Разработка и анализ принципиальной электрической схемы с использованием пакета автоматизированного проектирования

Министерство образования  Российской Федерации

 

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

 

Естественно-гуманитарный факультет

 

Кафедра системного анализа и управления в медицинских системах

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

 

по дисциплине: «Основы САПР»

 

 

тема: «Разработка и анализ принципиальной электрической схемы с использованием пакета автоматизированного проектирования»

 

 

 

Расчетно-пояснтельная записка

 

Выполнила студентка БМ–071                                         А. Ю. Кирилова

                                     Группа             подпись, дата       инициалы, фамилия

Руководитель                                                                             Е. И. Новикова  

                                                              подпись, дата         инициалы, фамилия

                                                                                               

Защищена        __________________Оценка____________________________ 

 

 

 

 

 

 

Воронеж 2011

Государственное образовательное  учреждение высшего и профессионального  образования

«Воронежский Государственный  Технический Университет»

(ГОУВПО «ВГТУ»)

Кафедра системного анализа и управления в медицинских  системах

 

ЗАДАНИЕ

на курсовой проект

 

по дисциплине: «Основы САПР»

 

Тема работы: Разработка и анализ принципиальной электрической схемы  с использованием пакета MicroCap

 

Студент(ка) группы БМ-071                                Кирилова Анастасия Юрьевна                       

                                                                                                                                Фамилия, имя, отчество

Перечень  вопросов, подлежащих разработке

1. С помощью программы MODEL рассчитать параметры математической модели одного из аналоговых компонентов (транзистора или диода, входящего в состав схемы). Преобразовать файл библиотеки MODEL в бинарный, имеющий расширение .LBR, предназначенный для передачи в программу моделирования MC8.
2. Построить исходную принципиальную схему в программе MicroCap (в соответствии с полученным вариантом), на основе транзистора или диода, параметры математической модели которого были рассчитаны в 1 пункте.
3. Провести анализ переходных процессов всей схемы.
4. Провести анализ частотных характеристик.
5. Провести моделирование участка исходной схемы. рассчитать частотные и переходные характеристики при вариации параметров.
6. Провести расчет передаточных функций по постоянному току.
7. Статистический анализ по методу Монте-Карло.
8. Расчет чувствительностей по постоянному току.

Номер варианта – 27.

Объем работы: страниц – 30, рисунков – 45, таблиц – 1.

Сроки выполнения этапов:

Срок защиты курсовой работы

Руководитель                                                                                     Е.И. Новикова

                                                                        Подпись, дата                                     инициалы, фамилия

Задание принял студент                                                               А. Ю. Кирилова

                                                                          Подпись, дата                                     инициалы, фамилия

Замечания руководителя

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Задание на курсовой проект 2

Замечания руководителя 3

Введение 5

1 Расчет параметров математической  модели транзистора BFX95 6

2 Исследование исходной электрической цепи 10

   2.1 Построение принципиальной электрической схемы 10

   2.2 Анализ переходных процессов всей схемы 11

   2.3 Вычисление частотных характеристик АЧХ и ФЧХ 13

3 Моделирование участка исходной цепи 14

   3.1 Расчет переходных характеристик при вариации параметров 14

   3.2 Расчет передаточных функций по постоянному току 19

   3.4 Статистический анализ участка схемы по методу Монте-Карло 22

   3.5 Расчет чувствительностей по постоянному току участка схемы 25

Заключение 28

Список литературы 29

 

 

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Программа Micro-Cap позволяет анализировать не только аналоговые и цифровые устройства, но также проводить смешанное моделирование аналого-цифровых электронных устройств.

Основные Возможности графического редактора схем:

-  построение принципиальных и функциональных электрических схем при помощи встроенного графического редактора с использованием библиотеки условных графических обозначений (УГО) электронных компонентов, а также создание собственных УГО с помощью встроенного редактора УГО Shape Editor;

- использование для повышения наглядности анимированных элементов (светодиоды, семисегментные индикаторы, измерители уровня, реле, переключатели и др.), которые изменяют свое состояние непосредственно в режиме анализа схемы в соответствии с поступающими на них управляющими сигналами или действиями пользователя;

- возможность поиска компонента на принципиальной схеме по заданному признаку, расстановка меток (флагов) на принципиальной схеме большого размера для быстрой навигации по схеме, масштабирование изображения принципиальной схемы на экране (увеличение, уменьшение) и многое другое.

Для моделирования транзистора  используется программа Model. Программа MODEL работает в интерактивном режиме и выполняет расчет и оптимизацию параметров математических моделей по их паспортным данным.

В данном курсовом проекте мы исследуем принципиальную электрическую цепь, рассмотрим ее основные характеристики, проведем различные виды анализов, заключительными из которых будут являться анализ по методу Монте-Карло, а также анализ чувствительности.

 

 

1 Расчет параметров математической модели транзистора BFX95 биполярного высокочастотного n-p-n.

Транзистор BFX95 является полным аналогом исходного  транзистора 2Т6551. Схему данного транзистора представим на рисунке 1.

Рисунок 1 –  Схема транзистора BFX95

 

   Основные характеристики данного транзистора представим в таблице 1.

 

       Таблица 1 – Характеристики транзистора BFX95

Смоделируем в программе модель данного транзистора. Полученные данные представим на рисунках 2,3,4,5.

 

Рисунок 2 – Напряжение на переходе база-эмиттер

 

 

Рисунок 2- Статический коэффициент передачи по току

 

Рисунок 3 – Барьерная емкость перехода коллектор-база

 

Рисунок 4 – Зависимость граничной частоты коэффициента передачи тока от тока коллектора

 

После введения основных характеристик  данного транзистора сохраняем  его следующим образом как  показано на рисунке 5.

Рисунок 5 – Сохранение транзистора  в формате mdl

 

 Далее добавляем полученный  транзистор в библиотеку компонентов,  как показано на рисунке 6.

Рисунок 6 – Добавление транзистора  в библиотеку

 

Представим смоделированный транзистор в окне MicroCAР на рисунке 7.

Рисунок 7 – Смоделированный транзистор BFX95 в окне MicroCAР

 

2 Исследование исходной электрической схемы в программе MICROCAP

2.1 Построение принципиальной электрической схемы

 

Построим исходную принципиальную схему в программе MicroCAР. В ней будем использовать смоделированный транзистор. Так же 2 вида диода, которые были представлены в исходной схеме, заменим зарубежными аналогами. Полученную схему представим на рисунке 8.

Рисунок 8 – Исследуемая принципиальная схема

 

2.2 Анализ переходных процессов всей схемы

 

Проведем анализ переходных процессов. В окне задания параметров расчета переходных процессов зададим параметры, указанные на рисунке 9.

 

Рисунок 9 – Параметры моделирования

 

Полученный график переходных процессов представим на рисунке 10.

 

Рисунок 10 - Переходные процессы всей схемы

 

Рисунок 11 – Переходной процесс  на входе

 

Из данной переходной характеристики можно сказать, что сигнал изменяется по синусоидальному закону как на входе, так и на выходе.

 

 

 

2.3 Вычисление частотных характеристик АЧХ И ФЧХ

 

         В данном пункте произведем анализ частотных характеристик всей схемы. Для этого в окне для дынных характеристик зададим параметры, соответствующие рисунку 12.

 

Рисунок 12 – Параметры моделирования для АЧХ и ФЧХ

 

       График частотных характеристик исследуемой схемы представим на рисунке 13.

 

Рисунок 13- График АЧХ и ФЧХ

 

 

      3 Моделирование участка исходной схемы

 

     Участок исследуемой схемы приведем на рисунке 14.

 

Рисунок 14 – Участок исследуемой принципиальной схемы

 

3.1 Расчет переходных характеристик для участка схемы при вариации параметров.

 

  Построим переходные характеристики для участка схемы, для этого            зададим параметры, как показано на рисунке 15.

 

Рисунок 15 – Задание параметров для переходных процессов

 

Переходные процессы изобразим на рисунке 16.

 

Рисунок 16 -  Переходные процессы участка схемы

 

              Для дальнейшего анализа переходных процессов произведем вариацию некоторых процессов, и сделаем выводы об их влиянии на данные характеристики.

        Произведем вариацию по емкости С1, задав шаги, как показано на рисунке 17.

 

Рисунок 17 – Окно вариации по шагам параметра С1

 

Рисунок 18 – Варьируемые переходные процессы по емкости С1

 

Данный параметр слабо влияет на выходной сигнал, что можно наблюдать из графика, изображенном на рисунке 18.

Далее проверим как влияет резистор на переходные характеристики. Для примера возьмем R1.

         Шаги данной вариации представим на рисунке 18.

 

Рисунок 18 – Варьирование R1

 

Результат данной вариации приведем на рисунке 19.

 

Рисунок 19 – Результат варьирования резистора R11

 

Из рисунка 19 можно сделать вывод, что происходит значительное влияние параметра R1 на выходные сигнала, что выражается в увеличении амплитуды.

          Далее проверим, как влияет резистор R6 на переходные характеристики. Шаги данной вариации представим на рисунке 20.

 

Рисунок 20 – Варьирование R6

 

Рисунок 21 – Результат варьирования резистора R6

 

         Далее проверим как влияет резистор R5 на переходные характеристики. Шаги данной вариации представим на рисунке 22.

Рисунок 22 – Варьирование R5

 

Рисунок 23 – Результат варьирования резистора R5

 

  Сделаем вывод о том, что изменение значений параметров в той или иной степени приводит к изменению выходного сигнала, изменяя его по амплитуде.

 

4.3 Расчет передаточных функций по постоянному току

Рисунок 24- Схема расчета по постоянному  току

Проведем расчет характеристик смоделированного биполярного высокочастотного n-p-n транзистора BFX95, по оси ординат будем откладывать ток коллектора Iс, а по оси абсцисс попеременной напряжения смещения базы-эммитера Vbe как показано на рисунке 25.

При анализе  усилительных схем на транзисторах широко используются статические характеристики: Статическими характеристиками транзисторов называют графики, выражающие функциональную связь между постоянными токами и напряжениями на электродах транзистора.