Компьютерное моделирование электрических цепей

Компьютеры могут быть мощным инструментом при правильном использовании, особенно в области науки и техники. Существует программное обеспечение для моделирования электрических цепей с помощью компьютера, и эти программы могут быть очень полезны, помогая разработчикам схем проверять идеи перед построением реальных цепей, что позволяет сэкономить много времени и денег.

Эти же программы могут быть фантастическими помощниками для начинающих студентов-электронщиков, позволяя быстро и легко исследовать идеи без необходимости сборки реальных схем. Конечно, ничто не заменит фактическое построение и тестирование реальных схем, но компьютерное моделирование определенно помогает в процессе обучения, позволяя студентам экспериментировать с изменениями и наблюдать их влияние на схемы.

На протяжении всей книги я буду часто использовать компьютерные распечатки схем моделирования, чтобы проиллюстрировать важные концепции. Наблюдая за результатами компьютерного моделирования, учащийся может интуитивно понять поведение схемы без запугивания абстрактного математического анализа.

Моделирование схем с помощью SPICE

Чтобы смоделировать схемы на компьютере, я использую специальную программу под названием SPICE, которая работает, описывая схему для компьютера с помощью листинга текста. По сути, этот список является своего рода компьютерной программой и должен соответствовать синтаксическим правилам языка SPICE.

Затем компьютер используется для обработки или «запуска» программы SPICE, которая интерпретирует текстовый листинг, описывающий схему, и выводит результаты его подробного математического анализа, также в текстовой форме. Многие детали использования SPICE описаны в томе 5 («Справочная информация») этой серии книг для тех, кому нужна дополнительная информация. Здесь я просто представлю основные концепции, а затем применим SPICE для анализа этих простых схем, о которых мы читали.

Во-первых, нам нужно установить SPICE на нашем компьютере. Как бесплатная программа, она обычно доступна для загрузки в Интернете в форматах, подходящих для многих различных операционных систем. В этой книге я использую одну из более ранних версий SPICE:версию 2G6 из-за простоты использования.

Далее нам понадобится схема, которую SPICE проанализирует. Давайте попробуем одну из схем, показанных ранее в этой главе. Вот его схематическая диаграмма:

Эта простая схема состоит из батареи и резистора, соединенных напрямую вместе. Мы знаем напряжение батареи (10 В) и сопротивление резистора (5 Ом), но ничего больше о схеме. Если мы опишем эту схему в SPICE, она сможет сказать нам (по крайней мере), какой ток у нас есть в цепи, используя закон Ома (I =E / R).

SPICE - это текстовая программа

SPICE не может напрямую понимать схематическую диаграмму или любую другую форму графического описания. SPICE - это текстовая компьютерная программа, которая требует, чтобы схема была описана с точки зрения ее составляющих компонентов и точек подключения. Каждая уникальная точка подключения в цепи описывается для SPICE номером «узла». Точки, которые являются электрически общими друг для друга в моделируемой цепи, обозначаются как таковые с одинаковым номером.

Возможно, будет полезно думать об этих числах как о номерах «проводов», а не о номерах «узлов», следуя определению, данному в предыдущем разделе. Вот как компьютер узнает, что к чему подключено:через общие номера проводов или узлов. В нашей примерной схеме у нас есть только два «узла»:верхний провод и нижний провод. SPICE требует, чтобы где-то в цепи был узел 0, поэтому мы обозначим наши провода 0 и 1:

На приведенной выше иллюстрации я показал несколько меток «1» и «0» вокруг каждого соответствующего провода, чтобы подчеркнуть концепцию общих точек, имеющих общие номера узлов, но все же это графическое изображение, а не текстовое описание. Перед тем, как продолжить анализ, SPICE необходимо указать значения компонентов и номера узлов в текстовой форме.

Использование текстового редактора для создания файлов SPICE <

Для создания текстового файла на компьютере используется программа под названием текстовый редактор . . Подобно текстовому процессору, текстовый редактор позволяет вам набирать текст и записывать то, что вы набрали, в виде файла, хранящегося на жестком диске компьютера. В текстовых редакторах отсутствует возможность форматирования текстовых процессоров (без курсива , полужирный , или подчеркнутые символы), и это хорошо, поскольку такие программы, как SPICE, не знают, что делать с этой дополнительной информацией. Если мы хотим создать текстовый файл, в котором абсолютно ничего не записано, кроме символов клавиатуры, которые мы выбираем, текстовый редактор - это инструмент, который следует использовать.

При использовании операционной системы Microsoft, такой как DOS или Windows, с системой легко доступны несколько текстовых редакторов. В DOS есть старый Edit программа редактирования текста, которую можно вызвать, введя edit в командной строке. В Windows (3.x / 95/98 / NT / Me / 2k / XP) Блокнот текстовый редактор - ваш стандартный выбор.

Доступно множество других программ для редактирования текста, а некоторые даже бесплатны. Я использую бесплатный текстовый редактор под названием Vim , и запускать его в операционных системах Windows 95 и Linux. Неважно, какой редактор вы используете, поэтому не беспокойтесь, если скриншоты в этом разделе не будут похожи на ваши; здесь важная информация: то, что вы набираете а не какой редактор вы случайно используете.

Чтобы описать эту простую двухкомпонентную схему для SPICE, я начну с вызова моей программы текстового редактора и ввода строки «заголовок» для схемы:

Мы можем описать батарею для компьютера, введя строку текста, начинающуюся с буквы «v» (для «Источник напряжения»), указав, к какому проводу подключается каждая клемма батареи (номера узлов), и напряжение батареи. , вот так:

Эта строка текста сообщает SPICE, что у нас есть источник напряжения, подключенный между узлами 1 и 0, постоянный ток (DC), 10 вольт. Это все, что нужно знать компьютеру о батарее. Теперь обратимся к резистору:SPICE требует, чтобы резисторы описывались буквой «r», номерами двух узлов (точек соединения) и сопротивлением в омах. Поскольку это компьютерное моделирование, указывать номинальную мощность резистора не нужно. В «виртуальных» компонентах есть одна хорошая черта:им не могут повредить чрезмерное напряжение или ток!

Теперь SPICE будет знать, что между узлами 1 и 0 подключен резистор со значением 5 Ом. Эта очень короткая строка текста сообщает компьютеру, что у нас есть резистор («r»), подключенный между теми же двумя узлами, что и батарея (1 и 0), со значением сопротивления 5 Ом.

Если мы добавим в эту коллекцию команд SPICE оператор .end, чтобы указать конец описания схемы, у нас будет вся необходимая SPICE информация, собранная в одном файле и готовая к обработке. Это описание схемы, состоящее из строк текста в компьютерном файле, технически известно как список соединений . , или колода :

Перемещение файлов текстового редактора в SPICE

После того, как мы закончили вводить все необходимые команды SPICE, нам нужно «сохранить» их в файл на жестком диске компьютера, чтобы SPICE мог ссылаться на него при вызове. Поскольку это мой первый список соединений SPICE, я сохраню его под именем «circuit1.cir» (фактическое имя произвольно).

Вы можете назвать свой первый список соединений SPICE чем-нибудь совершенно другим, при условии, что вы не нарушаете никаких правил именования файлов для своей операционной системы, например, используя не более 8 + 3 символов (восемь символов в имени и три символа в расширении:12345678.123) в DOS.

Чтобы вызвать SPICE (указать ему обработать содержимое файла списка цепей circuit1.cir), мы должны выйти из текстового редактора и получить доступ к командной строке («приглашение DOS» для пользователей Microsoft), где мы можем ввести текстовые команды для операционная система компьютера, которой следует подчиняться.

Этот «примитивный» способ запуска программы может показаться архаичным пользователям компьютеров, привыкшим к графической среде «укажи и щелкни», но это очень мощный и гибкий способ решения задач.

Помните, что то, что вы делаете здесь с помощью SPICE, представляет собой простую форму компьютерного программирования, и чем удобнее вы будете давать компьютеру команды в текстовой форме, которым нужно следовать - в отличие от простого щелчка мышью по изображениям значков - тем больше мастерство, которое вы будете иметь над своим компьютером.

