Лабораторная работа №17 Тема: Изучение возможностей сапр. Интерфейс программы
Цель работы: познакомиться с интерфейсом Multisim, изучить внешний вид, глобальные настройки, а также различные панели инструментов и пункты меню. Узнать, как настраиваются параметры среды Multisim.
Понять различие между реальными, виртуальными, идеальными и интерактивными элементами. Создать простейшую схему (включая виртуальные соединения).
Оборудование рабочего места: ПК, ПО
Краткие теоретические сведения
Часть 1
Особенность программы Electronics Workbench Multisim - наличие в ней контрольно-измерительных приборов, по внешнему виду, органам управления и характеристикам максимально приближенных к их промышленным аналогам. Опыт использования программы в лабораторном практикуме по ряду предметов показывает, что для проведения лабораторных работ достаточно двух часов предварительного ознакомления с программой. Ниже приведено краткое описание программы.
Окно программы Multisim 12 (рисунок 1) содержит шкалу меню (вторая строка окна): File, Edit, View, Place, Simulate, Transfer, Tools, Options, Help. Дальше описаны некоторые из них.
Рисунок 1 - Окно схемного редактора программы Multisim
Меню Simulate содержит команды:
Run – запуск моделирования;
Pause – временный останов моделирования;
Default Instrument Setting - установка по умолчанию режима работы контрольно-измерительных приборов;
Default Simulation Setting - выбор идеального (при использовании компонентов типа Virtual) или реального режимов работы моделирования;
Instruments - список контрольно-измерительных приборов (линейка этих приборов расположена слева в окне);
Analyses - список команд моделирования. Меню Options - (настройка программы), содержит команды: Preferences - пользовательские настройки (назначение команд описаны ниже); Modify Title Block - внесение данных в разделы штампа; Global Restrictions - установка общего пароля; Circuit Restrictions - установка атрибутов только Read-only. Третья строка окна содержит:
1) восемь мнемонических кнопок общесистемного характера (System);
2) две кнопки, с помощью которых можно увеличить или уменьшить масштаб изображения (Zoom);
3) девять специальных кнопок, дублирующих наиболее часто используемые команды (Design);
4) выпадающий список использованных в текущей схеме компонентов (In Use List);
5) кнопку, временно приостанавливающую процесс моделирования;
6) переключатель, запускающий и останавливающий процесс моделирования.
Слева в окне расположена вертикальная панель библиотек компонентов (базы данных Component Bars), справа - вертикальная панель контрольно-измерительных приборов (Instruments).
Кнопки можно сделать видимыми или невидимыми, если вызвать команду View>Toolbars и во всплывающем меню установить (или нет) соответствующие флажки: System, Zoom, Design, In Use List. Здесь и далее в данном тексте на первом месте указывается меню из строки меню окна редактора схем, на втором месте - команда из выпадающего меню, появляющегося при выборе кнопки конкретного меню.
Панель библиотек компонентов можно сделать видимой или невидимой, если вызвать команду View>Component Bars и во всплывающем меню установить или нет флажок Multisim Database.
Панель контрольно-измерительных приборов можно сделать видимой или невидимой, если вызвать команду View>Toolbars и во всплывающем меню установить или нет флажок Instruments.
Панель библиотек компонентов (базы данных Component Bars) содержит:
• источники (Sources);
• пассивные компоненты и коммутационные устройства (Basic);
• диоды (Diodes);
• транзисторы (Transistors);
• аналоговые микросхемы (Analog);
• цифровые микросхемы TTL серии (TTL);
• цифровые микросхемы КМОП серии (CMOS);
• одиночные цифровые схемы, АЛУ, регистры, счетчики, мультиплексоры, дешифраторы, ОЗУ и т.п. (Misc Digital);
• микросхемы смешанного типа (Mixed);
• индикаторные устройства (Indicators);
• компоненты смешанного типа (Misc (ellaneous));
• аналоговые вычислительные устройства (Controls);
• радиочастотные компоненты (RF);
• электромеханические элементы (Electro_Mechanical).
