Основы комплексного проектирования и макетирования радиоэлектронных схем

Р.Ш. Загидуллин, Д.И. Оглоблин
Основы комплексного проектирования 
и макетирования радиоэлектронных схем
Методические указания 
к выполнению лабораторного практикума 

УДК 321.396.6
ББК 32
	
З-14
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/212/book1737.html
Факультет «Робототехника и комплексная автоматизация»
Кафедра «Системы автоматизированного проектирования»
Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебно-методического пособия
Загидуллин, Р. Ш.
З-14	 	
Основы комплексного проектирования и макетирования радиоэлектронных схем. Методические указания к выполнению лабораторного 
практикума / Р
. Ш. Загидуллин, Д. И. Оглоблин. — Москва : Издательство 
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2018. — 102, [4] с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-4786-2
Рассмотрены вопросы моделирования простых схем, процессы оптимизации 
этих схем, а также процессы цифровой модуляции сигналов, характерных для 
современных протоколов проводной (DSL) и беспроводной связи (Wi-fi, Wimax, 
LTE).
Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, изучающих курс «Основы проектирования и макетирования радиоэлектронных схем». 
УДК 321.396.6
	
	
	
	
	
	
	
	
      ББК 32
ISBN 978-5-7038-4786-2
©	 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018
©	 Оформление. Издательство  
	
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018

ПРЕДИСЛОВИЕ
Работа инженера невозможна без использования современных программных средств обработки экспериментальных данных, моделирования 
сложных объектов и представления полученных результатов. В радиотехнике 
к  таким средствам относятся MicroCap, Multisim, MathCAD, MATLAB 
и программная среда LabView. 
Одной из  задач курса «Основы комплексного проектирования и  макетирования радиоэлектронных схем» является подготовка студентов к работе 
с программами автоматизированного проектирования в области электроники.
Цель лабораторного практикума  — овладение навыками работы в  программе расчета радиоэлектронных схем MicrоCap (MCxx), а также визуализация процессов передачи цифровой информации и фильтрации в программе 
LabView.
После освоения лабораторного практикума студент должен уметь моделировать аналоговые и цифровые радиоэлектронные схемы в программе 
MicroCap, получать результаты во временной и спектральной областях, выполнять параметрическую оптимизацию и статистический анализ схем с учетом разбросов номиналов реальных элементов, знать и  понимать особенности формирования цифрового сигнала, передачи сигнала по проводным 
и беспроводным линиям связи и его представления в программе LabView.
Лабораторные работы разделены на три модуля. Первый модуль посвящен вопросам моделирования простых схем, из которых в дальнейшем будет 
складываться процесс передачи цифровой информации.
Во втором модуле уделено внимание процессам оптимизации параметров рассмотренных в  первом модуле схем с  целью достижения заданных 
выходных характеристик, статистическому анализу, связанному с разбросом 
параметров реальных элементов схемы, применению математического аппарата программы MicroCap для расчета схем неэлектрической природы.
В третьем модуле в программе LabView продемонстрированы процессы 
цифровой модуляции сигналов, характерные для современных протоколов 
проводной (DSL) и беспроводной связи (Wi-fi, Wimax, LTE). Они основаны 
на рассмотренных в первом модуле процессах, характерных для амплитудной модуляции.
В приложениях 1–3  дано подробное описание приемов работы с  программой MicroCap.
3

МОДУЛЬ 1 
Моделирование электрических схем в программе MicroCap
Автоматизированное проектирование включает решение задач расчета, 
анализа, оптимизации и  синтеза. Расчет — это определение выходных параметров и  характеристик устройства при неизменных значениях его внутренних параметров и постоянной структуре, он предполагает составление 
модели устройства (моделирование) на  основе компонентных и  топологических уравнений.
РАБОТА № 1 
ИЗУЧЕНИЕ АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИИ
Цель работы  — изучение физических процессов в  схемах амплитудной 
модуляции с  помощью программы схемотехнического анализа МicroCap. 
Лабораторная работа состоит из четырех частей.
Часть 1. Амплитудный модулятор,  
реализованный c использованием функциональных генераторов
Задание на работу
Для заданных значений несущей частоты Fnes (Fнес) и частот модуляции 
Fmod1 и Fmod2 (табл. 1.1) получить осциллограммы сигнала и спектр сигнала при амплитудной модуляции, реализованной с использованием функциональных генераторов.
Номер варианта в табл. 1.1 соответствует номеру фамилии студента в лабораторном журнале.
Таблица 1.1
Частота модуляции, кГц
Номер  
Несущая частота 
варианта
Fnes, кГц
Fmod1
Fmod2
1
200
2,0
1,8
2
210
2,1
1,9
3
220
2,2
2,0
4
230
2,3
2,1
4

