7. Моделирование режимов работы устройства

Для аппаратной части моделирование выступает средством проверки работоспособности, параметрической оптимизации (заменяя натурный эксперимент) и оценки требуемых характеристик устройства или его отдельных функциональных узлов. Поэтому при выполнении данного раздела следует четко определить задачи моделирования, оговорив с преподавателем, какой узел должен быть исследован и по каким параметрам. Моделирование рекомендуется выполнять в пакете Multisim 10.

В пояснительной записке к курсовой работе необходимо привести электрическую схему моделируемого узла в виде рисунка, выполненного как Screen Shot (моментальный снимок экрана) при работе пакета моделирования. При этом необходимо активизировать номиналы компонентов и их позиционные обозначения, нумерацию узлов, а также необходимые параметры моделей компонентов (диод, транзистор, операционный усилитель, и т. п.).

Итоги моделирования представляются в виде соответствующих графиков, в зависимости от требуемого вида анализа – временных диаграмм, амплитудно-частотных характеристик, спектров и т. д. На графиках должны быть отражены результаты измерений инструментальными средствами пакета.

Эти результаты должны иллюстрировать соответствие (или расхождение) итогов моделирования и данных, полученных в ходе расчета электрических схем. Следует помнить о том, что численные характеристики, полученные при моделировании, являются образцовыми, и относительно их делается оценка практической достоверности разработанных схем.

С целью достижения адекватности результатов моделирования параметрам, присущим узлам современной функциональной базы, для моделей следует выбирать численные характеристики из справочников.

Если используется модель компонента из библиотеки моделирования, параметры модели следует предварительно отредактировать, приведя их в соответствие с реальным компонентом.

Итогом раздела моделирования должны быть выводы, отражающие соответствие (или несоответствие) электрическому расчету, или результаты подгона параметров узла под требуемые с помощью параметрической оптимизации, или обоснованные рекомендации, показывающие места возникновения ошибок при проектировании и возможные пути их устранения.

В качестве примера рассмотрим моделирование генератора прямо-угольных импульсов, аналог которого используется в схеме проектируемого цифрового вольтметра. Один из вариантов построения генераторной схемы с использованием моста Вина показан на рис. 10. В основе схемы используется операционный усилитель U1 типа UA741CD (аналог К140УД7).

Принцип работы генератора основан на том, что реализуется усилитель с обратной связью, имеющей сдвиг на 180 на нужной частоте, при этом одно плечо обеспечивает нужный коэффициент усиления, а другое – непосредственно частоту автоколебаний [7].

В результате моделирования следует обратить внимание на то, что при отношении резисторов R₁/(R₂ + R₃) > 0,4 колебания не происходят, при уменьшении этого значения на выходе генератора появляются прямоугольные импульсы. Частота колебаний определяется из приближенного выражения

f_р = 1/(3RC), (20)

при выполнении условия R₄ = R₅ и C₁ = C₂.

Подставив численные значения элементов схемы, приведенной на рис. 10 в выражение (20), получим расчетное значение частоты на выходе генератора

f_р = 1/(3  1 10³ 10 10^-9) = 10610 Гц.

Осциллограмма выходных значений частоты генератора, полученная в результате моделирования в программе Multisim 10, представлена на рис. 11. По курсорным измерениям частоту следования прямоугольных импульсов можно определить по выражению:

f_м = 1/(T₂ – T₁). (21)

Подставив численные значения из диалогового окна, приведенного на рис. 10 в выражение (21), получим модельное значение частоты на выходе генератора

f_м = 1/(96,519 10 10^-6) = 10360 Гц.

Низкая относительная погрешность

; (22)

= 2,41 %,

говорит о соответствии результатов расчета результатам моделирования.

Рис. 10. Схема генератора Вина в программе Multisim 10

Рис. 11. Осциллограмма выходного сигнала генератора Вина

Библиографический список

1. Лукиных О. Г. Расчет структурных схем систем измерения, контроля и диагностики / О. Г. Лукиных, И. Л. Захаров / Омский гос. техн. ун-т. Омск, 2005. 71 с.

2. Павлов В. Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств / В. Н. Павлов, В. Н. Ногин. М.: Горячая линия-Телеком, 2005. 320 с.

3. Бойко В. И. Схемотехника электронных систем. Цифровые устройства / В. И. Бойко. СПб: БХВ-Петербург, 2004. 496 с.

4. Волович Г. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств / Г. И. Волович. М.: Додэка, 2007. 528 с.

5. Антипенский Р. В. Схемотехническое проектирование и моделирование радиоэлектронных устройств / Р. В. Антипенский, А. Г. Фадин. М.: Техносфера, 2007. 127 с.

6. Алексенко А. Г. Основы микросхемотехники / А. Г. Алексенко. М.: Бином, 2004. 448 с.

7. Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. Т. 1: Моделирование элементов аналоговых систем / В. И. Карлащук. М.: Солон-Пресс, 2006. 671 с.

8. Ратхор Т. С. Цифровые измерения. Методы и схемотехника / Т. С. Ратхор. М.: Техносфера, 2004. 371 с.

9. Нефедов А. В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги: Справочник. Т. 5: Серии К544-К564 / А. В. Нефедов. М.: Радио-Софт, 2007. 607 с.

10. Садченков Д. А. Маркировка радиодеталей отечественных и зарубежных / Д. А. Садченков. М.: Солон-Р, 2002. 224 с.

11. Лопаткин А. В. Проектирование печатных плат в системе P-CAD. / А. В. Лопаткин / Нижегородский гос. техн. ун-т. Нижний Новгород, 2002. 178 с.

12. Стешенко В. Б. P-CAD. Технология проектирования печатных плат / В. Б. Стешенко. СПб: БХВ-Петербург, 2003. 711 с.

13. Дорохов А. Н. Обеспечение надежности сложных технических систем / А. Н. Дорохов. СПб; М.; Краснодар: Лань, 2011. 348 с.

14. Федоров В. К. Контроль и испытания в проектировании и производстве радиоэлектронных средств / В. К. Федоров, Н. П. Сергеев, А. А. Кондрашин. М.: Техносфера, 2005. 502 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС)