OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

Одна из сильных сторон PSpice заключается в способности анализировать системы с нелинейными характеристиками, например, исследовать усилитель мощности при подаче на его вход сигнала с высокой амплитудой. При этом усилитель начинает работать на нелинейной части характеристики, что приводит к искажениям в выходном напряжении. В этой главе мы выясним, насколько велики искажения, проанализировав гармонический состав выходного напряжения усилителя.

Основная и вторая гармоники

Начнем с простой схемы, позволяющей рассмотреть основные концепции, которые мы используем в дальнейшем для более сложных схем. На рис. 7.1 показано входное напряжение V_BX.p=1 В, это синусоидальная волна с частотой f=1 кГц и максимальным значением 1 В (действующим значением V_вх=√2). Чтобы обеспечить выходное напряжение, которое является нелинейной функцией входного, в качестве усилителя используется источник напряжения Е, управляемый напряжением (ИНУН). В этом примере зависимость выходного напряжения от входного отображается функцией

f(x) = 1 + х + х².

Рис. 7.1. Схема с нелинейной связью входного и выходного напряжений

Эта функциональная связь отображается в команде Е c помощью полиномиальных коэффициентов. Общий вид полинома:

f(х) = k₀ + k₁х + k₂х².

Чтобы перейти к зависимости нашего примера, используем три последних числа команды ввода Е. Мы хотим провести гармонический анализ, чтобы увидеть, какие из гармоник присутствуют в выходном напряжении, но сначала попробуем определить, чего же мы должны ожидать.

Прежде чем перейти к разложению временных зависимостей в ряд Фурье, необходимо выполнить анализ для переходных процессов (программу transient analysis в PSpice). 

Поэтому необходимо использовать обе команды .TRAN и .FOUR. Обычно выполняется анализ переходных процессов для полного периода основной частоты. В этом примере f=1 кГц; следовательно, Т=1/f=1 мс. Гармонический анализ отражает частотные компоненты вплоть до девятой гармоники. Для большинства целей этого должно быть более чем достаточно. Если показывать более высокие гармоники, они не будут иметь большого значения из-за накопления ошибки округления в результатах.

Чтобы дать более подробное описание входного напряжения V_BX, используем форму sin для описания источника. Параметры sin(а, b, с,…) означают: а — постоянная составляющая, b — максимальное значение, с — частота, d — задержка, е — коэффициент затухания и f — фаза.

При включении во входной файл команды .FOUR производится гармонический анализ, дающий разложение в ряд Фурье для результатов анализа переходного процесса. Параметры для этой команды включают частоту основной гармоники и переменные, для которых будет получено разложение. В этом примере такими переменными будут периодические функции входного V(1) и выходного V(2) напряжений. Входной файл:

Fourier Analysis; Decomposition of Polynomial

Vin 1 0 sin(0 1 1000); аргументы для смещения, максимума и частоты

Rin 1 0 1MEG

Е 2 0 poly(1) 1,0 1 1 1; последние 3 значения для k0, k1, k2

Rout 2 0 1MEG

.TRAN 1us 1ms

.FOUR 1000 V(1) V(2)

.PROBE

.END

Проведите анализ, затем получите графики V(1) и (V)2. Убедитесь, что V(1) — точная копия входного напряжения V_ВХ. Выходное напряжение должно показать компоненту постоянного тока и сложную волну с максимумом в 3 В. Из теоретического изучения рядов Фурье можно заключить, что этот график напоминает периодическую волну, состоящую из основной и второй гармоник. Целесообразно распечатать копию этого графика для будущего изучения. На рис. 7.2 показаны эти графики.

Рис. 7.2. Графики напряжений v₁ и v₂ для схемы на рис. 7.1

Рассмотрим также выходной файл для этой схемы (рис. 7.3), на котором показаны следующие значения для напряжений узлов: V(1)=0 В и V(2)=1 В. Это означает, что хотя входной сигнал не имеет смещения, выходное напряжение имеет смещение V(2)=1 В. 

На рис. 7.3 в таблице компонентов ряда Фурье для V(1) не все компоненты имеют реальные значения. Так, значение постоянной составляющей теоретически должно быть равно нулю, но анализ дает очень малое значение 3.5Е-10, не равное в точности нулю из-за накопления ошибки округления.

Fourier Analysis; Decomposition of Polynomial

Vin 1 0 sin(0 1 1000); arguments are offset, peak, and frequency

Rin 1 0 1MEG

E 2 0 poly(1) 1,0 1 1 1; last 3 1s are for k0, k1, k2

Rout 2 0 1MEG

.TRAN 1us 1ms

.FOUR 1000 V(1) V(2)

.PROBE

.END

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE