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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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.
Введем в верхнее окошко значение напряжения витания в вольтах, например, 12. Сопротивлением источника питания заморачиваться не будем и жмем Ок.
Окно ввода пропало, а справа внизу от символа ИП вместо V появилось значение 12. Затем нажмем на значок резистора - появится окно ввода параметров.
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.
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).
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.
Теперь построим каскад усиления на транзисторе и замеряем параметры в разных точках.
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.
Чтобы установить параметры генератора (V2), наводим на него указующий перст и кликаем левой клавишей. Открывается окно.
Но здесь толь для постоянного тока (DC), поэтому жмем на Advanced и появляется другое окно.
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.
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.
Сразу видны искажение сигнала на коллекторе. Велик входной сигнал. Уменьшаю его до 10 мВ.
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.
Затем переходим на вкладку AC Analysis и выставляем параметры ГКЧ.
100 точек на декаду, стартовая частота 100 Гц, конечная частота 10 кГц.
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.
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.
Ну вот и все. Желаю вам успешной работы с программой.
Всем здоровья и с наступающим праздником!