محاكي QSPICE للدوائر الإلكترونية

في الجزء الأخير شرحنا تشغيل واستخدام الأنواع الرئيسية لمولدات الجهد والتيار. في هذه المقالة نواصل استكشافنا، ووصف أنواع أخرى من المولدات، بعضها معقد للغاية ولا يمكن الاستغناء عنه.

مقدمة

المولدات التي تم عرضها في الدفعة السابقة بسيطة للغاية وتوفر مستويات ثابتة إلى حد ما من الجهد والتيار مع مرور الوقت، وفي بعض الأحيان تتبع أنماطًا معينة مبرمجة جيدًا. في هذه المقالة، سنقوم بدلاً من ذلك بتطبيق واستخدام مولدات متطورة يمكنها إنتاج مستويات جهد وتيار مخصصة. في كثير من الأحيان، يحتاج المصممون إلى إشارة غير ثابتة ولها سلوك غير مؤكد، وأحيانًا عشوائي.

كما هو واضح في الشكل 1، فإن المولدات التي سنفحصها في هذه الدفعة هي كما يلي:

• مصدر الجهد المعتمد على الجهد
• مصدر التيار المعتمد على الجهد
• مصدر الجهد المعتمد الحالي
• المصدر الحالي المعتمد الحالي
• مصدر الجهد السلوكي
• إشارة من الملف

هذه مولدات قابلة للبرمجة تمامًا ويمكنها توفير مستوى إشارة مخصص وفقًا لمتطلبات التصميم الخاصة بالفرد.

26.09.2023

18.09.2023

14.09.2023

مصدر الجهد المعتمد على الجهد

يتبع هذا النوع من المولدات نفس فلسفة المولدات التابعة الأخرى، لذا سنكتفي بتوضيح هذا الجهاز. يكتشف الجهد بين عقد الإدخال وينتج جهدًا عند عقد الإخراج. يتم تحديد الأخير من خلال معلمة “الكسب”. يوضح المثال في الشكل 2 أي شكوك. فيه، يقوم مولد V1 بقدرة 5 فولت بتزويد المولد E3 بـ “كسب” قدره 15. وبالتالي فإن خرج هذا المولد هو 5*15=75 فولت. وكما يمكن أن نرى، يشتمل مثال مخطط الأسلاك على تيار مستمر ثابت مولد الجهد (V1) والمولد التابع (E1). ويولد الأخير جهدًا أكبر بـ 15 مرة من الجهد V1، في أي تكوين تشغيل. ولذلك فهو مكون لتوليد الجهد كدالة لجهد أو تيار آخر داخل الدائرة.

مصدر الجهد السلوكي

مرة أخرى، يتبع هذا النوع من المولدات نفس الفلسفة التي تتبعها مولدات التيار الأخرى في نفس الفئة، لذلك سنوضح هذا الجهاز فقط. يعد مصدر الجهد السلوكي مكونًا مهمًا للغاية، وعلى عكس مصادر الجهد التقليدية، فإنه يسمح بتوليد جهد بناءً على صيغة رياضية محددة أو علاقة يحددها المستخدم. يمكن أن تتضمن هذه العلاقة الرياضية متغيرات ووظائف ومعلمات مخصصة، مما يوفر درجة عالية من المرونة في التعبير عن الفولتية المولدة. وبسبب هذه الميزة، يتم استخدام مولد الجهد (أو التيار) هذا على نطاق واسع لنمذجة المكونات الإلكترونية المعقدة والأنظمة الديناميكية، مثل مكبرات الصوت التشغيلية ومولدات الإشارة ودوائر التحكم وأجهزة الاستشعار والمزيد. توفر القدرة على إنشاء علاقات مخصصة بين جهد الإدخال والإخراج للمهندسين الإلكترونيين أداة قوية لتحليل الدوائر وتحسينها، مما يتيح عمليات محاكاة دقيقة وتنبؤية لاستجابات النظام لظروف التشغيل المختلفة. وبعبارة أخرى، فإن الجهد الناتج من هذا النوع من المولدات هو نتيجة دالة رياضية على متغير مستقل. تخيل إذن نطاق تطبيقاته الواسع الذي يجعل من السهل تمييز جهاز استشعار أو أي جهاز آخر. نظرًا لأن مثل هذا المولد هو أحد أكثر المولدات فائدة وأهمية، فسيتم تنفيذ العديد من الأمثلة لفهم تشغيله وتطبيقه العملي بشكل كامل.

