Система схемотехнического моделирования LTspice IV
Краткое руководство
Интерфейс
LTspice IV является очень простым и точным инструментом для моделирования схем. К тому же эта система полностью бесплатна и может работать под Линуксом с использованием Wine. Одна из интересных особенностей программы - возможность вывода в звуковой wav файл результатов симуляции, которые можно будет затем прослушать.
Программу можно скачать по адресу http://www.linear.com или по прямой ссылке: LTspiceIV.exe (10 мб). Дополнительные библиотеки и примеры можно найти здесь и здесь.
При запуске программы появляется главное окно:
Дальше следует создать новый файл (меню File --> New schematic), при этом станут активными почти все значки верхней панели инструментов:
Кроме значков в панели инструментов будут полезными функциональные клавиши:
|
|
Эти функциональные клавиши частично дублируют меню Edit.
Пример создания схемы релаксационного генератора на операционном усилителе.
Нажав клавишу F2 попадаем в окно выбора компонентов, из меню выбираем [opamps], выбираем нужную модель операционного усилителя , например LT1013:
и помещаем её на схему, кликнув в главном окне один раз в той точке, где он будет размещён:
После помещения компонента на схему следует нажать ESC, что бы выйти из текущего режима размещения компонентов. Далее снова нажимаем F2, попадаем в окно выбора компонентов, и если необходимо переходим в корневой каталог, откуда выбираем voltage - источник питания и помещаем его на схему, кликнув в главном окне в двух местах - сверху и снизу операционного усилителя:
Пока курсор показывается в виде символа компонента, его можно вращать, используя комбинацию клавиш Ctrl+R (см. подсказку внизу слева главного окна программы в панели статуса). Если компонент уже помещён на схему, для его вращения следует нажать F7 (или в панели инструментов нажать кнопку "передвинуть"), выбрать компонент на схеме, и далее нажать комбинацию клавиш Ctrl+R.
Далее размещаем все остальные компоненты:
И с помощью клавиши F3 рисуем проводники:
Теперь необходимо указать номиналы компонентов - конденсатора, резисторов и источников питания. Для этого надо навести курсор на компонент, нажать правую кнопку мыши, пример для конденсатора:
Мы указали значение ёмкости 1n, т.е. 1000 пФ, так как n обозначает множитель "нано", равный 10-9. Есть и другие множители:
|
|
Для ёмкости, например, 100 пФ, следует указать значение 100p, для 0,1 мк - 0.1u, для одной фарады - 1 (просто 1, без всяких множителей). Разделителем дробного числа служит точка, регистр множителя игнорируется (можно вводить как 1n, так и 1N). Вместо точки можно вводить множитель, например, 1n9 = 1900 пФ.
Дальше вводим значения номиналов резисторов, все по 100 кОм:
Вместо 100k можно вводить 0.1meg, что то же самое.
Для источников питания вводим напряжения по 10 вольт:
В результате получится схема со всеми номиналами:
Теперь осталось только настроить режим моделирования. Для этого в меню Simulate следует выбрать Edit simulation Cmd и заполнить верхние три строки самой первой вкладки (Transient) анализа переходных процессов:
- Stop Time = 0.01
- Time to Start saving Data = 0
- Maximum Timestep = 1u
Расшифруем эти значения:
0.01 - это полное время симуляции;
0 - время, с которого начнётся отображения графика;
1u - максимальный шаг расчёта (чем он меньше, тем более точными получаются графики, но и время расчёта возрастает).
Нижняя строка .tran 0 0.01 0 1u заполняется автоматически.
Дальше следует закрыть это окно, и разместить полученную команду где-нибудь на схеме:
Теперь можно сохранить результат работы (меню File --> Save As).
Затем в панели управления нажать кнопку "пуск" (или в меню Simulate выбрать Run), появится пустое окно симуляции. Теперь нужно навести курсор на какой-нибудь проводник в окне схемы, форма курсора изменится и превратится в щуп, и если теперь кликнуть левой кнопкой мыши, то в окне симуляции появится график осциллограммы напряжения:
Что бы добавить на график другую осциллограмму следует кликнуть по другому проводнику, удерживая нажатой клавишу Ctrl. Если навести курсор на какой-либо компонент, то форма курсора изменится на токовые клещи, соответственно клик в таком случае покажет осциллограмму тока, протекающего через данный компонент.
Что бы удалить какую-либо осциллограмму с графика, следует воспользоваться ножницами (Функциональная клавиша F5).
Запись сигнала в файл.
В схему необходимо будет добавить метку для того проводника, с которого будет сниматься сигнал. Это делается нажатием клавиши F4 или выбором в меню Edit команды Lable Net:
Метку надо как-нибудь назвать, в данном случае out, и поместить её на схему (на какой-нибудь проводник):
Далее надо нажать клавишу S или в меню Edit выбрать команду Spice directive и ввести туда такую строку:
.wave ./file.wav 8 11025 V(out)
Убедитесь, что переключатель Spice directive включён.
Строка .wave ./file.wav 8 11025 V(out) обозначает, что сигнал будет выводиться в файл с именем file.wav, находящийся в той же директории, что и файл со схемой, в формате 8 бит с частотой дискретизации 11025 Гц. Параметры аудиосигнала следует устанавливать такие, которые поддерживает звуковая карта, иначе для прослушивания файла на данном компьютере файл придётся перекодировать (изменить частоту дискретизации и/или разрядность). Если нужно поместить создаваемый файл в другой каталог, то путь к файлу можно указать непосредственно - .wave c:/file.wav 8 11025 V(out).
А так же можно увеличить время симуляции, что бы получить более продолжительное время звучания и увеличить шаг симуляции, что бы ускорить процесс:
И ещё одно важное замечание: амплитуда сигнала, который записывается в файл, должна лежать в диапазоне -1..+1 вольт или ампер, иначе сигнал будет искажён.
Несколько изменим схему, добавив трёхзвенный RC фильтр и делитель напряжения:
Теперь в точке out будет почти синусоидальный сигнал:
Обратите внимание, что при зумировании между ближайших одинаковых точек, лежащих на синусоиде, слева в панели статуса указывается частота сигнала, в данном случае равная 1,36 кГц (точность измерения частоты зависит от точности позиционирования курсора).
И можно прослушать результат вывода в файл: ltspice.mp3.
Файл с последней схемой можно скачать здесь.
Подключение библиотек.
Внимание! По умолчанию библиотека элементов CD4000 отсутствует в программе, её нужно скачать и установить отдельно. Брать здесь. Всю директорию CD4000 поместить в каталог LTspiceIV\lib\sym\CD4000, а файлы CD4066B.lib и CD4000.lib - в каталог LTspiceIV\lib\sub.
Нарисуем схему генератора на триггере Шмитта:
Логический элемент CD40106B возьмём в каталоге [CD4000] (клавиша F2):
Установим время и шаг симуляции (0.001 и 100u):
При попытке запустить расчёт выскакивает ошибка о вызове неизвестной схемы:
Это значит, что не найдена библиотека, в которой описан элемент CD40106B. Необходимо явно указать библиотеку с этим элементом. Это делается нажатием клавиши S или из меню File --> Spice directive и в появившееся окно вводим команду .lib cd4000.lib:
Необходимо убедиться, что переключатель Spice directive выбран.
Теперь запускаем расчёт и получаем результат (установив щуп на выход логического элемента):
Файл со схемой генератора на триггере Шмитта можно скачать здесь.
Запуск симметричного мультивибратора.
Создадим схему классического симметричного мультивибратора на биполярных транзисторах (транзисторы возьмём к примеру, 2N2222).
Обратите внимание, что на схеме справа на проводнике расположен текст OUT - это метка цепи, для её создания надо нажать клавишу F4 (или вызвать из меню Edit-->Label Net) и расположить на проводнике, который мы хотим пометить:
Здесь вводится только слово OUT, ничего больше изменять не надо.
Далее введём параметры режима моделирования (в меню Simulate --> Edit Simulation Cmd): .tran 0 0.01 10n
Если теперь запустить выполнение расчёта (кнопка Run в панели инструментов), то генерации не возникнет. Это связано с тем, что схема идеально симметричная - полностью совпадают параметры транзисторов и пассивных элементов, что в реальных схемах никогда не встречается.
Существует несколько способов решения этой проблемы. Рассмотрим первый способ. Он заключается в том, что в номинал какого-либо элемента схемы вносится незначительное отклонение:
В данном случае слегка увеличено сопротивление резистора R2 до величины 100,01 кОм. Но одного этого недостаточно, схема не запустится. Необходимо добавить в параметры моделирования директиву sturtup (в меню Simulate --> Edit Simulation Cmd отметить галочку Start external DC supply voltages at 0V):
Тогда строка параметров симуляции примет такой вид: .tran 0 0.01 10n startup.
Директива sturtup даёт команду на расчёт начальных условий с отключением независимых источников тока и напряжения, после чего начинается расчёт переходных процессов, независимые источники тока и напряжения подключаются в течении 20 микросекунд после начала расчёта. Теперь мультивибратор запускается:
Рассмотрим второй способ запуска. Для этого изменим сопротивление резистора R2 до первоначальной величины 100 кОм, и отменим директиву sturtup. Теперь разместим на схеме spice-директиву, устанавливающую начальные условия: .ic V(OUT)=5. Для этого надо нажать клавишу T или в меню Edit выбрать Text:
И обязательно отметить галочку SPICE directive, что бы текст воспринимался как команда! Дальше нажать ОК, и разместить текст где-нибудь на схеме:
Директива .ic V(OUT)=5 (ic - аббревиатура от internal condition) устанавливает напряжение 5 вольт в точке OUT схемы в момент подачи напряжения питания (после завершения расчётов по постоянному току напряжение 5 вольт снимается), что позволяет запустить мультивибратор:
Схему мультивибратора можно скачать здесь.
См. также Применение LTSpice для измерения входного и выходного сопротивлений усилительных каскадов