Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы микроэлектроники. Практикум
.pdf
4. В каждом узле могут соединяться не более четырёх ортогональных проводников.
5. В программе MultiSIM монтажные проводники подобно
резинкам свободно растягиваются и сжимаются при закрепленных концах, чем можно пользоваться для придания схеме нужной
конфигурации.
6. Для повышения наглядности отдельные проводники можно
выделять цветом. Для этого необходимо однократным щелчком
ПКМ выделить нужный проводник и в появившемся меню выбрать желаемый цвет. Кроме того, если цветной провод подключен ко входу осциллографа или анализатора, то и соответствующее изображение сигнала будет иметь тот же цвет.
7. Для выполнения соединения курсор мыши подводится к
выводу компонента. После появления на острие курсора черного
кружка с перекрестием (символ коннектора) необходимо нажать
ЛКМ и протянуть появляющийся проводник к месту электрического соединения (проводнику, коннектору либо выводу другого
компонента) до появления на нем такого же кружка, после чего
отпустить кнопку.
8. Для устранения ошибочного соединения можно выделить
проводник однократным нажатием ЛКМ и удалить его с помощью клавиши Delete. С этой же целью можно с помощью ЛКМ
«оторвать» ошибочно присоединённый проводник от вывода элемента и присоединить его к другой точке схемы.
9. Для перемещения какого-либо компонента схемы нужно
выделить его ЛКМ (при этом он приобретает красный цвет) и
отбуксировать в нужное место. Все электрические соединения
при этом сохранятся. Если потребуется, можно откорректировать вид схемы буксировкой узлов либо деформацией соединяющего проводника, для чего к участку выделенного щелчком
ЛКМ проводника подводится курсор и после появления символа двойной стрелки участок с помощью мыши перемещают
в направлении, перпендикулярном его первоначальному положению.
10. Аналогично выполняется перемещение группы компонентов. Для этого ЛКМ необходимо выделить нужный прямоугольный фрагмент и поле наведения курсора на любой из выделенных
71
компонентов с помощью мыши отбуксировать выделенную часть
схемы на новое место.
11. Размещенные на рабочем поле компоненты можно поворачивать на угол 90°, а также отражать относительно вертикали
и горизонтали. Для этого нужно выделить элемент, войти в режим редактирования Edit и выбрать команду Orientation. Команда 90 Clockwise вызывает вращение выделенного компонента по часовой стрелке на 90° при каждом выполнении команды;
команда 90 CounterCW – вращение выделенного компонента
на 90° против часовой стрелки. Команда Flip Vertical – отразить
по вертикали, а Flip Horizontal – отразить по горизонтали (для
измерительных приборов при этом меняются местами клеммы
подключения). Изменение ориентации, копирование и удаление
элемента можно осуществить также соответствующими командами, если выделить элемент щелчком правой кнопки мыши
(ПКМ).
12. Все идеальные элементы при установке из библиотек на
поле программы имеют параметры «по умолчанию». Для изменения параметров элемента необходимо двойным щелчком ЛКМ
вызвать контекстное меню Properties (Свойства компонента) и в
появившемся окне задать новые параметры. Окно имеет несколько закладок:
13. Закладка Label (метка) – позволяет осуществить ввод пози-
ционного обозначения выделенного компонента.
Замечание! Вне зависимости от наличия или отсутствия на
схеме избранных вами позиционных обозначений программа
предусматривает собственную нумерацию элементов (Reference
ID) и монтажных узлов (Node ID).
14. Закладка Value (величина) – позволяет изменить номи-
нальное значение параметра компонента.
15. В библиотеке есть компоненты (Rated Components), имеющие физические ограничения по ряду параметров, которые в процессе моделирования подобно реальным приборам могут «выйти
из строя» при превышении упомянутых параметров. При этом на
рабочем поле указанный компонент будет показан как разрушенный. Например, при превышении номинальной мощности резистор может «сгореть».
