3.1: Напряжение, ток и общие элементы схемы

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

• Дон Х. Джонсон
• Rice University via Connections

Цели обучения

• Узнать о различных сигналах, таких как напряжение и ток.
• Системы, которые используются для управления сигналами, называются цепями.

Мы знаем, что информация может быть представлена ​​сигналами; Теперь нам нужно понять, как физически реализуются сигналы. За прошедшие годы было обнаружено, что электрические сигналы являются наиболее простыми в использовании. Напряжение и ток составляют электрические воплощения сигналов. Таким образом, нам необходимо углубиться в мир электричества и электромагнетизма. Системы, используемые для непосредственного управления электрическими сигналами, называются 9.0040 цепей

Общий элемент схемы устанавливает ограничение между классическими переменными цепи: напряжением и током. Напряжение представляет собой электрический потенциал и представляет собой «толчок», который перемещает электрический заряд из одного места в другое. Что заставляет заряд двигаться, так это физическое разделение между положительным и отрицательным зарядом.

Важно понимать физику протекания тока в проводниках, чтобы оценить инновации новых электронных устройств. Электрический заряд может возникать из многих источников, самым простым из которых является электрон. Когда мы говорим, что «электроны текут через проводник», мы имеем в виду, что атомы, составляющие проводник, свободно отдают электроны со своих внешних оболочек. Таким образом, «поток» означает, что электроны прыгают от атома к атому, движимые приложенным электрическим потенциалом. Однако недостающий электрон — это виртуальный положительный заряд. Инженеры-электрики называют их отверстий , а в некоторых материалах, особенно в некоторых полупроводниках, протекание тока фактически происходит из-за отверстий. Течение тока также происходит в нервных клетках вашего мозга. Здесь нейроны «общаются», используя распространяющиеся импульсы напряжения, которые основаны на потоке положительных ионов (в первую очередь калия и натрия и в некоторой степени кальция) через внешнюю стенку нейрона. Таким образом, ток может исходить из многих источников, и теорию электрических цепей можно использовать для понимания того, как течет ток в ответ на электрические поля.

Ток протекает через элементы цепи, такие как изображенные на рисунке выше, и через проводники, которые мы обозначаем линиями на принципиальных схемах. Для каждого элемента цепи мы определяем напряжение и ток. Элемент имеет отношение v-i , определяемое физическими свойствами элемента. При определении соотношения v-i мы исходим из того, что положительный ток течет от положительного к отрицательному падению напряжения. Напряжение имеет единицы измерения вольт, и и единица измерения, и величина названы в честь Вольты. Ток измеряется в амперах и назван в честь французского физика Ампера. 9{t}p(\alpha)d\alpha\nonumber\]

Опять же, положительная энергия соответствует потребляемой энергии, а отрицательная энергия соответствует производству энергии. Обратите внимание, что элемент схемы, имеющий как положительный, так и отрицательный профиль мощности в течение некоторого интервала времени, может потреблять или производить энергию в соответствии со знаком интеграла мощности. Единицы энергии: джоулей , поскольку ватт равен джоулю в секунду.

Упражнение \(\PageIndex{1}\)

В счетах за электроэнергию обычно указывается потребление энергии домом в киловатт-часах. Это действительно единица энергии? Если да, то сколько джоулей составляет один киловатт-час?

Решение

Один киловатт-час равен 3 600 000 ватт-секунд, что действительно соответствует 3 600 000 джоулей.

Эта страница под названием 3.1: Voltage, Current, and Generic Circuit Elements распространяется под лицензией CC BY 1.0 и была создана, изменена и/или курирована Доном Х. Джонсоном посредством исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами платформа LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Автор

   Дон Джонсон

   Лицензия

   СС BY

   Версия лицензии

   1,0

   Программа OER или Publisher

   OpenStax CNX

   Показать оглавление

   нет

2. Теги

   1. источник@https://cnx. org/contents/[email protected]:g9deOnx5@19

Отслеживание напряжения и тока в цепи

Ключевые выводы

• Отслеживание напряжения и тока в сложной системе может быть затруднено из-за большого количества узлов в цепи.

• Если вам нужно визуализировать напряжение и ток в различных цепях или подцепях, вы должны использовать программу проектирования цепей со встроенным симулятором.

• Этот набор функций анализа обеспечивает простой способ изучения распределения тока и напряжения в цепи перед созданием топологии печатной платы.

Отслеживание напряжения и тока начинается в ваших схемах.

Схемы — это то место, где начинается проектирование и начинается настоящее проектирование. Ваши схемы также должны быть местом, где вы можете свободно экспериментировать с различными вариантами дизайна, прежде чем приступить к конкретному дизайну и макету. Если вы используете правильный набор инструментов для проектирования схем со встроенным симулятором, вам не нужно будет ограничиваться конкретным проектом, и вы сможете изучить электрическое поведение вашей системы, прежде чем приступить к компоновке печатной платы.

Важной частью проектирования схем является отслеживание напряжения и тока в цепях. Когда ваш редактор схем включает в себя набор встроенных инструментов моделирования и измерения, легко визуально отслеживать, где распределяется мощность в вашей цепи. Не все пакеты моделирования SPICE предоставляют вам инструменты, необходимые для отслеживания того, где напряжение и ток распределяются по цепи, поэтому вам приходится читать строки текста, чтобы определить напряжение и ток в каждом узле вашей схемы.

Вместо использования старых симуляторов SPICE можно визуально отслеживать ток во временной и частотной областях с помощью инструментов PSpice. Ваши инструменты проектирования и ввода схем в OrCAD/Allegro будут интегрированы с мощным механизмом моделирования в PSpice, предоставляя вам простой способ отслеживать напряжение и ток в вашей цепи, а также быстро вносить изменения в конструкцию, когда это необходимо. Вот как вы можете использовать Capture CIS и PSpice для визуализации распределения питания перед созданием топологии печатной платы в Allegro.

Инструменты для отслеживания напряжения и тока

Напряжение и ток в вашей цепи распределяются в соответствии с некоторыми основными физическими законами. В частности, напряжение и ток необходимо отслеживать между узлами и в узлах соответственно, используя законы Кирхгофа и закон Ома. Для простых цепей, даже если присутствуют нелинейные компоненты, довольно легко отслеживать напряжение и ток в цепи. Обычно это можно сделать с помощью ручки и бумаги, а также некоторых простых онлайн-калькуляторов.

Реальные схемы, разрабатываемые для сложных печатных плат или интегральных схем, могут быть очень сложными и часто не сводятся к простому набору одновременных уравнений, которые необходимо решить. Для линейной цепи с десятками узлов матричные уравнения, которые вы формулируете для законов Кирхгофа, в принципе разрешимы, но проблема неразрешима и подвержена серьезным ошибкам. Как только вы добавляете в схему нелинейные компоненты, стандартные матричные уравнения часто сводятся к набору трансцендентных уравнений, которые необходимо решать численно.

Симуляторы SPICE, которые интегрируются в ваши инструменты проектирования схем, идеально подходят для отслеживания напряжения и тока в различных узлах реальной цепи. Это вопрос простого использования измерительных инструментов, встроенных в симулятор схемы. Затем вы можете наблюдать, как изменяется распределение напряжения и тока при изменении различных параметров в цепи. В этом примере мы рассмотрим схему с несколькими компонентами и желаемыми точками измерения, чтобы увидеть, как можно отслеживать ток и напряжение по всей цепи.

Выбор точек измерения в сложной цепи

На приведенной ниже схеме показана простая подсхема, которая преобразует входной сигнал в положительный импульсный выходной сигнал. Есть ряд других компонентов, используемых для отображения различных возможных точек измерения в этой схеме. В этой схеме есть синусоидальный источник, входной пи-фильтр (фильтр нижних частот) и, наконец, КМОП-инвертор. Мы хотим увидеть, как ток и напряжение распределяются в цепи этого типа, которая содержит участки постоянного и переменного тока.

Схема, используемая для моделирования SPICE

Эта схема может быть частью иерархической структуры или может быть скопирована из более крупной системы. Если вы хотите смоделировать схему, которая является частью более крупной структуры, лучше всего скопировать ее в новую схему и запускать моделирование изолированно. После того, как вы изолировали блок схемы для моделирования, вы можете разместить измерительные щупы на различных компонентах. Вы сможете измерять ток, напряжение или мощность в симуляторе PSpice.

Измерительные щупы для отслеживания напряжения и тока показаны на схеме серым цветом. Здесь мы разместили датчики тока и датчики дифференциального напряжения на входных и выходных портах схемы. Хотя мы рассмотрим вход и выход, эти пробники можно разместить в любом месте схемы. После того, как вы создадите профиль моделирования и запустите PSpice Simulator, у вас появится ряд опций для просмотра рассчитанных значений напряжения, тока и/или мощности по всей цепи.

Результаты моделирования

Измерительные датчики можно использовать в любом инструменте моделирования, доступном в PSpice. Некоторые примеры анализов включают:

• Развертка постоянного тока: Развертка постоянного тока циклически изменяет напряжение постоянного тока в цепи между двумя значениями и отображает данные измерения как функцию значения напряжения постоянного тока. Для анализа можно использовать один или несколько источников.

• Развертка по частоте: данные, полученные датчиком, будут отображаться на графике в зависимости от частоты.

• Анализ переходных процессов: это стандартный анализ во временной области, используемый с аналоговыми схемами. Хотя анализ переходных процессов обычно относится к исследованию поведения стабильности и релаксации, когда система переключает состояния, он обычно относится к любому моделированию и анализу во временной области.

• Параметрическая развертка: Параметр цепи может быть разверткой, а данные в точке измерения могут быть захвачены и отображены для каждого значения развертки параметра.

