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QSPICE:继续探讨各种类型的电源(第4部分)

2023-09-28 15:08:32 Giovanni Di Maria 阅读:
本文将继续探讨各种类型的电源以及如何使用QSPICE将它们用于电路分析。

在上一期文章中,我们介绍了主要类型的电压和电流发生器的操作和使用。在本文中,我们将继续探索,介绍其他类型的发生器,其中一些发生器非常复杂且不可替代。Jb7ednc

简介

上一篇文章中介绍的发生器非常简单,能在一段时间内提供相当恒定的电压和电流,有时还能遵循某些精心编程的模式。在本文中,我们将应用和使用复杂的信号发生器,它们可以产生定制的电压和电流。很多时候,设计人员需要的信号并不是恒定的,而是不确定的,有时甚至是随机的。Jb7ednc

如图1所示,我们将在本期中研究的发生器如下:Jb7ednc

  • Voltage Dependent Voltage Source,电压相关电压源
  • Voltage Dependent Current Source,电压相关电流源
  • Current Dependent Current Source,电流相关电流源
  • Current Dependent Voltage Source,电流相关电压源
  • Behavioral Voltage Source,行为电压源
  • 来自文件的信号

这些纯粹都是设计人员可编程发生器,可以根据设计要求提供定制的信号电平。Jb7ednc

Jb7ednc

图1:电压和电流相关的发生器Jb7ednc

电压相关电压源

这种类型的发生器与其他相关发生器的原理相同,因此我们仅对此组件进行说明。它检测输入节点之间的电压,并在输出节点处产生电压。后者由“增益”参数决定。图2中的示例可以澄清所有疑问。其中,5V的V1发生器为E3发生器提供15的“增益”。因此,该发生器的输出为5*15=75V。可以看出,示例接线图包括一个固定的DC电压发生器(V1)和相关发生器(E1)。在任何工作配置下,后者产生的电压都是V1的15倍。因此,它是用于生成与电路中另一电压或电流相关的电压的组件。Jb7ednc

Jb7ednc

图2:相关电压发生器的行为Jb7ednc

行为电压源

同样,这种类型的发生器遵循与同类其他电流发生器相同的原理,因此我们仅对该组件进行说明。行为电压源是一个非常重要的组件,与传统的电压源不同,它可以根据用户定义的特定数学公式或关系来生成电压。这种数学关系可以涉及自定义变量、函数和参数,为生成的电压的表达提供了高度的灵活性。Jb7ednc

由于这一特性,这种电压(或电流)发生器被广泛用于复杂电子元件和动态系统的建模,例如运算放大器、信号发生器、控制电路、传感器等。在输入和输出电压之间创建自定义关系的能力,为电子工程师提供了强大的电路分析和优化工具,使他们能够对各种工作条件下的系统响应进行准确的预测性模拟。换句话说,此类发生器的电压输出是自变量数学函数的结果。可以想象,它的应用范围非常广泛,可以轻松地确定传感器或任何其他组件的特性。由于这种发生器是最有用和最重要的发生器之一,因此我们将通过几个例子来充分了解它的操作和实际应用。Jb7ednc

行为电压源:正弦源

可以使用该组件创建正弦电压发生器,但在这种情况下,可以直接使用软件中最合适的组件。图3显示了一个简单的电路图,由行为发生器和1kΩ电阻负载组成。该组件的第一个属性包含了生成频率为50Hz、峰值幅度为1V的正弦信号的公式。在同一图中,波形图表示输出节点处的正弦信号。通过“.tran0.1”指令,可以在100mS的时间内观察该电压,其中有五个连续的正弦波相继出现。下面列出了一些用于生成具有不同特性的正弦信号的数学公式示例:Jb7ednc

  • V=sin(2*PI*50*时间):50Hz正弦波,峰值电压为1V
  • V=sin(2*PI*50*时间)*325:50Hz正弦波,峰值电压为325V
  • V=sin(2*PI*80*时间)*5:80Hz正弦波,峰值电压为5V

在公式中可以看出,只需指定最大频率和电压即可获得所需的正弦波。此外,横坐标(x轴)由变量“时间”处理,它描述了仿真时间,以秒为单位。Jb7ednc

Jb7ednc

图3:使用行为电压源实现的正弦发生器Jb7ednc

行为电压源:三角源

通过简单地改变数学公式,就可以生成具有可变频率和振幅的三角波信号,以满足您的需求。可以通过改变信号发生器的公式来获得所需的波形。例如,图4显示了一个周期为10mS、振幅为1V的典型三角波。描述三角波信号的公式是下面列表中的第一个公式。同样的公式还可用于生成具有不同特性的三角波信号:Jb7ednc