Окончание табл. 1.1
Частота модуляции, кГц
Номер  
Несущая частота 
варианта
Fnes, кГц
Fmod1
Fmod2
5
240
2,4
2,2
6
250
2,5
2,3
7
260
2,6
2,4
8
270
2,7
2,5
9
280
2,8
2,6
10
290
2,9
2,7
11
300
3,0
2,8
12
310
3,1
2,9
Краткие теоретические сведения
Амплитудная модуляция относится к группе информационных преобразований. Задача модуляции формулируется следующим образом.
Имеются высокочастотное колебание
	
Uωsin (ωt + ϕ) 	
(1.1)
и «медленное» колебание
	
UΩsin (Ωt + Φ), 	
(1.2)
которые подлежат передаче.
Выражение амплитудного модулированного колебания при модуляции 
гармоническим сигналом (тональная модуляция) получают перемножением 
сигналов, выраженных формулами (1.1) и (1.2):
	
U = Uω(1 + mcos (Ωt + Φ)) sin(ωt + ϕ), 	
(1.3)
где m — индекс модуляции, т. е. отношение разности максимального и минимального значений амплитуд модулированного сигнала к сумме этих значений, выраженное в процентах.
Операцию перемножения выполняют с  помощью функциональных, 
нелинейных и  параметрических элементов. В  программе МСхх используются функциональные управляемые источники сигналов (Function sources), 
выходные сигналы которых записаны как математическое выражение 
во временной области. Имена этих сигналов начинаются с буквы N…
Управляемые источники сигналов NTVofl, NTIofl, NTIofV и NTVofV могут задаваться в программе MCxx таблицей зависимостей значений выходного сигнала yk от значений входного сигнала xk. Значения отсчетов выходного сигнала у указываются в порядке возрастания аргумента х. Для расчета 
выходного сигнала между опорными точками применяется линейная интерполяция. Значения сигнала уk вне заданного диапазона изменения аргумента полагаются равными их значениям в крайних точках.
5

Для источника NTVofl выходной сигнал равен ЭДС источника, 
аргумент зависит от  тока входной 
ветви. Для источника NTIofl выходной сигнал равен току источника, 
аргумент зависит от тока входной 
ветви. Для источника NTIofV выходной сигнал равен току источника, аргумент зависит от напряжения 
на  входных зажимах. Для источника NTVofV выходной сигнал равен 
ЭДС источника, аргумент зависит 
Рис. 1.1. Задание переменных
от напряжения на входных зажимах.
формулой (1.3) или процедурой .define
Задать переменные формулы, 
которые используются для генератора, можно как самой формулой (1.3), так и процедурой .define (рис. 1.1).
Директиву обычно вводят на закладке Text в нижнем поле рабочей области программы MicroCap (рис. 1.2), а переносят ее на закладку схемы, выделив и нажав клавиши <Ctrl> + <B>.
Вычисление спектрального состава временного сигнала может 
быть проведено, если включен цифровой сигнальный вычислитель DSP
, 
Рис. 1.2. Закладка Text в нижнем поле
в  котором указан отрезок времени 
процесса и  число точек этого процесса, равное 2 в целочисленной степени, т. е. окно для задания параметров 
цифрового вычислителя DSP показано на рис. 1.3.
После того как заданы параметры цифрового вычислителя DSP
, становятся доступными следующие функции анализа программы MicroCap:
HARM — расчет гармоник сигнала;
THD(S) — коэффициент нелинейных искажений спектра S в процентах 
относительно уровня первой гармоники;
FFT(u) — прямое преобразование Фурье дискретных отсчетов сигнала u. 
Отличается от функции HARM (u) множителем (N/2) для гармоник с первой 
до N-й гармоники и множителем N 
для нулевой гармоники, где N — корень квадратный из  числа дискретных отсчетов входного сигнала;
IFT(S) — обратное преобразование спектра S;
MAG(S)  — модуль (амплитуда 
спектра) S, полученный через FFT
;
PHASE(S) — фаза спектра S, полученная через FFT
, и т. д.
Порядок настройки вычислитеРис. 1.3. Задание параметров
цифрового вычислителя DSP
ля DSP с помощью функции HARM 
показан на рис. 1.4.
6

