Добавлен: 22.11.2023
Просмотров: 312
Скачиваний: 18
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
10 входном языке пакета и извлечение из них информации для организации работы всех остальных программ пакета.
Планировщик вычислительного процесса определяет правильную необходимую цепочку, последовательность обработки модулей для выполнения соответствующих инструкций.
Загрузчик-исполнитель последовательно загружает и выполняет все программные модули по вычислительной схеме планировщика.
Пакет прикладных программ сопровождается документацией, необходимой для его установки и эксплуатации. Документация включает: паспорт и пояснительную записку
(составные части и характеристику пакета — назначение и область применения); инструкцию по вводу ППП в эксплуатацию, т.е. инструкцию по генерации пакета на ЭВМ; инструкцию для пользователя по подготовке исходных данных и инструкцию по работе с пакетом для решения задач; документацию на модули.
Модуль системы— это программа, реализующая законченную функцию, ориентированная на его совместное использование с другими модулями и в соответствии с этим оформленная.
Итак, ППП позволяет хранить относительно простые готовые программы (модули) и автоматически собирать из них сложные программы, подобно тому, как из унифицированных деталей строятся разнообразные архитектурные сооружения.
Для автоматической сборки модулей и разработки пользовательских моделей пакеты прикладных программ оснащены так называемыми
пользовательскими интерфейсами (
UI — англ. user interface)
. Они представляет собой совокупность средств и методов, при помощи которых пользователь взаимодействует с различными, чаще всего сложными, машинами, устройствами и аппаратурой.
По отношению к компьютерным программам, под интерфейсом прикладной программы подразумевается набор средств, методов, правил и списка инструкций, точно описывающих заложенный алгоритм взаимодействия любой системы, управляемой человеком.
Особое и отдельное внимание в интерфейсе пользователя уделяется его эффективности и удобству использования. Его основные характеристики – это понятный, удобный, дружественный.
Для прикладных программных пакетов – это оконный интерфейс, т. е. способ организации полноэкранного интерфейса программы, в котором каждая интегральная часть располагается в окне – собственном субэкранном пространстве, находящемся в произвольном месте «над» основным экраном. Несколько окон, одновременно располагающихся на экране, могут перекрываться, виртуально находясь «выше» или «ниже» друг относительно друга.
11
1.3. Математическое моделирование и пакеты прикладных программ.
Пакеты прикладных программ, используемые при подготовке студентов в направление 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», на первом и втором курсах предназначены: для приобретения навыков по решению простейших электротехнических задач с использованием математических моделей; для освоения студентами основ и принципов метода математического моделирования. для решения на компьютерах всех видов математических задач с визуализацией этапов вычислений.
Навыки по решения простейших электротехнических задач в дисциплине «Программные средства профессиональной деятельности» студенты приобретают при расчетах простых и сложных электрических схем. При этом рассматриваются установившиеся и переходные процессы в этих схемах.
При разработке пользовательских программ в ППП, рассматриваемых в данной дисциплине, используются методы расчета электрических цепей изучаемые в дисциплинах «Электротехника» и «Теоретические основы электротехники». В основе этих методы, как известно, положены закон
Ома, первый и второй законы Кирхгофа [2,12]. При этом необходимо обращать внимание студентов на то, что установившиеся режимы работы электрических цепей, с математической точки зрения, описываются алгебраическими уравнениями, а динамические режимы работы, сопровождаемые переходными процессами, дифференциальными уравнениями. Данный педагогический аспект является одним из основных
при разработке математических моделей в ППП.
Вне зависимости от используемого прикладного программного пакета математическая модель исследуемого объекта, процесса и явления составляется в соответствие со структурой, представленной на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Обобщенная структура построения математической модели.
Основу математической модели, в соответствие с представленной на рис.1.2 структурой, определяют физические законы функционирования исследуемого объекта. Математическое описание составляется с учетом определенных допущений в виде алгебраических или дифференциальных
12 уравнений и их систем. Компьютерная программа – это используемый пакет прикладной программы, а численные анализ – метод решения уравнений, заложенный в монитор пакета. На данный педагогический
аспект при разработке модели так же необходимо обращать внимание студентов на лекциях и практических занятиях.
Прикладные программные пакеты позволяют проводить исследование явлений и процессов в объектах во временной, частотной областях и в пространстве состояний. При этом использованы классический, операторный и численные методы расчета и решения уравнений. Каждый
ППП имеет определенный набор операторов и встроенных функций для преобразования компонентных и топологических уравнений [1,10,11].
Набор численных методов расчета, операторов и встроенных функций в прикладных программных пакетах в настоящее время при подготовке программистов выделяется в специальный раздел математики, а именно
компьютерной математики. При подготовке бакалавров по направлению
13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» этот набор позволяет осуществлять решение на компьютерах всех видов математических задач с визуализацией этапов вычислений.
Рассматриваемые в дисциплине
«Программные средства профессиональной деятельности», пакеты прикладных программ позволяют широко использовать визуализацию полученных результатов исследований. Связано это с тем, что каждый из ППП имеет свой текстовый редактор, математический интерпретатор и графический процессор, использование которых осуществляется через соответствующие командные строки интерфейса и кнопки обращения.
13
Глава 2. ПРИКЛАДНЫЕ ПРОГРАММНЫЕ ПАКЕТЫ
СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.
Схемотехническое моделирование является наиболее эффективным способом исследования проектируемого объекта на стадии формирования его принципиальной электрической схемы.
Схемотехническое моделирование – важный этап проектирования многих изделий электронной техники (ИЭТ): цифровых и аналоговых интегральных схем
(ИС), электронных схем разной степени сложности, реализованных на дискретных элементах, блоков радиоаппаратуры и электронных изделий в целом
Схемотехническое моделирование учитывает реальные физические ограничения в электрических процессах – законы сохранения. Этим оно отличается от логического моделирования, при котором рассматриваются только информационные потоки в схеме. Упомянутые ограничения описываются первым и вторым законами Кирхгофа, которые вытекают из законов сохранения заряда и энергии и называются обычно законами электрического равновесия. Необходимость выполнения этих законов в каждой расчетной точке требует решения соответствующих уравнений электрического равновесия.
Все современные программные продукты Electronics Workbench 5,
Multisim 2001, Ultiboard 2001, Ultiroute и Commsim 2001. разработанные для метода схемотехнического моделирования, предполагают ввод в редакторе принципиальных схем, после чего генерируется список соединений, необходимый для работы программы моделирования.
Для учебных задач остановимся на рассмотрении принципа схемотехнического моделирования с использованием программы
Electronics Workbench, Version 5.12 (EWB 5.12)
2.1. Интерфейс программы.
Использование интегрированной программной системы схемотехнического моделирования аналоговых и цифровых радиоэлектронных устройств Electronics Workbench позволяют решать следующие задачи: создание модели принципиальной электрической схемы устройства и ее редактирование; расчет режимов работы модели; расчет частотных характеристик и переходные процессы модели; провести оценку и анализ модели; наращивать библиотеку компонентов; представлять данные в форме, удобной для дальнейшей работы; разрабатывать печатные платы и подготовку научно-технических документов и д. р.
14
Система схемотехнического моделирования Electronics Workbench
(EWВ) имитирует реальное рабочее место исследователя – лабораторию, оборудованную измерительными приборами, работающими в реальном масштабе времени. Для понимания принципов ее работы необходимо: знание основных принципов работы операционной системы
Windows; понимание принципов работы основных измерительных приборов
(осциллографа, мультиметра и т.д.); знание отдельных элементов электрических и электронных устройств.
Работа с системой моделирования EWВ включаетв себя три основных этапа: создание схемы (для сложных систем схемы замещения); подключение измерительных приборов; активизация схемы – расчет процессов протекающих в исследуемом устройстве (объекте).
Процесс создания схемы начинается с размещения на рабочем поле
EWВ компонентов из библиотеки программы. Окно (интерфейс) программы Electronics Workbench представлено на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Окно программы Electronics Workbench
Программа использует стандартный интерфейс Windows, что значительно облегчает ее использование.
В верхней части окна программы расположена строка меню. Она содержит шесть заголовков (рис. 2.2):
15
Рис. 2.2. Меню программы Electronics Workbench
Под меню в виде строки пиктограмм расположена стандартная панель инструментов (рис. 2.3). Щелчок мышью на той или иной пиктограмме дублирует основные команды меню.
Рис. 2.3. Стандартная панель инструментов.
Кроме стандартных
Windows
-кнопок, на панели инструментов расположены следующие: поворот; горизонтальное зеркальное отображение; вертикальное зеркальное отображение; создать модель; вывести график; свойства компонента; две кнопки изменения масштаба изображения.
Далее расположены раскрывающиеся панели линейки инструментов с компактным представлением библиотек (рис. 2.4).
Рис. 2.4. Панели выбора элементов схемы и измерительных инструментов.
Sources – источники питания.
Basic – группа пассивных компонентов.
Diodes – полупроводниковые диоды, стабилитроны и т. п.
Transistors – полупроводниковые транзисторы.
Analog ICs – аналоговые микросхемы.
Mixed IСs – микросхемы смешанного типа (АЦП, ЦАП).
Digital IСs – цифровые микросхемы.
Logic Gates – логические цифровые микросхемы.
Digital – цифровые микросхемы (отличающиеся от Digital IСs).
16
Indicators – индикаторные устройства.
Controls
– аналоговые вычислительные устройства
(дифференциаторы, интеграторы и т.д.).
Miscellaneous – компоненты смешанного типа.
Instruments – контрольно-измерительные приборы.
Favoritesсодержит, созданные пользователем элементы-подсхемы, и в начале работы панель пуста.
В рабочем поле программы располагается моделируемая схема с подключенными к ней “иконками” контрольно-измерительных приборов и краткое описание схемы (description). При необходимости каждый из приборов может быть развернут для установки режимов его работы и наблюдения результатов.
2.2. Основные этапы создания схем.
Electronics Workbench позволяет строить схемы различной степени сложности при помощи следующих операций: выбор элементов и приборов из библиотек; перемещение элементов и схем в любое место рабочего поля; поворот элементов и групп элементов на углы, кратные 90°; копирование, вставка или удаление элементов, групп элементов, фрагментов схем и целых схем; изменение цвета проводников; выделение цветом контуров схем для более удобного восприятия; одновременное подключение нескольких измерительных приборов и наблюдение их показаний на экране монитора; присваивание элементу условного обозначения; изменение параметров элементов в широком диапазоне.
Все операции производятся при помощи мыши и клавиатуры.
Управление только с клавиатуры невозможно.
После построения схемы и подключения приборов анализ ее работы начинается после нажатия выключателя в правом верхнем углу окна программы.
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.
Исследуемая схема собирается на рабочем поле с использованием мыши и клавиатуры. При построении и редактировании схем выполняются операции выбора элемента из соответствующей панели, перетаскивание его на рабочее поле, соединение с другими элементами.
17
В общем случае процесс создания схемы начинается с размещения на рабочем поле EWB компонентов из библиотек программы в соответствии с подготовленным эскизом. Четырнадцать разделов библиотеки программы EBW поочередно могут быть вызваны с помощью меню Window или с помощью иконок (рис. 2.5).
Рис. 2.5. Выбор пассивных компонентов электрической схемы
Для того, чтобы выбрать необходимый компонент, подводят указатель мыши к изображению компонента в библиотеке, нажимают левую кнопку мыши (не отпуская кнопку), перемещают компонент в окно редактирования, и после этого отпускают кнопку.
Разместив на рабочем поле необходимые компоненты для создания исследуемой схемы, приступают ко второму этапу.