В командной строке введите эту команду, а затем нажмите клавишу [Enter] (в этом примере используется имя файла circuit1.cir; если вы выбрали другое имя файла для файла списка соединений, замените его):

 специя  

 Вот как это выглядит на моем компьютере (работающем под управлением операционной системы Linux) непосредственно перед нажатием клавиши [Enter]:
 

 
 

  
 

 
 

 Как только вы нажмете клавишу [Enter] для выполнения этой команды, текст из вывода SPICE должен прокрутиться на экране компьютера. Вот снимок экрана, показывающий, что SPICE выводит на моем компьютере (я увеличил окно «терминала», чтобы показать вам полный текст. В терминале обычного размера текст легко превышает длину одной страницы):
 

 
 

  
 

 
 

 SPICE начинается с повторения списка соединений, завершенного строкой заголовка и оператором .end. Примерно в середине моделирования он отображает напряжение на всех узлах относительно узла 0. В этом примере у нас есть только один узел, кроме узла 0, поэтому он отображает напряжение там:10,0000 вольт. 
 

 Затем он отображает ток через каждый источник напряжения. Поскольку у нас есть только один источник напряжения во всей цепи, он отображает только ток через него. В этом случае ток источника составляет 2 ампера. Из-за причуды в способе, которым SPICE анализирует ток, значение 2 ампера выводится как отрицательное (-) 2 ампера. 
 

 Последняя строка текста в отчете об анализе компьютера - это «общая рассеиваемая мощность», которая в данном случае выражается как «2,00E + 01» ватт:2,00 x 101, или 20 ватт. SPICE выводит большинство цифр в научном представлении, а не в обычном (с фиксированной точкой). 
 

 Хотя сначала это может показаться более запутанным, на самом деле это менее запутанно, когда задействованы очень большие или очень маленькие числа. Подробности научной записи будут рассмотрены в следующей главе этой книги. 
 

 Одним из преимуществ использования «примитивной» текстовой программы, такой как SPICE, является то, что обрабатываемые текстовые файлы чрезвычайно малы по сравнению с другими форматами файлов, особенно с графическими форматами, используемыми в другом программном обеспечении для моделирования схем. 
 

 Кроме того, тот факт, что вывод SPICE представляет собой простой текст, означает, что вы можете направить вывод SPICE в другой текстовый файл, где он может быть подвергнут дальнейшим манипуляциям. Для этого мы повторно отправляем команду операционной системе компьютера на вызов SPICE, на этот раз перенаправляя вывод в файл, который я назову «output.txt»:
 

 
 

  
 

 
 

 На этот раз SPICE будет работать «тихо», без вывода потока текста на экран компьютера, как раньше. Будет создан новый файл output1.txt, который вы можете открыть и изменить с помощью текстового редактора или текстового редактора. Для этой иллюстрации я воспользуюсь тем же текстовым редактором ( Vim  ), чтобы открыть этот файл:
 

 
 

  
 

 
 

 Теперь я могу свободно редактировать этот файл, удаляя любой посторонний текст (например, «баннеры» с указанием даты и времени), оставляя только тот текст, который я считаю подходящим для анализа моей схемы:
 

 
 

  
 

 
 

 После соответствующего редактирования и повторного сохранения под тем же именем файла (output.txt в этом примере) текст может быть вставлен в любой вид документа, при этом «простой текст» является универсальным форматом файла почти для всех компьютерных систем. Я даже могу включить его прямо в текст этой книги, а не в виде графического изображения «снимок экрана», например:
 
 моя первая схема v 1 0 постоянного тока 10 г 1 0 5 .конец напряжение узла (1) 10,0000 токи источника напряжения имя текущее v -2.000E + 00 общая рассеиваемая мощность 2,00E + 01 Вт 
 

 Кстати, это предпочтительный формат для вывода текста из моделирования SPICE в этой серии книг:в виде реального текста, а не в виде графических снимков экрана. 
 
 Изменение значений в SPICE 
 

 Чтобы изменить значение компонента в моделировании, нам нужно открыть файл списка соединений (circuit1.cir) и внести необходимые изменения в текстовое описание схемы, затем сохранить эти изменения в том же имени файла и повторно вызвать SPICE в командная строка. 
 