Рис. 1.4. Порядок настройки вычислителя спектрального анализа
Примерный вид амплитудно-модулированного сигнала и  его спектр 
представлены на рис. 1.5.
а
б
Рис. 1.5. Временное (а) и спектральное (б) представления амплитудно-модулированного сигнала
7

Часть 2. Построение схемы амплитудного модулятора 
с использованием макросов
Задание на работу
Используя макросы, построить схему амплитудного модулятора и получить осциллограмму высокочастотного сигнала, сигнала модуляции и  частотный спектр для заданных значений несущей частоты и частоты модуляции (см. табл. 1.1). Установить индекс модуляции 0,75; 0,5; 0,3.
Краткие теоретические сведения
Временной процесс, заданный формулой (1.3), можно исследовать, 
но на основании этого представления нельзя создать реальное схемотехническое решение. Формулу (1.3) следует ввести в виде «кубиков» элементарных 
операций, аналоги которых можно реализовать на  дискретных элементах 
электронной техники. Моделирование процесса амплитудной модуляции 
в «кубиках» показано на рис. 1.6.
Рис. 1.6. Моделирование процесса амплитудной модуляции
При моделировании процессов в программах схемотехнического анализа 
используют подпрограммы — макросы, описывающие элементарные схемы. 
В макросах может быть представлен элемент части сложной схемы или математической операции.
В программе MicroCap имеются макромодели двух типов: макромодель 
maсro задается схемой замещения, а макромодель subckt — текстовым описанием на  языке PSpice. Схема замещения макромодели maсro помещается в файл схем с расширением имени  .CIR или  .MAC. Имя макромодели
должно совпадать с именем файла этой схемы. Если необходимо передавать 
в макромодель численные значения параметров, то в списке параметров атрибута VALUE вместо численных значений помещают имена параметров или же 
8

имена этих параметров декларируют в  директиве  .PARAMETERS. Имена 
выводов в  схеме замещения и  символа модели обязательно должны быть 
одинаковыми. Макрос перемножителя показан на рис. 1.7.
Рис. 1.7. Макрос перемножителя
Макросы описывают следующие элементы:
— сумматор;
— перемножитель; 
— потенциометр 
(умножитель 
на 
коэффициент 
меньше единицы или равный единице).
Коэффициент деления может быть задан в процентах. Окно настройки 
потенциометра с коэффициентом деления 50 % показано на рис. 1.8.
К функциональным элементам в  программе MicroCap, выполненным 
в виде схем-макросов, относятся:
ABS — вычислитель абсолютной величины;
AMP — усилитель с коэффициентом усиления GAIN;
CLIP — ограничитель с линейной зоной, граница линейной зоны DX;
Centap — трехобмоточный трансформатор с ферромагнитным сердечником;
DIV — дифференцирующее устройство;
INT — интегратор;
F — линейное звено, определяемое с помощью преобразования Лапласа;
MUL — перемножитель;
9

Рис. 1.8. Окно настройки потенциометра с коэффициентом деления 50 %
Schmitt — триггер Шмитта;
SUP — усилитель с зоной нечувствительности;
SUB — вычитающее устройство;
SUM — сумматор двух сигналов;
SUM3 — сумматор трех сигналов;
VCO — управляемый генератор;
TRIODE — триод, электронная лампа.
Часть 3. Исследование схемы амплитудного модулятора 
на биполярном транзисторе
Задание на работу
Для схемы, приведенной на  рис.  1.9, с  напряжением питания коллектора
V4 = 10 В и напряжением смещения базы V3 = 0,8 В; сопротивлением нагрузки коллектора R4 = 300 Ом; сопротивлением в базе транзистора R3 = 300 Ом
выполнить следующее:
10