مصدر الجهد السلوكي: مصدر جيبي

من الممكن استخدام هذا المكون لإنشاء مولد جهد جيبي، على الرغم من أنه في هذه الحالة، يمكنك مباشرة استخدام المولد الأكثر ملاءمة المتاح في البرنامج. يوضح الشكل 3 رسمًا تخطيطيًا بسيطًا للدائرة، يتكون من المولد السلوكي وحمل مقاوم قدره 1 كيلو أوم. تحتوي السمة الأولى للمكون على صيغة توليد إشارة جيبية بتردد 50 هرتز وسعة ذروة صفرية تبلغ 1 فولت. وفي نفس الشكل، يمثل مخطط الذبذبات الإشارة الجيبية عند عقدة الإخراج. يسمح التوجيه “.tran 0.1” بملاحظة هذا الجهد على مدى فترة 100 مللي ثانية، حيث تتبع خمس موجات جيبية متتالية بعضها البعض. توجد في القائمة التالية بعض الأمثلة على الصيغ الرياضية لتوليد إشارات جيبية ذات خصائص مختلفة:

• V=sin(2*PI*50*time): موجة جيبية 50 هرتز بجهد ذروة صفر يبلغ 1 فولت
• V=sin(2*PI*50*time)*325: موجة جيبية بتردد 50 هرتز مع ذروة جهد صفر تبلغ 325 فولت
• V=sin(2*PI*80*time)*5: موجة جيبية 80 هرتز مع ذروة جهد صفر تبلغ 5 فولت

في الصيغة، كما ترون، يكفي تحديد الحد الأقصى للتردد والجهد للحصول على الموجة الجيبية المطلوبة. علاوة على ذلك، يتم التعامل مع الإحداثي السيني (المحور السيني) من خلال المتغير “الوقت”، الذي يصف وقت المحاكاة، معبرًا عنه بالثواني.

مصدر الجهد السلوكي: مصدر الثلاثي

بمجرد تغيير الصيغة الرياضية، يمكن إنشاء إشارة مثلثة بتردد وسعة متغيرة لتناسب احتياجاتك. من الممكن تغيير صيغة المولد للحصول على الشكل الموجي المطلوب. على سبيل المثال، يوضح الشكل 4 موجة مثلثة نموذجية بفترة 10 مللي ثانية وسعة 1 فولت. صيغة وصف الإشارة المثلثية هي الأولى الموضحة في القائمة أدناه. نفس الشيء يصف الصيغ الأخرى لتوليد إشارة ثلاثية ذات خصائص مختلفة:

• V=1*abs(2*(time/10m-floor(1/2+time/10m))): إشارة مثلثة بفترة 10 مللي ثانية (100 هرتز) وجهد 1 فولت
• V=12*abs(2*(time/50μ-floor(1/2+time/50μ))): إشارة مثلثة بفترة 50 uS (20 كيلو هرتز) وبجهد 12 فولت

مصدر الجهد السلوكي: حساس درجة الحرارة

هذا المثال معقد للغاية ولكنه مفيد للغاية. ومن الضروري، على سبيل المثال، محاكاة جهاز استشعار درجة الحرارة الذي اكتسب، على مدار اليوم، سلسلة من درجات الحرارة المحيطة بمعدل اكتساب واحد كل ساعة. هذا مثال نظري، تم تنفيذه باستخدام مستشعر LM35، والذي يقوم بإرجاع جهد تناظري قدره 10 مللي فولت لكل درجة مئوية، لذلك من خلال قراءة الجهد يمكن للمرء حساب درجة الحرارة بسهولة. القياسات التي يأخذها المستشعر في كل ساعة هي كما يلي:

وقت	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
إل إم 35	0.18	0.182	0.175	0.17	0.182	0.19	0.194	0.196	0.207	0.218	0.227	0.245
وقت	12	13	14	15	16	17	18	19	20	22	23	23
إل إم 35	0.271	0.29	0.296	0.31	0.305	0.302	0.26	0.242	0.229	0.212	0.196	0.184

توضح الرسوم البيانية في الشكل 5 منحنيات الجهد الذي يتم إرجاعه بواسطة مستشعر LM35، فيما يتعلق بدرجة الحرارة ووظيفة الاستيفاء للنقاط. باللون الأحمر هي القياسات الفعلية للجهد الذي أعاده المستشعر بينما باللون الأزرق هي دالة تمثل الاتجاه الرياضي للإشارة في المجال الزمني بشكل جيد:

سيتم إدراج متعدد الحدود هذا كقاعدة بيانات داخل مولد الجهد الخاص بـ QSPICE.