72
16. При необходимости любой участок схемы можно скопировать стандартным способом, выделив ЛКМ нужный прямоугольный фрагмент с помощью команды Copy, и затем вставить его в
этот же или в другой файл. Аналогично выполняется удаление
выделенного участка.
2. Основные разделы библиотеки компонентов
Библиотека содержит примерно полтора десятка групп компонентов, в каждой из которых расположено большое число подгрупп. К основным разделам библиотеки компонентов можно отнести следующие:
Sources(Источники) – это не только собственно источники пи-
тания (Power Sources), однофазные и трёхфазные управляемые
источники напряжений и токов различной формы, но и источники
сигнала (Signal Sources), в том числе генераторы амплитудно-модулированных (АМ) и частотно-модулированных (FM) сигналов.
В этом же разделе помещены символы аналогового и цифрового
заземления, без использования которых собранная схема не будет
правильно функционировать (а возможно, что вообще не удастся
запустить режим моделирования).
Basic Parts (Основные элементы) – раздел, в котором собраны
все пассивные компоненты (резисторы, конденсаторы, катушки
индуктивности, трансформаторы и т. д.), а также различные коммутационные устройства.
Diodes (Диоды) – раздел, представляющий довольно обширную библиотеку как идеальных моделей диодов, светодиодов,
стабилитронов и тиристоров, так и приближенных к реальности
моделей изделий ведущих зарубежных фирм.
Transistors (Транзисторы) – раздел, содержащий модели идеальных и приближенных к реальности биполярных и полевых
транзисторов различных типов.
Analog (Аналоговые микросхемы) – раздел, содержащий в основном различные модели операционных усилителей и компараторов.
TTL (Цифровые микросхемы ТТЛ) – раздел, содержащий модели цифровых микросхем в основном 74 серии.
CMOS (Цифровые схемы КМОП) – раздел, содержащий модели цифровых микросхем в основном 74HC и 4 000 серий.
73
Misc Digital (Прочие цифровые схемы) – раздел, содержащий
идеальные модели логических элементов, триггеров, счётчиков,
мультиплексоров и т. д.
Mixed – раздел, содержащий модели таймеров, ЦАП, АЦП,
аналоговых переключателей и т. д.
Indicators (Индикаторы) – раздел, содержащий амперметры,
вольтметры, лампы накаливания, линейные и семисегментные
индикаторы, а также ряд других индикаторных устройств.
3. Контрольно-измерительные приборы
Ввод в схему контрольно-измерительных приборов возможен
либо из системного меню Simulate командой Instruments, либо
путем выбора соответствующей пиктограммы, размещенной
справа панели приборов. Панель содержит иконки цифрового
мультиметра, функционального генератора, двухканального и четырёхканального осциллографа, Боде-плоттера (графопостроителя амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик), приборов, предназначенных для работы с цифровыми схемами (генератора слова, логического анализатора) а также ещё нескольких
специальных приборов.
Для включения в схему конкретного прибора необходимо
выбрать его однократным щелчком ЛКМ, отбуксировать его на
рабочее поле и закрепить в нужном месте также щелчком ЛКМ.
После этого соответствующие клеммы прибора необходимо соединить проводниками с исследуемой схемой. Для приведения
прибора в рабочее (развернутое) состояние необходимо дважды щелкнуть ЛКМ по его иконке или вызвать его контекстное
меню и выбрать пункт Properties. Только в этом режиме с панели прибора можно считывать информацию. Следует помнить,
что клеммы прибора активны (т. е. к ним можно подключаться)
только в свёрнутом состоянии.
При желании можно использовать ряд приборов (мультиметр,
функциональный генератор и осциллограф), передняя панель
которых полностью (вплоть до органов управления) копирует
внешний вид реальных измерительных устройств.
Рассмотрим кратко назначение некоторых измерительных
приборов и основные методы работы с ними.
74
Мультиметр
Мультиметр – это универсальный прибор для измерения постоянного или переменного тока и напряжения, сопротивления
постоянному току, а также разности уровней сигналов в децибелах между двумя точками в схеме.
Выбор рода измерений (амперметр, вольтметр или омметр),
а также вида измеряемого сигнала (постоянный либо переменный ток) осуществляется нажатием соответствующих кнопок на
панели прибора. Предварительно прибор нужно активировать
двойным кликом ЛКМ. При этом мультиметр автоматически выбирает необходимый предел измерений. Для каждого вида измерений внутреннее сопротивление прибора и потребляемый им
ток предварительно установлены практически идеальными. При
необходимости они могут быть изменены после нажатия кнопки
Settings.
Измеряя сопротивление участка цепи, необходимо помнить,
что он не должен содержать источников эдс.
При измерении разности уровней сигналов за 0 дБ принимается уровень 1 В, который при необходимости может быть изменен
после нажатия кнопки Settings.
Функциональный генератор
Функциональный генератор – источник напряжения, создающий напряжение синусоидальной, треугольной и прямоугольной
формы. Помимо формы сигнала может изменяться в широких
пределах его частота, амплитуда, скважность и постоянная составляющая (Oset).
Для подключения к схеме генератор имеет три вывода (положительный, отрицательный и общий). При работе генератора
общий вывод (средний) соединяется с заземлением (GND). Сигналы на клеммах (+) и (–) противоположны по фазе относительно
земли: вывод (+) обеспечивает сигнал, начинающийся с возрастания напряжения, а вывод (–) обеспечивает сигнал, начинающийся
с убывания напряжения.
Выбор формы сигнала осуществляется нажатием соответствующей клавиши на панели генератора с помощью ЛКМ (чтобы
увидеть панель в таком виде, необходимо активировать прибор
75
двойным кликом ЛКМ). Изменение частоты (Frequency) и амплитуды (Amplitude) сигнала осуществляется изменением (по
принципу увеличить-уменьшить) с помощью расположенных на
панели клавиш либо непосредственным набором числа в соответствующем окне. Аналогично можно задать единицы измерения частоты (от fHz до THz) и амплитуды (от fV до TV), а также
уровень постоянной составляющей (Oset). По умолчанию все
сигналы двуполярные и симметричные (с одинаковой амплитудой положительной и отрицательной частей импульса, что при
коэффициенте заполнения 50 % обеспечивает отсутствие постоянной составляющей). Для получения однополярных импульсов
необходимо задать уровень смещения, равный амплитуде. Для
треугольных и прямоугольных импульсов с помощью опции Duty
Cycle может быть изменен коэффициент заполнения (величина,
обратная скважности).
Осциллограф
Пожалуй, самым универсальным прибором, наиболее часто используемым в электронике, является осциллограф (Oscilloscope).
В данной версии программы имеется возможность использования как двухканального, так и четырёхканального осциллографа.
Остановимся кратко на двухканальном варианте. Для подключения к схеме он имеет два сигнальных входа А и В с графической
имитацией коаксиальных разъемов, а также вход синхронизации
Ext Trig. Помните, что только в таком «свёрнутом» виде осциллограф можно подключить к схеме.
Для разворачивания изображения панели осциллографа необходимо активировать прибор двойным щелчком ЛКМ по его
иконке. Осциллограф имеет два канала (Channel) А и В с раздельной регулировкой смещения по вертикали (Y position). Выбор режима по входу осуществляется нажатием кнопок AC, 0,
DC. В режиме DC (по умолчанию) входной сигнал поступает
непосредственно на вход усилителя вертикального отклонения,
поэтому в этом режиме можно производить осциллографические
измерения как постоянного, так и переменного тока (режим «открытого входа»). Режим AC предназначен для наблюдения только
переменной составляющей сигнала (режим «закрытого входа»),
76
поскольку в этом режиме на входе усилителя осциллографа включается разделительный конденсатор. В режиме 0соответствующий входной зажим замыкается «на землю».
