Уч_пособие_Multisim

–Sources, семейство POWER_SOURCES: источники постоянного тока –

DC_POWER с номиналами V1 = 12 В, V2 = 12 В, V3=−1.535 В, GROUND;

–Analog, семейство OPAMP: операционный усилитель – LM324N;

–Basic: резисторы Resistors (R1 = 2 кОм, R2 = 20 кОм, R3 = 500 Ом),

конденсаторы Capacitor (C1 = 0.05 Ф, C2 = 0.005 Ф) и катушка индук-

тивности Inductor (L1 = 5 мГн).

3. Войти в режим управления моделированием с помощью команды Simulate→Analyses and simulation, включить моделирование переходных процессов Transient и задать в его параметрах время моделирования End Time 8e-4 с, Maximum Time Step (TMAX) – 2e-8 с. Установить индикаторы напряжения Voltage в узлах 7 (V(PR2)) и 1 (V(PR1)).

4. Выполнить моделирование. При отсутствии ошибок на экране появятся графики временной зависимости напряжений V(PR1), V(PR2). Результаты зафиксировать.

5. Увеличивая значение напряжения источника V3 в пределах от −1.535 В до +1.535 В, исследовать изменение поведения кривых V(PR1), V(PR2). Результаты зафиксировать.

6.3.Моделирование кварцевого генератора на инверторах

1.Запустить программу NI Multisim.

2.Построить схему, показанную на рис. 6.3. Для этого выбрать следующие группы и компоненты:

– Misc, семейство CRYSTAL, компонент HC-49/U_7MHz;

– TTL, семейство 74STD, компонент 7404N;

– Source, семейство SIGNAL_VOLTAGE_SOURCES, компонент PULSE_VOLTAGE;

– Basic, семейство RESISTOR, компоненты R1 = 10 кОм, R2 = 0.1 кОм;

– Basic, семейство CAPACITOR, компонент С1 = 30 пФ;

– Sources, семейство POWER_SOURCES, компонент GROUND.

3.Сохранить схему с помощью пункта меню File→Save as.

4.Для источника прямоугольных импульсов установить следующие параметры:

– Initial Value (начальное напряжение) – 0 В;

– Pulsed Value (амплитуда импульсов) – 20 В;

– Delay time (время задержки формирования импульсов) – 0 с;

– Rise time (длительность переднего фронта) – 1 нс;

50

–Fall time (длительность заднего фронта) – 1 нс;

–Pulse width (ширина импульса) – 0.5 мкс;

–Period (период импульса) – 502 мкс.

5.Войти в режим управления моделированием с помощью команды Simulate→Analyses and simulation, включить моделирование переходных процессов Transient и задать в его параметрах время анализа End Time – 2 мкс. Установить индикаторы напряжения Voltage в узлы 2 (V(PR1)) и 4 (V(PR2)). Зайти в Simulate→Mixed-mode simulation settings и проверить, чтобы стояли настройки Use Ideal pin models (faster simulation). Выполнить моделирование.

6.С помощью курсоров измерить периоды Tи напряжений V(PR1),

V(PR2). Результаты зафиксировать.

7.Для данных графиков выполнить преобразование Фурье и получить их спектральное представление. Для этого выполнить команду Simulate→ Analyses and simulation→Fourier. Установить разрешение по частоте (Frequency resolution) 100 кГц, число вычисляемых гармоник – 300. Время, в течение которого будет производиться дискретизация – 2 нс. В поле Display в раскрывающемся списке выбрать опцию Graph. Выбрать масштаб, используемый при воспроизведении амплитуды (фазы) – линейный. Во вкладке Output указать в поле Selected variables for analysis напряжение V(2)

или индикатор напряжения V(PR1).

8.При отсутствии ошибок на экране появится спектрограмма напряжения V(2). Измерить с помощью курсоров частоту сигнала Fи.

Сохранить график, выполнив команду Edit→Copy Graph, и показания курсоров.

9.Повторить п. 7 и 8 для напряжения V(PR2). Зафиксировать результаты.

10.Внимательно изучить показания курсоров (п. 6 и 8). Проверить,

выполняется ли условие Fи = 1 / Tи.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7.

ИЗУЧЕНИЕ МОДЕЛЕЙ ЛОГИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ

Исследование моделей логических компонентов выполняется во временной области (Transient) в режиме смешанного моделирования, учитывающем взаимосвязь аналоговых и цифровых элементов схемы.

51

В библиотеки NI Multisim входят идеализированные (описывается только выполняемая логическая функция) и реальные (описываются выполняемая логическая функция и особенности исполнения) логические компоненты.

