37

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГОУ ВПО ЯРОСЛАВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ И УЗЛОВ ЭЛЕКТРОНИКИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО КУРСУ « ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА»

ДЛЯ СТУДЕНТОВ ДНЕВНОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ

ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ

311400 - «ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ

СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА»

Кафедра физики и электротехники

Ярославль

2006г.

Составитель ст. преподаватель каф. физики и электротехники,

ФГОУ ВПО ЯГСХА к.т.н. Г.А. Бибик.

Методические указания К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ РАЗРАБОТАНЫ в соответствии с программой курса «Электроника и микропроцессорная техника» для студентов ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ инженерных специальностей сельскохозяйственных высших учебных заведений.

Методические указания к лабораторным работам « СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ И УЗЛОВ ЭЛЕКТРОНИКИ» по курсу «Электроника и микропроцессорная техника» рассмотрен на заседании кафедры физики и электротехники Ярославской ГСХА «__»_____________ 2006г. протокол N_____ и рекомендован к внедрению в учебный процесс.

Рецензенты:

Заведующий кафедрой Механизации сельскохозяйственного производства ФГОУ ВПО ЯГСХА д.т.н. профессор С.А. Краснов

Профессор кафедры СПбГАУ

д.т.н. В.А.Смелик

Методические указания к лабораторным работам « СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ И УЗЛОВ ЭЛЕКТРОНИКИ» по курсу «Электроника и микропроцессорная техника» рекомендован к публикации и использованию в учебном процессе учебно – методическим советом инженерного факультета ФГОУ ВПО ЯГСХА «___ »____________2006 года, протокол N__________

Макет методических указаний к лабораторным работам

« СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ И УЗЛОВ ЭЛЕКТРОНИКИ» по курсу «Электроника и микропроцессорная техника» является собственностью

ФГОУ ВПО ЯГСХА. Тиражирование сборника возможно только с разрешения владельца макета. При цитировании обязательна ссылка на источник.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение____________________________________________________4

1 Программа Demo___________________________________________6

1.1 Меню_______________________________________________6

1.2 Операции____________________________________________7

1.3 Компоненты__________________________________________7

1.4 Приборы_____________________________________________8

1.5 Измерения___________________________________________ 8

2 Моделирование схем. ______________________________________ 12

2.1 Классификация элементов электрических цепей________________12

2.2 Операции при моделировании схем__________________________12

2.3 Математическая обработка данных моделирования________14

3 Организация и порядок проведения лабораторных работ_________ 16

3.1 Организация работ________________________________________16

3.2 Техника безопасности при проведении лабораторных работ_____16 3.3 Общие указания по выполнению лабораторных работ__________17

3.4 Обработка результатов эксперимента и оформление отчета по результатам лабораторной работы_______________________________

4 Организация и порядок проведения лабораторных работ_________18

5 Лабораторная работа N 1____________________________________18

6 Лабораторная работа N 2______________________________________

7 Лабораторная работа N 3______________________________________

8 Лабораторная работа N 4______________________________________

9 Лабораторная работа N 5______________________________________

10 Лабораторная работа N 6_____________________________________

11 Лабораторная работа N 7____________________________________ _

12 Лабораторная работа N 8_____________________________________

13 Лабораторная работа N 9_____________________________________

14 Лабораторная работа N 10____________________________________

15 Лабораторная работа N 11____________________________________

Список использованной литературы ……………………….. 56

ВВЕДЕНИЕ

Создание современных видов электронных приборов, количество которых непрерывно растет, усложняет процесс изучения, как самих приборов, так и устройств, сконструированных на этих приборах. Уровень подготовки студентов к практической работе в значительной мере зависит от качества выполнения лабораторных работ. Схемотехническое моделирование позволяет практически все время проведения лабораторной работы использовать на анализ физических процессов в схемах, исследование параметров и характеристик элементов, узлов и приборов электроники, минуя длительную и утомительную стадию подготовки, настройки физических макетов.

Слово модель имеет франко – итальянские корни (modelle - modello) и означает образец. В современном понимании моделирование это изучение объекта – оригинала посредством изучения объекта – заместителя. Основное требование, предъявляемое к модели – результаты моделирования могут служить для прогнозирования процессов в объекте – оригинале. Моделирование широко применяется в науке, технике, быту, начиная от проектирования и создания космических объектов до детских игрушек и картинок.

Техническое моделирование разделяют на три основные типа:

- полунатурное – часть моделей заменяется оригиналами – физическими моделями;

- физическое - сохраняется физическая природа объекта (исследование макетов летающих аппаратов в аэродинамической трубе);

- математическое – исследование на ЭВМ математических моделей систем. Программа работы блоков переводится с физического языка на математический.

Построение модели – процесс абстрагирования, т.е. выделение основных свойств объекта, выбор которых сопряжен с противоречиями:

- мало использовано свойств или взяты второстепенные (не основные) свойства объекта – модель становится малоинформативной, а в отдельных случаях может давать даже дезинформацию;

- много использовано свойств объекта – модель становится невыполнимой или неразрешимой.

Математическое моделирование, как правило, предшествует физическому и полунатурному и обеспечивает:

- интенсификацию исследований (большую скорость при малой стоимости);

- решение сложных задач, которые аналитическим путем не решаются;

- анализ характеристик систем на стадии изучения, проектирования.

Основные этапы и операции математического моделирования.

1.Описание объекта моделирования. Этот этап включает сбор сведений об объекте, внешних воздействиях, условиях его функционирования. Результат этапа – разработанный алгоритм работы устройства;

2.Формирование математической модели на основе алгоритма работы устройства. Результат этого этапа – математический алгоритм работы устройства;

3.Реализация модели на ЭВМ. Результат этапа – программа работы ЭВМ;

4.Исследование модели – ввод разных исходных данных. Получение результатов моделирования;

5.Интерпретация полученных данных.

Схемотехническое моделирование является разновидностью математического моделирования. Основные его особенности:

- результаты моделирования выдаются в виде схем и графиков;

- программное обеспечение – разновидность САПР (Системы Автоматизированного Проектирования)

- основа схемотехники – теория электрических цепей.

Электрическая цепь – совокупность соединенных определенным образом элементов, устройств и объектов, образующих путь (канал) прохождения электрического сигнала. Любая электрическая цепь может быть представлена в виде схемы.

Слово схема происходит от греческого schema, означающего образ, вид. В электронике под схемой понимают чертеж, на котором условными графическими обозначениями показывается состав и взаимосвязь элементов различных устройств. В схемотехнике изучаются принципы и методы анализа, синтеза и реализации схем устройств, отвечающих заданным характеристикам. Здесь схемы являются моделями устройств и систем. Для исследования работы схемы необходимо знать характеристики ее элементов, варианты их возможных соединений и методы решения схемотехнических задач.

Наиболее точное и общее исследование любого макроскопического электрического процесса основано на аналитическом решении уравнений Максвелла в заданных граничных условиях. Подобные решения, как правило, сложны и получены только для некоторых, наиболее простых частных случаев. Поэтому на практике применяют приближенные решения. Из них наибольшее распространение нашел квазистатический метод. В этом методе делается упрощающее допущение – если на длине объекта фаза волны меняется меньше, чем на 90⁰ ,то она принимается одной и той же на всей длине этого объекта (групповое колебание всех точек объекта с одной и той же фазой). Для узлов с размерами l < 0,5м. это условие выполняется на частотах

f < 100 МГц. При схемотехническом моделировании это условие всегда выдерживается, поэтому результат работы схемы рассчитывается по теории цепей. Переход к цепям позволяет не рассматривать волновые процессы в пространстве (и соответствующие им математические зависимости – div, rot и т.д.),а учитывать только зависимости от времени. В этом случае вектора напряженности и плотности тока заменяются скалярными величинами - напряжением и током, которые зависят только от времени. Заметим, что при рассматриваемом моделировании, связь между элементами цепи устанавливается проводниками. На низкой частоте, распространение волн вдоль проводников подчиняется телеграфным уравнениям, решениями которых также являются – напряжение и ток.

В конечном счете, адекватность модели реальной цепи проверяется экспериментально.