Режим развёртки выбирается кнопками Y/T, B/A, A/B. В режи-
ме Y/T (обычный режим, включенный по умолчанию) реализуется временная развёртка, при которой на экране осциллографа
по вертикали откладывается напряжение сигнала, а по горизонтали – время. В двух других режимах развёртка осуществляется одним из подаваемых сигналов. В режиме B/A на усилитель вертикального отклонения поступает сигнал канала В, а на усилитель
горизонтального отклонения – сигнал канала А. В режиме A/B
наоборот: отклонение по вертикали вызывается сигналом канала
А, а по горизонтали – сигналом канала В.
В режиме развёртки Y/T общая для обоих каналов длительность развёртки (Time base) может дискретно изменяться в диапазоне от фс/дел до Тс/дел с возможностью установки общего для
обоих каналов начального смещения по оси X (X position).
В режиме Y/T предусмотрен также ждущий режим Trigger с
запуском развёртки (Edge) по переднему или заднему фронту запускающего сигнала при регулируемом уровне (Level) запуска,
а также в режиме Auto, от канала А, от канала В или от внешнего источника (Ext), подключаемого к зажиму в блоке управления
(Trigger). Перечисленные режимы запуска развёртки выбираются
кнопками AUTO, A, B и Ext.
В этом режиме имеется возможность прокрутки изображения
по горизонтали и его сканирования с помощью вертикальных визирных линий (курсоров), которые за «ушки» с помощью ЛКМ
можно установить в любое место экрана. При этом в индикаторных окошках под экраном приводятся результаты измерения
напряжения, временных интервалов и их разностей (между визирными линиями). Изображённые на передней панели кнопки
со стрелками позволяют выполнить позиционирование курсоров
с повышенной точностью.
При желании изображение можно инвертировать нажатием
кнопки Reverse и записать данные в файл нажатием кнопки Save.
Использование подвижной визирной линейки позволяет легко
и с высокой точностью измерить амплитуду: для этого достаточ-
77
но передвинуть её в положение максимума сигнала, при котором
показание в соответствующем окне будет максимальным.
Период измеряется как минимальный временной отрезок между точками, в которых сигнал находится в одинаковой фазе. При
этом с точки зрения точности измерения наиболее правильно использовать моменты перехода сигнала через ноль (определяется
по минимуму показаний в соответствующем окне).
Сдвиг фаз в градусах между двумя гармоническими сигналами вычисляется по формуле: Δφ=360(t
– t1)/T, где t2 и t1 – соот-
2
ветствующие моменты времени перехода сигналов через ноль, а
Т – период.
Измеритель характеристик четырёхполюсника
(Bode Plotter)
Прибор позволяет получать при моделировании работы четырёхполюсника его амплитудно-частотные (АЧХ) и фазо-частотные
(ФЧХ) характеристики. Для этого необходимо подключить прибор
к исследуемой схеме с помощью расположенных слева и обозначенных символом (+) клемм IN (вход) и OUT (выход), при этом
правые клеммы, обозначенные символами (-), соединяются с общей шиной. Для наблюдения характеристик ко входу четырёхполюсника необходимо подсоединить функциональный генератор
или какой-либо другой источник синусоидальных сигналов (выбор
параметров сигнала на панели прибора при этом несуществен).
Выбор режима работы (измеритель АЧХ или ФЧХ) осуществляется нажатием на панели прибора кнопки (соответственно
Magnitude либо Phase). При этом можно задать как линейный,
так и логарифмический масштаб изображения по вертикали и
горизонтали (в режиме измерения ФЧХ по вертикали возможен
только линейный масштаб), а также нижний (в нижнем окошке) и
верхний (в верхнем окошке) пределы измерений по обеим осям в
соответствующих единицах.
