Форум » Моделирование аналоговых устройств » Расчет гармоник и интермодуляционных искажений » Ответить

Расчет гармоник и интермодуляционных искажений

Aml: Достаточно типичная задача при анализе усилителей - расчет гармоник и интермодуляционных искажений. Начиная с 8-й версии в MicroCap существенно расширены возможности таких расчетов и деже выделен отдельный тип анализа - Distortion Расчет нелинейных искажений в режиме Distortion Начиная с 8-й вервии появился отдельный режим анализа - Distortion, который, собственно, и позволяет анализировать искажения. Пример использования этого режима - файл dist1.cir (из каталого DATA) Установки анализа Результаты моделирования Кратко про этот вид анализа: Анализ нелинейных искажений Запускается командой Analysis>Distortion или Alt+8. Анализ искажений (Distortion) представляет собой разновидность анализа переходных процессов. При этом виде анализа ко входам схемы подключается источник синусоидального напряжения (тока), а на выходе измеряются его искажения путем использования функций спектрального анализа, например IHD (Individual Harmonic Distortion). Когда сигнал идеальной синусоидальной формы прикладывается к входу линейной схемы, сигнал на выходе тоже будет представлять идеальную синусоиду с той же частотой. Спектральные составы сигналов на входе и на выходе в этом случае одинаковы, за исключением, возможно, значений амплитуд и фаз. Случай прохождения гармонического сигнала и сигнала сложной формы через линейную схему соответствует отсутствию нелинейных искажений. Если схема не является абсолютно линейной, на выходе появятся сигналы с частотами, кратными частоте входного синусоидального сигнала. В результате выходной сигнал обогатится высшими гармониками. Это и есть про-явление нелинейных искажений, вносимых схемой в передаваемый сигнал. Функция спектрального анализа IHD (Individual Harmonic Distortion) рассчитывает отношение в процентах амплитуды указанной высшей гармоники к амплитуде первой гармоники, т.е. определяет вклад каждой гармоники в общий коэффициент нелинейных искажений (коэффициент гармоник). Для проведения анализа искажений ко входу схемы обязательно должен быть подключен источник синусоидального сигнала (Sine Source или SPICE-источники): Voltage Source, Current Source). Все параметры источника входного сигнала устанавливать необязательно, поскольку амплитуда и частота выбираются в диалоговом окне Distortion Analysis Limits Задание параметров моделирования Distortion Analysis Limits Для демонстрации и объяснения установок данного вида анализа можно рассмотреть пример disr1.cir из каталога DATA. Диалоговое окно Distortion Analysis Limits имеет следующие поля для ввода исходных данных. Fundamental Frequency. Это частота гармонического сигнала, используемая при анализе искажений. По этому значению устанавливается частота входного синусоидального источника при выполнении анализа. Input Source Name: имя источника входного сигнала (в качестве которого может выступать независимый источник Pulse, Sine, или Voltage Source и Current Source синусоидальной формы). Его присутствие в схеме на входе схемы обязательно для данного вида анализа; Input Source Amplitude — диапазон или список значений амплитуд сиг-нала входного источника, при которых будет производиться анализ искажений. List. Список значений амплитуд, в котором перечисление ведется через запя-тую, например 100mv,10mv, 1mv. Linear. Задание линейного диапазона изменения амплитуды с определенным шагом End, Start, Step. Пример: 1.0, 0.5, 0.1. Log. Задание логарифмического диапазона изменения амплитуды с шагом: End, Start, Multiplier. Пример: 1.0, 0.01, 10 Как видно, для всех перечисленных способов ввода значений амплитуды, соблюдается общий формат задания варьирования параметров. Если необходимо в дополнение варьировать другой параметр, можно сделать соответствующие установки в диалоговом окне Stepping. Output expression: выходная функция, анализируемая на искажения. Обычно это простое выражение типа V(out). Однако в принципе оно может иметь любой вид. Так, например, можно анализировать на искажения активную мощность, выделяемую на нагрузке PD(RLOAD) и пр.; Temperature: Задает значения температуры, при которых производится анализ согласно принятому в программе формату варьирования параметров. Simulation Cycles — число периодов входного гармонического сигнала основной частоты, в течение которых выполняется расчет переходных процессов. Этого времени должно быть достаточно для выхода схемы на установившийся режим. Для большинства случаев достаточно 3–5 периодов сигнала основной гармоники. Следует отметить, что хотя расчет переходных процессов выполняется в течение заданного количества периодов гармонического воздействия, спектральный анализ производится для последнего периода сигнала. Например, если задана фундаментальная частота 10кГц и 5 периодов, MC8 выполнит моделирование переходных процессов до момента времени Tmax=5/F0=5/10K=5*100мкс=500мкс. Затем для проведения спек-трального анализа нелинейных искажений будет использован последний пе-риод симуляции, т.е. промежуток времени от конца 4-го периода 400мкс до конца 5-го периода 500мкс. Эта усеченная синусоида и будет выведена на соответствующем графике для выходного сигнала. Maximum Time Step: Максимальная величина шага по времени при рас-чете переходных процессов. Обычно устанавливается в пределах от .001 до .01 от полного времени анализа для достаточной точности расчета отклика на выходе. Ряд функций спектрального анализа для характеристики искажений огра-ничен 3-мя функциями, которые уже имеются в окне графиков: HARM(u) — расчет гармоник сигнала u; THD(S[,F]) — коэффициент нелинейных искажений спектра S, в процентах относительно уровня составляющей на частоте F; IHD(S[,F]) — коэффициент нелинейных искажений отдельных состав-ляющих спектра S, в процентах относительно уровня составляющей на частоте F. В рассмотренном примере на вход схемы подается синусоида частотой 10кГц и амплитудой 50мВ от источника V709, в качестве которого используется синусоидальный источник напряжения формата SPICE. Анализ произво-дится в течение 5 периодов (500мкс), выходное напряжение V(23) подверга-ется спектральному анализу на интервале от 400мкс до 500мкс. На график выводятся амплитуды гармоник выходного напряжения (функция HARM), коэффициент нелинейных искажений отдельных составляющих спектра (IHD), суммарный коэффициент гармоник (THD). Графики показывают, что основной вклад в нелинейные искажения вносят вторая (0,7%) и третья гармоники (1,75%). Полный коэффициент гармоник со-ставляет величину 1,85%. Особенности моделирования Искажения имеют сильную зависимость от начальных условий анализа. Данная зависимость особенно сильно проявляется при недостаточно большом количестве периодов основной частоты. Убедиться в этом можно, запустив анализ искажений при установленном и сброшенном флажке Operating Point. Для рассмотренного примера сильное расхождение результатов наблюдаются при числе периодов (Simulation Cycles) равном 3. Кроме того, искажения сильно зависят от уровня входного сигнала из-за нелинейности передаточных характеристик схем. Например, для усилителей класса А, при возрастании амплитуды входного сигнала, они увеличиваются. Для усилителей класса B при возрастании входного сигнала искажения сначала уменьшаются, затем увеличиваются.

