构建并仿真简单电路

此示例展示了如何构建和仿真简单电路并查看结果。您将对由积分器和同相放大器组成的经典电路配置进行建模，以生成三角波。您可以使用数据手册指定模块参数，然后查看波发生器输出端的电压。要查看完成的模型，请打开Model Triangle Wave Generator Using Operational Amplifiers示例。

选择表示系统组件的模块

首先，选择表示输入信号、三角波发生器和输出信号显示的模块。

您将使用一组物理模块对三角波发生器进行建模。该波发生器包括：

  • 两个运算放大器模块

  • 与运算放大器配合使用以构成积分器和同相放大器的电阻器和电容器

  • Simulink-PS Converter 模块和 PS-Simulink Converter 模块，它们的作用是桥接模型中使用物理信号的物理部分和模型中使用 Simulink® 信号的其余部分。

您拥有要建模的两个运算放大器的制造商数据手册。在此示例的后面部分，您将使用该数据手册对 Simscape™ Electrical™ Band-Limited Op-Amp 模块进行参数化。

下表描述了表示系统组件的各模块的作用。

模块

描述

Sine Wave

生成控制 Variable Resistor 模块的电阻的正弦信号

Scope

显示三角输出波形

Simulink-PS Converter将正弦 Simulink 信号转换为物理信号
Solver Configuration

定义适用于所有物理建模模块的求解器设置

PS-Simulink Converter将输出物理信号转换为 Simulink 信号
Capacitor与运算放大器和电阻器模块配合使用以构成积分器
Resistor与运算放大器和电容器模块配合使用以构成积分器和同相放大器
Variable Resistor提供时变电阻，用于调节积分器的增益，进而改变生成的三角波的频率和振幅
DC Voltage Source

为同相放大器的运算放大器模块生成 DC 参考信号

Voltage Sensor

将积分器输出端的电压转换为与电流成比例的物理信号

Electrical Reference

提供电气接地

Band-Limited Op-Amp与电容器和电阻器配合使用以构成积分器和同相放大器
Diode限制 Band-Limited Op-Amp 模块的输出，使输出波形不受电源电压的影响

构建模型

创建一个 Simulink 模型，向该模型中添加模块并连接这些模块。

  1. 创建一个新模型。

  2. 向该模型中添加下表中列出的模块。表中的“库路径”列指定了每个模块的层级路径。

    模块

    库路径

    数量

    Sine WaveSimulink > Sources

    1

    ScopeSimulink > Commonly Used Blocks

    1

    Simulink-PS ConverterSimscape > Utilities

    1

    Solver ConfigurationSimscape > Utilities

    1

    PS-Simulink Converter Simscape > Utilities

    1

    CapacitorSimscape > Foundation Library > Electrical > Electrical Elements

    1

    ResistorSimscape > Foundation Library > Electrical > Electrical Elements

    3

    Variable ResistorSimscape > Foundation Library > Electrical > Electrical Elements

    1

    Electrical ReferenceSimscape > Foundation Library > Electrical > Electrical Elements

    2

    DC Voltage SourceSimscape > Foundation Library > Electrical > Electrical Sources

    1

    Voltage SensorSimscape > Foundation Library > Electrical > Electrical Sensors

    1

    Band-Limited Op-Amp

    Simscape > Electrical > Integrated Circuits

    2

    Diode

    Simscape > Electrical > Semiconductor & Converters

    2

    注意

    您可以使用 Simscape 函数 sscnew 并将域类型指定为 electrical，以创建包含下列模块的 Simscape 模型：

    • Simulink-PS Converter

    • PS-Simulink Converter

    • Scope

    • Solver Configuration

    • Electrical Reference

  3. 重命名模块，并按下图所示连接各模块。三角波发生器电路中的模块分为两个阶段。Comparator Stage：包含一个由一个 Band-Limited Op-Amp 模块和两个 Resistor 模块构成的比较器。Integrator Stage：包含一个由另一个 Band-Limited Op-Amp 模块、一个 Resistor 模块、一个 Capacitor 模块和一个 Electrical Reference 模块构成的积分器。

指定模型参数

指定以下参数来表示系统组件的行为：

模型设置参数

以下模块指定不专属于特定模块的模型信息：

  • Solver Configuration

  • Electrical Reference

与 Simscape 模型一样，每个独特拓扑物理网络中都必须包含一个 Solver Configuration 模块。此示例中只有一个物理网络，因此只需使用一个带有默认参数值的 Solver Configuration 模块。

每个 Simscape Electrical 网络中都必须包含一个 Electrical Reference 模块。此模块没有任何参数。

输入信号参数

使用 Sine Wave 模块生成正弦控制信号。

按如下所述设置 Sine Wave 模块参数：

  • 振幅 - 0.5e4

  • 偏置 - 1e4

  • 频率 - pi/5e-4

三角波发生器参数

配置对产生三角波的物理系统进行建模的模块：

  • Integrator Stage - Band-Limited Op-Amp、Capacitor 和 Resistor 模块 R3

  • Comparator Stage - Band-Limited Op-Amp1、Resistor 模块 R1 和 R2

  • Variable Resistor

  • Diode 和 Diode1

  • Simulink-PS Converter 和 PS-Simulink Converter 模块，用于桥接模型的物理部分和模型的 Simulink 部分。

  1. 接受 Simulink-PS Converter 模块的默认参数。这些参数确定模块输出端物理信号的单位，使其与 Variable Resistor 模块输入端的预期默认单位相匹配。

  2. 为采用 +–20 V 电源的 LM7301 器件设置两个 Band-Limited Op-Amp 模块参数：

    • 数据手册列出的增益为 97 dB，相当于 10 ^ ( 97 / 20 ) = 7.1e4。将增益，A 参数设置为 7.1e4。

    • 数据手册列出的输入电阻为 39 Mohm。将输入电阻，Rin 设置为 39e6。

    • 将输出电阻，Rout 设置为 0 ohm。数据手册未列出 Rout 的值，但与它所驱动的输出电阻器相比，该项的值可忽略不计。

    • 将最小输出电压和最大输出电压分别设置为 –20 V 和 +20 V。

    • 数据手册列出的最大压摆率为 1.25 V/μs。将最大压摆率，Vdot 参数设置为 1.25e6 V/s。

    • 将带宽设置为 4e6。

  3. 为 4.3 V 齐纳二极管设置两个 Diode 模块参数。要对 BZX384-B4V3 进行建模，请按如下所述设置模块参数：

    • 在主要选项卡中，将二极管模型保留为分段线性。

    • 将正向电压保留为 0.6 V - 这是大多数二极管的典型值。

    • 数据手册列出，当正向电压为 1 V 时，正向电流为 250 mA。为了使 Diode 模块与此匹配，请将导通电阻设置为 (1 V – 0.6 V) / 250 mA = 1.6 ohm。

    • 数据手册列出，当反向电压为 1 V 时，反向漏电流为 3 μA。因此，请将关断电导设置为 3 μA / 1 V = 3e-6 S。

    • 选择齐纳二极管建模参数 - 这会选择一个足以测试该电路是否正常运行的齐纳二极管模型。

    • 数据手册列出的反向电压为 4.3 V。在击穿选项卡中，将反向击穿电压设置为 4.3 V。

    • 将齐纳电阻设置为适当的较小数值。数据手册列出了反向电流为 5 mA 时的齐纳电压。为了使 Diode 模块能够表示真实器件，在 5 mA 时仿真的反向电压应接近 4.3 V。当 Rz 趋近于零时，无论电流多大，反向击穿电压都趋近于 Vz，因为电压-电流梯度变得无穷大。但是，为了获得良好的数值属性，Rz 不能太小。例如，如果允许 5 mA 时齐纳电压有 0.01 V 的误差，则 Rz 为 0.01 V / 5 mA = 2 ohm。将齐纳电阻参数设置为此值。

  4. Voltage Sensor 模块没有任何参数。

  5. 接受 Variable Resistor 模块的默认参数。这些参数确定模块输出端物理信号的单位，使其与 Variable Resistor 模块输入端的预期默认单位相匹配。

  6. 按如下所述设置 Capacitor 模块参数：

    • 电容 - 2.5e-9

    • 串联电阻 - 0

    在初始目标部分中，将电容器电压变量的值设置为 0.08。

  7. 将 DC Voltage Source 模块的恒定电压参数设置为 0。

  8. 将 Resistor R3 模块的电阻参数设置为 10000。

  9. 将 Resistor R1 模块的电阻参数设置为 1000。

  10. 将 Resistor R2 模块的电阻参数设置为 10000。

  11. 接受 PS-Simulink Converter 模块的默认参数。这些参数确定模块输出端物理信号的单位，使其与 Scope 模块输入端的预期默认单位相匹配。

信号显示参数

指定 Scope 模块的参数以显示三角输出信号。

双击 Scope 模块，然后点击视图 > 配置属性，以打开 Scope 的“配置属性”对话框。在记录选项卡中，清除将数据点限制为最后复选框。

配置求解器参数

配置求解器参数以使用连续时间求解器。仅当 Simscape Solver Configuration 模块的局部求解器参数被清除时，Simscape Electrical 模型才会使用连续时间求解器运行。您还可以更改仿真结束时间，收紧相对容差以实现更精确的仿真，以及删除对 Simulink 保存的仿真数据点数量的限制。

  1. 在模型窗口中，选择建模 > 模型设置，以打开“配置参数”对话框。

  2. 在该对话框左侧树状结构的求解器类别中：

    • 输入 2000e-6 作为停止时间参数值。

    • 从求解器列表中选择 ode23t (Mod. stiff/Trapezoidal)。

    • 输入 4e-5 作为最大步长参数值。

    • 输入 1e-6 作为相对容差参数值。

  3. 在选择树状结构的数据导入/导出类别中，清除将数据点限制为最后复选框。

  4. 点击确定。

有关配置求解器参数的详细信息，请参阅Simulating an Electronic, Mechatronic, or Electrical Power System。

仿真模型并分析结果

运行仿真并绘制结果。

在模型窗口中，选择仿真 > 运行以运行仿真。

要在 Scope 窗口中查看三角波，请双击 Scope 模块。您可以在运行仿真之前或之后执行此操作。

下图显示了电压波形。随着 Variable Resistor 模块电阻的增加，输出波形的振幅增加，频率降低。

三角波形电压

另请参阅

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