Второй этап – это этап ввода и изменения параметров выбранных компонентов.
Для этого подводят указатель мыши к компоненту в окно редактирования, и щелкаем два раза левой кнопкой мыши. Выпадает меню, состоящее из нескольких опций. Рассмотрим две из них:
Label – необходима для написания обозначения компонента;
Value – необходима для простановки значений компонента.
В контрольно-измерительных приборах при необходимости, например, в вольтметрах и амперметрах, при внесении параметров в опции
Label, указываем для какого тока постоянного или переменного; в Mode
выбираем DC – для постоянного тока, AC – для переменного.
На третьем этапе создания схемы осуществляют соединение компонентов электрической схемы.
При этом необходимо учитывать, что к выводу компонента можно подключить только один проводник. Для выполнения подключения указатель мыши подводят к выводу компонента и после появления жирной точки (указатель соединения) нажимают левую кнопку мыши, и появляющийся при этом проводник протягивают к выводу другого компонента до появления на нем такой же жирной точки, после чего кнопку мыши отпускают, соединение готово. Если соединение нужно разорвать, указатель мыши подводят к одному из выводов компонента или к точке соединения и при появлении указателя соединения нажимают левую кнопку, проводник отводят на свободное место рабочего поля, после чего кнопку отпускают. Если необходимо вывод компонента подключить к имеющемуся на схеме проводнику, то из вывода компонента
18 проводник указателем мыши подводят к указанному проводнику и после появления точки соединения кнопку мыши отпускают. Отметим, что прокладка соединительных проводов производится автоматически, причем препятствия – компоненты и проводники огибаются по ортогональным направлениям (по горизонтали или вертикали).
Завершающим этапом является подключение электрической схемы к питанию. Для этого в правом верхнем углу диалогового окна расположена пиктограмма
0 1
0 – отключено питание; 1 – включено питание.
После включения питания на контрольно-измерительных приборах регистрируются характеристики и значения собранной модели электрической схемы.
2.3. Выбор и подключение контрольно-измерительных приборов
В программе EWB используется большой набор приборов для проведения измерений: амперметр, вольтметр, осциллограф, мультиметр,
Боде Плоттер (Bode Plotter) (графопостроитель частотных характеристик схем), функциональный генератор, генератор слов, логический анализатор и логический преобразователь.
Простейшими приборами в Electronics Workbench являются вольтметр и амперметр, которые расположены в поле индикаторов
(Indicators) Они не требуют настройки, автоматически изменяя диапазон измерений. В одной схеме можно применять несколько таких приборов одновременно, наблюдая токи в различных ветвях и напряжения на различных элементах.
Амперметр – используется для измерения переменного и постоянного тока рис. 2.6. Выделенная толстой линией сторона прямоугольника, изображающего амперметр, соответствует отрицательной клемме.
Двойным щелчком мыши на изображении амперметра открывается диалоговое окно для изменения параметров амперметра: вида измеряемого тока, величины внутреннего сопротивления.
Рис. 2.6. Изображение амперметра
Величина внутреннего сопротивления вводится с клавиатуры в строке Resistance, вид измеряемого тока (опция Mode) выбирается из списка. При измерении переменного синусоидального тока (АС) амперметр будет показывать его действующее значение
I
19 2
m
I
I
, где
m
I
– амплитудное значение тока.
Внутренние сопротивление 1 мОм, установленное по умолчанию, в большинстве случаев оказывает пренебрежимо малое влияние на работу схемы. Его значение можно изменить, однако использование амперметра с очень маленьким внутренним сопротивлением в схемах с высоким выходным импедансом может привести к математической ошибке во время моделирования работы схемы. В качестве амперметра можно использовать мультиметр.
Вольтметриспользуется для измерения переменного и постоянного напряжения рис. 2.7.
Рис. 2.7. Изображение вольтметра
Выделенная толстой линией сторона прямоугольника, изображающего вольтметр, соответствует отрицательной клемме.
Двойным щелчком мыши на изображении вольтметра открывается диалоговое окно для изменения параметров вольтметра: вида измеряемого напряжения; величины внутреннего сопротивления. Величина внутреннего сопротивления вводится с клавиатуры в строке Resistance, вид измеряемого напряжения (опция Mode) выбирается из списка. При измерении переменного синусоидального напряжения (АС) вольтметр будет показывать действующее значение напряжения U, определяемое по формуле
2
m
U
U
, где
m
U
– амплитудное значение напряжения.
Внутреннее сопротивление вольтметра 1 МОм, установленное по умолчанию, в большинстве случаев оказывает пренебрежимо малое влияние на работу схемы. Его значение можно изменить, однако использование вольтметра с очень высоким внутренним сопротивлением в схемах с низким выходным импедансом может привести к математической ошибке во время моделирования работы схемы. В качестве вольтметра можно использовать мультиметр.
Кроме описанных амперметра и вольтметра в Electronics Workbench имеется семь приборов, с многочисленными режимами работы, каждый из которых можно использовать в схеме только один раз. Эти приборы расположены на панели приборов. Слева на панели расположены приборы
20 для формирования и наблюдения аналоговых величин: мультиметр, функциональный генератор, осциллограф, Боде-плоттер рис. 2.8.:
Рис 2.8. Аналоговые измерительные приборы.
Мультиметриспользуется для измерения: напряжения (постоянного и переменного), тока (постоянного и переменного), сопротивления, уровня напряжения в децибелах.
Для настройки мультиметра нужно двойным щелчком мыши на его уменьшенном изображении открыть его увеличенное изображение рис. 2.9.
Рис. 2.9. Изображения мультиметра
а – уменьшенное изображения для схем ; б – увеличенное изображение для
настройки мультиметра.
На увеличенном изображении нажатием левой кнопки мыши выбирается: измеряемая величина по единицам измерения – А, V, Ω или
dB; вид измеряемого сигнала – переменный или постоянный; режим установки параметров мультиметра. Установка вида измеряемой величины производится нажатием соответствующей кнопки на увеличенном изображении мультиметра. Нажатие кнопки с символом «» устанавливает мультиметр для измерения действующего значения переменного тока и напряжения, постоянная составляющая сигнала при измерении не учитывается. Для измерения постоянного напряжения и тока нужно на увеличенном изображении мультиметра нажать кнопку с символом «–». В качестве амперметра и вольтметра мультиметр используется так же, как и стандартные приборы.
Мультиметр – единственный в Electronics Workbench стандартный прибор, предназначенный для измерения сопротивления.
Для использования мультиметра в качестве омметра его следует подсоединить
21 параллельно участку цепи, сопротивление которого нужно измерить, на увеличенном изображении мультиметра нажать кнопку Ω и кнопку с символом «–» переключения в режим измерения постоянного тока.
Включить схему. На табло мультиметра при этом появится измеренное значение сопротивления.
Чтобы избежать ошибочных показаний, схема должна иметь соединение с землей и не иметь контакта с источниками питания, которые должны быть исключены из схемы, причем идеальный источник тока должен быть заменен разрывом цепи, а идеальный источник напряжения – короткозамкнутым участком.
Осциллограф, имитируемый программой Workbench, представляет собой аналог двулучевого запоминающего осциллографа и имеет две модификации:
1. простую модификацию с уменьшенным для создания схемы изображением рис. 2.10 а и увеличенным изображением для настройки осциллографа рис. 2.10 б
Рис. 2.10. Простая модификация осциллографа
а – изображение осциллографа в схеме, б – панель осциллографа для настройки
Расширенная модификация по своим возможностям приближается к лучшим цифровым запоминающим осциллографам рис. 2.11.
Рис. 2.11. Расширенная модификация осциллографа
22
Из-за того, что расширенная модель занимает много места на рабочем поле, рекомендуется начинать исследования простой моделью, а для подробного исследования процессов – использовать расширенную модель.
Осциллограф можно подключить к уже включенной схеме или во время работы схемы переставить выводы к другим точкам – изображение на экране осциллографа изменится автоматически. Двойным щелчком мыши по уменьшенному изображению открывается изображение передней панели простой модели осциллографа с кнопками управления, информационными полями и экраном.
Для проведения измерений осциллограф нужно настроить, для чего следует задать: расположение осей, по которым откладывается сигнал; нужный масштаб развертки по осям; смещение начала координат по осям; режим работы по входу: закрытый или открытый; режим синхронизации: внутренний или внешний.
Настройка осциллографа производится при помощи полей управления, расположенных на панели управления. Панель управления общая для обеих модификаций осциллографа и разделена на четыре поля управления: горизонтальной разверткой (Time base); синхронизацией (Trigger); каналом А; каналом В.
Поле управления горизонтальной разверткой (масштабом времени) служит для задания масштаба горизонтальной оси осциллографа при наблюдении напряжения на входах каналов А и В в зависимости от времени. Временной масштаб задается в: с/дел, мс/дел, мкс/дел, нс/дел
(s/div, ms/div, ms/div, ns/div соответственно). Величина одного деления может быть установлена от 0,1 нс до 1 с. Масштаб может дискретно уменьшаться на один шаг при щелчке мышью на кнопке справа от поля и увеличиваться при щелчке на кнопке
Нажатие клавиши Expand на панели простой модели открывает окно расширенной модели осциллографа.
Панель расширенной модели осциллографа в отличие от простой модели расположена под экраном и дополнена тремя информационными табло, на которые выводятся результаты измерений. Кроме того, непосредственно под экраном находится линейка прокрутки, позволяющая наблюдать любой временной отрезок процесса от момента включения до момента выключения схемы. В сущности, расширенная модель
23 осциллографа это совершенно другой прибор, позволяющий намного удобнее и более точно проводить численный анализ процессов.
Чтобы вернуться к прежнему изображению осциллографа, следует нажать клавишу Reduce, расположенную в правом нижнем углу.
Боде-плоттер (графопостроитель)используется для получения амплитудно-частотных (АЧХ) и фазочастотных (ФЧХ) характеристик схемы рис. 2.12.
Рис. 2.12. Изображения Боде-плоттера
а – уменьшенное изображение для отражения в схеме, б – увеличенное для настройки
прибора
Боде-плоттер измеряет отношение амплитуд сигналов в двух точках схемы и фазовый сдвиг между ними. Отношение амплитуд сигналов может измеряться в децибелах. Для измерения Боде-плоттер генерирует собственный спектр частот, диапазон которого может задаваться при настройке прибора. Частота любого переменного источника в исследуемой схеме игнорируется, однако схема должна включать какой-либо источник переменного тока.
Боде-плоттер имеет четыре зажима: два входных (IN) и два выходных
(OUT). Для измерения отношения амплитуд или фазового сдвига нужно подключить положительные выводы входов IN и OUT (левые выводы соответствующих входов) к исследуемым точкам, а два других вывода заземлить. При двойном щелчке мышью по уменьшенному изображению
Боде-плоттера (рис. 2.12 а) открывается его увеличенное изображение
(рис. 2.12 б).
Верхняя панель плоттера задает вид получаемой характеристики:
АЧХ или ФЧХ. Для получения АЧХ следует нажать кнопку Magnitude, для получения ФЧХ – кнопку Phase. Левая панель управления (Vertical) задает: начальное (I – initial) и конечное (F – final) значения параметров, откладываемых по вертикальной оси, вид шкалы вертикальной оси – логарифмическая (LOG) или линейная (LIN).
Правая панель управления (Horizontal) настраивается аналогично.
24
При получении АЧХ по вертикальной оси откладывается отношение напряжений: в линейном масштабе от 0 до 10 9
; в логарифмическом масштабе от –200 dB до 200 dB.
