5.2. Линейное и логарифмическое распределение контрольных точек

5.2. Линейное и логарифмическое распределение контрольных точек

В этом и следующем разделах мы будем исследовать влияние сопротивления R на частотную характеристику RC-фильтра нижних частот. Вам потребуется провести моделирование схемы сначала при значении сопротивления R=80 Ом, а затем при R=1000 Ом и графически представить полученные результаты в программе PROBE. При этом выяснится, что бывает рациональное и нерациональное распределение рассчитываемых контрольных (опорных) точек.

Для решения поставленной задачи выполните следующие следующие шаги.

Шаг 18 Откройте схему последовательного включения резистора и емкости RC_AC.sch (если она еще не открыта), измените значение сопротивления резистора на R=80 Ом и сохраните схему в папке Projects под именем RC_80.sch.

Шаг 19 Проведите предварительную установку для проведения анализа AC Sweep в частотном диапазоне от 10 Гц до 999 кГц для 10000 точек (см. рис. 5.2).

Шаг 20 Запустите процесс моделирования, а затем создайте в PROBE диаграмму частотной характеристики напряжения конденсатора V(C1:2) с линейным масштабированием координатной оси Y и логарифмическим масштабированием координатной оси X (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Частотная характеристика RC-фильтра нижних частот с конденсатором емкостью С=2 мкФ и резистором сопротивлением R=80 Ом

Шаг 21 Измените в RC-фильтре нижних частот значение сопротивления резистора на R=1 кОм и сохраните измененную схему в папке Projects под именем RC_1000.sch.

Шаг 22 Запустите процесс моделирования, используя те же предварительные установки, что и для схемы RC_80.sch (см. рис. 5.2).

Шаг 23 Представьте графически частотную характеристику напряжения конденсатора V(C1:2) с линейным масштабированием координатной оси Y и логарифмическим масштабированием координатной оси частоты, как показано на рис. 5.9.

Рис. 5.9. Частотная характеристика RC-фильтра нижних частот, где R=1000 Ом и С=2мкФ

Тот, кто хоть немного знаком с фильтрами нижних частот, сразу увидит, что эта диаграмма частотной характеристики неверна. Излом не может начинаться при частоте около 100 Гц. И вы наверняка уже догадываетесь, почему произошла ошибка: PSPICE просчитал слишком мало точек. В ходе предварительной установки вы равномерно распределили 1000 точек в частотном диапазоне от 10 Гц до 999 кГц, то есть на каждые 100 Гц приходится по одной точке. Программа PSPICE произвела расчет первой точки при частоте 10 Гц, а следующей точки — при частоте 110 Гц. Затем программа PROBE соединила обе эти точки линейной связью. Ничего хорошего из этого получиться, разумеется, не могло.

Для того чтобы вам было легче разобраться в таких ситуациях, в PROBE предусмотрена опция, с помощью которой вы можете вызвать индикацию контрольных точек.

Шаг 24 Откройте меню Tools (Инструменты) и щелкните по строке Options…, чтобы вызвать на экран окно Probe Options (рис. 5.10).

Рис. 5.10. Окно Probe Options

Среди прочих в этом окне находится опция Mark Data Point (Отметить контрольные точки), при выборе которой маркируются информационные точки (рис. 5.11).

Рис. 5.11. Диаграмма частотной характеристики RC-фильтра нижних частот с маркированными контрольными точками

Шаг 25 Выберите эту опцию, а затем убедитесь в том, что включать и выключать маркировку контрольных точек можно также с помощью кнопки

Теперь стало очевидно, что рассчитанные программой PSPICE контрольные точки нерационально распределены для создания диаграммы с логарифмическим масштабированием оси X. Было бы разумно логарифмически распределить и контрольные точки, например рассчитать равное количество точек для каждой декады. И программа PSPICE предоставляет вам эту возможность. 

Шаг 26 Откройте еще раз окно AC Sweep and Noise Analysis (рис. 5.12).

Рис. 5.12. Окно AC Sweep and Noise Analysis с установками для равномерного (линейного) распределения точек в частотном диапазоне от 10 Гц до 999 кГц

В разделе AC Sweep Туре (Тип AC Sweep) маркирована опция Linear (Линейный), следовательно, в ходе анализа контрольные точки рассчитываются линейно, то есть с равными интервалами частоты на координатной оси X с линейным масштабированием. Это было бы рационально при линейном масштабировании координатной оси X, но при логарифмическом масштабировании совершенно не нужно. 

Шаг 27 Задайте для предстоящего анализа декадное распределение контрольных точек, выбрав опцию Decade (Декадный). Сразу вслед за этим правая часть окна изменится таким образом, чтобы вы имели возможность указать, какое количество точек следует рассчитать в каждой декаде (рис. 5.13). Введите в поле Pts/Decade (Точки/декады) цифру 100, что составит в целом 500 точек на 5 декад.

Рис. 5.13. Окно AC Sweep and Noise Analysis, где задано равномерное распределение контрольных точек по отдельным декадам

Раньше PSPICE приходилось просчитывать 10000 точек, то есть в двадцать раз больше. И, соответственно, на вычисления уходило в двадцать раз больше времени, а результат при этом, как вы сами видели, был крайне неубедительным. 

Шаг 28 Запустите процесс моделирования с новыми установками и затем выведите на экран PROBE диаграмму напряжения на конденсаторе V(C1:2) — см. рис. 5.14. 

Рис. 5.14. Частотная характеристика RC-фильтра нижних частот, где R=1000 Ом и С=2 мкФ; контрольные точки логарифмически распределены по 100 точек на декаду

В таком виде эта диаграмма выглядит вполне удовлетворительно.

Конечно, и при линейном распределении контрольных точек можно было бы получить графическое изображение без «углов», просто-напросто произведя расчет большего количества информационных точек. Но чтобы у вас отпали всякие сомнения в необходимости разумного распределения контрольных точек, хотя бы раз сравните время, затрачиваемое PSPICE на моделирование с линейным распределением контрольных точек и с логарифмическим. Если при линейном распределении расчетных точек вы захотите получить на диаграмме частотной характеристики схемы RC_1000.sch в самой нижней декаде (от 10 Гц до 100 Гц) 100 контрольных точек, вам потребуется рассчитать 100 контрольных точек для частотного интервала в 90 Гц, то есть немного больше одной точки на герц. И тогда в диапазоне от 10 Гц до 1000 кГц количество контрольных точек будет составлять около миллиона. Какое время PSPICE затратит на одно такое моделирование, вы сможете узнать в выходном файле под заголовком Total Job Time (Полное время работы). Процессору Pentium 133, с помощью которого было проведено моделирование всех схем, упоминающихся в этом учебнике, на вычисление 1000 контрольных точек, изображенных на рис. 5.11, понадобилось 22.86 с. Следовательно, на расчет миллиона точек уйдет около 40 мин. Моделирование этой же схемы с логарифмическим распределением расчетных точек при вычислении 100 точек на декаду, то есть с той же точностью, занимает у того же процессора 2.52 с. Как видите, числа говорят сами за себя.