لذلك، عند إنشاء مخطط الدائرة في الشكل 6، يمكننا ملاحظة حمل مقاوم 1K ومولد سلوكي يجب إدخال الصيغة التالية فيه:

V=0.17778+1.4357e-5*الوقت^4+1.9306e-11*الوقت^8-8.56e-7*الوقت^5

كما هو واضح، تم استبدال “x” بالمتغير “time” حيث أن الرسم البياني موجود في المجال الزمني ويمثل المحور x. في مخطط الأسلاك لدينا العناصر التالية:

• المولد B1 الذي يوفر الجهد المحسوب بالمعادلة أعلاه، في المجال الزمني (المتغير المستقل هو “الزمن”).
• الحمل المقاوم R1 هو 1K.
• تتضمن المحاكاة مراقبة أول 23 ثانية، من 0 إلى 23 (التوجيه “.trans 23”). للتبسيط، تم التعامل مع الساعات على أنها ثواني.
• تُظهر المؤامرة الجهد عند عقدة “الإشارة” عبر التوجيه “.plot v (Signal)”.

باستخدام هذه التقنية من الممكن صنع مولد قادر على توفير أي نوع من الإشارات، والتي يمكن تمثيلها بمعادلة رياضية. وبالتالي فإن نطاق التطبيق لا نهائي. ومع ذلك، إذا كانت هناك حاجة إلى التسلسل الدقيق المسجل بواسطة مستشعر درجة الحرارة، فيمكن للمرء استخدام تقنية ملف PWL، الموضحة في القسم التالي.

خاتمة

في هذا الجزء من الدورة التدريبية على QSPICE، اكتشفنا أنواعًا إضافية من مولدات الجهد والتيار، وبعضها مفيد للغاية ومتطور للمصممين. لقد رأينا عدة فئات من المولدات، لكل منها خصائص فريدة وإمكانات محددة. “مصدر الجهد المعتمد على الجهد”، وهو مولد ينتج جهد خرج يعتمد على جهد الدخل، عبر معلمة “الكسب”. يعد هذا المكون مفيدًا لتوليد الفولتية المخصصة اعتمادًا على الفولتية أو التيارات الأخرى في الدائرة. “مصدر الجهد السلوكي” هو مولد متعدد الاستخدامات يسمح بإنشاء الفولتية بناءً على صيغ رياضية محددة، مما يسمح بمجموعة واسعة من إمكانيات الفولتية المولدة. يعد هذا النوع من المولدات ضروريًا لنمذجة المكونات الإلكترونية المعقدة والأنظمة الديناميكية. حاولنا من خلاله توليد جهد جيبي وجهد مثلثي، بالإضافة إلى تمثيل الجهد الذي يوفره مستشعر درجة الحرارة. توضح هذه الأمثلة قابلية تطبيق هذا المكون وقوته على نطاق واسع في التصميمات الإلكترونية. معهم، يمتلك المصممون أدوات قوية ومتعددة الاستخدامات لإنشاء إشارات مخصصة ونموذج المكونات الإلكترونية المعقدة. تساهم هذه التقنيات في إنشاء دوائر إلكترونية متقدمة وتحسين أداء النظام.

لقد كان جيوفاني دائمًا مولعًا بالإلكترونيات والرياضيات والأعمال اليدوية. وهو مبرمج كمبيوتر ومعلم علوم الكمبيوتر والرياضيات. إنه يحب الأرقام ويبحث دائمًا عن الأعداد الأولية الكبيرة. وقد كتب أيضًا كتابًا عن برمجة PIC Microcontroller 16F84 باستخدام mikroBasic. وهو مالك شركة Elektrosoft، وهي شركة تعمل في مجال الإلكترونيات وتكنولوجيا المعلومات. وهو مدرب ومعلم بدوام كامل.