При получении ФЧХ по вертикальной оси откладываются градусы: от
–720 до +720. По горизонтальной оси всегда откладывается частота в герцах или в производных единицах.
В начале горизонтальной шкалы расположен курсор. Его можно перемещать нажатием на кнопки со стрелками, расположенными справа от экрана, либо «тащить» с помощью мыши. Координаты точки пересечения курсора с графиком характеристики выводятся на информационных полях внизу справа. С помощью Боде-плоттера нетрудно построить топографическую диаграмму на комплексной плоскости для любой схемы.
Функциональный генераторявляется идеальным источником напряжения, вырабатывающим сигналы синусоидальной, прямоугольной или треугольной формы рис. 2.13.
Рис. 2.13. Изображение функционального генератора
а – уменьшенное изображение для формирования схемы. б – увеличенное для настройки
генератора.
Средний вывод генератора при подключении к схеме обеспечивает общую точку для отсчета амплитуды переменного напряжения. Для отсчета напряжения относительно нуля общий вывод заземляют. Крайние правый и левый выводы служат для подачи переменного напряжения на схему. Напряжение на правом выводе изменяется в положительном направление, а напряжение на левом выводе – в отрицательном, относительно общего вывода.
При двойном щелчке мышью по уменьшенному изображению функционального генератора открывается его увеличенное изображение, с помощью которого осуществляют: установка формы сигнала. установка частоты сигнала. установка амплитуды выходного напряжения.
25 установка постоянной составляющей выходного напряжения.
1. Установка формы сигнала. Для выбора требуемой формы выходного сигнала необходимо нажать на кнопку с соответствующим изображением. Форму треугольного и прямоугольного сигналов можно изменить, уменьшая или увеличивая значение в поле Duty Cycle
(скважность). Этот параметр определяется для сигналов треугольной и прямоугольной формы. Для треугольной формы напряжения он задает длительность (в процентах от периода сигнала) между интервалом нарастания напряжения и интервалом спада.
Установив, например, значение 20, можно получить длительность интервала нарастания 20 % от периода, а длительность интервала спада –
80 % . Для прямоугольной формы напряжения этот параметр задает соотношение между длительностями положительной и отрицательной части периода.
2. Установка частоты сигнала. Частота генератора регулируется от 1
Hz до 999 MHz. Значение частоты устанавливается в строке Frequency с помощью клавиатуры и кнопок со стрелками. В левом поле устанавливается численное значение, в правом – единица измерения (Hz, kHz, MHz – Гц, кГц, МГц соответственно).
3. Установка амплитуды выходного напряжения. Амплитуду выходного напряжения можно регулировать от 0 мВ до 999 кВ. Значение амплитуды устанавливается в строке Amplitude с помощью клавиатуры и кнопок со стрелками. В левом поле устанавливается численное значение, в правом – единица измерения (mV, mV, V, kV – мкВ, мВ, В, кВ соответственно).
4. Установка постоянной составляющей выходного напряжения.
Постоянная составляющая переменного сигнала устанавливается в строке
Offset при помощи клавиатуры или кнопок со стрелками. Она может иметь как положительное, так и отрицательное значение. Это позволяет получить, например, последовательность однополярных импульсов.
2.4. Решение типовых электротехнических задач.
Программу Electronics Workbench наиболее целесообразно при решении электротехнических задач использовать для так называемых обратных задач и проверки полученных результатов расчета с помощью других прикладных программных пакетов, например MathCAD.
Рассмотрим пример использования программы Electronics Workbench при выполнении расчетно-графических работ по дисциплине
«Теоретические основы электротехники».
Цепь постоянного тока исходная схема рис. 2.14.
26
Рис. 2.14. Исходная схема для расчетно-графической работы.
Для проверки результатов расчетов в программе Electronics
Workbench разрабатывается виртуальная модель исходной схемы. Так как число неизвестных токов, исследуемой схеме равно числу ветвей, необходимо для измерения токов в ветвях, взять шесть амперметров. Для определения узловых потенциалов можно воспользоваться одним вольтметром, один зажим которого постоянно присоединён к точке, потенциал которой принят за нуль, например к точке 4, на модели схемы, представленной на рис. 2.16., а второй зажим вольтметра можно подключать поочередно, для определения потенциалов в узлах 1, 2, 3.
Рис. 2.16. Исследуемая схема, представленная на рабочем поле программы ЕWB.
В качестве источников постоянного тока в библиотеке Sources выбирают источник постоянного напряжения.
Доступом к параметрам источника питания (двойное нажатие левой кнопки мышки на изображении) открывают диалоговое окно для установки требуемых параметров (Value) и обозначение источника (Label).
Аналогично выбирают из библиотеки Basic все сопротивления, обозначают их и настраивают требуемые параметры.
Из библиотеки Indicators на рабочем поле размещают амперметры и вольтметр. Устанавливают для них вид измеряемого напряжения и тока
(опция Mode), для постоянного тока DC.
27
После того, как модель разработана и настроены все ее компоненты, нажатием кнопки выключателя в правом верхнем углу запускают ее, регистрируют показания приборов и делают выводы по работе в целом.
Для определения ЭДС эквивалентного генератора и его внутреннего сопротивления поступают следующим образом: удаляют из схемы резистор R1 (рис. 2.17); присоединяют к зажимам 1-3 мультиметр; измеряют напряжение U13; удаляют источники ЭДС E2 и E3 (закорачивая их); мультиметром измеряют сопротивление R13.
Замеренное напряжение мультиметром U13 принимают за ЭДС эквивалентного генератора, сопротивление R13 – это сопротивление эквивалентного генератора
Рис. 2.17. Схема модели для определения параметров эквивалентного
генератора
Для построения потенциальной диаграммы выбирают обход контура
(Рис. 2.16) 4-а-1-3-б-2-4, приняв при этом потенциал точки 4, к которой присоединен постоянно один зажим вольтметра, равным нулю. Вторым зажимом вольтметра, в соответствие с обходом контура, определяют потенциалы остальных узлов. Данные заносят в таблицу и строят потенциальную диаграмму, выбрав графический редактор.
2.5. Проверка основных теоретических положений электротехники.
Схемотехнические модели, разработанные в программе Electronics
Workbench, представляют собой виртуальные лабораторные установки.
Поэтому с их помощью можно изучить, к примеру, в теории цепей переменного тока такие явления как резонанс напряжений.
Схема лабораторная установка в этом случае имеет следующий вид рис. 2.18.
28
Рис. 2.18. Схема лабораторной установки
На рис. 2.19 представлен экран двулучевого осциллографа, с помощью которого можно увидеть синусоидально изменяющиеся величины во времени, входного напряжения (2) и на выходе схемы
(емкости) (1).
Рис. 2.19. Экран осциллографа
Основной причиной возникновения резонансных явлений, как известно из физики раздел электромагнетизма, является совпадение собственной частоты колебаний колебательных контуров с вынужденной частотой колебаний источника питания.
При исследовании резонансных явлений на экспериментальных физических установках явление резонанса достигают, изменяя величину емкости. Пределы изменений значения емкости устанавливают так, чтобы исследовать предрезонансную область, резонанс и после резонансную область колебательного контура.
При наличии виртуальной лабораторной установки признаки резонанса можно определить, изменяя любой реактивный параметр схемы или изменяя частоту источника питания. Алгоритм проведения исследований можно реализовать следующим образом.
29
Определить резонансную частоту р
с
ω
ω
2 f
, после этого задав значение L или С , установить на схеме параметры резистивного, индуктивного и емкостного элементов. Параметры реактивных элементов определятся исходя из выражения для резонансной частоты р
с
1
ω
LC
. (2.1)
Значение сопротивления резистора R для установления характерных признаков резонанса необходимо выбирать из следующих соотношений
5
L
C
X
X
Q
R
, (2.2) где
Q
– добротность контура, а р
ω
L
X
L
, р
1
ω
С
X
С
После того как определены и установлены параметры виртуальной лабораторной установки, изменяя частоту источника питания в диапазоне от 10 – 100 Гц с шагом в 10 Гц, исследуют явление резонанса напряжений в схеме (рис.2.18). Основными признаками резонанса напряжений для данной схемы будут: максимальное значение тока (показания амперметра), значения напряжений ист ист
5
,
L
C
R
U
U
U
U
U
(показания вольтметров).
Задание на исследование резонансных явлений с использование программы Electronics Workbench содержит обычно следующие пункты:
1. Собрать виртуальную лабораторную установку;
2. Определить параметры и настроить схему;
3. Снять показания приборов изменяя в рекомендованном диапазоне изменения частоты источника питания и занести их в таблицу;
4. Определить зависимости параметров реактивных элементов и входного сопротивления от частоты;
5. Построить зависимости;
(ω),
(ω),
(ω),
(ω),
(ω),
( )
L
C
L
C
I
f
U
f
U
f
X
f
X
f
Z
f
где
2 2
(
)
L
C
Z
R
X
X
– модуль общего сопротивления схемы.
6. Выводы.
Рис. 2.20. Зависимости параметров схемы от частоты питающего
напряжения
30
На рис. 2.20. приведены зависимости параметров реактивных сопротивлений и входного сопротивления схемы от частоты. Анализ этих зависимостей показывает, что в дорезонансной области, когда р
ω ω
, общее сопротивление схемы имеет резистивно-емкостной характер нагрузки. При резонансе, когда р
ω ω
, общее сопротивление схемы имеет минимальное значение, равное активному сопротивлению резистивного элемента. В области после резонанса, когда р
ω ω
, общее сопротивление схемы имеет резистивно-индуктивный характер нагрузки.
2.6. Моделирование типовых электрических и электронных устройств.
К числу типовых электрических и электронных устройств можно отнести электрические фильтры, выпрямители и усилительные каскады, выполненные на полупроводниковых элементах. Имеющиеся в программе
EWB инструменты позволяют спроектировать электрические и электронные устройства, исследовать режимы работы устройств во временной и определить их характеристики в частотной области.
В качестве примера рассмотрим снятие вольтамперных характеристик биполярного транзистора, исследование усилителя переменного тока на транзисторах и пассивного RLC фильтра.
Характеристики биполярного транзистора
Для снятия вольтамперных характеристик биполярного транзистора в EWB формируется схема, представленная на рис. 2.21.
Рис. 2.21. Схема для снятия характеристик биполярного транзистора
Схема и результаты исследований приведены из учебного пособия кафедры электропривод и электрооборудование
Томского политехнического университета [3].
В таблице 2.1. приведена выходная вольтамперная характеристика
U
кэ
(I
к
) транзистора 2N2222A (отечественный аналог КТ3117А,В), включенного по схеме с общим эмиттером. Ток базы принимает три значения (5, 10 и 20 мА) – цепь базы запитывается от источника тока.
Напряжение
КЭ
U
изменяют в пределах от 0,1 до 3 вольт.
31
На рис. 2.22 приведены данные ВАХ из таблицы 2.1, построенной в программе Excel.
Таблица 2.1
Экспериментальные данные
U
кэ
, В
0.1 0.3 0.5 1
2 3
I
б
= 5 мА
I
кэ
, А
0.08007 0.3169 0.4619 0.4667 0.4708 0.475
I
б
= 10 мА
I
кэ
, А
0.09365 0.3533 0.6104 0.7215 0.7279 0.7343
I
б
= 20 мА
I
кэ
, А
0.1021 0.3769 0.6639 1.087 1.096 1.106
Рис. 2.22. Вольтамперные характеристики транзистора
Усилителя переменного тока
Для исследования усилителя переменного тока в программе EWB формируют схему рис. 2.23.[3] В данном усилителе транзистор 2N2222A включен по схеме с общим эмиттером.
Напряжение питания усилителя в 12 В. осуществляется от источника постоянного тока. На вход усилителя с функционального генератора Function Generator подаётся гармонический сигнал с амплитудой 20 мВ и частотой 10 кГц. Частота входного сигнала в дальнейшем меняется для снятия частотной характеристики Bode
Plotterom.
32
На входе и выходе усилителя для отсечки постоянной составляющей включены конденсаторы ёмкостью 5 мкФ. Рабочая точка ВАХ транзистора обеспечивается резистивным делителем напряжения, сопротивления которого предварительно рассчитываются либо подбираются так, чтобы нелинейные искажения выходного сигнала были минимальными.
Рис. 2.23. Схема усилителя переменного тока на транзисторе
Для стабилизации рабочей точки в цепь эмиттера включено сопротивление 50 Ом. По переменному току эмиттер транзистора через шунтирующий конденсатор 50 мкФ подключается к общей точке.
Сопротивление нагрузки составляет 100 кОм – усилитель работает в режиме холостого хода.
Построитель частотных характеристик Bode Plotter позволяет получить амплитудную частотную (АЧХ) и фазовую частотную (ФЧХ) характеристики усилителя.
Если на вход усилителя переменного тока подавать периодический сигнал заданной амплитуды и частоты, то на его выходе будет также периодический сигнал той же частоты, но в общем случае другой амплитуды со сдвигом по фазе. Взаимосвязь между параметрами периодических сигналов на входе и выходе усилителя определяют
частотные характеристики. В общем, при анализе электронных устройств и систем в частотной области пользуются обобщенной частотной характеристикой,
( ω)
W j
. Из теории электрических цепей переменного тока известно, что обобщенная частотная характеристика имеет составляющие, обладающие самостоятельным значением [2].
К числу таких составляющих относят амплитудную частотную (АЧХ) и фазовую частотную (ФЧХ) характеристики. Компонентные уравнения этих характеристик имеют следующий вид:
2 2
(ω)
(ω)
(ω)
A
R
I
, (2.3)
амплитудная частотная характеристика (АЧХ),
33
(ω)
arg( (
))
W j
(2.4)
фазовая частотная характеристика (ФЧХ)
, где
(ω),
(ω)
R
I
– вещественная частотная характеристика (ВЧХ),
мнимая частотная характеристика (МЧХ),
При использовании построителя частотных характеристик Bode
Plotter впрограмме EWB амплитудную и фазовую частотные характеристики усилителя строят в логарифмическом масштабе.
Диалоговые окна Bode Plotter для анализа этих характеристик приведены на рис. 2.24 и рис. 2.25.
Рис. 2.24. Диалоговое окно для анализа АЧХ
Рис. 2.25. Диалоговое окно для анализа ФЧХ
Для построения АЧХ (рис. 2.24) включают кнопку Magnitude и по вертикали (Vertical) и по горизонтали (Horizontal) устанавливают логарифмическую шкалу (Log). Затем устанавливают пределы по вертикали I = –20 дБ (dB) – нижний предел и F = –50 дБ – верхний предел. Пределы по горизонтали следующие: I = 10 Гц (Hz) – нижний предел и F = 10 ГГц (GHz) – верхний предел.
Для построения ФЧХ в диалоговом окне устройства Bode Plotter
(рис.2.25) включают кнопку Phase.
Анализируя полученные АЧХ и ФЧХ можно определить зависимость коэффициента усиления усилителя от частоты входного сигнала, зависимость сдвига фазы между входным и выходным
34 напряжением от частоты и рабочий диапазон частот (полосу пропускания частот).
Для этого установим движок в точке с координатами 40.97 дБ и
432.9 кГц. и примем эту точку за среднюю в полосе пропускания. На границах полосы пропускания амплитуда выходного сигнала снизится на
3 дБ, или в 1.414 раза, и составит 40.97 – 3 = 37.97 дБ.
40.97 – 3 = 37.97 дБ.
Перемещая движок от средней точки влево до тех пор, пока амплитуда выходного сигнала не примет значение 37.97 дБ, найдём нижнюю частоту полосы пропускания. Величине 37.97 дБ наиболее соответствуют две точки:
1) 37.79 дБ и 1.874 кГц;
2) 38.18 дБ и 2.074 кГц.
Величины абсолютных отклонений составят, соответственно,
1 37.97
A
–
37.79 = 0.18 дБ
и
2 37.97
A
–
38.18 = 0.21 дБ
Принимаем первую точку с координатами нижн
37.79 дБ
A
и нижн
1.874 кГц
f
в качестве нижней границы полосы пропускания усилителя переменного тока, так как
1 2
A
A
Перемещая движок от средней точки вправо до тех пор, пока амплитуда выходного сигнала не примет значение 37.97 дБ, найдём верхнюю частоту полосы пропускания. Величине 37.97 дБ наиболее соответствуют две точки:
1) 37.56 дБ и 81.11 МГц;
2) 38.06 дБ и 72.67 МГц.
Величины абсолютных отклонений составят, соответственно,
3 37.97
A
–
37.56 = 0.41 дБ
и
4 37.97
A
–
38.06 = 0.09 дБ
. Принимаем точку с координатами верхн
38.06 дБ
A
и верхн
72.67 МГц
f
в качестве верхней границы полосы пропускания усилителя переменного тока, так как
4 3
A
A
Таким образом полоса пропускания частот находится в пределах частот от нижн
1.874 кГц
f
до верхн
72.67 МГц
f
.
Среднегеометрическая частота полосы пропускания усилителя переменного тока определяется как ср нижн верхн
f
f
f
Подставив численные значения, определённые ранее, рассчитаем
3 6
3
ср
1.874 10 72.67 10 369 10 Гц
369 кГц
f
Анализируя ФЧХ можно отметить следующее: на нижней частоте нижн
1.874 кГц
f
выходной гармонический сигнал отстаёт по фазе от входного на величину нижн
135
. На верхней границе полосы
35 пропускания при частоте верхн
72.67 МГц
f
отставание по фазе составляет: верхн
230.7 .
Коэффициент усиления УПТ
U
L
, выраженный в децибелах (дБ или
dB), можно представить через
U
k
следующим образом:
20lg
U
U
L
k
, (2.5) где коэффициент усиления является безразмерной величиной, так как определяется в виде отношения вых вх
U
U
k
U
. (2.6)
Для этого в диалоговом окне построителя частотных характеристик
Bode Plotter (рис. 2.26) включают кнопку Magnitude. В подразделе
Vertical устанавливают линейную шкалу Lin. Пределы по вертикали I = 0
– нижний предел, F = 500 – верхний предел. В подразделе Horizontal включают логарифмическую шкалу Log. Пределы такие же, как предлагаются по умолчанию (рис. 2.25). Данная характеристика является зависимостью
U
k
f
или АЧХ УПТ в безразмерных единицах.
Рис. 2.26 Диалоговое окно для определения коэффициента усиления
.
На нижней границе полосы пропускания УПТ при
1.874 кГц
f
коэффициент усиления
77.5
U
k
(рис. 2.26), а на верхней при
72.67 МГц
f
коэффициент усиления
80.1
U
k
При среднегеометрической частоте полосы пропускания
369 кГц
f
коэффициент усиления
112
U
k
Таким образом, с помощью построителя частотных характеристик
Bode Plotter определены параметры ср нижн верхн
,
,
,
,
U
U
k
L
f
f
f
. Эти параметры УПТ можно получить и при помощи осциллографа
(Oscilloscope).
В диалоговом окне функционального генератора Function
Generator выставим параметры входного гармонического сигнала
36
(напряжения): амплитуду вх.а
20 мВ
U
и частоту нижн
1.9кГц
f
f
(рис. 2.27).
Рис. 2.27 Диалоговое окно функционального генератора
Диалоговое окно осциллографа представлено на рис. 2.28.
Рис. 2.28 Диалоговое окно осциллографа
Как видно из рис. 2.28, осциллограф имеет два движка.
Первый движок установим в такой момент времени
(
1 22.2435 мс
T
), когда входной сигнал принимает наибольшее
(амплитудное) значение
1
вх.а
19.8274 мВ
20 мВ
A
V
U
Значения
1
A
V
и
1
T
индицируются в первом окне.
Второй движок установим в момент времени
2 22.4409 мс
T
, когда выходной сигнал принимает наибольшее (амплитудное) значение
2
вых.а
1.4615 В
B
V
U
37
Значения
2
B
V
и
2
T
индицируются во втором окне.
Коэффициент усиления УПТ по напряжению
U
k
на частоте н
1.9 кГц
f
по показаниям осциллографа рассчитаем следующим образом:
2 3
1 1.4615 73.711 19.8274 10
вых а
B
U
вх а
A
U
V
k
U
V
Вычислим коэффициент усиления УПТ в децибелах на частоте н
1.9 кГц
f
по показаниям осциллографа
20 lg 73.711 37.351
U
L
Отставание по фазе выходного сигнала УПТ относительно входного на частоте н
1.9 кГц
f
по показаниям осциллографа рассчитаем следующим образом:
3 2
1 3
н
22.4409 22.2435 10 360 360 135.022 1
1 1.9 10
T
T
f
Необходимо отметить, что параметры
,
U
U
k
L
и
, измеренные и вычисленные с помощью инструментов Bode Plotter и Oscilloscope, примерно совпадают, а расхождения обусловлены дискретностью числовых величин, задаваемых в генераторе Functional Generator и индицируемых в инструментах Bode Plotter и Oscilloscope.
По вышеописанной процедуре можно с помощью осциллографа
(Oscilloscope) вычислить параметры
,
U
U
k
L
и на верхней граничной частоте полосы пропускания УПТ верхн
72.67 МГц
f
и на среднегеометрической частоте полосы пропускания ср
369 кГц
f
Схемы выпрямления и сглаживание пульсаций с помощью
емкостных фильтров
Диод является одним из наиболее простых полупроводниковых элементов современной микроэлектроники. Диод представляет собой два соединенных между собой полупроводниковых слоя. Один слой обладает электронной проводимостью и обозначается как n-полупроводник, а другой - дырочной проводимостью и обозначается как p-полупроводник.
Вследствие такой структуры диод обладает существенной односторонней проводимостью, т. е. хорошо проводит электрический ток в одном направлении и практически не проводит его в другом направлении. Это свойство диода широко используется для выпрямления переменного тока, когда требуется преобразовать переменное напряжение, получаемое, например, из электросети, в постоянное напряжение, необходимое для работы большинства электронных схем.
38
Сглаживание пульсаций – первоочередная задача после выпрямления тока. Эту задачу выполняет фильтр, состоящий из конденсатора
(конденсаторов), который включен в цепь между выпрямителем и нагрузкой. Ёмкость конденсатора фильтра зависит от тока нагрузки. Чем больше ток нагрузки, тем большую ёмкость должен иметь конденсатор сглаживающего фильтра. Принцип работы сглаживающего фильтра выпрямителей можно проанализировать с помощью однополупериодной схемы.
Простейший однополупериодный выпрямитель состоит из одного диода, включенного в цепь, как показано на приведенной схеме виртуальной лабораторные установки (рис. 2.29)
, собранной в программе
Electronics Workbench
Рис. 2.29 Схема однополупериодного выпрямителя
На рис. 2.30 приведены осциллограммы напряжения на источнике 1 и напряжения 2 на выходном сопротивлении после фильтра.
Рис. 2.30 Осциллограммы напряжений однополупериодного выпрямителя
Анализ осциллограмм напряжений показывает, что в промежутки времени между импульсами напряжения с выпрямителя напряжение на выходном сопротивление нагрузки формируется за счет разряда конденсатора.
В то время, когда есть импульс, конденсатор заряжается, когда импульса нет или он ниже напряжения источника питания конденсатор отдаёт своё напряжение в нагрузку.
П
осле сглаживания напряжение на выходе фильтра выпрямителя (без нагрузки) превышает среднее значение напряжения. Оно практически равно амплитуде выпрямленного напряжения. Точное значение - переменное напряжение вторичной обмотки трансформатора умноженное на 1,4.
39
Пульсации напряжения на выходе фильтра выпрямителя можно уменьшить, увеличив ёмкость конденсатора. При однополупериодной схеме выпрямления ёмкость конденсаторов надо как минимум удваивать.
Однако эффективность однополупериодного выпрямителя невысока, так как в формирование выходного напряжения используется только один полупериод переменного напряжения источника.
Более эффективный метод выпрямления переменного тока состоит в использовании схемы двухполупериодного выпрямителя, представленного в виде виртуальной установки рис. 2.31.
Рис. 2.31 Схема двух полупериодного выпрямителя
Для сравнения на рис 2.32 приведены осциллограммы выходных напряжений двухполупериодного
2 и однополупериодного
1 выпрямителей без фильтров.
Рис. 2.32 Осциллограммы выходных напряжений двухполупериодного 2 и
однополупериодного 1 выпрямителя
Задание: Сравните форму выходного напряжения, полученного в первой и во второй схемах. Разберитесь в принципе действия двухполупериодного выпрямителя, для чего покажите, как проходит ток через нагрузку во время положительного и отрицательного полупериодов.
40
1 2 3 4 5 6 7
14
Система схемотехнического моделирования Electronics Workbench
(EWВ) имитирует реальное рабочее место исследователя – лабораторию, оборудованную измерительными приборами, работающими в реальном масштабе времени. Для понимания принципов ее работы необходимо: знание основных принципов работы операционной системы
Windows; понимание принципов работы основных измерительных приборов
(осциллографа, мультиметра и т.д.); знание отдельных элементов электрических и электронных устройств.
Работа с системой моделирования EWВ включаетв себя три основных этапа: создание схемы (для сложных систем схемы замещения); подключение измерительных приборов; активизация схемы – расчет процессов протекающих в исследуемом устройстве (объекте).
Процесс создания схемы начинается с размещения на рабочем поле
EWВ компонентов из библиотеки программы. Окно (интерфейс) программы Electronics Workbench представлено на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Окно программы Electronics Workbench
Программа использует стандартный интерфейс Windows, что значительно облегчает ее использование.
В верхней части окна программы расположена строка меню. Она содержит шесть заголовков (рис. 2.2):
15
Рис. 2.2. Меню программы Electronics Workbench
Под меню в виде строки пиктограмм расположена стандартная панель инструментов (рис. 2.3). Щелчок мышью на той или иной пиктограмме дублирует основные команды меню.
Рис. 2.3. Стандартная панель инструментов.
Кроме стандартных
Windows
-кнопок, на панели инструментов расположены следующие: поворот; горизонтальное зеркальное отображение; вертикальное зеркальное отображение; создать модель; вывести график; свойства компонента; две кнопки изменения масштаба изображения.
Далее расположены раскрывающиеся панели линейки инструментов с компактным представлением библиотек (рис. 2.4).
Рис. 2.4. Панели выбора элементов схемы и измерительных инструментов.
Sources – источники питания.
Basic – группа пассивных компонентов.
Diodes – полупроводниковые диоды, стабилитроны и т. п.
Transistors – полупроводниковые транзисторы.
Analog ICs – аналоговые микросхемы.
Mixed IСs – микросхемы смешанного типа (АЦП, ЦАП).
Digital IСs – цифровые микросхемы.
Logic Gates – логические цифровые микросхемы.
Digital – цифровые микросхемы (отличающиеся от Digital IСs).
16
Indicators – индикаторные устройства.
Controls
– аналоговые вычислительные устройства
(дифференциаторы, интеграторы и т.д.).
Miscellaneous – компоненты смешанного типа.
Instruments – контрольно-измерительные приборы.
Favoritesсодержит, созданные пользователем элементы-подсхемы, и в начале работы панель пуста.
В рабочем поле программы располагается моделируемая схема с подключенными к ней “иконками” контрольно-измерительных приборов и краткое описание схемы (description). При необходимости каждый из приборов может быть развернут для установки режимов его работы и наблюдения результатов.
2.2. Основные этапы создания схем.
Electronics Workbench позволяет строить схемы различной степени сложности при помощи следующих операций: выбор элементов и приборов из библиотек; перемещение элементов и схем в любое место рабочего поля; поворот элементов и групп элементов на углы, кратные 90°; копирование, вставка или удаление элементов, групп элементов, фрагментов схем и целых схем; изменение цвета проводников; выделение цветом контуров схем для более удобного восприятия; одновременное подключение нескольких измерительных приборов и наблюдение их показаний на экране монитора; присваивание элементу условного обозначения; изменение параметров элементов в широком диапазоне.
Все операции производятся при помощи мыши и клавиатуры.
Управление только с клавиатуры невозможно.
После построения схемы и подключения приборов анализ ее работы начинается после нажатия выключателя в правом верхнем углу окна программы.
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.
Исследуемая схема собирается на рабочем поле с использованием мыши и клавиатуры. При построении и редактировании схем выполняются операции выбора элемента из соответствующей панели, перетаскивание его на рабочее поле, соединение с другими элементами.
17
В общем случае процесс создания схемы начинается с размещения на рабочем поле EWB компонентов из библиотек программы в соответствии с подготовленным эскизом. Четырнадцать разделов библиотеки программы EBW поочередно могут быть вызваны с помощью меню Window или с помощью иконок (рис. 2.5).
Рис. 2.5. Выбор пассивных компонентов электрической схемы
Для того, чтобы выбрать необходимый компонент, подводят указатель мыши к изображению компонента в библиотеке, нажимают левую кнопку мыши (не отпуская кнопку), перемещают компонент в окно редактирования, и после этого отпускают кнопку.
Разместив на рабочем поле необходимые компоненты для создания исследуемой схемы, приступают ко второму этапу.
Второй этап – это этап ввода и изменения параметров выбранных компонентов.
Для этого подводят указатель мыши к компоненту в окно редактирования, и щелкаем два раза левой кнопкой мыши. Выпадает меню, состоящее из нескольких опций. Рассмотрим две из них:
Label – необходима для написания обозначения компонента;
Value – необходима для простановки значений компонента.
В контрольно-измерительных приборах при необходимости, например, в вольтметрах и амперметрах, при внесении параметров в опции
Label, указываем для какого тока постоянного или переменного; в Mode
выбираем DC – для постоянного тока, AC – для переменного.
На третьем этапе создания схемы осуществляют соединение компонентов электрической схемы.
При этом необходимо учитывать, что к выводу компонента можно подключить только один проводник. Для выполнения подключения указатель мыши подводят к выводу компонента и после появления жирной точки (указатель соединения) нажимают левую кнопку мыши, и появляющийся при этом проводник протягивают к выводу другого компонента до появления на нем такой же жирной точки, после чего кнопку мыши отпускают, соединение готово. Если соединение нужно разорвать, указатель мыши подводят к одному из выводов компонента или к точке соединения и при появлении указателя соединения нажимают левую кнопку, проводник отводят на свободное место рабочего поля, после чего кнопку отпускают. Если необходимо вывод компонента подключить к имеющемуся на схеме проводнику, то из вывода компонента
18 проводник указателем мыши подводят к указанному проводнику и после появления точки соединения кнопку мыши отпускают. Отметим, что прокладка соединительных проводов производится автоматически, причем препятствия – компоненты и проводники огибаются по ортогональным направлениям (по горизонтали или вертикали).
Завершающим этапом является подключение электрической схемы к питанию. Для этого в правом верхнем углу диалогового окна расположена пиктограмма
0 1
0 – отключено питание; 1 – включено питание.
После включения питания на контрольно-измерительных приборах регистрируются характеристики и значения собранной модели электрической схемы.
2.3. Выбор и подключение контрольно-измерительных приборов
В программе EWB используется большой набор приборов для проведения измерений: амперметр, вольтметр, осциллограф, мультиметр,
Боде Плоттер (Bode Plotter) (графопостроитель частотных характеристик схем), функциональный генератор, генератор слов, логический анализатор и логический преобразователь.
Простейшими приборами в Electronics Workbench являются вольтметр и амперметр, которые расположены в поле индикаторов
(Indicators) Они не требуют настройки, автоматически изменяя диапазон измерений. В одной схеме можно применять несколько таких приборов одновременно, наблюдая токи в различных ветвях и напряжения на различных элементах.
Амперметр – используется для измерения переменного и постоянного тока рис. 2.6. Выделенная толстой линией сторона прямоугольника, изображающего амперметр, соответствует отрицательной клемме.
Двойным щелчком мыши на изображении амперметра открывается диалоговое окно для изменения параметров амперметра: вида измеряемого тока, величины внутреннего сопротивления.
Рис. 2.6. Изображение амперметра
Величина внутреннего сопротивления вводится с клавиатуры в строке Resistance, вид измеряемого тока (опция Mode) выбирается из списка. При измерении переменного синусоидального тока (АС) амперметр будет показывать его действующее значение
I
19 2
m
I
I
, где
m
I
– амплитудное значение тока.
Внутренние сопротивление 1 мОм, установленное по умолчанию, в большинстве случаев оказывает пренебрежимо малое влияние на работу схемы. Его значение можно изменить, однако использование амперметра с очень маленьким внутренним сопротивлением в схемах с высоким выходным импедансом может привести к математической ошибке во время моделирования работы схемы. В качестве амперметра можно использовать мультиметр.
Вольтметриспользуется для измерения переменного и постоянного напряжения рис. 2.7.
Рис. 2.7. Изображение вольтметра
Выделенная толстой линией сторона прямоугольника, изображающего вольтметр, соответствует отрицательной клемме.
Двойным щелчком мыши на изображении вольтметра открывается диалоговое окно для изменения параметров вольтметра: вида измеряемого напряжения; величины внутреннего сопротивления. Величина внутреннего сопротивления вводится с клавиатуры в строке Resistance, вид измеряемого напряжения (опция Mode) выбирается из списка. При измерении переменного синусоидального напряжения (АС) вольтметр будет показывать действующее значение напряжения U, определяемое по формуле
2
m
U
U
, где
m
U
– амплитудное значение напряжения.
Внутреннее сопротивление вольтметра 1 МОм, установленное по умолчанию, в большинстве случаев оказывает пренебрежимо малое влияние на работу схемы. Его значение можно изменить, однако использование вольтметра с очень высоким внутренним сопротивлением в схемах с низким выходным импедансом может привести к математической ошибке во время моделирования работы схемы. В качестве вольтметра можно использовать мультиметр.
Кроме описанных амперметра и вольтметра в Electronics Workbench имеется семь приборов, с многочисленными режимами работы, каждый из которых можно использовать в схеме только один раз. Эти приборы расположены на панели приборов. Слева на панели расположены приборы
20 для формирования и наблюдения аналоговых величин: мультиметр, функциональный генератор, осциллограф, Боде-плоттер рис. 2.8.:
Рис 2.8. Аналоговые измерительные приборы.
Мультиметриспользуется для измерения: напряжения (постоянного и переменного), тока (постоянного и переменного), сопротивления, уровня напряжения в децибелах.