Моделирование переходных процессов

После размещения любого из датчиков на схеме и запуска моделирования данные этих датчиков будут отображаться на графике в программе расширенного анализа PSpice. Capture CIS упрощает эту задачу, так как она автоматически создает SPICE-моделирование непосредственно на основе ваших схематических данных. Пример результатов ниже показывает ток (желтый) и напряжение (зеленый), измеренные на выходе схемы, показанной выше.

Результаты анализа переходных процессов в PSpice.

На приведенном выше графике напряжение и ток источника скрыты для ясности. Здесь мы видим, что выходное напряжение и ток довольно низкие, хотя схема обеспечивает импульсы со скважностью 50%. Одним из вариантов определения того, как увеличить выходную мощность схемы, может быть использование параметрической развертки с различными компонентами. Это даст серию кривых для различных значений компонентов и позволит разработчику определить, какие значения компонентов дают максимальную выходную мощность.

Если вы вернетесь к Capture CIS, вы увидите, что датчики теперь окрашены, что соответствует цветам кривых, сгенерированных в PSpice. Кроме того, имеется ряд тегов, показывающих измерения напряжения по всей цепи. Это показывает вам, где берутся опорные точки в вашей схеме, а также точки смещения по отношению к этим опорным значениям.

Смещение и опорные точки, определенные с помощью моделирования PSpice.

Добавление цепей к графику

Хотя автоматически созданный график в PSpice будет отображать данные измерительных датчиков, размещенных на схеме, вы все равно можете извлечь результаты из определенных точек схемы без повторного запуска моделирования. Для этого просто создайте новый график и добавьте новую трассу или вы можете добавить трассу к существующему графику. Щелкните правой кнопкой мыши область графика и выберите «Добавить трассировку», чтобы увидеть, какие цепи имеют данные и могут отображаться на графике.

Отсюда вы можете выбрать из списка цепей и данных, которые они содержат (ток, обозначенный [I], напряжение, обозначенное [v], и мощность, обозначенная [p], прикрепленная к имени цепи). Вы также можете использовать свои данные в пользовательской формуле, отображать значения в логарифмической шкале (дБ) и выбирать несколько параметров просмотра для своего графика. Эти параметры доступны как для частотных, так и для временных данных. Пример с результатами во временной области показан ниже.

Ток через L1 (фиолетовый) и C1 (бирюзовый) на графике в PSpice.

Любые результаты во временной области могут быть перенесены в частотную область с помощью преобразования Фурье. В этом случае преобразование Фурье покажет генерацию гармоник из-за выпрямляющего действия КМОП-инвертора. Вместо использования преобразований Фурье можно напрямую работать в частотной области.

Развертка по частоте

Другая возможность — посмотреть на частотную характеристику с помощью имитации развертки по частоте. Для этого не требуется заменять какие-либо датчики на схеме; просто включите развертку по частоте в профиле симуляции. Это дает разработчикам метод отслеживания напряжения и тока в сложной цепи при сравнении характеристик схемы в разных местах и ​​на разных частотах. Разработчики также могут выполнять другие важные анализы в частотной области, такие как расчет диаграммы Боде.

Если мы посмотрим на результаты развертки по частоте для вышеупомянутой системы, мы обнаружим, что выходной сигнал сильно затухает на высоких частотах. Одним из факторов является полоса пропускания КМОП-инвертора, а другим — пи-фильтр на входе. Этот рабочий процесс иллюстрирует один из способов диагностики потенциальных изменений конструкции, а также отслеживания напряжения и тока в цепи.

Работа с более крупными системами

Мы только что рассмотрели один блок схемы для отслеживания напряжения и тока в цепи. Если этот блок является частью более крупной системы, вы можете использовать результаты моделирования на входе в другой блок схемы. Просто создайте новую симуляцию с нужным блоком схемы и определите выходной ток/напряжение от первого блока на входе до второго блока. Это даст вам простой способ изучить, как различные блоки схемы в серии взаимодействуют друг с другом.

Этот процесс упрощается благодаря интегрированным функциям моделирования и проектирования схем в PSpice Simulator. Используя этот набор инструментов проектирования и анализа, вы сможете смоделировать все аспекты поведения схемы перед созданием топологии. Разработчики интегральных схем могут квалифицировать критические схемы с помощью настраиваемых моделей схем в приложении для моделирования PSpice. Разработчики печатных плат могут импортировать модели компонентов COTS в схему и использовать их для моделирования цепей.

Если вы хотите узнать больше о том, как у Cadence есть решение для вас, обратитесь к нам и нашей команде экспертов.

Решения Cadence PCB — это комплексный инструмент для проектирования от начала до конца, позволяющий быстро и эффективно создавать продукты. Cadence позволяет пользователям точно сократить циклы проектирования и передать их в производство с помощью современного отраслевого стандарта IPC-2581.