 Этот процесс редактирования и обработки текстового файла знаком каждому программисту. Одна из причин, по которой мне нравится преподавать SPICE, заключается в том, что он подготавливает ученика к тому, чтобы думать и работать как компьютерный программист, и это хорошо, потому что компьютерное программирование - важная область передовой работы в области электроники. 
 

 Ранее мы исследовали последствия изменения одной из трех переменных в электрической цепи (напряжения, тока или сопротивления), используя закон Ома для математического предсказания того, что произойдет. А теперь давайте попробуем сделать то же самое с помощью SPICE, чтобы провести вычисления за нас. 
 

 Если бы мы утроили напряжение в нашей последней примерной схеме с 10 до 30 вольт и сохранили сопротивление цепи неизменным, мы бы ожидали, что ток также утроится. Давайте попробуем это, изменив имя нашего файла списка соединений, чтобы не перезаписывать первый файл. 
 

 Таким образом у нас будет  оба  версии схемотехнического моделирования хранятся на жестком диске нашего компьютера для использования в будущем. Следующий текстовый листинг представляет собой результат работы SPICE для этого измененного списка соединений, отформатированный как простой текст, а не как графическое изображение экрана моего компьютера:
 
 второй пример схемы в 1 0 постоянного тока 30 г 1 0 5 .конец напряжение узла (1) 30,0000 токи источника напряжения имя текущее v -6.000E + 00 общая рассеиваемая мощность 1.80E + 02 Вт 
 

 Как мы и ожидали, ток утроился с увеличением напряжения. Раньше ток составлял 2 ампера, но теперь он увеличился до 6 ампер (-6,000 x 100). Также обратите внимание на то, как увеличилась общая рассеиваемая мощность в цепи. Раньше было 20 Вт, а сейчас 180 Вт (1,8 x 102). 
 

 Если вспомнить, что мощность связана с квадратом напряжения (закон Джоуля:P =E2 / R), это имеет смысл. Если мы утроим напряжение в цепи, мощность должна увеличиться в девять раз (32 =9). Девять умноженное на 20 действительно равно 180, поэтому выходные данные SPICE действительно коррелируют с тем, что мы знаем о мощности в электрических цепях. 
 
 Создание комментариев в SPICE 
 

 Если мы хотим увидеть, как эта простая схема будет реагировать на широкий диапазон напряжений батареи, мы можем вызвать некоторые из более продвинутых опций в SPICE. Здесь я воспользуюсь опцией анализа «.dc», чтобы изменять напряжение батареи от 0 до 100 вольт с шагом 5 вольт, распечатывая напряжение и ток цепи на каждом этапе. 
 

 Строки в списке соединений SPICE, начинающиеся со звездочки («*»), являются  комментариями . . То есть они не приказывают компьютеру делать что-либо, связанное с анализом цепей, а просто служат заметками для любого человека, читающего текст списка соединений. 
 
 третий пример схемы v 1 0 г 1 0 5 * оператор ".dc" предписывает программе Spice убрать подачу "v" * напряжение от 0 до 100 вольт с шагом 5 вольт. .dc v 0100 5 .print dc v (1) i (v) .конец 
 
 
 
 Команды печати и печати 
 

 Команда .print в этом списке соединений SPICE инструктирует SPICE печатать столбцы чисел, соответствующие каждому этапу анализа:
 
 v i (v) 0.000E + 00 0.000E + 00 5.000E + 00 -1.000E + 00 1.000E + 01 -2.000E + 00 1.500E + 01 -3.000E + 00 2.000E + 01 -4.000E + 00 2.500E + 01 -5.000E + 00 3.000E + 01 -6.000E + 00 3.500E + 01 -7.000E + 00 4.000E + 01 -8.000E + 00 4.500E + 01 -9.000E + 00 5.000E + 01 -1.000E + 01 5.500E + 01 -1.100E + 01 6.000E + 01 -1.200E + 01 6.500E + 01 -1.300E + 01 7.000E + 01 -1.400E + 01 7.500E + 01 -1.500E + 01 8.000E + 01 -1.600E + 01 8.500E + 01 -1.700E + 01 9.000E + 01 -1.800E + 01 9.500E + 01 -1.900E + 01 1.000E + 02 -2.000E + 01 
 