Для настройки мультиметра нужно двойным щелчком мыши на его уменьшенном изображении открыть его увеличенное изображение рис. 2.9.
Рис. 2.9. Изображения мультиметра
а – уменьшенное изображения для схем ; б – увеличенное изображение для
настройки мультиметра.
На увеличенном изображении нажатием левой кнопки мыши выбирается: измеряемая величина по единицам измерения – А, V, Ω или
dB; вид измеряемого сигнала – переменный или постоянный; режим установки параметров мультиметра. Установка вида измеряемой величины производится нажатием соответствующей кнопки на увеличенном изображении мультиметра. Нажатие кнопки с символом «» устанавливает мультиметр для измерения действующего значения переменного тока и напряжения, постоянная составляющая сигнала при измерении не учитывается. Для измерения постоянного напряжения и тока нужно на увеличенном изображении мультиметра нажать кнопку с символом «–». В качестве амперметра и вольтметра мультиметр используется так же, как и стандартные приборы.
Мультиметр – единственный в Electronics Workbench стандартный прибор, предназначенный для измерения сопротивления.
Для использования мультиметра в качестве омметра его следует подсоединить
21 параллельно участку цепи, сопротивление которого нужно измерить, на увеличенном изображении мультиметра нажать кнопку Ω и кнопку с символом «–» переключения в режим измерения постоянного тока.
Включить схему. На табло мультиметра при этом появится измеренное значение сопротивления.
Чтобы избежать ошибочных показаний, схема должна иметь соединение с землей и не иметь контакта с источниками питания, которые должны быть исключены из схемы, причем идеальный источник тока должен быть заменен разрывом цепи, а идеальный источник напряжения – короткозамкнутым участком.
Осциллограф, имитируемый программой Workbench, представляет собой аналог двулучевого запоминающего осциллографа и имеет две модификации:
1. простую модификацию с уменьшенным для создания схемы изображением рис. 2.10 а и увеличенным изображением для настройки осциллографа рис. 2.10 б
Рис. 2.10. Простая модификация осциллографа
а – изображение осциллографа в схеме, б – панель осциллографа для настройки
Расширенная модификация по своим возможностям приближается к лучшим цифровым запоминающим осциллографам рис. 2.11.
Рис. 2.11. Расширенная модификация осциллографа
22
Из-за того, что расширенная модель занимает много места на рабочем поле, рекомендуется начинать исследования простой моделью, а для подробного исследования процессов – использовать расширенную модель.
Осциллограф можно подключить к уже включенной схеме или во время работы схемы переставить выводы к другим точкам – изображение на экране осциллографа изменится автоматически. Двойным щелчком мыши по уменьшенному изображению открывается изображение передней панели простой модели осциллографа с кнопками управления, информационными полями и экраном.
Для проведения измерений осциллограф нужно настроить, для чего следует задать: расположение осей, по которым откладывается сигнал; нужный масштаб развертки по осям; смещение начала координат по осям; режим работы по входу: закрытый или открытый; режим синхронизации: внутренний или внешний.
Настройка осциллографа производится при помощи полей управления, расположенных на панели управления. Панель управления общая для обеих модификаций осциллографа и разделена на четыре поля управления: горизонтальной разверткой (Time base); синхронизацией (Trigger); каналом А; каналом В.
Поле управления горизонтальной разверткой (масштабом времени) служит для задания масштаба горизонтальной оси осциллографа при наблюдении напряжения на входах каналов А и В в зависимости от времени. Временной масштаб задается в: с/дел, мс/дел, мкс/дел, нс/дел
(s/div, ms/div, ms/div, ns/div соответственно). Величина одного деления может быть установлена от 0,1 нс до 1 с. Масштаб может дискретно уменьшаться на один шаг при щелчке мышью на кнопке справа от поля и увеличиваться при щелчке на кнопке
Нажатие клавиши Expand на панели простой модели открывает окно расширенной модели осциллографа.
Панель расширенной модели осциллографа в отличие от простой модели расположена под экраном и дополнена тремя информационными табло, на которые выводятся результаты измерений. Кроме того, непосредственно под экраном находится линейка прокрутки, позволяющая наблюдать любой временной отрезок процесса от момента включения до момента выключения схемы. В сущности, расширенная модель
23 осциллографа это совершенно другой прибор, позволяющий намного удобнее и более точно проводить численный анализ процессов.
Чтобы вернуться к прежнему изображению осциллографа, следует нажать клавишу Reduce, расположенную в правом нижнем углу.
Боде-плоттер (графопостроитель)используется для получения амплитудно-частотных (АЧХ) и фазочастотных (ФЧХ) характеристик схемы рис. 2.12.
Рис. 2.12. Изображения Боде-плоттера
а – уменьшенное изображение для отражения в схеме, б – увеличенное для настройки
прибора
Боде-плоттер измеряет отношение амплитуд сигналов в двух точках схемы и фазовый сдвиг между ними. Отношение амплитуд сигналов может измеряться в децибелах. Для измерения Боде-плоттер генерирует собственный спектр частот, диапазон которого может задаваться при настройке прибора. Частота любого переменного источника в исследуемой схеме игнорируется, однако схема должна включать какой-либо источник переменного тока.
Боде-плоттер имеет четыре зажима: два входных (IN) и два выходных
(OUT). Для измерения отношения амплитуд или фазового сдвига нужно подключить положительные выводы входов IN и OUT (левые выводы соответствующих входов) к исследуемым точкам, а два других вывода заземлить. При двойном щелчке мышью по уменьшенному изображению
Боде-плоттера (рис. 2.12 а) открывается его увеличенное изображение
(рис. 2.12 б).
Верхняя панель плоттера задает вид получаемой характеристики:
АЧХ или ФЧХ. Для получения АЧХ следует нажать кнопку Magnitude, для получения ФЧХ – кнопку Phase. Левая панель управления (Vertical) задает: начальное (I – initial) и конечное (F – final) значения параметров, откладываемых по вертикальной оси, вид шкалы вертикальной оси – логарифмическая (LOG) или линейная (LIN).
Правая панель управления (Horizontal) настраивается аналогично.
24
При получении АЧХ по вертикальной оси откладывается отношение напряжений: в линейном масштабе от 0 до 10 9
; в логарифмическом масштабе от –200 dB до 200 dB.
При получении ФЧХ по вертикальной оси откладываются градусы: от
–720 до +720. По горизонтальной оси всегда откладывается частота в герцах или в производных единицах.
В начале горизонтальной шкалы расположен курсор. Его можно перемещать нажатием на кнопки со стрелками, расположенными справа от экрана, либо «тащить» с помощью мыши. Координаты точки пересечения курсора с графиком характеристики выводятся на информационных полях внизу справа. С помощью Боде-плоттера нетрудно построить топографическую диаграмму на комплексной плоскости для любой схемы.
Функциональный генераторявляется идеальным источником напряжения, вырабатывающим сигналы синусоидальной, прямоугольной или треугольной формы рис. 2.13.
Рис. 2.13. Изображение функционального генератора
а – уменьшенное изображение для формирования схемы. б – увеличенное для настройки
генератора.
Средний вывод генератора при подключении к схеме обеспечивает общую точку для отсчета амплитуды переменного напряжения. Для отсчета напряжения относительно нуля общий вывод заземляют. Крайние правый и левый выводы служат для подачи переменного напряжения на схему. Напряжение на правом выводе изменяется в положительном направление, а напряжение на левом выводе – в отрицательном, относительно общего вывода.
При двойном щелчке мышью по уменьшенному изображению функционального генератора открывается его увеличенное изображение, с помощью которого осуществляют: установка формы сигнала. установка частоты сигнала. установка амплитуды выходного напряжения.
25 установка постоянной составляющей выходного напряжения.
1. Установка формы сигнала. Для выбора требуемой формы выходного сигнала необходимо нажать на кнопку с соответствующим изображением. Форму треугольного и прямоугольного сигналов можно изменить, уменьшая или увеличивая значение в поле Duty Cycle
(скважность). Этот параметр определяется для сигналов треугольной и прямоугольной формы. Для треугольной формы напряжения он задает длительность (в процентах от периода сигнала) между интервалом нарастания напряжения и интервалом спада.
Установив, например, значение 20, можно получить длительность интервала нарастания 20 % от периода, а длительность интервала спада –
80 % . Для прямоугольной формы напряжения этот параметр задает соотношение между длительностями положительной и отрицательной части периода.
2. Установка частоты сигнала. Частота генератора регулируется от 1
Hz до 999 MHz. Значение частоты устанавливается в строке Frequency с помощью клавиатуры и кнопок со стрелками. В левом поле устанавливается численное значение, в правом – единица измерения (Hz, kHz, MHz – Гц, кГц, МГц соответственно).
3. Установка амплитуды выходного напряжения. Амплитуду выходного напряжения можно регулировать от 0 мВ до 999 кВ. Значение амплитуды устанавливается в строке Amplitude с помощью клавиатуры и кнопок со стрелками. В левом поле устанавливается численное значение, в правом – единица измерения (mV, mV, V, kV – мкВ, мВ, В, кВ соответственно).
4. Установка постоянной составляющей выходного напряжения.
Постоянная составляющая переменного сигнала устанавливается в строке
Offset при помощи клавиатуры или кнопок со стрелками. Она может иметь как положительное, так и отрицательное значение. Это позволяет получить, например, последовательность однополярных импульсов.
2.4. Решение типовых электротехнических задач.
Программу Electronics Workbench наиболее целесообразно при решении электротехнических задач использовать для так называемых обратных задач и проверки полученных результатов расчета с помощью других прикладных программных пакетов, например MathCAD.
Рассмотрим пример использования программы Electronics Workbench при выполнении расчетно-графических работ по дисциплине
«Теоретические основы электротехники».
Цепь постоянного тока исходная схема рис. 2.14.
26
Рис. 2.14. Исходная схема для расчетно-графической работы.
Для проверки результатов расчетов в программе Electronics
Workbench разрабатывается виртуальная модель исходной схемы. Так как число неизвестных токов, исследуемой схеме равно числу ветвей, необходимо для измерения токов в ветвях, взять шесть амперметров. Для определения узловых потенциалов можно воспользоваться одним вольтметром, один зажим которого постоянно присоединён к точке, потенциал которой принят за нуль, например к точке 4, на модели схемы, представленной на рис. 2.16., а второй зажим вольтметра можно подключать поочередно, для определения потенциалов в узлах 1, 2, 3.
Рис. 2.16. Исследуемая схема, представленная на рабочем поле программы ЕWB.
В качестве источников постоянного тока в библиотеке Sources выбирают источник постоянного напряжения.
Доступом к параметрам источника питания (двойное нажатие левой кнопки мышки на изображении) открывают диалоговое окно для установки требуемых параметров (Value) и обозначение источника (Label).
Аналогично выбирают из библиотеки Basic все сопротивления, обозначают их и настраивают требуемые параметры.
Из библиотеки Indicators на рабочем поле размещают амперметры и вольтметр. Устанавливают для них вид измеряемого напряжения и тока
(опция Mode), для постоянного тока DC.
27
После того, как модель разработана и настроены все ее компоненты, нажатием кнопки выключателя в правом верхнем углу запускают ее, регистрируют показания приборов и делают выводы по работе в целом.
Для определения ЭДС эквивалентного генератора и его внутреннего сопротивления поступают следующим образом: удаляют из схемы резистор R1 (рис. 2.17); присоединяют к зажимам 1-3 мультиметр; измеряют напряжение U13; удаляют источники ЭДС E2 и E3 (закорачивая их); мультиметром измеряют сопротивление R13.
