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:

Главное окно программы моделирования схем LTspice

Дальше следует создать новый файл (меню File --> New schematic), при этом станут активными почти все значки верхней панели инструментов:

значки верхней панели инструментов программы LTspice

Кроме значков в панели инструментов будут полезными функциональные клавиши:

  • R - выбрать резистор;
  • C - выбрать конденсатор;
  • L - выбрать индуктивность;
  • D - выбрать диод;
  • G - выбрать землю;
  • T - текст;
  • S - Spce директива;
  • F2 - выбор компонента;
  • F3 - рисовать проводник;
  • F4 - метка узла;
  • F5 - удалить;
  • F6 - копировать;
  • F7 - передвинуть;
  • F8 - перетащить;

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:

окно выбора компонентов программы

Выбор операционного усилителя в окне компонентов в симуляторе LTspice

и помещаем её на схему, кликнув в главном окне один раз в той точке, где он будет размещён:

Размещение операционного усилителя на схеме

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:

Создание схемы в программе - симуляторе LTspice

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:

Добавление компонентов на схему в симуляторе LTspice

И с помощью клавиши F3 рисуем проводники:

Создание проводников на схеме

Теперь необходимо указать номиналы компонентов - конденсатора, резисторов и источников питания. Для этого надо навести курсор на компонент, нажать правую кнопку мыши, пример для конденсатора:

Указание номиналов компонентов

Мы указали значение ёмкости 1n, т.е. 1000 пФ, так как n обозначает множитель "нано", равный 10-9. Есть и другие множители:

  • M - милли = 10-3
  • U - микро = 10-6
  • N - нано = 10-9
  • P - пико = 10-12
  • F - фемто = 10-15
  • K - кило = 103
  • MEG - мег = 106
  • G - гига = 109
  • T - тера = 1012

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:

Указание номиналов резисторов

Вместо 100k можно вводить 0.1meg, что то же самое.

Для источников питания вводим напряжения по 10 вольт:

Ввод параметров источников питания

В результате получится схема со всеми номиналами:

Готовая схема со всеми номиналами в симуляторе LTspice

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:

Настройка режима моделирования программы-симулятора

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:

Размещение директивы 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:

Окно с осциллограммой в симуляторе LTspice

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:

Добавление метки для проводника

Метку надо как-нибудь назвать, в данном случае out, и поместить её на схему (на какой-нибудь проводник):

Метка на схеме генератора

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)

Вывод сигнала в файл

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:

Увеличение времени симуляции в программе LTspice

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:

Схема генератора на операционном усилителе и трёхзвенном RC фильтре

Теперь в точке out будет почти синусоидальный сигнал:

Форма сигнала на выходе генератора с трёхзвенным RC фильтром

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:

Схема генератора на триггере Шмитта на основе логического элемента 40106

Логический элемент CD40106B возьмём в каталоге [CD4000] (клавиша F2):

Библиотека КМОП микросхем серии CD4000 в симуляторе LTspice

Установим время и шаг симуляции (0.001 и 100u):

Настройка параметров симуляции схемы генератора на основе триггера Шмитта

При попытке запустить расчёт выскакивает ошибка о вызове неизвестной схемы:

Окно с ошибкой о вызове неизвестной схемы в LTspice

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:

Как явно указать библиотеку с элементом в симуляторе LTspice.

Необходимо убедиться, что переключатель Spice directive выбран.

Теперь запускаем расчёт и получаем результат (установив щуп на выход логического элемента):

Результат работы схемы генератора на триггере Шмитта

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).

Схема классического симметричного мультивибратора на биполярных транзисторах

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:

Расположение метки на проводнике

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:

Изменение номиналов схемы симметричного мультивибратора

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):

Изменение параметров моделирования

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:

Осциллограмма на выходе симметричного мультивибратора

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:

Установка начальных условий моделирования схемы

И обязательно отметить галочку SPICE directive, что бы текст воспринимался как команда! Дальше нажать ОК, и разместить текст где-нибудь на схеме:

Размещение директивы, задающей начальные условия моделирования

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:

Генерация на выходе симметричного мультивибратора

Схему мультивибратора можно скачать здесь.

См. также Применение LTSpice для измерения входного и выходного сопротивлений усилительных каскадов

BACK

Рейтинг@Mail.ru