Everycircuit как пользоваться. Электрические схемы: основные понятия, компоненты и применение

Каждый TeachEngineering урок или занятие связано с одной или несколькими науками K-12, технологические, инженерные или математические (STEM) образовательные стандарты.

Все более 100 000 стандартов K-12 STEM, включенных в TeachEngineering , собираются, поддерживаются и упаковываются сетью стандартов достижений (ASN) , проект D2L (www.achievementstandards.org).

В ASN стандарты структурированы иерархически: сначала по источнику; напр. по штатам; внутри источника по типу; напр. , естественные науки или математика; внутри типа по подтипу, затем по классам, и т.д. .

Международная ассоциация преподавателей технологий и инженерии — Технология

ГОСТ

Какое альтернативное выравнивание вы предлагаете для этого контента?

Подписаться

Подпишитесь на нашу рассылку новостей, чтобы получить внутреннюю информацию обо всем, что связано с TeachEngineering, например, о новых функциях сайта, обновлениях учебных программ, выпусках видео и многом другом!

PS: Мы никому не передаем личную информацию и электронные письма.

Больше учебных программ, подобных этому

Высший элементарный урок

Электроны в движении

Учащиеся узнают о текущем электричестве и необходимых условиях для существования электрического тока. Учащиеся строят простую электрическую цепь и гальванический элемент, чтобы понять, что такое напряжение, сила тока и сопротивление.

Электроны в движении

Высший элементарный урок

Цепи: один путь для электричества

Учащиеся узнают, что движение заряда по цепи зависит от сопротивления и расположения компонентов цепи. В одном связанном практическом упражнении учащиеся строят и исследуют характеристики последовательных цепей. В другом упражнении учащиеся проектируют и строят фонарики.

Цепи: один путь к электричеству

Высший элементарный урок

Плывите по течению

Учащиеся получают представление о разнице между электрическими проводниками и изоляторами и получают опыт распознавания проводника по свойствам его материала. В ходе практического занятия учащиеся создают тестер электропроводности, чтобы определить, являются ли различные объекты проводниками или изоляторами.

Плывите по течению

Урок средней школы

Оба поля сразу?!

В связи с их текущим исследованием аппаратов МРТ студенты изучают последствия одновременного воздействия электрического и магнитного полей на заряд. С помощью нескольких примеров задач учащиеся рассчитывают напряжение Холла, которое зависит от ширины пластины, скорости дрейфа и магнитного поля.

Оба поля сразу?!

Предварительные знания

Базовое понимание электричества, включая замкнутые и открытые цепи.

Введение/Мотивация

Знаете ли вы, почему в сотовом телефоне должен быть аккумулятор или почему для работы компьютер должен быть подключен к сети? (Ответ: Этим устройствам для работы требуется электричество.) Знаете ли вы, что батарея или электричество, поступающее из розетки в стене, является частью электрической цепи? Когда батарея помещается в сотовый телефон или когда к нему подключается компьютер, цепь в устройстве замыкается или «замыкается», позволяя течь электрическому току.

Схемы можно найти повсюду вокруг нас — в наших домах, школах и на предприятиях. Инженеры-электрики чаще всего связаны с разработкой схем, но они не единственные инженеры, которые работают с цепями и знают о них. Большинство инженеров должны понимать электричество и физику схем, чтобы они могли проектировать любые устройства, использующие электричество. Инженеры-механики, например, используют схемы при проектировании двигателей. Аэрокосмические инженеры используют схемы при разработке элементов управления для космических кораблей. Сегодня мы собираемся узнать о некоторых физических аспектах схем, а также о некоторых ключевых компонентах, которые используются для создания схем.

Схема внутри вашего компьютера может выглядеть примерно так.

Copyright

Copyright © 2008 Denise W. Carlson, ITL Program, Университет Колорадо в Боулдере

Чтобы начать разбираться в цепях и электричестве, давайте начнем с электрического тока. Электрический ток — это поток положительного заряда. По сути, это мера количества положительных зарядов, проходящих через заданную границу (точку в пространстве, поперечное сечение провода и т. д.) в единицу времени. (Примечание: в реальной цепи движущимися зарядами являются электроны, которые содержат отрицательный заряд. Поэтому электрический ток на самом деле определяется как движение, противоположное пути, пройденному электронами.)

Единицей электрического тока является единица заряда ( кулон ) в секунду. Кулон в секунду также называют ампер (А) или ампер для краткости. Токи в бытовых устройствах обычно составляют около 1 ампера. Однако в электронных устройствах, таких как стереосистемы и компьютеры, сила тока часто измеряется миллиамперами (1 мА = 10 ^-3 А) или микроамперами (1 мкА = 10 ^-6 А).

Два типа тока: переменный ток и постоянный ток . Переменный ток выходит из обычных розеток в домах, школах и на предприятиях. Он называется «переменным», потому что направление тока постоянно меняется. В США переменный ток от настенных розеток имеет частоту 60 Гц (Герц). Это означает, что ток меняет направление 60 раз в секунду. Постоянный ток – это ток, вырабатываемый батареями. Он всегда движется в одном направлении. Ток важен, потому что движущиеся заряды несут энергию и могут совершать работу.

Напряжение — это мера разности электрических потенциалов между любыми двумя точками. Единицей измерения напряжения является джоуль на кулон (энергия на заряд), которая получила название вольт (В). Электрический потенциал — это потенциальная энергия на единицу заряда (джоули/кулон), связанная с электрическим полем. Напряжение аналогично разнице гравитационной потенциальной энергии объекта из-за его высоты. Как и в случае с гравитационной потенциальной энергией, электрический потенциал полезен только тогда, когда мы анализируем разницу между двумя точками. Каждый раз при измерении напряжения оно измеряется между двумя точками (именно поэтому у мультиметра два штыря). Напряжение тоже имеет то, что называется полярность , или положительный и отрицательный конец (аналогично магниту с северным и южным полюсом). Полярность важна для определения того, поглощает ли элемент цепи энергию или отдает энергию.

В качестве хорошего примера напряжения давайте посмотрим, как работает батарея. Каждая батарея имеет связанное с ней номинальное напряжение, например, 1,5 вольта для батареи типа D, 9 вольт, автомобильные аккумуляторы 12 вольт. Это означает, что 9-вольтовая батарея, помещенная в электронное устройство, имеет 9 джоулей электрической потенциальной энергии между двумя ее клеммами. Эта батарея обеспечивает устройство 9джоулей энергии на каждый кулон заряда, который он перемещает по длине батареи.

Теперь, когда мы определили и обсудили напряжение и электрический ток, давайте немного поговорим о цепях. Одно основное физическое соотношение, используемое для анализа всех цепей, известно как закон Ома . Закон Ома гласит, что напряжение на резисторе пропорционально току, протекающему через резистор. В виде уравнения это выглядит так:

В=ИК

, где V — напряжение на резисторе, I — ток, протекающий через резистор, а R — сопротивление резистора.

Единицей сопротивления является Ом (Ом). Закон Ома дает нам определение резистора. Резистор — это объект, который создает падение напряжения на своих клеммах, чтобы противостоять протеканию через него электрического тока. Обратите внимание, что закон Ома работает только тогда, когда сопротивление компонента постоянно. Многие компоненты, такие как лампочка или диод, не имеют постоянного сопротивления. Компоненты с постоянным R называются омическими, а компоненты, в которых R изменяется, считаются неомическими. Соотношения, описываемые законом Ома, позволяют нам вычислять такие переменные, как ток через резистор или напряжение на резисторе в цепи. Закон Ома важен при анализе цепей, когда ток или напряжение на резисторе неизвестны.

Несколько компонентов могут быть встроены в цепь для различных целей. Некоторые из этих компонентов включают резисторы (любые два терминальных объекта, которые обеспечивают падение напряжения, чтобы противостоять протеканию тока через них), конденсаторы (хранят энергию в электрическом поле), катушки индуктивности (хранят энергию внутри электрического поля) и транзисторы. (обычно используется в качестве усилителя или переключателя). Интегральная схема предназначена для выполнения определенной задачи и часто состоит из нескольких других компонентов, таких как резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и транзисторы. Все отдельные компоненты интегральной схемы изготавливаются на одном кремниевом кристалле (чипе) одновременно. Транзисторы и интегральные схемы являются неотъемлемой частью современной электронной революции, которая привела к появлению сотовых телефонов, компьютеров и множества электронных устройств, которыми мы пользуемся каждый день.

Контуры выполняют множество функций при проектировании энергоэффективных домов. Их можно спроектировать таким образом, чтобы они включали свет, когда человек входит в комнату, и выключали его после того, как какое-то время никого не было рядом. Они используются для регулирования температуры воздуха внутри зданий путем управления оборудованием для отопления и кондиционирования воздуха (обратитесь к упражнению «Проектирование термостата», чтобы учащиеся исследовали компоненты схемы и разработали собственное приложение для термостата). Их можно даже использовать для контроля температуры воды, количества света, попадающего в комнату, и хранения энергии фотогальванических систем для последующего использования.

Предыстория урока и концепции для учителей

Как работают батареи

Способ, которым батареи производят заряд, зависит от химии. В батарее электроны перемещаются от ее положительного вывода к отрицательному, по проводам и схемам устройства и обратно к положительному выводу батареи. Это называется замкнутой цепью . Как один кулон заряда электронов (-1,601 x 10 ^-19 кулон заряда) перемещается от плюсовой клеммы к минусовой клемме аккумулятора, происходит увеличение энергии, равное 9 джоулей. Расчет для этого показан ниже, где EP — электрический потенциал.

(Примечание: значения для EP ₁ и EP ₂ могли быть любыми, если их разница была равна 9, так как это напряжение батареи; подобно потенциальной энергии, необходимо установить данные, на основе которых выполняются все остальные измерения. В случае напряжения инженеры часто используют землю или 0 вольт в качестве начальной точки отсчета. Таким образом, на одной клемме 0 EP. Кроме того, заряд отрицательный, потому что электроны имеют отрицательный заряд.) На отрицательном полюсе 1 кулон заряда электронов имеет определенную энергию; после перехода к положительной клемме энергия увеличилась на 9джоулей из-за разницы в электрическом потенциале батареи. Этот процесс показан на рисунке 1.

Рисунок 1. Как работает напряжение в батарее.

Copyright

Copyright © 2008 Tyler Maline, Программа ITL, Инженерный колледж, Колорадский университет в Боулдере

Этот расчет также включает полярность. Каждое напряжение и, следовательно, каждая батарея имеют положительную и отрицательную клеммы; отрицательная клемма — это нижний (часто заземленный или нулевой) электрический потенциал. Если электроны в цепи текут от положительной клеммы к отрицательной клемме любого источника напряжения (как показано на рисунке 1), источник напряжения поставляет энергию. Но если электроны движутся в противоположном направлении, то к отрицательному, то к положительному выводу, источник поглощает энергию. Это основная идея аккумуляторных батарей.

Компоненты общей цепи

Однако каждая электрическая цепь в мире состоит не только из источника напряжения (например, батареи) и одного или двух резисторов. Многочисленные компоненты схемы могут быть добавлены для выполнения некоторых увлекательных задач. Ниже приведены некоторые из наиболее распространенных компонентов схемы.

Конденсаторы — это компоненты, которые накапливают энергию в электрическом поле. Это часто достигается путем одинаковой, но противоположной зарядки двух параллельных пластин. При этом в одной пластине избыток протонов, а в другой — электронов. Этот сценарий приводит к возникновению электрического поля между двумя пластинами из-за разницы зарядов. Это электрическое поле накапливает энергию для высвобождения в более позднее время. Конденсаторы не могут создавать энергию, они просто хранят энергию, полученную за счет протекания тока между пластинами. Рисунок 2 иллюстрирует весь процесс, начиная с момента, когда конденсатор сначала накапливает заряд и, следовательно, энергию, до полного заряда.

Рис. 2. Конденсатор с параллельными пластинами заряжается от батареи.

Copyright

Copyright © 2008 Tyler Maline, Программа ITL, Инженерный колледж, Колорадский университет в Боулдере

Емкость (C) конденсатора является важной величиной, связанной с конденсаторами. Определяется как отношение заряда (Q) к напряжению конденсатора:

Единицей измерения емкости является фарад, определяемый как 1 кулон на вольт. Большинство конденсаторов никогда не имеют емкости в один фарад, и часто большинство конденсаторов измеряются в микрофарадах (мкФ). Одним из классических применений конденсатора является фотовспышка. Энергия для создания вспышки накапливается с помощью конденсатора. Чтобы создать вспышку при фотографировании, конденсатор разряжается, высвобождая накопленную энергию в виде света.

Катушки индуктивности — это обычные компоненты схемы, которые используют магнитное поле для накопления энергии. Катушки индуктивности чаще всего создаются путем намотки катушки проволоки вокруг некоторого сердечника, называемого соленоидом. Они используются для получения индуктивности . Индуктивность аналогична конденсатору, а емкость используется как способ измерения количества энергии, хранящейся в магнитном поле, возникающем при протекании тока через катушки соленоида. Единицей индуктивности является генри (Гн). В отличие от резисторов и напряжения, уравнения, определяющие физику катушек индуктивности и конденсаторов, требуют знания исчисления с одной переменной, что является более сложным, чем этот урок.

Транзисторы представляют собой компоненты схемы, изготовленные из полупроводника (материала, который иногда действует как изолятор, а иногда как проводник) и часто используются в качестве усилителя или переключателя. Транзисторы считаются строительными блоками для всех современных электронных устройств, включая компьютеры и мобильные телефоны. Они часто встречаются в интегральных схемах; например, усовершенствованный микропроцессор в компьютере имеет более 1,7 миллиарда транзисторов. Они являются основной причиной развития электроники в 20 9 г.0150-й век.

Интегральные схемы — это распространенные компоненты электронных схем. Эти специализированные схемы предназначены для выполнения определенной задачи и часто состоят из нескольких других компонентов, таких как резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, транзисторы и диоды. Все отдельные компоненты интегральной схемы изготавливаются на одном кремниевом кристалле (чипе) одновременно. Примеры интегральных схем включают операционные усилители, микропроцессоры и логические схемы. Все более эффективное и быстрое производство интегральных схем привело к низкой стоимости кристалла, проложив путь к быстрому технологическому прогрессу электронных устройств.

Связанные виды деятельности

Закрытие урока

Сегодня мы начали изучение электрических цепей, впервые узнав об электрическом токе и напряжении. Какое важное математическое выражение в физике связывает напряжение и ток? Правильно — закон Ома, который описывает взаимосвязь между током и напряжением и дает нам определение резистора.

Схемы являются основой электроники. Без цепей у нас не было бы многих вещей, которые мы считаем само собой разумеющимися в нашей повседневной жизни. Схемы также хороши для автоматизации процессов и обеспечения большей энергоэффективности за счет управления многими рутинными задачами. Схемы могут быть спроектированы так, чтобы включать свет, когда человек входит в комнату, и выключать его после того, как люди ушли. Они могут регулировать и контролировать системы отопления и охлаждения для создания желаемой температуры воздуха в домах и зданиях. Они могут сказать вашему компьютеру, когда выключать экран, если он не использовался какое-то время. Что еще вы знаете о том, что содержит схемы?

Словарь/Определения

переменный ток: ток, который постоянно меняет направление, например, электрический ток, доступный через настенные розетки в наших домах и на предприятиях.

ампер: единица измерения электрического тока. Определяется как 1 кулон в секунду.

емкость: Способность электрического поля в конденсаторе накапливать энергию. Основные измерения конденсаторов. Определяется как отношение заряда и напряжения конденсатора.

конденсатор: Компонент схемы, который накапливает энергию внутри электрического поля.

замкнутая цепь: Цепь, по которой течет ток.

кулон: единица измерения заряда.

постоянный ток: Ток, который течет только в одном направлении, например, ток, подаваемый от батареи.

электрический ток: Поток положительных зарядов через проводник (провод, пластину, электрическое поле).

электрический потенциал: мера потенциальной энергии, содержащейся в электрическом поле.

фарад: Единица измерения емкости или электрической емкости. Назван в честь инженера-физика Майкла Фарадея.

индуктивность: способность магнитного поля накапливать энергию. Основная мера индуктора.

индуктор: компонент схемы, который накапливает энергию внутри магнитного поля.

интегральные схемы: схемы, построенные на кремниевом кристалле или микросхеме, которые содержат много общих компонентов схемы и предназначены для выполнения определенной задачи.

Закон Ома: Утверждение физического соотношения, согласно которому для любой цепи сила электрического тока (I) прямо пропорциональна напряжению (V) и обратно пропорциональна сопротивлению (R) цепи. В = ИК

сопротивление: Мера способности объекта ограничивать протекание через него тока.

резистор: Любые два терминальных объекта, которые обеспечивают падение напряжения, чтобы противостоять протеканию через них тока.

Транзистор: Полупроводник, который обычно используется в качестве усилителя или переключателя. Это строительный блок всех современных схем, включая компьютеры и мобильные телефоны.

вольт: единица измерения напряжения. Определяется как джоуль на кулон.

напряжение: Мера разности электрических потенциалов между двумя точками в электрическом поле.

Оценка

Оценка перед уроком

Вопрос для обсуждения : Запрашивайте, объединяйте и обобщайте ответы учащихся, записывая их ответы на доске. Спросите у студентов:

• Какие предметы с электрическими цепями вы используете каждый день? (Возможные ответы: Компьютеры, сотовые телефоны, iPod, стереосистемы, телевизоры, автомобили и т. д.)

Оценка после внедрения

Мозговой штурм : Всем классом предложите учащимся участвовать в открытом обсуждении. Напомните им, что в мозговом штурме никакая идея или предложение не является «глупой». Все идеи должны быть выслушаны с уважением. Займите некритическую позицию, поощряйте дикие идеи и препятствуйте критике идей. Пусть учащиеся поднимут руки, чтобы ответить. Запишите их идеи на доске. Спросите у студентов:

• Как можно использовать схемы, чтобы сделать устройство или дом более энергоэффективными? (Возможные ответы: цифровой термометр с точкой включения/выключения, схема, которая автоматически выключает свет, когда он не нужен, экранные заставки компьютера/монитора/копира/спящий режим, которые потребляют меньше энергии, если они не используются какое-то время, автоматический кофеварка. горшок, который выключается сам по себе и т.д.)
• Многие автоматические процессы используют схемы для выполнения задачи. Термостаты, автоматические выключатели света, моторы и домашние системы безопасности используют цепи. Помимо обычных электронных устройств, таких как стереосистемы, плееры iPod, компьютеры, сотовые телефоны, видеоигры, телевизоры, DVD-плееры, какие еще вещи в нашем мире используют схемы? (Возможные ответы: автомобили, термостаты, автоматические выключатели света, спринклерные системы, автоматические двери, светофоры, кнопки пешеходного перехода, пульты дистанционного управления, голосовая почта, двигатели, домашние охранные выключатели, сборочные линии/фабрики/заводы и т.  д.)

Этот цифровой термостат регулирует отопление и охлаждение дома, обеспечивая эффективное использование энергии.

Copyright

Copyright © 2008 Denise W. Carlson, ITL Program, Университет Колорадо в Боулдере

Оценка итогов урока

Математическое приложение : Напишите уравнение I = V ÷ R на доске. Напомните учащимся, что это называется законом Ома. Объясните, что I = ток = поток электрического заряда в цепи (он остается постоянным в замкнутой цепи), V = напряжение = используемые батареи и R = сопротивление = используемые лампочки. Предложите учащимся ответить на следующие вопросы с точки зрения закона Ома:

Чтобы повысить энергоэффективность своего дома, семья из Колорадо установила на крыше солнечную панель. Они хотят добавить еще одну солнечную панель, чтобы увеличить способность запасать энергию на зиму.

• Что произойдет с током (I), когда они добавят еще одну солнечную панель (V)? (Ответ: Ток увеличивается. )
• Что происходит с током (I), когда они добавляют электроприбор в свою цепь (R)? (Ответ: Ток уменьшается.)
• Что происходит с током (I), когда у них есть разомкнутый переключатель? (Ответ: ток (I) = 0, так как электроны не могут двигаться по цепи.)

Расширение урока

Поручите учащимся исследовать различные типы термостатов. Существует несколько типов электрических и механических термостатов. Попросите их описать, как работает цифровой термостат.

Инженеры-электрики часто работают с элементами управления системами, включая элементы управления телекоммуникациями. Вовлеките учащихся в дискуссию о телекоммуникациях и их важности в современном обществе.

Рекомендации

Хэмбли, Аллан Р., Электротехника: принципы и приложения, Третье изд. Река Аппер-Сэдл, Нью-Джерси: Pearson Education Inc., 2005.

Авторские права

Авторы

Программа поддержки

Благодарности

Содержание этой учебной программы цифровой библиотеки было разработано в рамках гранта Фонда улучшения высшего образования (FIPSE), Министерства образования США и Национального научного фонда, грант GK-12 №. 0338326. Однако это содержание не обязательно отражает политику Министерства образования или Национального научного фонда, и вы не должны исходить из того, что оно одобрено федеральным правительством.

Последнее изменение: 27 февраля 2020 г.

Как работает моделирование цепей?

Разработчики печатных плат должны учитывать различные параметры конструкции, чтобы спроектировать эффективную плату. Чтобы убедиться, что их конструкция является точной, разработчики могут использовать моделирование схем, чтобы понять динамическое поведение своих схем, что приводит к эффективному проектированию печатных плат.

Что такое моделирование схемы?

Моделирование цепей — это процесс, используемый для проверки и проверки функциональности электрических/электронных схем перед производством и внедрением продукта. Он используется для широкого спектра приложений, от микроэлектроники и интегральных схем до силовой электроники и сетей распределения электроэнергии. Моделирование цепей может выполняться на линейных и нелинейных цепях в соответствии с требованиями.

Моделирование схем включает:

1. Математическое моделирование элементов схем или устройств.
2. Составление уравнений цепи/сети.
3. Методы решения этих уравнений.

Линейные и нелинейные цепи

В линейной цепи ток, протекающий по цепи, прямо пропорционален напряжению в цепи. Зависимость между током и напряжением в линейной цепи показана на графике ниже:

Нелинейная цепь — это когда ток, протекающий по цепи, не прямо пропорционален напряжению в цепи, что приводит к тому, что график зависимости напряжения от тока выглядит как кривая.

Также прочтите, Теория сети для лучшего проектирования и разработки печатных плат

Как работает моделирование схемы?

Моделирование схемы работает путем проектирования схемы с помощью редактора схем и представления схемы с постоянными или переменными входными данными. Результирующие выходные сигналы записываются и анализируются.

Симулятор схемы предназначен для имитации поведения компонентов схемы для получения выходных сигналов, идентичных схеме, если бы она действительно работала.

Модель устройства

Модель устройства представляет собой аналитическое выражение, созданное с использованием теоретических и экспериментальных исследований. Переменные и константы, составляющие это аналитическое выражение, известны как параметры модели. Кроме того, параметры устройства — это параметры, которые используются для воспроизведения фактических характеристик компонента в симуляторе.

Модель IBIS

IBIS (спецификация информации о буфере ввода/вывода) — это поведенческая модель, в которой подробно описаны электрические характеристики цифровых входов и выходов устройства. Это делается с использованием данных V/I (напряжение в зависимости от тока) и V/T (напряжение в зависимости от времени) без разглашения какой-либо частной информации. Модели IBIS предназначены для анализа целостности сигналов на системных платах.

Какие существуют типы моделирования?

В этой статье мы сосредоточимся на моделировании аналоговых схем. Вот типы моделирования схемы:

Аналоговое моделирование

Процесс моделирования аналоговой схемы включает использование точных представлений электронной схемы для получения точных выходных сигналов, соответствующих входным. Модели, используемые для моделирования цепей, могут быть как линейными, так и нелинейными, как объяснялось ранее. Моделирование аналоговых цепей может выполняться в различных режимах, таких как:

• Переменный ток (частотная область)
• DC (нелинейный режим покоя)
• Переходный (временной)

Аналоговые симуляторы используют алгоритмы для анализа поведения схемы в различных режимах. Такие алгоритмы используют процесс решения матриц для прогнозирования характеристик схемы. В аналоговом моделировании сигналы распространяются как непрерывно изменяющиеся значения.

Цифровое моделирование

Цифровое моделирование схем включает использование моделей поведения схем, созданных с использованием языка описания аппаратуры (HDL). В этом методе, в отличие от аналогового моделирования, распространяются дискретные значения напряжения, в основном логические 0 и логическая 1. Методы такого распространения сигнала имеют разную точность для разных значений задержки распространения логических уровней в цепи. Этот метод позволяет моделировать гораздо большие схемы за меньшее время и с использованием меньшего количества вычислительных ресурсов по сравнению с аналоговым моделированием.

Руководство по проектированию высокоскоростных печатных плат

8 глав — 115 страниц — 150 минут чтения

Моделирование смешанных сигналов

Подход к моделированию смешанных сигналов объединяет как аналоговые, так и цифровые методы моделирования. Цепь в этом случае разделена на две отдельные системы (аналоговую и цифровую) для соответствующего анализа в каждом сегменте цепи. Цифровая симуляция управляется событиями, тогда как аналоговые сигналы сохраняются такими, какие они есть.

Типы анализа цепи

Симулятор цепи выполняет различные типы анализа, предоставляя различную информацию о цепи. Вот несколько типов анализа цепи:

Анализ переходных процессов

Анализ переходных процессов относится к анализу цепи в течение периода, когда она изменяется от одного установившегося состояния к другому. Электрические цепи подвержены быстрым изменениям, когда выключатели размыкаются или замыкаются, или когда происходит внезапное изменение источника и т. д. Когда такое изменение происходит, цепь, которая находилась в определенном установившемся состоянии, перейдет в другое установившееся состояние. состояние. Это время между двумя установившимися состояниями называется переходным периодом. Анализ переходных процессов используется для изучения того, как будут изменяться такие параметры, как ток и напряжение, в течение переходного периода.

Анализ передаточной функции

Передаточная функция электронной схемы — это математическая функция, которая используется для теоретического моделирования выходного сигнала устройства для каждого возможного входа. Передаточную функцию можно представить в виде графика, построив вход и выход, чтобы получить так называемую передаточную кривую. Это называется анализом передаточной функции.

Анализ шума

Шум сигнала относится к нежелательным изменениям тока или напряжения, которые обычно носят случайный характер и имеют небольшую амплитуду. Каждый электронный компонент генерирует сигнальный шум, и такой шум может исходить от внутреннего или внешнего источника. Шум в цепи можно измерить с помощью параметра, называемого отношением сигнал-шум (SNR). Отношение сигнал/шум может быть определено как отношение требуемого сигнала к нежелательному сигналу или шуму. SNR измеряется в децибелах (дБ).

Анализ рабочей точки

Рабочая точка — это конкретная точка в рабочей характеристике электронного компонента. Анализ по рабочей точке проводится для цепей с постоянными источниками, где напряжение и ток постоянны. Рабочая точка может быть физически измерена с помощью цифрового мультиметра или при моделировании путем выбора интересующего компонента в программном обеспечении.

Какое программное обеспечение используется для моделирования цепей?

SPICE (Программа моделирования с акцентом на интегральные схемы) — популярный движок моделирования схем с открытым исходным кодом. Он принимает список соединений, описывающий схему для выполнения различных симуляций. Список соединений — это текст, описывающий каждый компонент, используемый в схеме, и места их подключения. LT spice — еще одно программное обеспечение для моделирования цепей с открытым исходным кодом, похожее на SPICE.

Моделирование схем с помощью Analog Devices Inc. LTspice®

Вот некоторые основные схемы и их анализ:

Анализ постоянного тока

Сначала мы рассмотрим простую схему делителя напряжения. Он имеет вход постоянного тока 10 В через резисторы 10 кОм и 5 кОм. На выходе тоже конденсатор.

Если мы посмотрим на уровни входного и выходного постоянного тока, мы получим такой график.

Теперь давайте изменим вход с постоянного тока на синусоиду амплитудой 1 В и частотой 1 кГц и проанализируем напряжение и ток на конденсаторе.

Это входное и выходное напряжения. Мы также можем построить график тока и мощности, потребляемой любым компонентом.

Ток через конденсатор C1 отстает от напряжения.

Теперь подадим импульсный ввод. Мы выберем импульс с периодом 1 мс, временем нарастания и временем спада 10 нс, амплитудой 5 В и временем включения 0,2 мс.

На выходе мы можем наблюдать рост напряжения на конденсаторе (синяя кривая) при включенном входе и входном напряжении 5В (красная кривая). Ток в конденсаторе (зеленая кривая) резко возрастает при положительном токе и медленно становится равным нулю по мере зарядки конденсатора. Когда напряжение становится равным нулю, конденсатор разряжается, а ток становится отрицательным и медленно падает до нуля.

Анализ переменного тока

Теперь давайте запустим анализ переменного тока.

Здесь нам нужно указать тип развертки, количество показаний, начальную и конечную частоту для запуска анализа переменного тока в цепи.

Давайте рассмотрим схему, которая немного сложнее, например полосовой LC-фильтр с центральной частотой 50 МГц.

Теперь настроим развертку по переменному току. После того, как мы построим выходной сигнал, мы сможем увидеть затухание на разных частотах и ​​центральной частоте около 50 МГц.

Также читайте, как уменьшить затухание сигнала в высокоскоростных печатных платах.

Моделирование цепей — бесценный инструмент для разработчиков печатных плат, позволяющий понять поведение схем до изготовления платы. Использование моделирования цепей может помочь предотвратить дорогостоящие доработки печатных плат и неэффективность проектирования.

Хотите узнать больше о моделировании схем? Дайте нам знать в разделе комментариев ниже.