Программы. Для схемотехнического моделирования разработан ряд программ. В настоящей работе применяются следующие программы:

- Electronics Workbench – «Электронная лаборатория»;

- Micro – Cap (Microcomputer Circuit Analysis Program) – «Программа анализа схем на микрокомпьютерах»;

- демонстрационная версия программы Multisim 2001 Education Demo

В работе будем называть их EWB, MC, Demo и использовать европейский стандарт DIN т.к. он близок к нашим ГОСТам. Указанные программы

имеют много общего (мало отличающиеся наборы приборов, компонент и способов составления схем). Так например, в основе программы Multisim лежит программа EWB, поэтому изучение трех программ вместо одной незначительно усложнит процесс обучения. С другой стороны, эти программы дополняют друг друга и предоставляют пользователю новые возможности, например, комплект программ Multisim – Ultiboard – Ultirout обеспечивает изготовление конструкторской документации для разработки и разводки плат. Поэтому изучение даже упрощенной версии программы из этого пакета позволяет приблизить процесс обучения к реальному производству. Кроме того, у программы Demo имеются преимущества:

- это наиболее дешевый вариант программы, поэтому он доступен не только учебным заведениям, но и студентам для занятий на домашних персональных компьютерах;

- невозможность запоминания разработанной схемы для учебных программ в некоторых случаях является не недостатком, а достоинством.

1 Программа Demo

1.1 Меню

Главное меню представлено на поле меню программы. Имеется два поля инструментов. На горизонтальном поле представлены пиктограммы работы с файлами (System). изменение масштаба (Zoom), пиктограммы операций разработки (Design), раскрывающее окно (In Use List) с перечнем элементов, имеющихся на схеме, пиктограммы ключей для включения, выключения и прерывания процесса моделирования. На вертикальное поле справа выведены пиктограммы приборов, а на вертикальное поле слева – пиктограммы для отдельных классов компонентов. Имеется стандартная рамка и в правом углу ее - штамп. Доступ к операциям может быть осуществлен несколькими способами:

- из главного меню;

- с помощью щелчка мыши на пиктограмме;

- с помощью «горячих клавиш».

1.2 Операции

File – операции с файлами данных - создает новый файл, открывает существующий и меню предшествующих файлов, печатает схему, осуществляет выход из программы и т. д. Дословно, термин файл означает совокупность данных, размещенных в поименованной области памяти;

Edit –редактирование. Команды этой группы вырезают, вставляют, копируют, удаляют выделенный фрагмент, выделяют всю схему, отражают выделенный объект относительно горизонтальной и вертикальной осей, поворачивают выделенный фрагмент по и против часовой стрелке на 90⁰ , добавляет блок, назначают детерминированные дефекты по выбору пользователя или случайные – по выбору программы;

Place – установка, размещение на рабочем поле компонент схемы;

Simulate –(дословно –моделировать, воспроизводить) - управляет процессом моделирования:

- подключает приборы и программы;

- обрабатывает результаты моделирования с помощью программы Postprocessor;

Simulate/Auto Fault Option – введение неисправностей в компоненты;

- Transfer –(перенос, перемещение) - пересылка файлов между различными программами;

- Transfer /Transfer to Ultiboard – пересылает схему в программу размещение компонентов Ultiboard;

- Options – (замена, выбор) изменение опций программы – ограничения для схемы, модификация штампа, определение вида окна, цвета компонентов, толщины линий, шрифта;

- Help – помощь по выделенным объектам.

1.3 Компоненты

Компоненты меню можно разделить на виртуальные и реальные. Виртуальные компоненты – идеальные модели реальных компонент. У них не учитываются мощностные характеристики и физические размеры. Их нельзя использовать в программах Ultiboard и Ultirout. Простейшие виртуальные компоненты вызываются на рабочее поле щелчком мыши в соответствующих полях компонентов. Более сложные виртуальные компоненты и реальные вызываются программой Component Browser – «Обозреватель компонент и средство их вызова». При вызове этой программы на экране появляется вкладка, у которой с правой стороны находится каталог семейств компонентов , а с левой стороны – расшифровка состава семейств, с указанием основных характеристик. Пиктограммы компонентов содержат:

- источники – сигналов; тока и напряжения - постоянного, переменного, неуправляемые, управляемые током и напряжением;

- базовые элементы – резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы, трансформаторы;

- ключи – управляемые током и напряжением, реле;

- полупроводниковые элементы – диоды, стабилитроны, тиристоры, транзисторы, семисторы, выпрямители;

- логические элементы - « И», «ИЛИ», «НЕ»;

- логические приборы – буфер, сумматор, дешифратор, мультиплексор, триггера, счетчики, регистры, АЦП, таймер555;

- индикаторы.