Лабораторные работы теория цепей / Лабораторные работы вирт / Лабораторная работа №1

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Система моделирования Electronics Worksbench: создание схем и контрольноизмерительные приборы.

Цель работы: ознакомление с принципами построения схем в системе моделирования EWB 5.12, аналоговыми элементами схем и основными контрольноизмерительными приборами.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1.Изучение теоретической части.

2.Выполнение практических заданий и ответы на контрольные вопросы.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1.Название работы

2.Выполнение практических заданий и ответы на контрольные вопросы. При выполнении практических заданий отчет должен содержать принципиальные схемы для соответствующих заданий. На схемах должны быть обозначены номиналы элементов, и если требуется результаты измерений, осциллограммы, характеристики (АЧХ, ФЧХ и т.д.), выводы по работе схемы.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Прежде чем создавать чертеж принципиальной схемы средствами программы EWB, необходимо на листе бумаги подготовить ее эскиз с примерным расположением компонентов и с учетом возможности оформления отдельных фрагментов в виде подсхем. Целесообразно также ознакомиться с библиотекой готовых схем программы для выбора аналога (прототипа) или использования имеющихся решений в качестве подсхем.

В общем случае процесс создания схемы начинается с размещения на рабочем поле EWB компонентов из библиотек программы в соответствии с подготовленным эскизом. Разделы библиотеки программы EBW поочередно могут быть вызваны с помощью меню.

Каталог выбранной библиотеки располагается в вертикальном окне справа или слева от рабочего поля (устанавливается в любое место перетаскиванием стандартным способом — за шапку заголовка). Для открытия каталога нужной библиотеки необходимо подвести курсор мыши к соответствующей иконке и нажать один раз ее левую кнопку, после чего серый фон иконки меняется на желтый. Необходимый для создания схемы значок (символ) компонента переносится из каталога на рабочее поле программы движением мыши при нажатой левой кнопке, после чего кнопка отпускается (для фиксирования символа) и производится двойной щелчок по значку компонента. В раскрывающемся диалоговом окне устанавливаются требуемые параметры (сопротивление резистора, тип транзистора и т.д.) и выбор подтверждается нажатием кнопки Accept или клавиши Enter. На этом этапе необходимо предусмотреть место для размещения контрольных точек и иконок контрольно-измерительных приборов.

Если в схеме используются компоненты одинакового номинала (например, резисторы с одинаковым сопротивлением), то номинал такого компонента рекомендуется задать непосредственно в каталоге библиотеки, и затем переносить компоненты в нужном количестве на рабочее поле. Для изменения номинала компонента необходимо два раза щелкнуть мышью по символу его графического изображения и в раскрывающемся после этого окне внести изменения. При размещении компонентов схемы на рабочем поле программы EWB 5.0 можно воспользоваться динамическим меню, описанным в конце главы. После размещения компонентов производится соединение их выводов проводниками. При этом необходимо учитывать, что к выводу компонента можно подключить только один проводник. Для выполнения подключения курсор мыши подводится к выводу компонента и после появлении прямоугольной площадки синего

цвета нажимается левая кнопка и появляющийся при этом проводник протягивается к выводу другого компонента до появления на нем такой же прямоугольной площадки, после чего кнопка мыши отпускается, и соединение готово. При необходимости подключения к этим выводам других проводников в библиотеке Passive выбирается точка (символ соединения) и переносится на ранее установленный проводник. Чтобы точка почернела (первоначально она имеет красный цвет), необходимо щелкнуть мышью по свободному месту рабочего поля. Если эта точка действительно имеет электрическое соединение с проводником, то она полностью окрашивается черным цветом. Если на ней виден след от пересекающего проводника, то электрического соединения нет и точку необходимо установить заново. После удачной установки к точке соединения можно подключить еще два проводника. Если соединение нужно разорвать, курсор подводится к одному из выводов компонентов или точке соединения и при появлении площадки нажимается левая кнопка, проводник отводится на свободное место рабочего поля, после чего кнопка отпускается. Если необходимо подключить вывод к имеющемуся на схеме проводнику, то проводник от вывода компонента курсором подводится к указанному проводнику и после появления точки соединения кнопка мыши отпускается. Следует отметить, что прокладка соединительных проводников производится автоматически, причем препятствия — компоненты и другие проводники — огибаются по ортогональным направлениям (по горизонтали или вертикали).

Точка соединения может быть использована не только для подключения проводников, но и для введения надписей (например, указания величины тока в проводнике, его функционального назначения и т.п.). Для этого необходимо дважды щелкнуть по точке и в раскрывшемся окне ввести необходимую запись (не более 14 символов), причем запись можно смещать вправо путем введения слева нужного количества пробелов. Это свойство может быть использовано и в том случае, когда позиционное обозначение компонента (например Cl, R10) накладывается на рядом проходящий проводник или другие элементы схемы.

