W poprzednim, czwartym artykule z tej serii zajmowaliśmy się typowymi źródłami prądu i napięcia w omawianym symulatorze — QSPICE. W kolejnej odsłonie przyjrzymy się bardziej zaawansowanym i złożonym źródłom, generatorom, które wykorzystują dane zapisane w pliku. Są to bardzo wszechstronne i potężne narzędzia.
Plik PWL
Jeśli projektanci potrzebują szczególnie skomplikowanej fali lub przebiegu zawierającego realne próbki np. nagrane przez jakieś urządzenie, mogą używać tzw. plików PWL. Mogą one charakteryzować dowolny rodzaj sygnału, ponieważ próbki opisujące go są przechowywane w pliku tekstowym. Aby zaimportować dane sygnałowe do QSPICE, trzeba dołączyć plik tekstowy jako funkcję PWL. Plik PWL musi zawierać listę dwuwymiarowych punktów reprezentujących pary czasu i wartości, oddzielonych przecinkami, bez informacji nagłówkowej. Ten typ generatora rysuje sygnał na podstawie prostych odcinków między punktami zdefiniowanymi w pliku tekstowym. Ogólnie rzecz biorąc, aby uzyskać dokładniejsze odwzorowanie rezultatów, zaleca się zwiększenie liczby punktów używanych do jego opisu. Wynika to z faktu, że większa liczba punktów pozwala uwzględnić więcej szczegółów, poprawiając definicję i jakość odwzorowania. Przykładowy plik danych wygląda następująco:
Pierwsza kolumna przedstawia czas, wyrażony w sekundach, natomiast druga — wartość napięcia, wyrażoną w woltach. Aby dodać plik tekstowy jako funkcję PWL do źródła napięcia lub prądu, można napisać następujący atrybut SPICE w komponencie:
PWL FILE=”samples.txt”
Poniższy przykład, przedstawiony na rysunku 1, pokazuje przebieg trzęsienia ziemi zarejestrowanego przez specjalny czujnik. Generator wyświetla rzeczywisty ślad sejsmiczny trwający około 264 sekundy. Pokazany jest również schemat elektryczny do użycia, który obejmuje generator PWL i opornik obciążenia. Sygnał jest pobierany z węzła: „Signal”. Plik tekstowy zawierający próbki to: „samples.txt” i ma następujące cechy:
– zajmuje tylko 49 kilobajtów w pamięci;
– składa się z ponad 3000 próbek;
– jego rozdzielczość czasowa wynosi 70 ms.
To nie jest szczególnie duży plik, tworzy go przeciętna liczba rekordów, z którą oprogramowanie to radzi sobie bardzo dobrze.
Rys.1. Za pomocą generatora typu: „PWL file” można generować dowolny sygnał, którego opis jest przechowywany w pliku tekstowym.
Przy kolejnych operacjach, które dokładniej omówimy w następnych częściach, możliwe jest np. analizowanie FFT sygnału, aby badać specyfikę i odpowiedzi czujników. Na przykład na rysunku 2 przedstawiono FFT wcześniej nagranego sygnału sejsmicznego, co wyraźnie ukazuje charakterystykę wahadła sejsmicznego. W szczególności zauważa się następujące cechy sygnału:
* W tym przykładzie czujnik sejsmiczny ma naturalną częstotliwość podstawową wynoszącą 1 Hz, z amplitudą 14 dB.
* Wykres uwidacznia istotną trzecią harmoniczną o częstotliwości 3 Hz, co jest całkowicie normalne.
Analiza szybkiej transformacji Fouriera (FFT), która została właśnie omówiona, została obliczona na przebiegu zarejestrowanym przez czujnik przez łączny czas trwania 264 sekundy. Wykres obejmuje zarówno aktywne interwały sygnału, gdzie ten zmienia się w czasie, jak i interwały bez wyraźnego sygnału, gdzie jest on stały. Możliwość analizy FFT sygnału to bardzo ważna operacja, która jednak zostanie dokładniej omówiona w przyszłych artykułach.