Различают моделирование с использованием идеальных и реальных моделей. Использование идеальных моделей не требует на схеме источников питания и заземления. Использование реальных моделей для правильной работы требует подключения на схеме к источникам питания и заземления.

7.1.Исследование идеальных моделей логических компонентов

1.Запустить программу NI Multisim.

2.Создать схему, показанную на рисунке.

Схема для исследования моделей логических компонентов

Источники напряжения V1 и V2 находятся в группе Sources, семейство

SIGNAL_VOLTAGE_SOURCES, компонент PULSE_VOLTAGE.

Резисторы R1…R6 находятся в группе Basic, семейство RESISTOR. Идеализированный логический элемент U1 типа 2И-НЕ находится в

группе Misc Digital, семейство TIL, компонент NAND2. Реальный логический элемент U2 типа 7400N (4 элемента 2И-НЕ) находится в группе TTL, семейство 74STD (использовать секцию A).

Конденсаторы C1, C2 находятся в группе Basic, семейство CAPACITOR. Аналоговая «земля» находится в группе Sources, семейство

POWER_SOURCES, компонент GROUND.

Индикаторы Voltage PR1…PR6 размещаются по команде Place→Probe.

52

4.Сохранить созданную схему с помощью команды File→Save as.

5.Провести эмуляцию схемы:

–в меню Simulate выбрать пункт Analyses and simulation, перейти к раз-

делу Transient и задать изменение времени от 0 до 2e-6 с;

–на вкладке Output выбрать для построения аналоговые графики

V(PR1), V(PR2), V(PR3), V(PR4), V(PR5), V(PR6) и цифровые графики D(du1.a), D(du1.b), D(du1.y); D(du2.a), D(du2.b), D(du2.y);

–в меню Simulate выбрать пункт Mixed-Mode Simulation Settings и установить режим Use Ideal pin models;

–выполнить моделирование.

6. С помощью курсора цифровых графиков определить задержку выходных сигналов логических элементов, а с помощью курсора аналоговых графиков – пороговые значения входных напряжений переключения компонентов.

Анализируя полученные графики, выявить различия в поведении идеализированных и реальных компонентов при использовании идеальных моделей.

7.2.Исследование реальных моделей логических компонентов

1.Выполнить исследование схемы, показанной на рисунке, с использованием реальных моделей логических элементов. Для этого:

– добавить на поле схемы, не присоединяя к ней, источник питания TTL логики (группа Sources, семейство POWER_SOURCES, компонент VCC) и цифровую «землю» (группа Sources, семейство POWER_SOURCES, компонент DGND) и сохранить схему с новым именем;

– в меню Simulate выбрать пункт Mixed-Mode Simulation Settings и изме-

53

нить режим на Use Real pin models.

2. Выполнить моделирование и повторить измерения по п. 6 из 7.1. Анализируя полученные графики, выявить различия поведения идеали-

зированных и реальных компонентов при использовании реальных моделей. 3. Повторяя п. 2 для значения емкостей C1 = С2 = 100 нФ, определить

влияние емкостной нагрузки на характер переходного процесса.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 8. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ

Целью цифрового моделирования является определение значений сигналов в узлах схемы, которые характеризуются дискретной системой состояний (как по уровню, так и во времени). Каждый цифровой элемент считывает цифровые сигналы на входах, выполняет заданную логическую операцию и передает вычисленные сигналы на выходы после определенной задержки.

Поскольку цифровое моделирование имеет дело только с высокоуровневым поведением элементов, оно работает на несколько порядков быстрее, чем аналоговое моделирование. Конечно, при этом в цифровом моделировании абстрагируются от важных электрических характеристик, которые могут быть обнаружены только средствами аналогового моделирования.

8.1. Изучение и настройка виртуальных приборов

Для создания кодовых последовательностей входных цифровых сигналов используется виртуальный инструмент Word generator (Генератор слов), внешний вид и лицевая панель которого показаны на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Виртуальный инструмент Word generator 54

На его выходах генерируется последовательность 32-разрядних двоичных чисел (выход 0 – младший разряд, выход 31 – старший разряд).

Для отображения выходных цифровых сигналов используется виртуальный инструмент Logic Analyzer (Логический анализатор), внешний вид и лицевая панель которого показаны на рис. 8.2.

Рис. 8.2. Виртуальный инструмент Logic Analyzer

Он позволяет одновременно отображать до 16 цифровых сигналов.

Для повышения наглядности дополнительно могут использоваться цветовые индикаторы, которые загораются при высоком уровне сигнала (логическая «1») и гаснут при низком (логический «0»).