Ответов - 57, стр: 1 2 3 All

qwer: К сожалению, мне приходится пользоваться внешними таблицами, калькулятором, чтобы получить зависимости Кг, Ки от Рвых и частоты. Действительно это совсем не то, что хотелось бы иметь от МС, что не прибавляет популярности МС и не поднимает рейтинг по отношению к другим подобным программам. Предлагаю оставить проблему открытой, может поступят дельные предложения от уважаемых форумчан. А пока вопрос. Очень часто требуется оценить распределение гармоник выходного напряжения в дБ. Я поступаю следующим образом: 1. По графику выходного напряжения определяю амплитудное значение полуволны синусоиды, например, амплитуда равна 31 В. 2. Строю второй график в Transient при помощи формулы: db(Harm(V(OUT))/31), получается график приведенный на рис. При изменении параметров элементов схемы изменяется коэффициент передачи и выходное напряжение, что не дает в динамике при помощи функций Wind 3d Perfomens корректно оценить гармоники выходного напряжения в дБ. Есть ли возможность в приведенной формуле вместо числа 31 использовать другую запись с привязкой к амплитуде вых напряжения?

Marina: Если я правильно поняла, в этом случае следует использовать функцию определения индивидуального коэффициента гармоник по отношению к основной. В вашем случае это DB(IHD(V(out))) или DB(IHD(v(out),1k)). 1k указывается, если время расчета в кратное число раз больше 1ms. Попробуйте.

qwer: Функция IHD работает совместно с функц HARM, напрямую IHD(V(OUT)) не получится. Выражение db(IHD(Harm(V(OUT))) дает неверный результат. А в формуле db(Harm(V(OUT))/31) вместо 31 не удается прописать амплитудное значение V(OUT)?

Marina: Сообразила, в чем дело. IHD вычисляется в %. Поэтому перед взятием логарифма, надо функцию IHD поделить на 100. См. прикрепленный пример анализа усилительного каскада с ОЭ, Transient. Там специально организован степпинг, чтобы при разных уровнях выходного сигнала, считался уровень отдельной гармоники в Дб (4 график). http://slil.ru/25146899

qwer: Вы прямо Марья кудесница. Не перевелась еще земля Русская умными красивыми девчатами. Все работает. Полное совпадение с моими результатами. Задача автоматизации процесса измерения в дБ решена. Поклон Вам, Марина, нижайший!

Sultantiran: К сожалению файлы по ссылкам недоступны... Можно их еще раз выложить? Например из 13 сообщения, от Марины.

Aml: К сожалению файлы по ссылкам недоступны... Есть такое дело. Если файл никто не скачивает в течение месяца - он удаляется. Сегодня вечером попытаюсь обновить ссылки.

Sultantiran: Спасибо, буду проверять периодически.

Marina: Файлы выложены (в формате MC8 в архиве) imd

Sultantiran: Спасибо, буду смотреть и разбираться :-)

Aml: На форуме http://forum.cxem.net увидел вопрос: Всем привет! Подскажите чайнику, как искажения посмотреть в этой модельке. Хотелось бы, чтоб по X были частоты (20-20000) в лог. шкале, как на шильдиках от колонок, а по Y искажения в процентах (0,001 и т.д.) Как это сделать, какие команды выполнить и что вписать куда. Спасибо. И приложена схема усилителя: Эта задача позволяет проиллюстрировать новые возможности Micro-Cap, присущие только 9-й версии. На том форуме мы с Мариной ответ уже разместили, а теперь дублирует его здесь.

Marina: Интересующая Вас характеристика (а именно зависимость коэффициента нелинейных искажений в % от частоты) - в окне Perfprmance анализа переходных процессов Transient. Для ее получения необходимо запустить анализ Transient, а затем после его окончания (у меня на Core Duo 2 длится 2 мин.), дать команду Transient>Performance>High_Y(thd(harm(v(18)),freq),1) vs FREQ. Принципиально шагалку по Freq делать от максимальной частоты к минимальной, если наоборот - искомая зависимость посчитается неправильно.

Marina: Более подробно это выглядит так: 1. Запустить анализ переходных процессов. 2. Установить параметры анализа 3. Установить параметры степинга 4. Сделать установки анализа Фурье в окне FFT (расчет для последнего из 10 периодов) 5. Запустить анализ. Появится вот такое окно Расчет займет некоторое время (у меня около 2 минут). После чего на нижних графиках появятся значения гармоник. 6. После этого надо записать функцию Performace для вывода графика зависимости искажений от частоты. Для этого надо выполнить команду Add Performace Window закладки Performace Windows меню Transient и заполнить открывшееся окно 7. Теперь, если поставить галочку в пункте Show High_Y(thd(harm(v(18)),freq),1) vs FREQ. на график будет выводиться требуемая зависимость Кроме того, если вывести в Micro-Cap сразу несколько окон и сохранить файл, то при повторном запуске анализа окно Performace будет появляться сразу без дополнительных команд (что и сделано в прикрепленном файле) В прикрепленном файле схема Micro-Cap 9 со всеми необходимыми установками для вывода графика зависимости искажений от частоты http://microcap-model.narod.ru/CIR/LANZARIRF640_Aml.rar