  • V=1*abs(2*(time/10m-floor(1/2+time/10m))):周期为10mS(100Hz)、电压为1V的三角波信号
  • V=12*abs(2*(time/50µ-floor(1/2+time/50µ))):周期为50uS(20kHz)、电压为12V的三角波信号

Jb7ednc

图4:使用行为电压源制作的三角波发生器Jb7ednc

行为电压源:温度传感器

这个例子相当复杂,但却异常有用。例如,需要仿真一个温度传感器,该传感器在一天内采集一系列环境温度,每小时采集一次。这是一个使用LM35传感器的理论示例,该传感器每摄氏度返回10mV的模拟电压,因此通过读取电压可以轻松计算出温度。传感器每小时进行的测量结果如下:Jb7ednc

 Jb7ednc

时间 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
LM35 0.18 0.182 0.175 0.17 0.182 0.19 0.194 0.196 0.207 0.218 0.227 0.245
时间 12 13 14 15 16 17号 18 19 20 22 23 23
LM35 0.271 0.29 0.296 0.31 0.305 0.302 0.26 0.242 0.229 0.212 0.196 0.184

 Jb7ednc

图5中的图表显示了LM35传感器返回的电压与温度和点的插值函数的关系曲线。红色是传感器返回电压的实际测量值,而蓝色则是一个函数,很好地反映了信号在时域中的数学趋势:Jb7ednc

Jb7ednc

该多项式将作为数据库插入QSPICE的电压发生器中。Jb7ednc

Jb7ednc

图5:实际测量值和插值多项式的图表Jb7ednc

因此,创建图6中的电路图,我们可以观察到一个1K电阻负载和一个行为发生器,其中必须输入以下公式:Jb7ednc

V=0.17778+1.4357e-5*时间^4+1.9306e-11*时间^8-8.56e-7*时间^5Jb7ednc

可以看出,“x”已替换为变量“时间”,因为该图位于时域中并且代表x轴。在接线图中,我们有以下组件:Jb7ednc

  • B1发生器提供时域中由上述公式计算得出的电压(自变量是“时间”)。
  • 电阻负载R1为1K。
  • 仿真包括对前23秒的观察,从0到23(指令“.tran23”)。为简单起见,小时被视为秒。
  • 通过“.plot v(Signal)”指令绘制的曲线显示了“信号”节点处的电压。

利用这种技术,可以制造出能够提供任何类型信号的信号发生器,这些信号可以用数学方程来表示。因此,其应用范围是无限的。不过,如果需要温度传感器记录的精确序列,可以使用PWL文件技术,下一篇文章将对此进行说明。Jb7ednc

Jb7ednc

图6:行为电压源的电路图,代表24小时内测量的环境温度趋势Jb7ednc

结论

在本期的QSPICE课程中,我们探讨了更多类型的电压和电流发生器,其中一些对设计人员来说非常有用但是也非常复杂。我们已经看到了几类发生器,每一类都具有独特的特性和特定的电压。Jb7ednc

“电压相关电压源”是一种通过"增益"参数产生与输入电压相关的输出电压的发生器。该组件可用于根据电路中的其他电压或电流生成自定义电压。Jb7ednc

“行为电压源”是一种高度通用的发生器,可以根据特定的数学公式生成电压,从而使生成的电压具有多种可能性。这种类型的发生器对于复杂电子元件和动态系统的建模至关重要。利用它,我们尝试生成了正弦电压和三角电压,以及温度传感器提供的电压表示。这些示例展示了该组件在电子设计中的广泛适用性和强大功能。Jb7ednc

有了它们,设计人员就拥有了功能强大、用途广泛的工具来创建自定义信号并对复杂的电子元件进行建模。这些技术有助于实现先进的电子电路和优化系统性能。Jb7ednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News,参考链接:QSPICE: The Various Types of Power Sources (Part 4),由Ricardo Xie编译。)Jb7ednc

相关阅读:

QSPICE:新型电子电路仿真器(第1部分)Jb7ednc

QSPICE:瞬态域分析(第2部分)Jb7ednc

QSPICE:各种类型的电源(第3部分)Jb7ednc

责编:Ricardo
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