Замеренное напряжение мультиметром U13 принимают за ЭДС эквивалентного генератора, сопротивление R13 – это сопротивление эквивалентного генератора
Рис. 2.17. Схема модели для определения параметров эквивалентного
генератора
Для построения потенциальной диаграммы выбирают обход контура
(Рис. 2.16) 4-а-1-3-б-2-4, приняв при этом потенциал точки 4, к которой присоединен постоянно один зажим вольтметра, равным нулю. Вторым зажимом вольтметра, в соответствие с обходом контура, определяют потенциалы остальных узлов. Данные заносят в таблицу и строят потенциальную диаграмму, выбрав графический редактор.
2.5. Проверка основных теоретических положений электротехники.
Схемотехнические модели, разработанные в программе Electronics
Workbench, представляют собой виртуальные лабораторные установки.
Поэтому с их помощью можно изучить, к примеру, в теории цепей переменного тока такие явления как резонанс напряжений.
Схема лабораторная установка в этом случае имеет следующий вид рис. 2.18.
28
Рис. 2.18. Схема лабораторной установки
На рис. 2.19 представлен экран двулучевого осциллографа, с помощью которого можно увидеть синусоидально изменяющиеся величины во времени, входного напряжения (2) и на выходе схемы
(емкости) (1).
Рис. 2.19. Экран осциллографа
Основной причиной возникновения резонансных явлений, как известно из физики раздел электромагнетизма, является совпадение собственной частоты колебаний колебательных контуров с вынужденной частотой колебаний источника питания.
При исследовании резонансных явлений на экспериментальных физических установках явление резонанса достигают, изменяя величину емкости. Пределы изменений значения емкости устанавливают так, чтобы исследовать предрезонансную область, резонанс и после резонансную область колебательного контура.
При наличии виртуальной лабораторной установки признаки резонанса можно определить, изменяя любой реактивный параметр схемы или изменяя частоту источника питания. Алгоритм проведения исследований можно реализовать следующим образом.
29
Определить резонансную частоту р
с
ω
ω
2 f
, после этого задав значение L или С , установить на схеме параметры резистивного, индуктивного и емкостного элементов. Параметры реактивных элементов определятся исходя из выражения для резонансной частоты р
с
1
ω
LC
. (2.1)
Значение сопротивления резистора R для установления характерных признаков резонанса необходимо выбирать из следующих соотношений
5
L
C
X
X
Q
R
, (2.2) где
Q
– добротность контура, а р
ω
L
X
L
, р
1
ω
С
X
С
После того как определены и установлены параметры виртуальной лабораторной установки, изменяя частоту источника питания в диапазоне от 10 – 100 Гц с шагом в 10 Гц, исследуют явление резонанса напряжений в схеме (рис.2.18). Основными признаками резонанса напряжений для данной схемы будут: максимальное значение тока (показания амперметра), значения напряжений ист ист
5
,
L
C
R
U
U
U
U
U
(показания вольтметров).
Задание на исследование резонансных явлений с использование программы Electronics Workbench содержит обычно следующие пункты:
1. Собрать виртуальную лабораторную установку;
2. Определить параметры и настроить схему;
3. Снять показания приборов изменяя в рекомендованном диапазоне изменения частоты источника питания и занести их в таблицу;
4. Определить зависимости параметров реактивных элементов и входного сопротивления от частоты;
5. Построить зависимости;
(ω),
(ω),
(ω),
(ω),
(ω),
( )
L
C
L
C
I
f
U
f
U
f
X
f
X
f
Z
f
где
2 2
(
)
L
C
Z
R
X
X
– модуль общего сопротивления схемы.
6. Выводы.
Рис. 2.20. Зависимости параметров схемы от частоты питающего
напряжения
30
На рис. 2.20. приведены зависимости параметров реактивных сопротивлений и входного сопротивления схемы от частоты. Анализ этих зависимостей показывает, что в дорезонансной области, когда р
ω ω
, общее сопротивление схемы имеет резистивно-емкостной характер нагрузки. При резонансе, когда р
ω ω
, общее сопротивление схемы имеет минимальное значение, равное активному сопротивлению резистивного элемента. В области после резонанса, когда р
ω ω
, общее сопротивление схемы имеет резистивно-индуктивный характер нагрузки.
2.6. Моделирование типовых электрических и электронных устройств.
К числу типовых электрических и электронных устройств можно отнести электрические фильтры, выпрямители и усилительные каскады, выполненные на полупроводниковых элементах. Имеющиеся в программе
EWB инструменты позволяют спроектировать электрические и электронные устройства, исследовать режимы работы устройств во временной и определить их характеристики в частотной области.
В качестве примера рассмотрим снятие вольтамперных характеристик биполярного транзистора, исследование усилителя переменного тока на транзисторах и пассивного RLC фильтра.
Характеристики биполярного транзистора
Для снятия вольтамперных характеристик биполярного транзистора в EWB формируется схема, представленная на рис. 2.21.
Рис. 2.21. Схема для снятия характеристик биполярного транзистора
Схема и результаты исследований приведены из учебного пособия кафедры электропривод и электрооборудование
Томского политехнического университета [3].
В таблице 2.1. приведена выходная вольтамперная характеристика
U
кэ
(I
к
) транзистора 2N2222A (отечественный аналог КТ3117А,В), включенного по схеме с общим эмиттером. Ток базы принимает три значения (5, 10 и 20 мА) – цепь базы запитывается от источника тока.
Напряжение
КЭ
U
изменяют в пределах от 0,1 до 3 вольт.
31
На рис. 2.22 приведены данные ВАХ из таблицы 2.1, построенной в программе Excel.
Таблица 2.1
Экспериментальные данные
U
кэ
, В
0.1 0.3 0.5 1
2 3
I
б
= 5 мА
I
кэ
, А
0.08007 0.3169 0.4619 0.4667 0.4708 0.475
I
б
= 10 мА
I
кэ
, А
0.09365 0.3533 0.6104 0.7215 0.7279 0.7343
I
б
= 20 мА
I
кэ
, А
0.1021 0.3769 0.6639 1.087 1.096 1.106
Рис. 2.22. Вольтамперные характеристики транзистора
Усилителя переменного тока
Для исследования усилителя переменного тока в программе EWB формируют схему рис. 2.23.[3] В данном усилителе транзистор 2N2222A включен по схеме с общим эмиттером.
Напряжение питания усилителя в 12 В. осуществляется от источника постоянного тока. На вход усилителя с функционального генератора Function Generator подаётся гармонический сигнал с амплитудой 20 мВ и частотой 10 кГц. Частота входного сигнала в дальнейшем меняется для снятия частотной характеристики Bode
Plotterom.
32
На входе и выходе усилителя для отсечки постоянной составляющей включены конденсаторы ёмкостью 5 мкФ. Рабочая точка ВАХ транзистора обеспечивается резистивным делителем напряжения, сопротивления которого предварительно рассчитываются либо подбираются так, чтобы нелинейные искажения выходного сигнала были минимальными.
Рис. 2.23. Схема усилителя переменного тока на транзисторе
Для стабилизации рабочей точки в цепь эмиттера включено сопротивление 50 Ом. По переменному току эмиттер транзистора через шунтирующий конденсатор 50 мкФ подключается к общей точке.
Сопротивление нагрузки составляет 100 кОм – усилитель работает в режиме холостого хода.
Построитель частотных характеристик Bode Plotter позволяет получить амплитудную частотную (АЧХ) и фазовую частотную (ФЧХ) характеристики усилителя.
Если на вход усилителя переменного тока подавать периодический сигнал заданной амплитуды и частоты, то на его выходе будет также периодический сигнал той же частоты, но в общем случае другой амплитуды со сдвигом по фазе. Взаимосвязь между параметрами периодических сигналов на входе и выходе усилителя определяют
частотные характеристики. В общем, при анализе электронных устройств и систем в частотной области пользуются обобщенной частотной характеристикой,
( ω)
W j
. Из теории электрических цепей переменного тока известно, что обобщенная частотная характеристика имеет составляющие, обладающие самостоятельным значением [2].
К числу таких составляющих относят амплитудную частотную (АЧХ) и фазовую частотную (ФЧХ) характеристики. Компонентные уравнения этих характеристик имеют следующий вид:
2 2
(ω)
(ω)
(ω)
A
R
I
, (2.3)
амплитудная частотная характеристика (АЧХ),
33
(ω)
arg( (
))
W j
(2.4)
фазовая частотная характеристика (ФЧХ)
, где
(ω),
(ω)
R
I
– вещественная частотная характеристика (ВЧХ),
мнимая частотная характеристика (МЧХ),
При использовании построителя частотных характеристик Bode
Plotter впрограмме EWB амплитудную и фазовую частотные характеристики усилителя строят в логарифмическом масштабе.
Диалоговые окна Bode Plotter для анализа этих характеристик приведены на рис. 2.24 и рис. 2.25.
Рис. 2.24. Диалоговое окно для анализа АЧХ
Рис. 2.25. Диалоговое окно для анализа ФЧХ
Для построения АЧХ (рис. 2.24) включают кнопку Magnitude и по вертикали (Vertical) и по горизонтали (Horizontal) устанавливают логарифмическую шкалу (Log). Затем устанавливают пределы по вертикали I = –20 дБ (dB) – нижний предел и F = –50 дБ – верхний предел. Пределы по горизонтали следующие: I = 10 Гц (Hz) – нижний предел и F = 10 ГГц (GHz) – верхний предел.
Для построения ФЧХ в диалоговом окне устройства Bode Plotter
(рис.2.25) включают кнопку Phase.
Анализируя полученные АЧХ и ФЧХ можно определить зависимость коэффициента усиления усилителя от частоты входного сигнала, зависимость сдвига фазы между входным и выходным
34 напряжением от частоты и рабочий диапазон частот (полосу пропускания частот).
Для этого установим движок в точке с координатами 40.97 дБ и
432.9 кГц. и примем эту точку за среднюю в полосе пропускания. На границах полосы пропускания амплитуда выходного сигнала снизится на
3 дБ, или в 1.414 раза, и составит 40.97 – 3 = 37.97 дБ.
40.97 – 3 = 37.97 дБ.
Перемещая движок от средней точки влево до тех пор, пока амплитуда выходного сигнала не примет значение 37.97 дБ, найдём нижнюю частоту полосы пропускания. Величине 37.97 дБ наиболее соответствуют две точки:
1) 37.79 дБ и 1.874 кГц;
2) 38.18 дБ и 2.074 кГц.
Величины абсолютных отклонений составят, соответственно,
1 37.97
A
–
37.79 = 0.18 дБ
и
2 37.97
A
–
38.18 = 0.21 дБ
Принимаем первую точку с координатами нижн
37.79 дБ
A
и нижн
1.874 кГц
f
в качестве нижней границы полосы пропускания усилителя переменного тока, так как
1 2
A
A
Перемещая движок от средней точки вправо до тех пор, пока амплитуда выходного сигнала не примет значение 37.97 дБ, найдём верхнюю частоту полосы пропускания. Величине 37.97 дБ наиболее соответствуют две точки:
1) 37.56 дБ и 81.11 МГц;
2) 38.06 дБ и 72.67 МГц.
Величины абсолютных отклонений составят, соответственно,
3 37.97
A
–
37.56 = 0.41 дБ
и
4 37.97
A
–
38.06 = 0.09 дБ
. Принимаем точку с координатами верхн
38.06 дБ
A
и верхн
72.67 МГц
f
в качестве верхней границы полосы пропускания усилителя переменного тока, так как
4 3
A
A
Таким образом полоса пропускания частот находится в пределах частот от нижн
1.874 кГц
f
до верхн
72.67 МГц
f
.
