З цього номера журналу ми відкриваємо цикл статей під назвою "Комп'ютер
в домашній радіолабораторії ". Адресований він усім нашим читачам
– Власникам домашніх комп'ютерів, а також керівникам радіогуртку, мають можливість проводити свої заняття в шкільному комп'ютерному класі.

У попередній публікації за допомогою графічного редактора системи моделювання Micro-Cap ми намалювали схему найпростішого автогенератора на біполярному транзисторі і промоделювали його роботу. Сьогодні продовжимо знайомство з можливостями моделювання і розглянемо кілька варіантів автогенераторів.

    А ЩО БУДЕ, ЯКЩО: ..

А що буде, якщо до виходу автогенератора підключити навантаження? Способів її підключення декілька. Застосуємо один з них. Не найкращий, але найбільш наочний: приєднаємо навантаження через розділовий конденсатор С4 малої місткості (рис. 9). Так роблять, коли хочуть найбільш простим способом відокремити частотозадаючого ланцюга автогенератора від нестабільної навантаження і тим самим підвищити стабільність частоти.

А тепер виконаємо моделювання (Analysis – Transient Analysis), задавши побудова графіків напружень у двох найбільш цікавих для нас точках: на правому по схемі виведення котушки L1 і на навантажувальному резистори R4. Перша точка на схемі позначена міткою "I", а друга – "out". У вікні завдання на моделювання (рис.10) доведеться заповнити два рядки таблиці. Як ви, напевно, вже здогадалися, саме їх число і визначає кількість споруджуваних при моделюванні графіків. Ось призначення стовпців цієї таблиці:

Р – номер графіка. Задавши в обох рядках одну і ту ж цифру, наприклад 1, отримаємо накладення двох графіків на одному полі, а вказавши дві різні цифри, – два роздільних графіка.

Х Expression – фізичний параметр, значення якого на графіку відкладають по осі X. У нашому випадку це – час, що позначається буквою Т.

Y Expression – фізичний параметр, значення якого на графіку відкладають по осі Y. Ми хочемо побудувати залежність напруги в точці з міткою "out". Так і напишемо: v (out).

Х Range – інтервал значень по осі X. Напишемо auto: програма встановить його автоматично.

Y Range – інтервал значень по осі Y. Теж напишемо auto.

Fmt – формат запису чисел при побудові таблиць. У всіх наших прикладах він буде саме таким: п'ять знаків до десяткового дробу і три – після, включаючи одиницю виміру.

Зліва від таблиці є ряд кнопок. Маніпулюючи ними, встановлюють лінійний або логарифмічний масштаб графіків, змінюють їх кольору і записують результати моделювання на диск. Число рядків в таблиці може бути різним. Додавати і видаляти їх можна кнопками Add і Delete, розташованими у верхній частині вікна. Трохи нижче цих кнопок вводять ще декілька параметрів:

Time Range – часовий інтервал. Вказавши тут 2u (2 мкс), ми поставимо інтервал часу моделювання від 0 до 2 мкс.

Maximum Time Step – крок моделювання. Від нього залежить "плавність" графіка. За замовчуванням тут встановлюється нуль. Це означає, що графік складається з 50 точок. Встановимо це значення рівним 0.1n (0,1 нс). При цьому графік буде складатися з 2000 точок.

Number of Points – число точок, для якої ведеться таблиці результатів на диск.

Temperature – значення температури в градусах Цельсія.

Встановивши, крім цього, галочку навпроти Auto Scale Range (автоматичне визначення масштабів) і задавши режими моделювання (Run Options = Normal і State Variables = Zero), ми, натиснувши на кнопку Run, побачимо результати нашої роботи. Вони на рис.11. Моделювання показало нам: якщо форму напруги на виводі котушки L1 ще можна назвати синусоїдальної, хоча і сильно обмеженою зверху, то на нагрузочном резистори вона на синус вже зовсім не схожа. З цього зробимо висновок: розв'язка автогенератора від навантаження через конденсатор невеликої ємності збільшує спотворення форми вихідного сигналу.

Як же зробити автогенератор, що виробляє напругу правильної синусоїдальної форми? Існують кілька рішень, але майже всі вони пов'язані з ускладненням пристрою. Найпростіший варіант – замінити біполярний транзистор польовим, встановивши відповідний режим по постійному струму (рис. 12). Номінали всіх компонентів наведені на схемі. Польовий транзистор – MPF102. Форма сигналу в точці "out" нового варіанту автогенератора – практично неспотворена синусоїда – показана на рис. 13.

Можна помітити, що при заміні біполярного транзистора на полі-вої частота автогенератора збільшилася. Це відбулося через зменшення ємності, що вноситься транзистором в коливальний контур.

    І В ЖАР І В ХОЛОД

Тепер, коли ми переконалися у високій якості вихідного сигналу автогенератора, займемося дослідженням стабільності його частоти. Як ви, напевно, знаєте, одна з основних причин відходу частоти – зміна характеристик електронних компонентів при зміні температури. Найбільш важлива температурна стабільність частотозадающих елементів контуру. У нашому випадку це конденсатори С1, С2 і котушка L1, а також міжелектродні ємності польового транзистора J1. Залежність ємності конденсатора від температури характеризує температурний коефіцієнт ємності (ТКЕ). При моделюванні в системі Micro-Cap ТКЕ можна врахувати. Клацнемо по зображенню конденсатора С1 і замість постійної ємності 100р напишемо в графі Value відкрився віконця вираз: 100р * (1-0.02 * (ТЕМР-27)). Це означає, що при температурі +27 ° С ємність конденсатора дорівнює 100р, і при нагріванні на один градус вона зменшується на два відсотки. Тепер С1 буде вести себе зразково, як реальний конденсатор К10-17 з ТКЕ, що визначається групою М1500. Ту ж саму операцію проведемо з конденсатором С2. А ось залежність індуктивності котушки L1 від температури визначимо наступним чином: 10u * (1 +0.01 * (ТЕМР-27)).

