Jsem učitelem na střední škole a mám rad simulační programy a to už z doby DOSu a kdysi jsem o těchto programech spáchal i knížku. Myslím si, že jsem schopen spoustu dní psát příklady obvodů řekněme rozdílné úrovně pro studenty a jiné zájemce, co už je mimořádné nucené volno omrzelo. Protože předpokládám každodenní frekvenci článků, tak to asi nebude vyladěné úplně k dokonalosti. A samozřejmě budu trochu těkat z tématu na téma a protože ze zkušenosti vím, že v dnešní době je matematika téměř sprosté slovo, zkusím se omezit jen na simulaci obvodů s minimem vzorců a případně ilustrací nějakého videa, která jsem si tvořil kdysi jen tak pro radost, když jsem se ještě mohl do laboratoře. Simulační programy vzniklé v době letů člověka na Měsíc mají společné jádro SPICE a jejich velké množství. Po špatných zkušenostech s internetovými programy, které se sice nemusí instalovat, ale vyvíjejí se a zpravidla k horšímu z hlediska restrikcí jsem se rozhodl pro stálici program TinaPro free verze Texas Instruments a případně i MicroCap. Oba programy mají zdarma legální ostrou verzi a jsou tu už od dob DOSu. Škoda je, že program MicroCap loni po mnoha desetiletích skončil.

Práce se simulačními programy je jednoduchá a ve všech programech podobná. Pomocí myši se nakreslí schéma a měřicí přístroje a zvolí se typ simulace. Základní simulace jsou tři:

1. stejnosměrná (DC)

Zde se mění se v nastaveném rozsahu napětí nebo proud zdroje. A výsledkem je zpravidla nějaká voltampérová charakteristika(y) součástky, třeba diody, nebo tranzistoru

2. střídavá (AC)

 Mění se kmitočet zdroje a zpravidla se počítá přenos v decibelech a fázový posuv v závislosti na kmitočtu a pak se to vykreslí do semilogaritmických souřadnic, zvlášť přenos (zesílení) v decibelech a zvlášť fázový posuv s logaritmickou osou kmitočtu. To je vhodné na přenosové charakteristiky filtrů či zesilovačů.

3. přechodová (Transient)

 ta zobrazuje průběhy veličin na čase, což si můžete představit jako ideální vícekanálový osciloskop.

Výstupem simulací jsou zpravidla grafy a s průběhy lze dále kouzlit, lze třeba spočítat zkreslení, či provést harmonickou analýzu. MicroCap má dokonalý matematický aparát a TinaPro dokonce zjednodušenou verzi programovacího jazyka Pascal. Je zapotřebí si uvědomit, že odsimulování obvodů je rychlé, odzkoušení navržené varianty třeba na kontaktním poli už nějaký ten čas zabere a zpravidla se ukáží věci, které simulace úplně nevychytá. A překopat to do finálního zařízení včetně plošňáku dá už opravdu hodně práce. Ale na to aby si člověk pohrál, opravdu stačí jen počítač a trocha času.

Funkční generátor

Takže na úvod bych dal svoji variantu funkčního generátoru, protože v počátku mimořádného stavu jsem si ho mohl i odzkoušet. Funkční generátor je dostupný jako stavebnice z Číny, ale i u tuzemských prodejců. Bývá založen na integrovaném obvodě XR8038 či XR2206 a jejich klonech. Když zagůglíte tak stavebnice generátorů samozřejmě najdete a možná i hotové

Takže samozřejmě pokoušet o nové řešení valného smyslu nedává, nebude lepší než zapojení založené na specializovaném integrovaném obvodu. Ale z hlediska názornosti a pochopení principu vlastní zapojení smysl samozřejmě má. Princip je založen na vylepšeném astabilním klopném obvodu časovače 555 a opravdu je vevnitř varianta integrovaného  toho obvodu pana Hanse Camenzinda. Rozdíl je ve způsobu nabíjení. Použije se nabíjení konstantním proudem. To má tu výhodu, že kondenzátor se nabíjí/vybíjí lineárně. Lze si představit jako napouštění bazénu proudem vody. Pokud proud bude konstantní, bude i výška hladiny narůstat pořád stejně rychle. A když přijede bazén vyčerpat hovnocuc (čerpadlo), tak i rychlost poklesu bude lineární. Astabilní klopný obvod má dva stavy, takže obdélníky a na kondenzátoru bude lineární nabíjení/vybíjeni-trojúhelníky. Sinusovka se získá zaoblením trojúhelníku nelineárním děličem napětí. A zde je slabina koncepce, protože to zaoblení tvaru není úplně dokonalé, což znamená zkreslení tvaru sinusovky, nebo-li tzv. harmonické zkreslení (Total Harmonic Distortion THD), které bývá okolo procenta.