Intensywne użycie plików PWL
Całkowicie zasadne jest zapytanie, czy ten rodzaj generatora może również obsługiwać duże ilości danych. W kolejnym przykładzie używany jest znacznie większy plik PWL, który zawiera przebieg zmian temperatury otoczenia mierzonej przez okres około 4 dni. Plik tekstowy dostarczający próbki to: „temperatures.txt” i ma następujące cechy:
* Zajęcie pamięci masowej wynosi około 9 MB.
* Składa się z ponad 379 512 próbek.
* Czasowa rozdzielczość stanowi 1 s.
* Czas trwania nagrania wynosi około 4 dni.
To bardzo duży plik, a celem testu jest obserwacja wydajności oprogramowania. Reprezentacja pierwszych dziesięciu linii pliku, który zawiera liczby sekund (w pierwszej kolumnie) i temperaturę (w drugiej), wygląda następująco:
Schemat elektryczny jest taki sam jak w poprzednim teście. Uruchomienie symulacji i wyświetlenie napięcia na węźle: „signal” generuje wykres przedstawiony na rysunku 3. Choć generator prezentuje wyniki jako napięcie elektryczne, dane zapisane w archiwum to tak naprawdę pomiar temperatury. Projektanci muszą zawsze brać to pod uwagę. Jak można zrozumieć, pliki PWL są bardzo potężnym narzędziem, które można używać do symulowania różnych rodzajów fal. Oferują one kilka zalet w porównaniu ze wstępnie zdefiniowanymi kształtami tychże, co czyni je praktycznymi w różnorodnych zastosowaniach. Pozwalają one zdefiniować kształty fal z dowolną precyzją. Co umożliwia symulację prawdziwych, które w przeciwnym razie nie mogłyby być reprezentowane przez wstępnie zdefiniowane ani opisane równaniami matematycznymi. Są również przydatne do symulacji i analizy sygnału dźwiękowego lub ogólnie jakiegokolwiek istniejącego sygnału w dziedzinie czasu.
QSPICE przeprowadził symulację szybko i płynnie, wczytując dane w zaledwie 3-4 sekundy. Rezultaty i wykresy pojawiły się natychmiast na monitorze komputera, bez żadnych opóźnień. Ten wynik jest zaskakujący, biorąc pod uwagę, że symulacja obejmowała ponad 380 tysięcy rekordów. Zarządzanie tak dużą ilością danych nie jest trywialną operacją i wymaga użycia zaawansowanych algorytmów, aby szybko reagować na żądania użytkownika.
Funkcje matematyczne
W generatorach napięcia i prądu można zaimplementować automatyczne funkcje matematyczne, aby uzyskać przydatne kształty fal wyjściowych (patrz odpowiednie wykresy na rysunku 4). Poniżej wymieniono niektóre z tych funkcji:
1. Jednoczęstotliwościowe źródło napięcia z modulacją częstotliwości (FM).
2. Jednobiegunowy impuls Gaussowski napięcia.
3. Krokowo zmienne źródło przebiegów świergotowych.
Składnia pierwszej funkcji jest następująca:
SFFM(Voff Vamp Fcar MDI Fsig)
Gdzie:
– Voff to stały offset napięciowy;
– Vamp to amplituda napięcia;
– Fcar to częstotliwość nośna (w Hz);
– MDI to indeks modulacji;
– Fsig to częstotliwość sygnału (w Hz).
Składnia drugiej funkcji jest następująca:
GAUSS(Td Amp Sigma [Okres])
Gdzie:
– Td to opóźnienie czasowe w sekundach;
– Amp to amplituda napięcia;
– Sigma to odchylenie standardowe w sekundach;
– Okres to opcjonalny okres powtarzania impulsu, również w sekundach.