Тут потрібно зробити пояснення. Температурний коефіцієнт індуктивності (ТКИ) майже завжди буде позитивним. Це результат того, що при нагріванні матеріал, з якого виконаний каркас котушки, розширюється і значення індуктивності збільшується. Вибране нами значення ТКИ в один відсоток на градус – досить велике. У реальних котушок, застосовуваних у стабільних автогенераторах і виконаних, наприклад, за технологією осадження міді на радіочастотну кераміку, він у сотні разів менше.

Те ж саме можна сказати і про конденсаторах. Зазвичай в таких випадках застосовують конденсатори з ТКЕ групи М47 або М75. Іноді конденсатори різних номіналів з різним температурним коефіцієнтом з'єднують паралельно або послідовно, прагнучи отримати одночасно необхідну ємність і ТКЕ. І майже завжди для стабільної роботи автогенератора необхідний негативний ТКЕ. Саме протилежність знаків температурних коефіцієнтів ємності й індуктивності дозволяє компенсувати зміна індуктивності за рахунок зміни ємності. Високі значення ТКЕ і ТКИ обрані тут виключно з метою отримання більшої наочності результатів, однак і така ситуація цілком може зустрітися на практиці.

Тепер приступимо до моделювання. Зазначимо нове значення температури +40 ° С і проведемо моделювання. Порівняємо період отриманої синусоїди з періодом, виміряним під час моделювання при +27 ° С. У результаті побачимо, що при нагріванні частота автогенератора "попливла".

    НЕ ТІЛЬКИ Осцилограф

А як наочно побачити, куди і наскільки "тікає" частота нашого автогенератора при нагріванні або охолодженні? Для цього є дуже хороший спосіб: порівняти спектри сигналів при різних температурах. Згадайте про такому приладі, як аналізатор спектру. На його екрані відображається спектр досліджуваного сигналу. У випадку, якщо сигнал синусоїдальний, ми побачимо позначку на одній частоті, якщо ж у сигналі присутні гармоніки цієї частоти, позначки з'являться і на частотах гармонік.

Колись ми користувалися системою моделювання Micro-Cap як осцилографом, спостерігаючи на екрані комп'ютера графіки залежності напруги від часу в тій чи іншій точці схеми. На Насправді по осях Х і Y можна відкладати і інші фізичні параметри. Якщо по осі Х відкласти частоту (f), а по Y – амплітуду гармонік напруги в точці з міткою "out" (цей запис буде виглядати так: harm (v (out))), то в наших руках опиниться відмінний аналізатор спектру.

Є, правда, одна тонкість, про яку не можна забувати. Мова йде про те, що нам потрібен спектр вихідного сигналу автогенератора в усталеному режимі. У нас же протягом кількох мікросекунд після подачі напруги живлення відбувається процес наростання амплітуди сигналу та зміни його частоти. Тому програмі необхідно вказати, що при побудові спектру ці кілька мікросекунд не слід брати до уваги. Якщо бути зовсім точним, то для того щоб отримати спектр періодичного сигналу, потрібно обробляти часовий інтервал, в точності кратний періоду повторення цього сигналу. У нас такої можливості немає, оскільки в наших дослідах частота "плаває". Що ж, зробимо по-іншому: виберемо відрізок часу, на якому укладаються відразу кілька сотень періодів. Тоді точність графіка, що характеризує спектр сигналу, виявиться цілком прийнятною.

Отже, приступимо до складання завдання на моделювання (рис. 14). Побудуємо два графіки. На верхньому будемо спостерігати вихідний сигнал, а на нижньому – його спектр. Інтервал часу аналізу, як ми вже домовилися, задамо великий – 20 мкс. А ось значень температури вкажемо відразу два: 54 ° С – верхнє значення і 27 ° С – нижнє, а оскільки при введенні потрібно ще і крок зміни температури, зробимо його рівним теж 27 ° С. У результаті отримаємо пару накладених один на одного графіків при двох температурах: 54 ° С і 27 ° С.

Залишилося поставити проміжок часу, протягом якого будемо будувати спектр сигналу. Робиться це так. Пройдемо по шляху Transient – DSP Parameters. Відкриється вікно DSP Control Parameters (Рис. 15). У ньому зазначимо час, з якого починається (Lower Time Limit) і яким закінчується (Upper Time Limit) побудова спектру, а також число відліків (Number of Points), що характеризує точність перетворення.

А тепер сміливо можна натискати на кнопку Run і запускати процес моделювання. Те, що повинно вийти, зображено на рис. 16. Щоправда, ми трохи розтягли масштаб нижнього графіка. Ви теж зможете зробити це, скориставшись кнопкою і виділивши ту частину графіка, яку потрібно розтягнути на всі його полі. Ще ми поставили стрілки-покажчики, над якими завдано два числа: координати точок на графіку. Встановлюються ці стрілки за допомогою кнопки .

Тепер можна точно сказати, що при зміні температури від 27 ° С до 54 ° С частота автогенератора змінилася з 7,158 до 9,053 МГц.

Ось і все на сьогодні. На наступному занятті ми перетворимо наш комп'ютер з системою моделювання Micro-Cap до вимірювача амплітудно частотних характеристик і будемо проектувати фільтр для приймача прямого перетворення, а заодно вивчати основні прийоми моделювання частотних характеристик електронних пристроїв.

(Далі буде)

І. Григор 'єв, м. Коломна Московської обл.
Журнал "Радіо", номер 5, 1999р.<

Ключові теги: Виміри