Среднегеометрическая частота полосы пропускания усилителя переменного тока определяется как ср нижн верхн
f
f
f
Подставив численные значения, определённые ранее, рассчитаем
3 6
3
ср
1.874 10 72.67 10 369 10 Гц
369 кГц
f
Анализируя ФЧХ можно отметить следующее: на нижней частоте нижн
1.874 кГц
f
выходной гармонический сигнал отстаёт по фазе от входного на величину нижн
135
. На верхней границе полосы
35 пропускания при частоте верхн
72.67 МГц
f
отставание по фазе составляет: верхн
230.7 .
Коэффициент усиления УПТ
U
L
, выраженный в децибелах (дБ или
dB), можно представить через
U
k
следующим образом:
20lg
U
U
L
k
, (2.5) где коэффициент усиления является безразмерной величиной, так как определяется в виде отношения вых вх
U
U
k
U
. (2.6)
Для этого в диалоговом окне построителя частотных характеристик
Bode Plotter (рис. 2.26) включают кнопку Magnitude. В подразделе
Vertical устанавливают линейную шкалу Lin. Пределы по вертикали I = 0
– нижний предел, F = 500 – верхний предел. В подразделе Horizontal включают логарифмическую шкалу Log. Пределы такие же, как предлагаются по умолчанию (рис. 2.25). Данная характеристика является зависимостью
U
k
f
или АЧХ УПТ в безразмерных единицах.
Рис. 2.26 Диалоговое окно для определения коэффициента усиления
.
На нижней границе полосы пропускания УПТ при
1.874 кГц
f
коэффициент усиления
77.5
U
k
(рис. 2.26), а на верхней при
72.67 МГц
f
коэффициент усиления
80.1
U
k
При среднегеометрической частоте полосы пропускания
369 кГц
f
коэффициент усиления
112
U
k
Таким образом, с помощью построителя частотных характеристик
Bode Plotter определены параметры ср нижн верхн
,
,
,
,
U
U
k
L
f
f
f
. Эти параметры УПТ можно получить и при помощи осциллографа
(Oscilloscope).
В диалоговом окне функционального генератора Function
Generator выставим параметры входного гармонического сигнала
36
(напряжения): амплитуду вх.а
20 мВ
U
и частоту нижн
1.9кГц
f
f
(рис. 2.27).
Рис. 2.27 Диалоговое окно функционального генератора
Диалоговое окно осциллографа представлено на рис. 2.28.
Рис. 2.28 Диалоговое окно осциллографа
Как видно из рис. 2.28, осциллограф имеет два движка.
Первый движок установим в такой момент времени
(
1 22.2435 мс
T
), когда входной сигнал принимает наибольшее
(амплитудное) значение
1
вх.а
19.8274 мВ
20 мВ
A
V
U
Значения
1
A
V
и
1
T
индицируются в первом окне.
Второй движок установим в момент времени
2 22.4409 мс
T
, когда выходной сигнал принимает наибольшее (амплитудное) значение
2
вых.а
1.4615 В
B
V
U
37
Значения
2
B
V
и
2
T
индицируются во втором окне.
Коэффициент усиления УПТ по напряжению
U
k
на частоте н
1.9 кГц
f
по показаниям осциллографа рассчитаем следующим образом:
2 3
1 1.4615 73.711 19.8274 10
вых а
B
U
вх а
A
U
V
k
U
V
Вычислим коэффициент усиления УПТ в децибелах на частоте н
1.9 кГц
f
по показаниям осциллографа
20 lg 73.711 37.351
U
L
Отставание по фазе выходного сигнала УПТ относительно входного на частоте н
1.9 кГц
f
по показаниям осциллографа рассчитаем следующим образом:
3 2
1 3
н
22.4409 22.2435 10 360 360 135.022 1
1 1.9 10
T
T
f
Необходимо отметить, что параметры
,
U
U
k
L
и
, измеренные и вычисленные с помощью инструментов Bode Plotter и Oscilloscope, примерно совпадают, а расхождения обусловлены дискретностью числовых величин, задаваемых в генераторе Functional Generator и индицируемых в инструментах Bode Plotter и Oscilloscope.
По вышеописанной процедуре можно с помощью осциллографа
(Oscilloscope) вычислить параметры
,
U
U
k
L
и на верхней граничной частоте полосы пропускания УПТ верхн
72.67 МГц
f
и на среднегеометрической частоте полосы пропускания ср
369 кГц
f
Схемы выпрямления и сглаживание пульсаций с помощью
емкостных фильтров
Диод является одним из наиболее простых полупроводниковых элементов современной микроэлектроники. Диод представляет собой два соединенных между собой полупроводниковых слоя. Один слой обладает электронной проводимостью и обозначается как n-полупроводник, а другой - дырочной проводимостью и обозначается как p-полупроводник.
Вследствие такой структуры диод обладает существенной односторонней проводимостью, т. е. хорошо проводит электрический ток в одном направлении и практически не проводит его в другом направлении. Это свойство диода широко используется для выпрямления переменного тока, когда требуется преобразовать переменное напряжение, получаемое, например, из электросети, в постоянное напряжение, необходимое для работы большинства электронных схем.
38
Сглаживание пульсаций – первоочередная задача после выпрямления тока. Эту задачу выполняет фильтр, состоящий из конденсатора
(конденсаторов), который включен в цепь между выпрямителем и нагрузкой. Ёмкость конденсатора фильтра зависит от тока нагрузки. Чем больше ток нагрузки, тем большую ёмкость должен иметь конденсатор сглаживающего фильтра. Принцип работы сглаживающего фильтра выпрямителей можно проанализировать с помощью однополупериодной схемы.
Простейший однополупериодный выпрямитель состоит из одного диода, включенного в цепь, как показано на приведенной схеме виртуальной лабораторные установки (рис. 2.29)
, собранной в программе
Electronics Workbench
Рис. 2.29 Схема однополупериодного выпрямителя
На рис. 2.30 приведены осциллограммы напряжения на источнике 1 и напряжения 2 на выходном сопротивлении после фильтра.
Рис. 2.30 Осциллограммы напряжений однополупериодного выпрямителя
Анализ осциллограмм напряжений показывает, что в промежутки времени между импульсами напряжения с выпрямителя напряжение на выходном сопротивление нагрузки формируется за счет разряда конденсатора.
В то время, когда есть импульс, конденсатор заряжается, когда импульса нет или он ниже напряжения источника питания конденсатор отдаёт своё напряжение в нагрузку.
П
осле сглаживания напряжение на выходе фильтра выпрямителя (без нагрузки) превышает среднее значение напряжения. Оно практически равно амплитуде выпрямленного напряжения. Точное значение - переменное напряжение вторичной обмотки трансформатора умноженное на 1,4.
39
Пульсации напряжения на выходе фильтра выпрямителя можно уменьшить, увеличив ёмкость конденсатора. При однополупериодной схеме выпрямления ёмкость конденсаторов надо как минимум удваивать.
Однако эффективность однополупериодного выпрямителя невысока, так как в формирование выходного напряжения используется только один полупериод переменного напряжения источника.
Более эффективный метод выпрямления переменного тока состоит в использовании схемы двухполупериодного выпрямителя, представленного в виде виртуальной установки рис. 2.31.
Рис. 2.31 Схема двух полупериодного выпрямителя
Для сравнения на рис 2.32 приведены осциллограммы выходных напряжений двухполупериодного
2 и однополупериодного
1 выпрямителей без фильтров.
Рис. 2.32 Осциллограммы выходных напряжений двухполупериодного 2 и
однополупериодного 1 выпрямителя
Задание: Сравните форму выходного напряжения, полученного в первой и во второй схемах. Разберитесь в принципе действия двухполупериодного выпрямителя, для чего покажите, как проходит ток через нагрузку во время положительного и отрицательного полупериодов.
40
1 2 3 4 5 6 7
Глава 3. ПРИМЕНЕНИЕ ПРИКЛАДНОГО ПРОГРАММНОГО ПАКЕТА
MATHCAD.
MathCAD – это мощная и в то же время простая универсальная среда для решения задач в различных отраслях науки и техники, финансов и экономики, физики и астрономии, строительства и архитектуры, математики и статистики, организации производства и управления.
MathCAD является самой современной, универсальной массовой математической системой. Ее аббревиатура Mathematical Computer Aided
Design (математическое автоматизированное проектирование) говорит о ее назначении – решение различных вычислительных задач.
Она позволяет выполнять как численные, так и аналитические
(символьные) вычисления, имеет удобный математически- ориентированный интерфейс и прекрасные средства графики. Внедрение в систему символьной математики превратило ее в универсальный инструмент для решения математических задач.
Как интегрированная система MathCAD содержит следующие основные компоненты:
Редактор документов – редактор с возможностью вставки математических выражений, шаблонов графиков и текстовых комментариев;
MathConnex – системный интегратор, обеспечивающий интеграцию
MathCAD с рядом иных программных продуктов;
Центр ресурсов – система управления ресурсами MathCAD;
Электронные книги – электронные книги с описанием типовых расчетов в различных областях науки и техники;
Справочная система – система для получения справочных данных по тематическому и индексному каталогу, а также для поиска нужных данных по ключевому слову или фразе;
«Быстрые шпаргалки» QuickShttts – короткие примеры с минимальными комментариями, описывающими применение всех встроенных операторов и функций системы;
Браузер Интернета – собственное средство выхода в Интернет.
3.1. Интерфейс программы MathCAD.
В MathCAD интерфейс пользователя интуитивен и сходен с другими приложениями Windows. Главное окно системы Mathcad в развернутом состоянии с рабочим листом показано на рис. 3.1.
В первой строке (строке заголовка) главного окна системы Mathcad отображено название окна. Во второй строке главного окна системы расположены пункты главного меню. В третьей, четвертой и пятой строках размещены наиболее часто используемые панели инструментов, которые
41 желательно всегда иметь на экране.
В третьей строке – панель инструментов Стандартная, во второй – Форматирование, в четвертой –
Математика и Ресурсы. В нижней строке главного окна располагается строка состояния системы.
Рис. 3.1. Главное окно системы Mathcad
Если щелкнуть в панели инструментов Стандартная по первой кнопке – кнопке с изображением чистого листка бумаги, то появится рабочий лист с названием Без названия:N (Untitled: N), где N – порядковый номер документа.
Чтобы сохранить рабочий лист (документ) под нужным именем: щелкните мышью в панели инструментов Стандартная по третьей кнопке – кнопке с изображением дискеты. Появится диалоговое окно
Сохранить как (Save as); в диалоговом окне Сохранить как в текстовом поле Имя файла
(File name) введите имя файла; щелкните по кнопке Сохранить. Система сохранит файл под введенным именем и автоматически добавит расширение .mcd.
Основную часть экрана занимает рабочий лист. В правой и нижней части экрана расположены полосы прокрутки. Они предназначены для горизонтального и вертикального перемещения по рабочему листу. Для плавного перемещения необходимо установить курсор мыши на полосе прокрутки (кнопка со стрелкой, указывающей направление движения) и нажать левую кнопку мыши. Можно также щелкнуть мышью на полосе прокрутки между кнопкой со стрелкой и бегунком. Тогда передвижение будет значительно быстрее – с каждым щелчком на величину экрана.
Щелкните левой кнопкой мыши по пункту Вид (View) для вызова выпадающего меню. Щелкните левой кнопкой мыши по пункту Панели