Если необходимо переместить отдельный сегмент проводника, к нему подводится курсор, нажимается левая кнопка и после появления в вертикальной или горизонтальной плоскости двойного курсора производятся нужные перемещения.

Подключение к схеме контрольно-измерительных приборов производится аналогично. Причем для таких приборов как осциллограф или логический анализатор соединения целесообразно проводить цветными проводниками, поскольку их цвет определяет цвет соответствующей осциллограммы. Цветные проводники целесообразны не только для обозначения проводников одинакового функционального назначения, но и для проводников, находящихся в разных частях схемы.

При обозначении компонентов необходимо придерживаться рекомендаций и правил, предусмотренных ЕСКД (единой системой конструкторской документации). Что касается пассивных компонентов, то при выборе их обозначений особых трудностей не возникает. Трудности возникают при выборе активных элементов — микросхем, транзисторов и т.п., особенно при необходимости использования компонентов отечественного производства, когда требуется установить точное соответствие функциональных обозначений выводов и параметров зарубежных и отечественных компонентов.

Для облегчения этой задачи можно воспользоваться таблицами соответствия зарубежных и отечественных компонентов (см. табл.).

При импортировании в создаваемую схему другой схемы или ее фрагментов целесообразно действовать в следующей последовательности:

- командой FiloSave As записать в файл создаваемую схему, указав его имя в диалоговом окне (расширение имени файла указывать не обязательно, программа сделает это автоматически);

-командой File → 0pen загрузить на рабочее поле импортируемую схему стандартным для Windows образом (некоторые особенности описаны в конце главы);

-командой Edit → Select All выделить схему, если импортируется вся схема, или выделить ее нужную часть (см. разд. 1.2);

-командой Edit → Copy скопировать выделенную схему в буфер обмена;

-командой File → 0pen загрузить создаваемую схему;

-командой Edit → Paste вставить содержимое буфера обмена на рабочее поле; после вставки импортируемая схема будет выделена (и отмечена красным цветом) и может оказаться наложенной на создаваемую схему;

-клавишами управления курсором или мышью отбуксируйте импортированную часть в нужное место, после чего можно отменить выделение;

-после подключения импортированной схемы необходимо щелчками мыши пройтись по всем ее компонентам, чтобы исключить их смещения, возникающие при буксировке и приводящие к ступенчатым искажениям проводников.

Перемещения отдельных фрагментов схемы при ее компоновке выполняются вышеописанным образом после выделения фрагмента. После подготовки схемы рекомендуется составить ее описание (окно-ярлык вызывается из меню Window>Description), в котором указывается ее назначение; после проведения моделирования указываются его результаты. К сожалению, программа EWB позволяет вводить описание только на английском языке. Кроме того, в EWB не предусмотрены средства для редактирования графических изображений компонентов, а также введения новых шрифтов. Перейдем теперь к краткому обзору библиотечных компонентов программы EWB. Более подробные сведения будут приведены в гл. 4 и в других главах по мере их применения. При описании библиотек после названия компонента в скобках указываются назначаемые пользователем параметры. Например, для конденсатора это емкость, значение которой может быть установлено с помощью диалогового окна, а также температурные коэффициенты и разбросы, для операционного усилителя — тип, который может быть выбран с помощью меню на рис. 1.5, и т.д.

Библиотеки компонентов EWB.

Группа элементов Sources содержит источники сигналов (меню для выбора компонентов показано на рис. 2.2). Заметим, что под источниками сигналов подразумеваются не только источники питания, но и управляемые источники.

Рис. 1. Группа элементов Sources

1 - Заземление

2 - Батарея (напряжение)

3 - Источник постоянного тока (ток)

4 - Источник переменного синусоидального напряжения (эффективное значение напряжения, частота, фаза)

5- Источник переменного синусоидального тока (эффективное значение тока, частота, фаза)

6- Источник напряжения, управляемый напряжением (коэффициент передачи)

7- Источник тока, управляемый напряжением (коэффициент передачи)

8- Источник напряжения, управляемый током (коэффициент передачи)

9- Источник тока, управляемый током (коэффициент передачи)

10- Генератор однополярных прямоугольных импульсов (амплитуда, частота, коэффициент заполнения)

11- Генератор амплитудно-модулированных колебаний (напряжение и частота несущей, коэффициент и частота модуляции).

12- Генератор частотно-модулированных колебаний (напряжение и частота несущей, индекс и частота модуляции).

13- Полиномиальный источник питания (коэффициенты полинома).

Группа элементов Basic (основные)

Рис. 1.2 Группа элементов Basic (основные)

1 - Точка соединения проводников, используемая также для введения на схему надписей длиной не более 14 символов (других способов введения текста в EWB не существует). Например, если на схеме требуется указать значение тока в какой-либо ветви, то на проводнике этой ветви ставится точка, затем двойным щелчком по точке вызывается диалоговое окно, в котором и выполняется соответствующая надпись.