Панель контрольно-измерительных приборов (Instruments) содержит:
• цифровой мультиметр (Multimeter);
• функциональный генератор (Function Generator);
• измеритель активной мощности и коэффициента мощности (Wattmeter);
• осциллограф (Oscilloscope);
• измеритель АЧХ и ФЧХ (Bode Plotter);
• генератор слова (Word Generator);
• логический анализатор (Logic Analyzer);
• логический преобразователь (Logic Converter);
• измеритель нелинейных искажений в диапазоне частот от 20 до 200000 Гц (Distortion Analyzer);
• спектральный анализатор (Sperctrum Analyzer);
• прибор для анализа электрических цепей в обобщенном виде - в виде четырехполюсников, имеющих два входа и два выхода (четыре полюса) (Network Analyzer).
Последние три прибора недоступны.
Редактор схем
Окно редактора схем предназначено для создания и редактирования принципиальных схем устройства. По умолчанию цвет фона окна черный. Изменить установки по умолчанию можно, выбрав команду Options>Preferencеs. После выбора данной команды открывается диалоговое окно Preferencеs (рисунок 2). Оно содержит шесть вкладок, на которых можно установить необходимые опции. При выводе этого окна активной является вкладка Circuit, на которой имеются две панели Show и Color.
Панель Show содержит окно просмотра, в котором можно увидеть установленные опции, и шесть флажков, с помощью которых устанавливаются необходимые опции.
С помощью флажка Show component labels выбирают видимость или невидимость позиционного обозначения компонента на схеме. Для того чтобы установить видимость позиционного обозначения компонента на схеме, нужно щелкнуть левой клавишей мыши по белому квадрату, расположенному слева от имени флажка, Если флажок выбран, то в белом квадрате появляется галочка.
Рисунок 2 - Диалоговое окно Preferencеs с вкладкой Circuit
Следующими флажками устанавливают видимость на схеме: Show component reference IDs – порядкового номера компонента; Show node names – имени узла; Show component values – номинала компонента;
Show component attribute – таблицы свойств компонента.
Флажок Adjust component identifiers позволяет при упорядочивании схемы изменять идентификационные номера однотипных компонентов, присвоенных программой автоматически в порядке их установки.
Панель Color содержит выпадающий список с именами команд, устанавливающих цвет фона, надписей и компонентов, окно просмотра, в котором можно просмотреть выбранный режим установки цвета, и пять кнопок, окрашенных в различные цвета, с помощью которых можно установить цвет для фона (Background), проводника (Wire), компонента, имеющего математическую модель (Component with model), компонента, не имеющего математическую модель (Component without model), и виртуального компонента (Virtual component).
На вкладке Workspaсe (рисунок 3) определяются настройки текущего окна.
Рисунок 3 - Диалоговое окно Preferencеs с вкладкой Worcspase
На панели Show в окне, расположенном слева, отображаются результаты установки опций с помощью флажков, находящихся справа. Самый верхний флажок – показывать (или нет) сетку (Show grid), второй сверху флажок – показывать или нет границы страницы (Show page bounds), третий флажок – показывать или нет штамп страницы (Show title block).
На панели Sheet size (размер страницы схемы) в выпадающем списке выбирают формат страницы (А3, А4…). На панели Orientation устанавливают ориентацию страницы: портрет или альбомная (Landscape); на панели Custom size – ширину и высоту страницы в дюймах или сантиметрах; на панели Zoom level – масштаб изображения.
На панели Component toolbar functionality указывают, изменять или нет цвет изображения компонента при его выборе.
На панели Place component mode выбирают режим размещения компонентов: единственный компонент (Place single component), непрерывное размещение
многосекционного компонента (Continuous placement for multi-section part only),
непрерывное размещение (Continuous). Кроме того, окно Preferencеs содержит пять кнопок. Для того чтобы записать выбранные опции для текущей схемы, нужно щелкнуть левой клавишей мыши по кнопке OK. Для того чтобы записать выбранные опции, как устанавливаемые по умолчанию, нужно щелкнуть левой клавишей мыши по кнопке Set as Default, затем по кнопке OK.