Składnia trzeciej funkcji jest następująca:
CHIRP(AMP T1 FREQ1 T2 FREQ2 […]) [LOG] [XTRAP]
Dla czasów przed T1 napięcie jest falą sinusową o amplitudzie AMP i częstotliwości FREQ1; dla czasów między T1 a T2 częstotliwość zmienia się liniowo między FREQ1 a FREQ2. Może być podana dowolna liczba punktów czasu-częstotliwość. Dla czasów po ostatnim czasie częstotliwość pozostaje na poziomie ostatniej częstotliwości.
Podsumowanie
W tym odcinku kursu QSPICE zakończyliśmy przegląd generatorów napięcia i prądu, z których pewne są niezwykle przydatne dla projektantów urządzeń i modeli. Mają oni zatem do dyspozycji potężne narzędzia, pozwalające generować dowolny sygnał elektryczny. Co sprawia, że jest mało prawdopodobne, że nie znajdą odpowiedniego rozwiązania. Te metody generowania sygnałów przyczyniają się do tworzenia zaawansowanych układów elektronicznych i optymalizacji wydajności systemu. Generatory napięcia i prądu są niezbędnymi narzędziami dla projektantów modeli, pozwalającymi generować dowolny sygnał elektryczny, od prostych kształtów fal po złożone formy. Generatory napięcia i prądu można sklasyfikować na podstawie różnych kryteriów, takich jak rodzaj generowanego sygnału, kształt jego przebiegu i precyzja końcowego wyniku. Wiele układów często wymaga określonych sygnałów wejściowych, które można generować tylko za pomocą odpowiednich źródeł napięcia czy prądu.
Źródło: https://www.powerelectronicsnews.com/qspice-the-various-types-of-power-sources-part-5/
Plik PWL
Jeśli projektanci potrzebują szczególnie skomplikowanej fali lub przebiegu zawierającego realne próbki np. nagrane przez jakieś urządzenie, mogą używać tzw. plików PWL. Mogą one charakteryzować dowolny rodzaj sygnału, ponieważ próbki opisujące go są przechowywane w pliku tekstowym. Aby zaimportować dane sygnałowe do QSPICE, trzeba dołączyć plik tekstowy jako funkcję PWL. Plik PWL musi zawierać listę dwuwymiarowych punktów reprezentujących pary czasu i wartości, oddzielonych przecinkami, bez informacji nagłówkowej. Ten typ generatora rysuje sygnał na podstawie prostych odcinków między punktami zdefiniowanymi w pliku tekstowym. Ogólnie rzecz biorąc, aby uzyskać dokładniejsze odwzorowanie rezultatów, zaleca się zwiększenie liczby punktów używanych do jego opisu. Wynika to z faktu, że większa liczba punktów pozwala uwzględnić więcej szczegółów, poprawiając definicję i jakość odwzorowania. Przykładowy plik danych wygląda następująco:
0.01 , 518.37
0.02 , 510.53
0.03 , 514.40
0.04 , 511.22
0.05 , 506.37
0.06 , 504.43
0.07 , 502.53
0.08 , 505.50
0.09 , 507.89
0.10 , 508.81
0.11 , 502.77
0.12 , 511.68
0.13 , 512.51
0.14 , 514.44
0.15 , 513.56
0.16 , 517.69Pierwsza kolumna przedstawia czas, wyrażony w sekundach, natomiast druga — wartość napięcia, wyrażoną w woltach. Aby dodać plik tekstowy jako funkcję PWL do źródła napięcia lub prądu, można napisać następujący atrybut SPICE w komponencie:
PWL FILE=”samples.txt”
Poniższy przykład, przedstawiony na rysunku 1, pokazuje przebieg trzęsienia ziemi zarejestrowanego przez specjalny czujnik. Generator wyświetla rzeczywisty ślad sejsmiczny trwający około 264 sekundy. Pokazany jest również schemat elektryczny do użycia, który obejmuje generator PWL i opornik obciążenia. Sygnał jest pobierany z węzła: „Signal”. Plik tekstowy zawierający próbki to: „samples.txt” i ma następujące cechy:
– zajmuje tylko 49 kilobajtów w pamięci;
– składa się z ponad 3000 próbek;
– jego rozdzielczość czasowa wynosi 70 ms.
