Нелинейный анализ генераторов

MWOпозволяет выполнить анализ генераторов методом гармонического баланса, в частности: определить частоту колебаний генератора; вычислить спектр генератора, включая побочные гармонические продукты; выполнить анализ фазового шума.

Вообще, генераторы могут быть проанализированы в частотной области (с помощью метода гармонического баланса) или во временной области (с помощью программы SPICE). MWO использует метод гармонического баланса со следующими особенностями: установившееся состояние вычисляется сразу, без расчета переходного процесса; анализ в частотной области использует результаты ЕМ моделирования, измеренные или рассчитанные S-параметры.

Чтобы решать такие задачи MWO использует специальное устройство, называемое «генераторный зонд». Поэтому рассмотрим генератор, работающий в установившемся режиме. К узлу Х приложим источник синусоидального напряжения. Полное сопротивление источника равно Z(ω)=0, ω=ω_р; Z(ω)= ∞, ω≠ω_р, то есть зонд выполняет короткое замыкание на частоте генерации и размыкает цепь на всех других частотах. Комбинация источника и идеального элемента Z(ω) называется генераторным зондом.

Теперь предположим, что напряжение зонда точно равно напряжению установившегося режима в узле Х. Тогда никакие токи не текут через зонд на частоте ω_р. Кроме того, согласно определению Z(ω), ток не течет через зонд на любой другой гармонике. Зонд не нарушает схему, его частота равняется частоте колебаний ω_р, и его амплитуда равняется амплитуде в узле, с которым генератор связан первоначально с разъединенным генератором и зондом. Итак, задачу достижения установившегося режима работы генератора можно сформулировать следующим образом: подключаем генераторный зонд к подходящему узлу на схеме; находим амплитуду и частоту, при которых ток через зонд равен нулю. Таким способом анализ генератора сводится к стандартному

гармоническому балансу, имеющему подпрограмму поиска состояния параметров зонда (амплитуды и частоты), при котором ток через его зажимы равен нулю. Описанная процедура – основа для моделирования генераторов в MWO.

Важно знать, что параметры зонда влияют на скорость и, в конечном счете, на сходимость анализа генератора. Хотя большинство пользователей найдет анализ генератора быстрым и простым, полезно знать, как выбирать параметры зонда, чтобы избежать ошибки. Символ генераторного зонда OSCAPROBE имеет вид представленный на следующем рисунке и хранится в библиотеке измерительных компонентов проекта MeasDevice/Probes.

Наиболее важные параметры зонда Fstart и Fend. Эти два параметра задают диапазон поиска частоты генерации. Обычно достаточна полоса ±25% от центральной частоты резонатора. Fsteps – число частотных точек, используемых в поиске частоты генерации и его можно оставить значением по умолчанию. Исключения могут быть в случаях чрезвычайно высокой добротности резонатора, когда Fsteps нужно увеличить, или сузить диапазон частотного поиска.

Зонд имеет ряд вторичных параметров, которые используются для улучшения сходимости или увеличения скорости моделирования (их лучше всего оставить значениями по умолчанию): VpMax, Vsteps. Управляющее напряжение зонда пошагово изменяется. Напряжение зонда меняется от маленького значения до VpMax с шагом Vsteps, для нахождения точки генерации для последующего строгого анализа генератора. Если имитатор возвращается с сообщением «Невозможно найти исходную точку для анализа генератора», вам нужно увеличить Vsteps и/или VpMax.

Менее значимые параметры: Iter, Damp. Iter – общее количество итераций анализа, Damp – параметр для так называемого демпфирования итераций Ньютона. Уменьшение Damp или увеличение Iter от значений «по умолчанию» может улучшить сходимость.

Место размещения зонда играет важную роль в моделировании генератора. Рекомендуется помещать его в узле, подключающем резонатор и активный прибор (транзистор). Во многих случаях другое положение зонда приведет к успеху и более быстрому моделированию. Однако пользователю лучше применять рекомендуемое размещение зонда.