Takhle vypadá mé schéma generátoru na obrazovce programu TinaPro ve verzi TI. Oproti kompletní verzi je nabídka ikonek a možností menší, ale pro začátek to lze považovat spíš za výhodu. Výsledek simulace lze v okně grafů okopírovat a vložit zpět do hlavní obrazovky. Není to úplně dokonalé a třeba nelze zrušit rámeček (border) okolo vloženého grafu, ale je mu možné přiřadit bílou a tedy vlastně neviditelnou barvu.

Zapojení do detailů rozeberu příště, ale není to nic složitého. Nahoře je typické zapojení Astabilního Klopného Obvodu (AKO) složené z integrátoru lineárně nabíjejícího/vybíjejícího kondenzátor a komparátoru s hysterezí. Pod ním je můj patent nelineárního tvarovače-zesilovače. Jak roste vstupní napětí, tak se začnou otevírat diody a zmenší zesílení invertujícího zesilovače a trojúhelníky zaoblí. A důležité je, že to opravdu funguje, viz video prvního prototypu.

Sehnal jsem v obchodě samozřejmě jiné zenerky než jsou ve schématu a trochu upravil hodnoty odporů a to i skládáním, takže jich je v poli zastrkáno víc a doladil trimrem rozhodovací úrovně komparátoru (amplitudu trojúhelníků) a dokonce jsem si ve snaze minimalizovat zkreslení pomohl nestandardně i mírnou nesymetrií napájecích napětí podle údajů měřiče zkreslení. Napájecí napětí jsem zvolil +/-9V s předpokladem napájení ze dvou devítivoltových baterií. A protože odpory ve vazbách jsou velké, byl zvolen unipolární operační zesilovač (4 v jednom pouzdře). Simulací jsem byl opakovanými pokusy schopen dostat se na 0,8 procenta zkreslení vyššími harmonickými a v následujícím upraveném zapojení na 1,7 procenta. Integrované obvody generátorů mají zkreslení tvarovačů pod jedno procento, ovšem nelineátní zesilovač je mnohem složitější.

A na závěr fotky druhého prototypu s jednou zenerkou a diodovým můstkem (vpravo). Stáhnul jsem sice zkreslení pod dvě procenta, ale předpoklad, že se tím vyřeší nesymetrie, kterou jsem přikládal použitím dvou diod s nepatrně se lišícím průrazným napětím se nepotvrdil.

Ale zkreslení se přeci jen zmenšilo. Měřič zkreslení (Distortion meter) odfiltruje první harmonickou a odměří zbytek. V případě sinusovky by tam teoreticky nemělo nic přebývat

Navíc zkresloměr umožňuje zobrazit na osciloskopu i vyfiltrovaný zbytek vyšších harmonických a když si k tomu přidáte i původní signál, tak můžete tipovat, co je špatně. Já na příčinu jehlové špičky zatím nepřišel.

V simulaci se nic takového neobjevilo a ještě, že máme digitální osciloskopy J. Protože ty obyčejné díky mizernému rozlišení obrazovky ledacos zamaskují. Tím samozřejmě jako starší pán nehaním moderní techniku. A po pravdě zub tam vidět je, ale kupodivu má zanedbatelný vliv na zkreslení. Časová nesymetrie je horší. Měl jsem ještě nějaké nápady, jak to zkusit vyřesit, ale do laboratoře se nedostanu. A koneckonců kvalitnější řešení lze jako stavebnici za 89 korun koupit, viz první obrázek

Odkazy:

http://www.ti.com/tool/TINA-TI
https://www.spectrum-soft.com/download/download.shtm
https://cs.wikipedia.org/wiki/Hans_R._Camenzind