2- Резистор (сопротивление)

3- Конденсатор (емкость).

4- Катушка индуктивности (индуктивность).

5- Трансформатор с возможностью редактирования: коэффициента трансформации

(Primary-to-secondary turns ratio); индуктивности рассеяния (Leakage inductance Le, Гн);

индуктивности первичной обмотки (Magnetizing inductance Lm, Гн); сопротивления первичной обмотки (Primary winding resistance Rp, Ом); сопротивления вторичной обмотки (Secondary winding resistance Rs, Ом).

6- Реле с перекидным контактом (ток срабатывания и отпускания, индуктивность обмотки).

7- Переключатель, управляемый нажатием задаваемой клавиши клавиатуры (по умолчанию — клавиша пробела).

8- Переключатель, автоматически срабатывающий через заданное время на включение и выключение (время включения и выключения, с).

1- Биполярный n-p-n-транзистор (тип).

2- Биполярный p-n-p-транзистор (тип).

3- Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом (тип).

4- Полевой транзистор с управляющим n-p-переходом (тип).

5, 6, 7, 8 - Полевые МОП-транзисторы с изолированным затвором: n-канальные с обогащенным затвором и p-канальные с обедненным затвором, с раздельными или соединенными выводами подложки и истока (тип).

9, 10, 11, 12 - Полевые МОП-транзисторы с изолированным затвором: n-канальные с обогащенной подложкой и p-канальные с обедненной подложкой, с раздельными или соединенными выводами подложки и истока (тип).

13, 14 - p-канальный и n-канальный арсенид-галлиевые полевые транзисторы. В качестве их математических моделей используются модель Куртиса, модель Рэйтеона и

TriQuint модель.

Группа Analog ICs (аналоговые микросхемы)

Рис. 1.5 Группа Analog ICs (аналоговые микросхемы)

1– Линейная модель операционного усилителя (тип).

2– Нелинейная модель операционного усилителя (тип).

3, 4 – Операционные усилители с семью и девятью выводами. 5 - Компаратор напряжения

6 - Микросхема для систем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), состоящая из фазового детектора, фильтра нижних частот и управляемого напряжением генератора

Группа элементов Mixed ICs (микросхемы смешанного типа)

Рис. 6 Группа элементов Mixed ICs (микросхемы смешанного типа)

1- 8-разрядный АЦП.

2- 8-разрядный ЦАП с внешними опорными источниками тока и парафазным выходом.

3- 8-разрядный ЦАП с внешними опорными источниками напряжения.

4- Моностабильный мультивибратор.

5 - Популярная микросхема многофункционального таймера 555, отечественный аналог — КР1006ВИ1.

Для компонентов библиотеки Mixed ICs, за исключением таймера, допускается редактирование в диалоговом окне следующих параметров: верхнего уровеня входного напряжения (High-Level Input Voltage Vih, В); нижнего уровення входного напряжения (Low-Level Input Voltage Vil, В); времени установления при переходе от нижнего уровня к верхнему и наоборот (Propagation Delay Time, Low-to-High Level Output Tplh; Propagation Delay Time, High-to-Low Level Output Tphl, c); пороговое напряжение (Threshold Voltage Vth, B).

Например, для АЦП (ADC) первые два параметра обозначают диапазон преобразуемых напряжений, третий — время преобразования, четвертый — цена младшего разряда.

Группа элементов Indicators (идникаторы)

Рис.1.7 Группа элементов Indicators (идникаторы)

1- Вольтметр (внутреннее сопротивление, режим измерения постоянного или переменного тока).

2- Амперметр (внутреннее сопротивление, режим измерения постоянного или переменного тока).

3- Лампа накаливания (напряжение, мощность).

4- Светоиндикатор (цвет свечения).

5- Семисегментный индикатор (тип).

6- Семисегментный индикатор с дешифратором (тип).

7– Звуковой индикатор (частота звукового сигнала, напряжение и ток срабатывания).

8- Линейка из десяти независимых светодиодов (напряжение, номинальный и минимальный ток).

9- Линейка из десяти светодиодов со встроенным АЦП (минимальное и максимальное напряжение).

Группа элементов Controls (аналоговые вычислительные устройства)

Рис. 1.8. Группа элементов Controls (аналоговые вычислительные устройства)

1 – дифференциатор

2 – интегратор

3 - масштабирующее звено

4 - формирователь передаточных функций

5- Аналоговый умножитель (коэффициент передачи).

6- Аналоговое устройство деления (коэффициент передачи).