Для создания и анализа генератора делаем следующие шаги:

Шаг 1 – Создание нового проекта. Выбрать из меню команд File/New Project,затем выполнить команды File/Save Project As, ввести имя проектаи нажать кнопку Save.

Шаг 2 – Создание схемы питания нелинейного элементе генератора без резонатора. Выполнить последовательно команды Project/Add Schematic/New Schematic….В открывшемся окне Create New Schematic ввести имя схемы – Feedback network. Нажать кнопку OK. В созданном окне составить схему изображенную на рисунке. При этом транзистор BFS17 взять из библиотеки элементов Library/Nonlinear/ Motorola/GBJT (после размещения транзистора на рабочем столе необходимо поменять его изображение на более привычное. Для этого двойным щелчком по транзистору откроем окно

редактирования его свойств. Перейдем на вкладку Symbol и в списке Symbol name выберем изображение транзистора под названием BJT@system.syf.); конденсаторы CAP и резисторы RES из библиотеки Lumped Element/Capacitor (Resistor); связанные катушки индуктивности MUC2 взять из библиотеки Lumped Element/Coupled Inductor; источник постоянного напряжения DCVS находится в библиотеке Sources/DC. Внимание!!! Обратите внимание на подсоединение индуктивности.

Шаг 3 – Создание схемы резонатора. Выполнить последовательно команды Project/Add Schematic/New Schematic….В открывшемся окне Create New Schematic ввести имя схемы – Resonator. Нажать кнопку OK. В созданном окне составить схему изображенную на рисунке. Кварцевый резонатор CRYSTAL находится в библиотеке Lumped Element/Resonators, элемент CIND в библиотеке Lumped Element/Inductor. Шаг 4 – Создание схемы генератора. Выполнить последовательно команды Project/Add Schematic/New Schematic….В открывшемся окне Create New Schematic ввести имя схемы –Oscprobe Crystal Osc. Нажать кнопку OK. В созданном окне

разместить созданные в шагах 3 и 4 «функциональные блоки» цепей смещения с нелинейным элементом и резонатора, то есть из библиотеки Subcircuits на рабочий стол вынести элементы Feedback network и Resonator, собрать схему с генераторным зондомOSCAPROBEи отредактируйте

его параметры (см. рисунок). Шаг 5 – Расчет характеристик генератора. На вкладке Frequency Values окна Project Options вызванного либо по команде Options/Project Options…, либо двойным щелчком по блокуProject Options(с закладки Proj окна просмотра проектов) введите частоты расчета 24 – 26 МГц (шаг приращения частот 0.025МГц). Создайте прямоугольный (Rectangular) график спектра выходного сигнала генератора (Meas. Type – Nonlinear Power; Measurement –Pharm; Data Source Name – выбрать Oscprobe

Crystal Osc; Measurement Component – Port_1; Frequency Swp Index и Power Swp Index – 1; отметить элемент DBm, т.е. график построить в дБм). Для построения графика выполнить команду Simulate/Analyze. Поместить маркер на основную гармонику (активизировать график нажить

правую клавишу мыши и выбрать команду Add Marker). Далее необходимо построить график напряжения на выходе генератора (тип графика - Rectangular; в диалоговом окне добавления характеристики на график выбрать: Meas. Type – Nonlinear Voltage; Measurement –Vtime; Data Source Name – выбрать Oscprobe Crystal Osc; Measurement Component – Port_1; Frequency Swp Index и Power Swp Index – 1). Как правило, на СВЧ частотах генераторы состоят из схемы с отрицательным сопротивлением и пассивного резонансного контура, который задает частоту колебаний (в нашем случае блоки Feedback network и Resonator). То есть мы можем графически отобразить условия начала возбуждения генератора (вещественная часть сопротивления генератора должна быть меньше 0, а реактивные составляющие коэффициента отражения S₁₁ блоков Feedback network и Resonator должны быть одинаковыми, но разными по знаку (суммарная фазаS₁₁этих блоков равна

нулю не частоте генерации)).

