Symulacja czasowa

Ostatnia symulacja opisana w niniejszym cyklu dotyczy zależności czasowych. Analiza taka chyba najbardziej przypomina pomiary wykonywane w układach rzeczywistych. Zwykle do tego celu są wykorzystywane oscyloskopy. Obserwujemy przebiegi w wybranych punktach układu elektronicznego, na przykład na wyjściu i wejściu. Na tej podstawie oceniamy poprawność pracy badanego urządzenia.

Obiektem analizy będzie generator z mostkiem Wienna. Jest to dość ryzykowna decyzja, jeśli weźmiemy pod uwagę jakże często spotykane problemy z uzyskiwaniem drgań w układach generatorów. Jak na ironię czasami łatwiej wzbudza się wzmacniacz, który nie powinien tego robić. Będziemy zatem oczekiwać w napięciu na wynik symulacji i włączenie analogicznego układu rzeczywistego. Czy uzyskamy warunki generacji okaże się niebawem.

Do budowy generatora zastosowano wzmacniacz operacyjny Analog Devices typu OP491 zasilany pojedynczym napięciem 5 V. Schemat elektryczny przygotowany w edytorze programu LTspice przedstawiono na rys. 28.

Rys. 28. Schemat elektryczny generatora z mostkiem Wienna przygotowany w edytorze programu LTspice

Dzielnik napięciowy złożony z rezystorów R4 i R5 ustala napięcie polaryzacji wejścia nieodwracającego wzmacniacza, co może mieć wpływ na pracę układu. Będziemy badać zachowanie generatora w zależności od rezystancji rezystora R5. Aby nie wykonywać kilku kolejnych symulacji dla różnych wartości R5 zastosowano polecenie .step param. Dzięki temu wyniki obliczeń dla kilku wartości są nanoszone na jednym rysunku. Gotowe? Zaczynamy. Jedną ze znanych metod (np. prawy przycisk myszki -> polecenie „Edit Simulation Cmd.” -> opcja „Transient”) wybieramy symulację, wprowadzając czas analizy równy np. 250 ms. Przy spodziewanej częstotliwości drgań (ok. 159 Hz) na ekranie powinniśmy zobaczyć kilkadziesiąt okresów przebiegu, w tym fazę rozruchową. Teraz naciskamy przycisk Run i… nic się nie dzieje. Generator nie generuje. Na wyjściu mamy tylko stałe napięcie zależne od R5. To dość częsta sytuacja występująca podczas symulacji generatorów. Do wzbudzenia drgań wymagana jest choćby najdrobniejsza zmiana na przykład napięcia zasilającego. Dalej dodatnie sprzężenie zwrotne powinno wymusić drgania. Sprawdźmy tę hipotezę minimalnie modyfikując źródło zasilające. Klikamy prawym przyciskiem myszki na źródle V2 i wpisujemy parametry jak na rys. 29.

Rys. 29. Parametry źródła zasilającego generator niezbędne do wzbudzenia drgań

Zmiana polega na dodaniu pewnego czasu narastania napięcia zasilającego. W tym przypadku jest to zaledwie 20 ms, ale taka zwłoka będzie wystarczające do wzbudzenia drgań generatora. Z nie mniejszym napięciem uruchamiamy ponownie symulację. I…? Jest. Tym razem na ekranie pojawiają się kolejne wykresy z widocznym stanem nieustalonym występującym po włączeniu zasilania. Obserwujemy wyraźny wpływ rezystora R5 na generowany przebieg (rys. 30).

Wśród parametrów symulacji „Transient” są dwa szczególnie istotne. Pierwszy – „Stop time” określa czas symulacji mierzony od chwili wirtualnego włączenia układu do chwili zatrzymania analizy. Tego parametru nie można utożsamiać z czasem wykonywania obliczeń. Drugi –  „Time to start saving data” wyznacza moment, od którego wyniki są uwzględniane na wykresie. Parametr pierwszy jest wymagany. Parametr drugi jest opcjonalny. Podanie go pozwala uniknąć wyświetlania fragmentów obejmujących np. stany nieustalone.

Rys. 30. Przebiegi wyjściowe generatora z mostkiem Wienna uzyskane za pomocą symulacji „Transient” w programie LTspice

Jak zwykle po symulacji budujemy układ rzeczywisty (fot. 31). Wykorzystujemy do tego elementy dyskretne wtykane do uniwersalnej płytki montażowej, tzw. breadboardu.

Fot. 31. Rzeczywisty układ generatora zbudowany na breadboardzie

Wyniki pomiarów dla ustalonej rezystancji R2 (w układzie badanym był to potencjometr), uzyskane za pomocą urządzenia Analog Discovery 2, przedstawiono na rys. 32. Układ powinien generować przebieg o częstotliwości ok. 159 Hz. Potwierdziła to z inżynierską dokładnością symulacja oraz pomiary generatora rzeczywistego. Zauważalne są niewielkie obcięcia sygnału od dołu, co skutkuje pojawieniem się harmonicznych na wykresach FFT.

Rys. 32. Pomiary rzeczywistego generatora z mostkiem Wienna uzyskane za pomocą oscyloskopu urządzenia Analog Discovery 2

Wnioski

Program LTspice doskonale sprawdza się podczas projektowania analogowych urządzeń elektronicznych. Mimo, że został opracowany przede wszystkim do promowania układów scalonych Linear Technology stosowanych w układach przetwornic i układów zasilających, bardzo dobrze sprawdza się również w symulacjach układów o zupełnie innym przeznaczeniu. Obecnie, po dodaniu do bibliotek wielu podzespołów produkowanych przez Analog Devices program ten stał się jeszcze bardziej przydatny i uniwersalny. Można przypuszczać, że jest jednym z najchętniej używanych programów symulacyjnych przez elektroników–konstruktorów. Nie bez znaczenia jest fakt, że jest to program darmowy, a do jego używania wymagana jest jedynie rejestracja na stronie producenta.

Należy jednak pamiętać, że do wyników uzyskiwanych za pomocą programu LTspice, jak zresztą i innych symulatorów, należy podchodzić z pewną rezerwą. Nigdy nie będzie on w stu procentach zgodny z układami rzeczywistymi. Ale dzieje się tak przecież również z teoretycznymi obliczeniami układów elektronicznych, które prawie nigdy nie pokrywają się z praktyką. Zdając sobie z tego sprawę zwykle zadawalamy się uzyskaną dokładnością inżynierską.

Projektując analogowe układy elektroniczne często korzystamy z metody kolejnych przybliżeń. Program LTspice z aktywną opcją .step param może być wykorzystywany jako swego rodzaju narzędzie obliczeniowe ułatwiające i przyspieszające proces projektowania urządzenia.

Chyba nie ma konstruktora, który w swojej pracy nie skorzystałby kiedyś z pomysłów innych konstruktorów. Ci niestety nie zawsze chętnie dzielą się swoją wiedzą, ale w dobie Internetu znalezienie odpowiedniego schematu nie stanowi większego problemu. Czasami pozostaje natomiast pewien dyskomfort, jeśli nie potrafimy zrozumieć zasady działania pewnych znalezionych rozwiązań układowych. Program LTspice może być pomocnym narzędziem pozwalającym rozwiązywać podobne zagadki szczególnie wtedy, gdy w publikowanej dokumentacji celowo umieszczono błędy. A tak też się zdarza.