.
Рис. 11. Окно ввода параметра резистора R1.

В верхнем окошке вместо буква R пишем значение, например, 1k (буква английская !). Заморачиваться точностью и рассеиваемой мощностью не будем и жмем Ок. Вместо буквы R у символа резистора появиться значение 1k. Вот теперь наша схема готова. Осталось ее запустить.

Для этого нада ввести параметры запуска. Жмем пункт Simulate и в выпавшем меню выбираем нижний пункт Edit Simulation Cmd. Появляется окно ввода параметров запуска.

Рис. 12. Окно ввода параметров запуска.
Рис. 12. Окно ввода параметров запуска.

Здесь в верхнее окошко вводим время остановки симулятора (я выбрал 100 мс. В среднее окошко вводим момент, с которого начнется запись данных (естественно его значение должно быть меньше времени остановки). В нижнее окошко нужно ввести количество измерений за время симуляции. Если ничего не вводить, то программа сама выберет максимальное разрешение. И я поставил галочку в строчке "Начать измерение с 0 В". Жмем Ок. Окошко пропадает, а у вашего курсора приклеена строчка с записью параметров. Выведите ее в нужное вам место и щелкните мышкой - там она и останется. Теперь самый трепетный момент - запуск. Жмем на бегущего человечка (справа от молотка).

Рис. 13. Окно программы после удачного запуска.
Рис. 13. Окно программы после удачного запуска.

Окно программы разделилось на два окна. В верхнем будут строиться графики. Графики чего? А того, чего хотите. Подведите курсор к верхнему проводнику и курсор превратиться в красный щуп вольтметра. Щелкните по нему. На графике появиться прямая, а над графиком появиться надпись того же цвета V(n001). Теперь наведите курсор на резистор и он превратиться в датчик тока. Щелкните мышкой и на графике появиться другая линия, а над графиком появиться надпись того же цвета I(R1). Т.е. программа вычислила ток через резистор.

Рис. 14. Графики напряжения (12 В) на верхнем проводе и тока через R1 (12мА).
Рис. 14. Графики напряжения (12 В) на верхнем проводе и тока через R1 (12мА).

Теперь построим каскад усиления на транзисторе и замеряем параметры в разных точках.

Рис. 15. Схема усилительного каскада на транзисторах.
Рис. 15. Схема усилительного каскада на транзисторах.
Рис. 16. Графики токов и напряжений схемы усилительного каскада.
Рис. 16. Графики токов и напряжений схемы усилительного каскада.

Чтобы точно определить значения токов и напряжений нужно навести курсор на соответствующую линию графика и внизу в строке подсказки вы увидите точное значения. я навел курсор на фиолетовую линию (проводник от базы к резистору) и увидел, что напряжение на нем 120,26мВ, а ток в нем - 0,17 мА. Ток через R1 - 0,048 мА, а ток через резистор R2 - 2,53 мА, т.е. коэффициент усиления по постоянному току - 2,53 / 0,048 = 52. Можете поменять сопротивления резисторов и посмотреть, что получится. Или перейти к переменному току. Для этого нужно немного поменять схему, добавив источник синусоидальных колебаний и разделительный конденсатор.

Рис. 17. Схема усилителя нч.
Рис. 17. Схема усилителя нч.

Чтобы установить параметры генератора (V2), наводим на него указующий перст и кликаем левой клавишей. Открывается окно.

Рис 18. Окно установки параметров генератора.
Рис 18. Окно установки параметров генератора.

Но здесь толь для постоянного тока (DC), поэтому жмем на Advanced и появляется другое окно.

Рис. 19. Окно установки параметров генератора переменного тока.
Рис. 19. Окно установки параметров генератора переменного тока.

Выбираем синусоидальный сигнал, аго амплитуда 100 мВ, частота 1000 Гц.

Затем зашел в Simulate и Edit Simulation Cmd и установил там время остановка 200m. Нажал на запуск. А затем замерил сигнал на проводнике от С1 к базе транзистора. Получилась вот такая картина.

Рис. 20. Динамика напряжения на базе транзистора.
Рис. 20. Динамика напряжения на базе транзистора.

График поднимается вверх из-за процесса зарядки конденсатора С1. Так как ток через резистор R1 мал, то время зарядки более 200 мс.

Снова зашел в Edit Simulation Cmd и убрал отметку "Начать измерение с 0 В" (рис. 12). А также изменил время остановки на 100 мс, а время старта записи - 70 мс. Этим я как бы растягиваю время, чтобы увидеть форму сигнала. Перезапускаю и меряю напряжение в той же точке.

Рис. 21. Сигнал на базе транзистора, двойная амплитуда - 200мВ.
Рис. 21. Сигнал на базе транзистора, двойная амплитуда - 200мВ.
Рис. 22. Сигнал на базе (красная кривая) и коллекторе (зеленая) транзистора.
Рис. 22. Сигнал на базе (красная кривая) и коллекторе (зеленая) транзистора.

Сразу видны искажение сигнала на коллекторе. Велик входной сигнал. Уменьшаю его до 10 мВ.

Рис. 23. Сигнал на базе (синяя кривая) и коллекторе (зеленая) транзистора.
Рис. 23. Сигнал на базе (синяя кривая) и коллекторе (зеленая) транзистора.

Вот это ближе к делу. А теперь попробуем построить АЧХ каскада, но для этого нам нужен генератор качающейся частоты и он есть у нас. Заходим в Simulate и выбираем Edit Simulation Cmd. На вкладке Transient убираем все.

Рис. 24.
Рис. 24.

Затем переходим на вкладку AC Analysis и выставляем параметры ГКЧ.

Рис. 25. Параметры ГКЧ.
Рис. 25. Параметры ГКЧ.

100 точек на декаду, стартовая частота 100 Гц, конечная частота 10 кГц.

Рис. 26 Схема Усилителя и его АЧХ.
Рис. 26 Схема Усилителя и его АЧХ.

Хорошо видно, что есть завал на низких частотах, а на частотах выше 2 кГц характеристика практически горизонтальная. Да и завал небольшой - около 3,3 дБ. Ну а теперь подсоединим к коллектору последовательный контур C2L1.

Рис. 27. АЧХ (зеленая) и фазовый сдвиг (пунктир).
Рис. 27. АЧХ (зеленая) и фазовый сдвиг (пунктир).

Вот у нас и получился режекторный усилитель. На частоте 712 Гц подавление около 34 дБ.

Ну и последнее. В комментах к статье о предварительном усилителе мне писали, что если подключить конденсатор параллельно R2, то завала на высоких частотах не будет. Давайте посмотрим.

Рис. 28. АЧХ усилителя с конденсатором шунтирующим нагрузку.
Рис. 28. АЧХ усилителя с конденсатором шунтирующим нагрузку.

Ну вот и все. Желаю вам успешной работы с программой.

Всем здоровья и с наступающим праздником!

Рекомендуем почитать
Документы, вакансии и контакты