To nie jest szczególnie duży plik, tworzy go przeciętna liczba rekordów, z którą oprogramowanie to radzi sobie bardzo dobrze.
Rys.1. Za pomocą generatora typu: „PWL file” można generować dowolny sygnał, którego opis jest przechowywany w pliku tekstowym.
Przy kolejnych operacjach, które dokładniej omówimy w następnych częściach, możliwe jest np. analizowanie FFT sygnału, aby badać specyfikę i odpowiedzi czujników. Na przykład na rysunku 2 przedstawiono FFT wcześniej nagranego sygnału sejsmicznego, co wyraźnie ukazuje charakterystykę wahadła sejsmicznego. W szczególności zauważa się następujące cechy sygnału:
* W tym przykładzie czujnik sejsmiczny ma naturalną częstotliwość podstawową wynoszącą 1 Hz, z amplitudą 14 dB.
* Wykres uwidacznia istotną trzecią harmoniczną o częstotliwości 3 Hz, co jest całkowicie normalne.
Analiza szybkiej transformacji Fouriera (FFT), która została właśnie omówiona, została obliczona na przebiegu zarejestrowanym przez czujnik przez łączny czas trwania 264 sekundy. Wykres obejmuje zarówno aktywne interwały sygnału, gdzie ten zmienia się w czasie, jak i interwały bez wyraźnego sygnału, gdzie jest on stały. Możliwość analizy FFT sygnału to bardzo ważna operacja, która jednak zostanie dokładniej omówiona w przyszłych artykułach.
Intensywne użycie plików PWL
Całkowicie zasadne jest zapytanie, czy ten rodzaj generatora może również obsługiwać duże ilości danych. W kolejnym przykładzie używany jest znacznie większy plik PWL, który zawiera przebieg zmian temperatury otoczenia mierzonej przez okres około 4 dni. Plik tekstowy dostarczający próbki to: „temperatures.txt” i ma następujące cechy:
* Zajęcie pamięci masowej wynosi około 9 MB.
* Składa się z ponad 379 512 próbek.
* Czasowa rozdzielczość stanowi 1 s.
* Czas trwania nagrania wynosi około 4 dni.
To bardzo duży plik, a celem testu jest obserwacja wydajności oprogramowania. Reprezentacja pierwszych dziesięciu linii pliku, który zawiera liczby sekund (w pierwszej kolumnie) i temperaturę (w drugiej), wygląda następująco:
1.000000 , 34.358040
2.000000 , 34.338650
3.000000 , 34.365350
4.000000 , 34.380930
5.000000 , 34.366310
6.000000 , 34.409220
7.000000 , 34.400480
8.000000 , 34.298600
9.000000 , 34.386330
10.000000 , 34.364720Schemat elektryczny jest taki sam jak w poprzednim teście. Uruchomienie symulacji i wyświetlenie napięcia na węźle: „signal” generuje wykres przedstawiony na rysunku 3. Choć generator prezentuje wyniki jako napięcie elektryczne, dane zapisane w archiwum to tak naprawdę pomiar temperatury. Projektanci muszą zawsze brać to pod uwagę. Jak można zrozumieć, pliki PWL są bardzo potężnym narzędziem, które można używać do symulowania różnych rodzajów fal. Oferują one kilka zalet w porównaniu ze wstępnie zdefiniowanymi kształtami tychże, co czyni je praktycznymi w różnorodnych zastosowaniach. Pozwalają one zdefiniować kształty fal z dowolną precyzją. Co umożliwia symulację prawdziwych, które w przeciwnym razie nie mogłyby być reprezentowane przez wstępnie zdefiniowane ani opisane równaniami matematycznymi. Są również przydatne do symulacji i analizy sygnału dźwiękowego lub ogólnie jakiegokolwiek istniejącego sygnału w dziedzinie czasu.