 
 

 Если я повторно отредактирую файл списка соединений, заменив команду .print на команду .plot, SPICE выведет грубый график, состоящий из текстовых символов:
 
 Легенда:+ =v # ветка -------------------------------------------------- ---------------------- развертка v # branch-2.00e + 01 -1.00e + 01 0.00e + 00 --------------------- | ------------------------ | --- --------------------- | 0.000e + 00 0.000e + 00. . + 5.000e + 00 -1.000e + 00. . +. 1.000e + 01 -2.000e + 00. . +. 1.500e + 01-3.000e + 00. . +. 2.000e + 01 -4.000e + 00. . +. 2.500e + 01-5.000e + 00. . +. 3.000e + 01-6.000e + 00. . +. 3.500e + 01-7.000e + 00. . +. 4.000e + 01-8.000e + 00. . +. 4.500e + 01 -9.000e + 00. . +. 5.000e + 01 -1.000e + 01. +. 5.500e + 01 -1.100e + 01. +. . 6.000e + 01 -1.200e + 01. +. . 6.500e + 01 -1.300e + 01. +. . 7.000e + 01 -1.400e + 01. +. . 7.500e + 01 -1.500e + 01. +. . 8.000e + 01 -1.600e + 01. +. . 8.500e + 01 -1.700e + 01. +. . 9.000e + 01 -1.800e + 01. +. . 9.500e + 01 -1.900e + 01. +. . 1.000e + 02 -2.000e + 01 +. . --------------------- | ------------------------ | --- --------------------- | развертка v # branch-2.00e + 01 -1.00e + 01 0.00e + 00 
 

 
 

 В обоих выходных форматах левый столбец чисел представляет напряжение батареи в каждом интервале, поскольку оно увеличивается от 0 до 100 вольт, по 5 вольт за раз. Цифры в правом столбце указывают ток цепи для каждого из этих напряжений. Посмотрите внимательно на эти числа, и вы увидите пропорциональное соотношение между каждой парой:
 

 Закон Ома (I =E / R) верен в каждом случае, каждое значение тока составляет 1/5 соответствующего значения напряжения, потому что сопротивление цепи составляет ровно 5 Ом. Опять же, отрицательные числа для тока в этом анализе SPICE - это скорее причуда, чем что-либо еще. Просто обратите внимание на абсолютное значение каждого числа, если не указано иное. 
 
 Компьютерные программы для интерпретации и преобразования данных SPICE 
 

 Существуют даже некоторые компьютерные программы, способные интерпретировать и преобразовывать неграфические данные, выводимые SPICE, в графический график. Одна из этих программ называется  Мускатный орех . , и его результат выглядит примерно так:
 

 
 

  
 

 
 

 Обратите внимание, как Nutmeg отображает напряжение резистора v (1) (напряжение между узлом 1 и подразумеваемой опорной точкой узла 0) как линию с положительным наклоном (от нижнего левого угла к верхнему правому). Станете ли вы когда-нибудь опытным в использовании SPICE, не имеет отношения к его применению в этой книге. 
 

 Важно только то, что вы поймете, что означают числа в отчете, созданном SPICE. В следующих примерах я сделаю все возможное, чтобы аннотировать численные результаты SPICE, чтобы устранить любую путаницу и раскрыть всю мощь этого удивительного инструмента, который поможет вам понять поведение электрических цепей. 
 

 
 

  СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ: 
 
 
 Базовый лист электроэнергии 
 
 Базовый рабочий лист постоянного тока 
 
 Рабочий лист базового сетевого анализа 
 
 Базовый рабочий лист AC 
 
 Базовая таблица полупроводников 
 
 Базовый рабочий лист аналоговой схемы 
 
 Базовый рабочий лист цифровых схем 
 
 

            


            

               Полярность падений напряжения        
                Важность электробезопасности