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QSPICE:瞬态域分析(第2部分)

2023-08-21 15:53:07 Giovanni Di Maria 阅读:
瞬态域对于理解电路随时间变化的行为至关重要。

在功能强大的电子仿真软件QSPICE的教程第1部分中,我们探索了电子原理图编辑器,学习了如何创建和自定义电路。在第2部分中,我们将探索瞬态域中的仿真,这是了解电路随时间变化的行为的基本功能。我们将特别对直流电源进行仿真。Zitednc

一种简单直流电源的设计

一个简单的电源在实验室中是必不可少的。它为电路提供稳定可靠的直流电压,确保电路处于最佳运行状态。它可用于为多种设备供电,例如收音机、放大器、小型照明系统、嵌入式电路板和微控制器电路。它可以用很容易找到的元器件来制造,例如变压器、二极管电桥、电容器,可能还有稳压器。变压器将电网电能转换为较低的交流电压,二极管电桥将其整流为正脉动电压,电容器对其进行滤波以减少纹波,稳压器将其稳定在固定值。这些元器件的组合产生了稳定的电源,可用于安全高效地为电子设备供电。它的完成无疑是电子爱好者迈出的第一步,也为需要电源的更复杂的项目提供了一个极好的起点。设计方案需要仔细分析接线图,更重要的是评估所需的电气特性。需要设计的电源的平均要求如下:Zitednc

  • 电源电压:约30V
  • 负载最大电流:约4A
  • 变压器频率:50Hz

图1中的接线图是使用QSPICE编辑器绘制的,显示了一个非常简单的电源实施解决方案。它并不稳定,且仅提供约30V的直流电压。查看该图,我们必须关注电路中几个极其重要的描述性元素和元件:Zitednc

  • V2是电源插座的交流电源电压。它的峰值为325V,均方根(RMS)电压为230V。频率为50Hz。
  • X1是一个理想的电压互感器,初级有480匝,次级有50匝。它由两个电感耦合电感器组成。可以指定其他操作参数,但目前最好将它们保留为默认值。
  • D1、D2、D3和D4是二极管电桥,其目的是将交流电转换成准连续电。其主要作用是对交流信号进行整流,即将极性不断变化的信号转换为正信号。这四个二极管的电流为5A,型号为RFN5BM3S。原理图中的二极管已旋转45°,很少有编辑器向用户提供此选项。
  • C1和C2是整平电容器,用于使电压尽可能的连续。当电桥不传导电流时,它们在负半波期间提供电力,并充当蓄能器。
  • R1是22Ω的电阻负载。

Zitednc

图1:使用QSPICE绘制的电源接线图Zitednc

SPICE指令

如前所述,电路图不仅由电子元件组成,还有其他构成SPICE指令的文本元素。SPICE指令是基于SPICE的电路仿真程序中使用的特殊命令。它是一种广泛用于分析电子电路行为的仿真语言。SPICE指令放置在仿真器的输入文件中,并提供控制仿真过程的特定指令。这些指令允许定义元器件特性、初始工作条件、要进行的测量和其他仿真选项。SPICE指令种类繁多,可根据分析电路的具体需要对仿真进行定制和控制。直流电源原理图中使用的所有SPICE指令如下:Zitednc

  • .model RFN5BM3S D(Is=1.8236E-9 N=1.3647 …:该指令描述了RFN5BM3S二极管的电气特性,并将其作为外部模型。模型可以在互联网上找到,也可以自制,但需要进行大量的研究和分析。
  • .tran 200m:该指令用于指定瞬态仿真选项。确切地说,它指示SPICE仿真器在规定的时间内运行瞬态分析。具体来说,它表明瞬态仿真应该执行200ms的时间。这意味着仿真器会计算该时间段内电路的行为。在瞬态分析期间,SPICE仿真器会计算电路对电子随时间变化做出的反应,例如电路中电压或电流的变化。这种类型的分析对于理解电路的动态行为以及研究初始瞬态直至达到稳定状态非常有用。值得注意的是,仿真的准确性取决于瞬态分析命令中指定的采样间隔(如果有)。例如,如果采样间隔为1µs,仿真器将在200ms的时间内每隔1µs计算一次电路值
  • .plot v(in),v(out),i(r1):该SPICE指令用于指定要在仿真的图形输出中显示的变量(参见图2中的输出图)。确切地说,它指示仿真器在电路分析期间绘制相关的电压和电流图。具体来说,它指示仿真器绘制与v(in)(电路输入电压随时间变化的图)、v(out)(电路输出电压随时间变化的图)以及i(r1)(流过负载“R1”的电流的图)相关的图。因此,该指令用于在分析电路时以图形方式显示特定量。然而,也可以指定其他量,例如电压、电流、功率、常数和电路的其他计算值,只需用逗号分隔列出即可。仿真器生成的输出将显示指定量的图形,让您可以观察电路随时间变化的行为,并分析仿真产生的数据。
  • .meas vin rms(v(in)):该指令用于在仿真过程中测量电路输入电压的RMS值。通过该指令可以计算并显示输出电压的RMS值。测量结果将显示在仿真的文本输出中(参见图3)。RMS测量表示某个量的RMS值,它是对其有效幅度的测量。在本例中,“rms(v(in))”计算的是电路中输入电压“v(in)”的RMS值,因为它是正弦交流电压。测量结果显示RMS值约为230V。
  • .meas vout rms(v(out)):该指令用于在仿真过程中测量电路输出电压的RMS值。此指令允许计算输出电压的RMS值并将其作为分析结果报告。测量结果显示RMS值约为31V。
  • .meas CURR avg(i(r1)):该指令用于计算电路仿真期间流经电阻“R1”的平均电流。该指令获取平均电流值作为分析结果。测量返回的RMS值约为1.4A。

建议按F1深入查阅研究程序附带的手册。Zitednc

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图2:使用指令“.plot v(in),v(out),i(r1)”生成的仿真图Zitednc

仿真

要开始电路仿真,只需点击顶部工具栏上的绿色按钮(RUN)即可。仿真速度非常快,并以图形和测量数据显示结束。Zitednc

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图3:使用“.MEAS”指令测量V(IN)、V(OUT)和I(R1)Zitednc

返回仿真生成的图,可以观察到三个信号:Zitednc

  • 绿色信号V(IN)(左侧刻度)代表正弦输入电压。可以看出,其峰值为325V。
  • 蓝色信号V(OUT)(左侧刻度)代表连续输出电压。其值约为31V。
  • 红色信号I(R1) (右侧刻度),代表流过负载的电流。其值约为1.4A。

图形显示网格,可以通过按CTRL+G激活网格。可以通过右键单击刻度本身来更改显示刻度的最小值和最大值。用户还可以使用鼠标放大给定区域,如图4所示。在放大过程中,可以注意到输出信号上存在一个峰值约为1.2V的小纹波信号。可以通过增加电解电容器的值来减少这种干扰因素。Zitednc

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图4:放大输出电压后,可以看到一个小的纹波信号。Zitednc

结论

使用QSPICE,创建和仿真大多数电子电路相当容易。不过,您的计算机要求必须能适配该软件,并且您必须安装64位版本的Windows10或Windows11。此外,还建议使用功能强大的处理器和 GPU。SPICE指令的大量使​​用使设计人员能够充分利用仿真软件。请注意,本文中所建议的直流电源的输出电压取决于所使用的变压器的类型。Zitednc

下载原理图和相关文件Zitednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News,参考链接:QSPICE: Analysis in the Transient Domain (Part 2),由Ricardo Xie编译。)Zitednc

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QSPICE:新型电子电路仿真器(第1部分)Zitednc

责编:Ricardo
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