7- трехвходовой сумматор

8- неуправляемый ограничитель напряжения

9- управляемый ограничитель напряжения

10- ограничитель тока

11- блок с гистерезисной характеристикой

12- селектор сигналов

Для всех этих компонентов предоставляется возможность редактирования их параметров. Например, в диалоговом окне установки параметров масштабирующего звена можно задать коэффициент усиления (К), входное (VIOFF) и выходное (VOOFF) напряжение смещения нулевого уровня. Последний параметр может быть использован, например, для задания начальных условий решения дифференциальных уравнений.

Группа элементов Miscellaneous (компоненты смешанного типа)

Рис. 1.9 Группа элементов Miscellaneous (компоненты смешанного типа)

1- Предохранитель (ток срабатывания).

2- 8-разрядное устройство записи данных.

3– набор макромоделей (подсхем) в формате SPICE

4- Линия передачи с потерями, которая характеризуемая параметрами: длиной линии (Length of the Transmission Line Len, м); сопротивлением на единицу длины

(Resistance per unit length Rt, Ом/м); индуктивностью на единицу длины (Inductance per unit length Lt, Гн/м); емкостью на единицу длины (Capacitance per unit length Ct, Ф/м);

проводимостью на единицу длины (Conductance per unit length Gt, См/м); количеством последовательно включенных элементарных сегментов (Number of Lumps n).

5 - Линия передачи без потерь с возможностью редактирования: волнового сопротивления (Nominal Impedance Zo, Ом); времени задержки распространения сигнала в линии (Propogation Time Delay Td, с); количества последовательно включенных элементарных сегментов (Number of Lumps n).

6 - кварцевый резонатор

7 – коллекторный электродвигатель постоянного тока

8 - электровакуумный триод 9, 10, 11 - фильтры-накопители на переключаемых индуктивностях

Группа элементов Instruments

Рис. 1.10 Группа элементов Instruments

Панель контрольно-измерительных приборов находится под полем меню рабочего окна программы EWB и содержит:

1 - цифровой мультиметр

2 - функциональный генератор

3 - двухканальный осциллограф

4- измеритель амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик

5- генератор слов (кодовый генератор)

6- 8-канальный логический анализатор

7- логический преобразователь

Общий порядок работы с приборами такой: иконка прибора курсором переносится на рабочее поле и подключается проводниками к исследуемой схеме. Для приведения прибора в рабочее (развернутое) состояние необходимо дважды щелкнуть курсором по его иконке. Рассмотрим некоторые приборы более подробно.

Цифровой мультиметр. На лицевой панели мультиметра (рис. 1.11) расположен дисплей для отображения результатов измерения, клеммы для подключения к схеме и кнопки управления с помощью которых можно выбрать:

1.режим измерения тока, напряжения, сопротивления и ослабления (затухания);

2.режим измерения переменного или постоянного тока;

3.режим установки параметров мультиметра. После нажатия на эту кнопку открывается диалоговое окно (рис. 1.12), на котором обозначено:

Ammeter resistance — внутреннее сопротивление амперметра; Voltmeter resistance — входное сопротивление вольтметра; Ohmmeter current — ток через контролируемый объект;

Decibel standard — установка эталонного напряжения V1 при измерении ослабления или усиления в децибелах (по умолчанию V1=1 В). При этом для

коэффициента передачи используется формула: K[дБ] = 20log (V1/V 2), где V2 - напряжение в контролируемой точке.

Приведем пример использования мультиметра в режиме dB. Предположим, что необходимо измерить коэффициент передачи аудиоусилителя на частоте 20 кГц. Для этого к его входу подключим источник переменного синусоидального напряжения частотой 20 кГц и напряжением V1=1 В, а к выходу — мультиметр. Предположим далее, что в режиме измерения напряжения получена величина выходного напряжения V2=100 В. Следовательно, коэффициент передачи усилителя K=V2/V1=100. Переведем мультиметр в режим dB, тогда получим значение коэффициента усиления в децибелах K[дБ] = 20log100 = 40дБ. Предположим далее, что частота входного сигнала увеличена

до 100 кГц и получено напряжение на выходе усилителя V2=0,1 В, т.е. коэффициент передачи в данном случае составляет К=0,1/1=0,1. В режиме dB мультиметр измерит K[дБ] = 20log 0,1 = −20дБ. Отметим, что мультиметр измеряет эффективное

(действующее) значение переменного тока.

Рис. 1.11 Лицевая панель мультиметра

Рис. 1.12 Окно установки режимов мультиметра

Функциональный генератор (Function Generator). Лицевая панель генератора показана на рис. 1.13. Управление генератором осуществляется следующими опциями управления:

1.выбором формы выходного сигнала: синусоидальной (выбрана по умолчанию) треугольной и прямоугольной;

2.Frequency - установкой частоты выходного сигнала;

3.Duty cycle - установкой коэффициента заполнения в %: для импульсных сигналов это отношение длительности импульса к периоду повторения — величина,