Для упрощения построения графиков условий генерации и получения новых навыков работы с MWO воспользуемся составлением выходных уравнений (мы создадим два уравнения – относительно мнимых частей S₁₁ и вещественных частей сопротивлений блоков Feedback network и Resonator, после чего отобразим полученные уравнения на графиках). Для этого на вкладке Proj менеджера проекта дважды кликнуть по блоку Output Equations. После открытия одноименного окна выбрать команду Add/Output Equations (или нажать на «гарячую» клавишу ) и в появившемся окне Add New Measurement Equation задать все необходимые данные для первой переменной первого уравнения (Variable Name – zangsource (имя переменной); Meas. Type – Port Parameters; Measurement –S; Data Source Name – выбрать Feedback network; To Port Index и From Port Index – 1; Complex Modifier – Angle (выбираем только фазу S₁₁)). Далее аналогичные действия производим для второй переменной первого уравнения (Variable Name – zangresonator; Meas. Type – Port Parameters; Measurement –S; Data Source Name – выбрать Resonator; To Port Index и From Port Index – 1; Complex Modifier – Angle). Следующий шаг – составление уравнения с использованием созданных переменных. Для этого выполняем команду Add/Equation (клавиша ) и набираем выражение: zangtotal=(zangsource+zangresonator)*(180/_PI).

По аналогии выполняется составление переменных и уравнения относительно вещественных сопротивлений блоков Feedback network и Resonator (Complex Modifier уже выбирается как Real, а в Measurement выбирается Z). В результате в окне выходных уравнений должны быть следующие строки (см. текст на английском). После того как мы получили выходные уравнения условий генерации, отобразим их на прямоугольном(Rectangular)

графике. При этом сперва на него добавим характеристику со следующими параметрами: Meas. Type – Output Equations; Measurement –Eqn;EquationName – zrealtotal (имя последнего созданного нами уравнения); Complex Modifier– Real. Далее на этот график добавляем еще одну характеристику: Meas. Type – Output Equations; Measurement –Eqn;EquationName – zangtotal (имя первого созданного уравнения); Complex Modifier– Angle. Полученные при этом характеристики можно видеть на рисунке.

При этом, для того чтобы кривые на графике хорошо просматривались график был отредактирован. То есть окно с графиком было сделано активным, выполнена команда Graph/Properties… , а в открывшемся окне на закладке Measurements выбрана кривая zangtotal:Ang(Eqn), радиокнопка Right, нажата кнопка Apply. Т.о. как видно из полученного спектра выходного сигнала генератора, временной характеристики сигнала, и графика отрицательного сопротивления линейного

четырехполюсника (линеаризированного генератора) частота генерации составляет 25 МГц (период равен 40 нс).

В заключение приведем список встречающихся трудностей при проектировании генераторов и возможные решения.

Проблема 1. Имитатор возвращается с сообщением Could not detect start-up conditions in the specified frequency range. Решение – убедитесь, что схема удовлетворяет условию запуска в части коэффициента усиления по петле или отрицательного сопротивления. Поместите зонд как предложено в начале раздела анализа генераторов (см. первый рис. указанного раздела). Проверьте, что параметры зонда Fstart и Fend, находятся вблизи частоты резонатора (см. выше описание генераторного зонда). Как последний шанс, увеличьте Fsteps.

Проблема 2. Имитатор выдает сообщение Could not find an initial guess for oscillator analysis. Решение – увеличьте параметры VMax и Vsteps.

Проблема 3. Имитатор возвращает сообщение Oscillator simulation failed to converge. Решение - увеличьте Vsteps.

Проблема 4. Отсутствует сходимость в процессе моделирования. Решение – увеличить число шагов в установках гармонического баланса.

Проблема 5. Имитатор возвращается с несходимостью метода гармонического баланса. Решение – увеличьте число (tone-1) гармоник в параметрах гармонического баланса.

Проблема 6. Зонд был помещен в схему, но моделирование не выполняется. Решение – определите нелинейную характеристику типа Pharm, Pcomp, Vtime, и т.д., или характеристику Oscillation Frequency, OSC_FREQ.

12

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:

©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.