Создание новой схемы Размещение компонентов на странице схемы
Для размещения компонентов служат кнопки панели инструментов, расположенной вертикально на левой стороне окна. По умолчанию эта панель видима. Если она не видима, то надо нажать кнопку Components на строке инструментов Design Bar. Компоненты, необходимые для создания схемы, сгруппированы в логические разделы (Parts Bin). Каждому логическому разделу соответствует кнопка на шкале инструментов. При нажатии на одну из этих кнопок открывается соответствующая панель (Parts Bin), содержащая кнопки для каждого компонента, входящего в семейство компонентов. Разместить компоненты можно также с помощью команды Place>Place Component.
Разместите на странице схемы компонент источника постоянного напряжения +5 В. Для этого необходимо:
1. Нажать на кнопку Sources. Откроется панель, содержащая источники напряжения или тока (рисунок 4). Удерживая курсор на кнопке, не щелкая по ней, можно увидеть название кнопки.
2. Щелкнуть по кнопке Vcc. Курсор примет форму выбранного компонента. Поместить выбранный компонент на схему и щелкнуть левой клавишей мыши по точке схемы, в которой должен быть расположен компонент, изображение компонента появится на схеме.
3. Если необходимо изменить свойства компонента (порядковый номер, имя и величину значения), то дважды щелкнуть по изображению компонента. Откроется диалоговое окно Digital Power (рисунок 4). Название окна зависит от назначения компонента. Это окно содержит четыре вкладки. По умолчанию открыта вкладка Value, на которой расположены текстовая строка и выпадающий список.
По умолчанию значение напряжения источника равно 12 В. Напряжение питания микросхем серии 74ххХХ равно 5 В. Поэтому нужно в текстовой строке вкладки вместо цифры 12 ввести 5, затем щелкнуть по кнопке OK.
В выпадающем списке указаны единицы измерения.
На вкладке Lable (рисунок 5) в текстовой строке Reference ID указывается название компонента.
На вкладке Display имеется пять флажков, устанавливающих видимость: Use Schematic Option global setting – всех надписей компонента; Show labels – ярлыка компонента;
Show values – величины значения компонента; Show reference ID – порядкового номера компонента; Show Attributes – таблицы свойств.
Если установлен флажок Use Schematic Option global setting, то остальные флажки имеют серый цвет и не доступны.
Рисунок 4.1 - Диалоговые окна
Рисунок 4.2 - Диалоговые окна
В Multisim есть базы данных трех уровней:
Из Главной базы данных (Master Database) можно только считывать информацию, в ней находятся все компоненты;
Пользовательская база данных (User Database) соответствует текущему пользователю компьютера. Она предназначена для хранения компонентов, которые нежелательно предоставлять в общий доступ;
Корпоративная база данных (Corporate Database). Предназначена для тех компонентов, которые должны быть доступны другим пользователям по сети.
Средства управления базами данных позволяют перемещать компоненты, объединять две базы в одну и редактировать их. Все базы данных разделяются на группы, а они, в свою очередь., на семейства. Когда пользователь выбирает компонент и помещает его в схему, создается новая копия, Все изменения с ней никак не затрагивают информацию, хранящуюся в базе данных.
База данных Master Database разделена на группы:
1) Sources. Cодержит все источники напряжения и тока, заземления.
Например, power sources (источники постоянного, переменного напряжения, заземление, беспроводные соединения - VCC, VDD, VSS, VEE), signal voltage sources (источники прямоугольных импульсов, источник сигнала через определенные промежутки времени), signal current sourses (постоянные, переменные источники тока, источники прямоугольных импульсов)
2) Basic. Содержит основные элементы схемотехники: резисторы, индуктивные элементы, емкостные элементы, ключи, трансформаторы, реле, коннекторы и т.д.
3) Diodes. Содержит различные виды диодов: фотодиоды, диоды Шоттки, светодиоды и т.д.
4) Transistors. Содержит различные виды транзисторов: pnp -, npn - транзисторы, биполярные транзисоры, МОП-транзисторы, КМОП-транзисторы и т.д.
5) Analog. Содержит все виды усилителей: операционные, дифференциальные, инвертирующие и т.д.
6) TTL. Содержит элементы транзисторно-транзисторной логики
7) CMOS. Содержит элементы КМОП-логики.