После отключения режима моделирования возможно переключение вида характеристики (АЧХ или ФЧХ) и масштаба изображения, а также сканирование полученных графиков с помощью визира с отображением в окне координат точки пересечения
соответствующей характеристики и визирной линейки.
78
Результаты измерений могут быть записаны в текстовый файл,
если нажать кнопку Save на панели прибора и в открывшемся диалоговом окне указать имя файла (по умолчанию предполагается
имя открытого схемного файла). В текстовом файле (с расширением .bod), записанном таким способом, АЧХ и ФЧХ четырёхполюсника будут представлены в виде таблиц.
4. Простейшие методы моделирования
и анализа работы электронных схем в MultiSIM
Включение/выключение режима моделирования могут быть
выполнены командой run/stop из системного меню Simulate, нажатием специальной кнопки системного меню Run, а также с
помощью функциональной клавиши F5. Временное прерывание
моделирования можно осуществить с помощью функциональной
клавиши F6 или путем команды системного меню Pause.
Если для наблюдения за работой схемы используется измерительный прибор, его иконка предварительно должна быть активирована
двойным кликом ЛКМ либо (после выделения свёрнутого изображения ЛКМ) из меню Properties. Только после этого на экране будет
видно развёрнутое изображение передней панели прибора.
Следует иметь в виду, что при выделенной панели любого измерительного прибора функциональные клавиши F5 и F6 не работают.
Помните, что для получения адекватных результатов после
включения моделирования необходимо выждать от 5 до примерно 20 секунд для того, чтобы схема вышла на стационарный режим функционирования. В противном случае вы рискуете получить неверный результат измерения.
С другой стороны, режим моделирования довольно сильно загружает как процессор, так и память компьютера, поэтому после
установления стационарного режима работы схемы моделирование необходимо останавливать. В противном случае это может
привести к переполнению памяти и связанному с этим выходу из
программы. Последнее обстоятельство чревато необходимостью
перезапуска программы, а иногда и перезагрузки компьютера,
что ведёт к потере времени. Кроме того, собранная вами схема
не сохраняется и, если её нет на диске, вся работа по её сборке
должна быть проделана заново.
79
Для вывода на экран амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик четырёхполюсника проще всего использовать
Bode Plotter.
Для получения спектра Фурье сигнала в выбранном узле
схемы необходимо предварительно определить его номер. Для
этого можно ПКМ кликнуть по нужному проводнику, затем в
развернувшемся окне выбрать опцию Properties и на вкладке
Net name посмотреть номер интересующего узла. После этого
в меню Simulate→Analysis необходимо выбрать опцию Fourier
Analysis (Фурье-анализ), и на открывшейся вкладке Analysis
parameters установить значение частоты основной гармоники (в
поле Fundamental frequency) Фурье-разложения и максимальное
число гармоник (в поле Number of harmonics), которое будет использовано при анализе. Переключившись на вкладку Output необходимо в окне Variables in Circuit щелчком мыши выбрать ана-
лизируемую переменную (напряжение в узле с соответствующим
номером) и клавишей Add присоединить её к списку предназначенных для анализа. При этом обозначение выбранной величины
будет перенесено из списка Variables in Circuit в список Selected
Variables for analysis. Завершает процедуру нажатие на открытой
панели клавиши Simulate, после чего на экране будет виден результат (вид спектрограммы и числовые параметры гармоник).
5. Заключение
Несмотря на достаточно высокую степень адекватности виртуальных экспериментов поведению реальных электронных
устройств, в моделировании их работы программой MultiSIM
предполагается некоторая условность. Поэтому в процессе работы
с программой необходимо помнить фундаментальный принцип:
любая сколь угодно сложная модель не может воспроизвести
всех особенностей работы реального физического устройства,
и адекватна реальности лишь в определённых рамках, которые были предопределены при её (модели) создании!
Однако при правильном использовании значение модельного эксперимента трудно переоценить: он существенно экономит
время, силы и средства, особенно в учебном процессе.
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]