QSPICE przeprowadził symulację szybko i płynnie, wczytując dane w zaledwie 3-4 sekundy. Rezultaty i wykresy pojawiły się natychmiast na monitorze komputera, bez żadnych opóźnień. Ten wynik jest zaskakujący, biorąc pod uwagę, że symulacja obejmowała ponad 380 tysięcy rekordów. Zarządzanie tak dużą ilością danych nie jest trywialną operacją i wymaga użycia zaawansowanych algorytmów, aby szybko reagować na żądania użytkownika.
Funkcje matematyczne
W generatorach napięcia i prądu można zaimplementować automatyczne funkcje matematyczne, aby uzyskać przydatne kształty fal wyjściowych (patrz odpowiednie wykresy na rysunku 4). Poniżej wymieniono niektóre z tych funkcji:
1. Jednoczęstotliwościowe źródło napięcia z modulacją częstotliwości (FM).
2. Jednobiegunowy impuls Gaussowski napięcia.
3. Krokowo zmienne źródło przebiegów świergotowych.
Składnia pierwszej funkcji jest następująca:
SFFM(Voff Vamp Fcar MDI Fsig)
Gdzie:
– Voff to stały offset napięciowy;
– Vamp to amplituda napięcia;
– Fcar to częstotliwość nośna (w Hz);
– MDI to indeks modulacji;
– Fsig to częstotliwość sygnału (w Hz).
Składnia drugiej funkcji jest następująca:
GAUSS(Td Amp Sigma [Okres])
Gdzie:
– Td to opóźnienie czasowe w sekundach;
– Amp to amplituda napięcia;
– Sigma to odchylenie standardowe w sekundach;
– Okres to opcjonalny okres powtarzania impulsu, również w sekundach.
Składnia trzeciej funkcji jest następująca:
CHIRP(AMP T1 FREQ1 T2 FREQ2 […]) [LOG] [XTRAP]
Dla czasów przed T1 napięcie jest falą sinusową o amplitudzie AMP i częstotliwości FREQ1; dla czasów między T1 a T2 częstotliwość zmienia się liniowo między FREQ1 a FREQ2. Może być podana dowolna liczba punktów czasu-częstotliwość. Dla czasów po ostatnim czasie częstotliwość pozostaje na poziomie ostatniej częstotliwości.
Podsumowanie
W tym odcinku kursu QSPICE zakończyliśmy przegląd generatorów napięcia i prądu, z których pewne są niezwykle przydatne dla projektantów urządzeń i modeli. Mają oni zatem do dyspozycji potężne narzędzia, pozwalające generować dowolny sygnał elektryczny. Co sprawia, że jest mało prawdopodobne, że nie znajdą odpowiedniego rozwiązania. Te metody generowania sygnałów przyczyniają się do tworzenia zaawansowanych układów elektronicznych i optymalizacji wydajności systemu. Generatory napięcia i prądu są niezbędnymi narzędziami dla projektantów modeli, pozwalającymi generować dowolny sygnał elektryczny, od prostych kształtów fal po złożone formy. Generatory napięcia i prądu można sklasyfikować na podstawie różnych kryteriów, takich jak rodzaj generowanego sygnału, kształt jego przebiegu i precyzja końcowego wyniku. Wiele układów często wymaga określonych sygnałów wejściowych, które można generować tylko za pomocą odpowiednich źródeł napięcia czy prądu.
Źródło: https://www.powerelectronicsnews.com/qspice-the-various-types-of-power-sources-part-5/
Fajne? Ranking DIY