1.Запустить программу NI Multisim.

2.Создать схему, показанную на рис. 8.3.

Word generator XWG1 и Logic Analyzer XLA1 находятся на правой панели Instruments.

Пробники X1, X2 находятся в группе Indicators, семейство PROBE, компонент PROBE_RED; источник питания TTL логики – группа Sources, семейство POWER_SOURCES, компонент VCC; цифровая «земля» – группа

Sources, семейство POWER_SOURCES, компонент DGND.

55

Рис. 8.3. Схема для изучения виртуальных приборов

3. Выполнить настройку генератора слов:

–в разделе Controls выбрать пошаговый режим Step;

–в разделе Display выбрать формат отображения Binary (двоичный);

–в разделе Trigger выбрать переключение по заднему фронту;

–в правом окне лицевой панели ввести в первые пять строк для разряда 0 последовательность 01010, для разряда 1 – последовательность 01100;

–с помощью контекстного меню (правая кнопка мыши) установить в позиции перед кодовым словом для первой строки состояние Set Initial Position, для пятой строки – состояние Set Final Position.

Итоговый вид верхней части правого окна лицевой панели показан на рис. 8.4.

4.Выполнить настройку логического анализатора: установить масштаб оси времени 10 Clocks/Div.

5.Сохранить созданную схему.

6.Нажимая необходимое число

раз на кнопку Run, выполнить поша- Рис. 8.4. Кодовая последовательность гово моделирование схемы при пол-

ном цикле изменения входных сигналов и проверить соответствие полученных результатов исходным данным. По окончании моделирования нажать кнопку Stop.

56

8.2.Моделирование цифровой схемы

1.Создать схему, показанную на рис. 8.5.

Рис. 8.5. Исходная цифровая схема

Инверторы U1, U2 находятся в группе TTL, семейство 74LS, компонент 74LS04 (использовать секцию A).

Двухвходовые схемы И U3…U6 находятся в группе TTL, семейство 74LS, компонент 74LS08 (использовать секцию A).

Сохранить созданную схему.

2.Аналогично п. 6 из 8.1 выполнить моделирование схемы. На основе графиков входных и выходных сигналов, отображаемых логическим анализатором, сформировать таблицу истинности моделируемой схемы.

3.Изучить особенности использования многопроводных шин, преобразовав схему рис. 8.5 к виду, показанному на рис. 8.6.

Для этого необходимо:

–удалить проводники, связывающие логические элементы;

–с помощью команды Place→Bus или сочетанием клавиш Ctrl+U нарисовать шину, состоящую из вертикального участка необходимой длины и небольшого горизонтального участка (окончание рисования – двойное нажатие левой клавиши мыши в конечной точке);

57

Рис. 8.6. Цифровая схема с использованием многопроводной шины

– элементы с помощью проводов (Wire) соединить с шиной, при соединении будет предложено задать имя соединения, на которое впоследствии возможно ссылаться при присоединении новых проводов.

Сохранить созданную схему.

4. Повторить п. 2, сравнить таблицы истинности исходной (рис. 8.5) и преобразованной (рис. 8.6) схем, проверить идентичность их функционирования.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 9. МОДЕЛИРОВАНИЕ СМЕШАННЫХ УСТРОЙСТВ

Моделирование смешанных устройств выполняется во временной области (Transient). В качестве объектов исследования используются виртуальные 8-разрядные аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).

Назначение выводов АЦП:

– Vin – входной аналоговый сигнал;

58

–Ref+ и Ref− – референтные входы. Задают диапазон входного напряжения Ref− ≤ Vin ≤ Ref+, в котором преобразование аналог → цифра выполняется без переполнения;

–SOC (Start-of-Conversion) – цифровой вход импульсов разрешения, передний фронт которых запускает преобразование аналог → цифра;

–EOC (End-of-Conversion) – цифровой выход импульса завершения, задний фронт которого указывает на окончание преобразования аналог → цифра;

–DB7…DB0 – цифровые выходы, начиная со старшего разряда. Назначение выводов ЦАП:

–DB7…DB0 – цифровые входы, начиная со старшего разряда;

–Ref+ и Ref− – референтные входы. Задают диапазон возможного изменения выходного напряжения Ref− ≤ Vout ≤ Ref+, в котором преобразование цифра → аналог выполняется без переполнения;

–Output – выходной аналоговый сигнал.

9.1.Моделирование АЦП

1.Запустить программу NI Multisim.

2.Создать схему, показанную на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Схема исследования АЦП

59