qwer: Марина! Вы снова показываете мастер класс! Кг в диапазоне частот очень важная и необходимая характеристика для УМЗЧ. Теперь и в МС появилась возможность более полно оценить способность исследуемого УМЗЧ. Есть маленькое добавление к вашим примерам. Значение Maximum Time Step должно отличаться не менее чем в 1000 раз от значения Time Range, в этом случае обеспечивается минимальная погрешность "измерений". В приведенном примере на низких частотах это условие выполняется с избытком (поэтому время измерения затягивается), на высоких частотах в 20 раз (на 20кГ) ниже требуемого, что приводит к очень большой погрешности измерений Кг на верхних частотах усиления (десятки раз). Как избежать этого негативного эффекта? На фиксированной частоте это сделать просто, а вот в диапазоне частот удержать оптимальным соотношение Maximum Time Step и Time Range возможно лишь сделав переменной Time Range. Один из вариантов - установить Time Range равное 200u/freq. Теперь вы получите график зависимости Кг от частоты близкий к "реалии".

Marina: Интересно, вот и сомневайся теперь в передаче мыслей на расстояние! Вчера примерно в час ночи меня осенила мысль о том, что если я делаю диапазон расчета переменным (зависящим от freq), то очевидно можно сделать и шаг расчета переменным, также определяемым шагающим параметром freq. Но время позднее, решила отложить до утра. Сегодня утром попробовала, потом зашла в форум - а здесь уже имеено такой совет, правда у меня реализация немного другая. Поскольку в параметрах Фурье анализа (окно FFT) задано количество точек 1024, то оптимальным шаг по времени устанавливать равным периоду сигнала, поделенным на указанное количество. При меньшем шаге при проведении Фурье-анализа все равно будет производиться интерполяция, поэтому он не сильно увеличит точность расчета, а увеличит время его проведения. При большем шаге уменьшается точность из-за более грубой интерполяции между узлами (MC9 использует линейную интерполяцию). Таким образом, я установила timestep=1/freq/1024. Вот, что получилось в достаточно широком диапазоне частот Вот установки для анализа: Теперь я не понимаю, почему так себя ведет THD и должно ли так быть на самом деле (в физическом эксперименте)?. Схема здесь - http://microcap-model.narod.ru/CIR/LANZARIRF640-DIST_Aml_1.rar

qwer: Да Марина. Вот так и создаются современные творческие коллективы - при помощи телепатических связей. THD так и должен себя вести. Кг с ростом частоты увеличивается в УНЧ с общей отрицательной обратной связью. Это происходит по нескольким причинам, в том числе из-за уменьшения петлевого усиления и как следствие ухудшения исправляющей способности УНЧ. В Вашем примере на 100 кГ коэф гармонич искажений около 0,5%.

Marina: Большое спасибо за ответ. Все стало понятно. Теперь мои сомнения по поводу адекватности результатов моделирования двухтактных УНЧ значительно рассеялись.

ddmm2008: For all У меня довольно серьезный вопрос. Насколько коррелируют результаты исследования нелинейных искажений программы Микрокап и реальной схемы? Проводил ли кто-нибудь подобные эксперименты?

Aml: Как я понимаю, qwer такие эксперименты проводил. По поводу точности результатов, полагаю, что они в первую очередь зависят от адекватности spice-моделей компонентов, Micro-Cap тут, собственно, влиять на точность не должен.

ddmm2008: У меня получен несколько противоречивый результат. Проведен анализ одной из схем действующего усилителя в Micro-Cap9, динамический диапазон в программе на 18 Дб хуже, чем в схеме реального действующего усилителя (Кн=110Дб). Просто в Micro-Cap разработаны на той же элементной базе несколько вариантов схем УМЗЧ с расчетным динамическим диапазоном 122-136 Дб, но они несколько сложнее предшествующей модели. Мне что-то не сильно верится, что расчетные модели программы верны.



полная версия страницы