8) MCU Module – управляющий модуль многопунктовой связи (от англ. multipoint control unit)
9) Advanced_Peripherals. Содержит подключаемые внешние устройства ( дисплеи, терминалы, клавишные поля).
10) Misc Digital. Содержит различные цифровые устройства.
11) Mixed. Содержит комбинированные компоненты
12) Indicators. Содержит измерительные приборы( вольтметры, амперметры), лампы и т.д.
Виртуальные приборы расположены на панели инструментов.
Мультиметр предназначен для измерения переменного или постоянного тока или напряжения, сопротивления или затухания между двумя узлами схемы. Диапазон измерений мультиметра подбирается автоматически. Его внутреннее сопротивление и ток близки к идеальным значениям, но их можно изменить.
Генератор сигналов (function generator) – это источник напряжения, который может генерировать синусоидальные, пилообразные и прямоугольные импульсы. Можно изменить форму сигнала, его частоту, амплитуду, коэффициент заполнения и постоянный сдвиг. Диапазон генератора достаточен, чтобы воспроизвести сигналы с частотами от нескольких герц до аудио и радиочастотных.
Осциллограф
В Multisim есть несколько модификаций осциллографов, которыми можно управлять как настоящими. Они позволяют устанавливать параметры временной развертки и напряжения, выбирать тип и уровень запуска измерений. Данные осциллографов можно посмотреть после эмуляции с помощью самописца (Grapher) из меню Вид\Плоттер (View/Grapher).
В Multisim есть следующие осциллографы:
2-х канальный
4-х канальный
осциллограф смешанных сигналов Agilent 54622D
4-х канальный цифровой осциллограф с записью Tektronix TDS 2024.
Построитель частотных характеристик (Боде Плоттер)
Отображает относительный фазовый или амплитудный отклик входного и выходного сигналов. Это особенно удобно при анализе свойств полосовых фильтров.
Спектральный анализатор
Спектральный анализатор (spectrum analyzer) служит для измерения амплитуды гармоники с заданной частотой. Также он может измерить мощность сигнала и частотных компонент, определить наличие гармоник в сигнале.
Результаты работы спектрального анализатора отображаются в частотной области, а не временной. Обычно сигнал- это функция времени, для еѐ измерения используется осциллограф. Иногда ожидается синусоидальный сигнал, но он может содержать дополнительные гармоники, в результате, невозможно измерить уровень сигнала. Если же сигнал измеряется спектральным анализатором, получается частотный состав сигнала, то есть определяется амплитуда основной и дополнительных гармоник.
Ваттметр
Прибор предназначен для измерения мощности и коэффициента мощности.
Анализ
В Multisim предусмотрено множество режимов анализа данных эмуляции, от простых до самых сложных, в том числе и вложенных.
Основные виды анализа:
DC – анализ цепи на постоянном токе. Анализ цепей на постоянном токе осуществляется для резистивных схем. Это правило следует напрямую из теории электрических цепей; при анализе на постоянном токе конденсаторы заменяют разрывом, катушки индуктивности – коротким замыканием, нелинейные компоненты, такие как диоды и транзисторы, заменяют их сопротивлением постоянному току в рабочей точке. Анализ цепи на постоянном токе выявляет узловые потенциалы исследуемой схемы
AC – анализ цепи на переменном токе. Анализ цепей на переменном токе заключается в построении частотных характеристик.
3) Transient – анализ переходных процессов Анализ переходных процессов в цепях позволяет определить форму выходного сигнала, то есть построить график сигнала как функции времени.
Чтобы начать анализ, выберите пункт меню Simulate\ Analyses и выберите требуемый режим (рисунок 5).
Рисунок 5
Кроме встроенных функций анализа есть возможность определить свою функцию с помощью команд SPICE. При подготовке к анализу необходимо настроить его параметры, например, диапазон частот для анализатора переменного тока (AC analysis). Необходимо также выбрать выходные каналы (traces). Плоттер (Grapher) – основной инструмент просмотра результатов эмуляции. Он открывается из меню View/Grapher и автоматически при работе эмуляции. Множество настроек плоттера находятся в окне свойств (рисунок 6). Например, можно изменять масштабы, диапазоны, заголовки, стили линий осей.
Рисунок 6