Передмова Обгрунтування комп'ютерного моделювання електричних та електронних схем

Впровадження САПР у практику проектування електричних схем, електрообладнання та електронної апаратури змусило внести у навчальні програми розділи, зв'язані з їх розрахунком та оптимізацією на ЕОМ. Слід підкреслити, що ЕОМ і програми комп'ютерного моделювання є тільки інструментом для вивчення процесів і явищ. Як будь-який інструмент, вони повинні використовуватися для вирішення певного класу задач із чітко обумовленими умовами та обмеженнями, характерними для вибраних схем та моделей. У порівнянні з макетуванням комп'ютерне моделювання має ряд серйозних переваг:

• модель допомагає швидко і наглядно вивчити принцип роботи системи;

• досліджувати особливості функціонування в ширшому діапазоні умов, ніж це можливо на реальному об'єкті, аж до аварійної ситуації;

• розробляти документування результатів вимірювань;

• оперативно змінювати параметри компонентів та джерел сигналів;

• уникнути одноманітних вимірювань, які багато разів повторюються;

• скоротити терміни та вартість розробки нової техніки тощо.

Проте модель, відображаючи деякі сторони об'єкту, що вивчається, не охоплює всього різноманіття явищ, які протікають у ньому. Створена на базі апріорної інформації, почерпнутої з теоретичних розробок та експериментальних досліджень, проведених на схожих, але не тотожних модельованому об'єктах, модель потребує підтвердження адекватності модельованому об'єкту. Останнім часом стали доступні ряд програм машинного аналізу, прийняті стандарти в області машинного проектування.

Даний навчально-методичний посібник призначений для виконання циклу лабораторних робіт з дисципліни “Електротехніка” із застосуванням системи моделювання електричних схем Electronics Workbench. Ця система, яку називають ще віртуальною лабораторією, є наглядною, простою у використанні та не вимагає додаткової підготовки для її засвоєння. Інтуїтивність і простота інтерфейсу роблять програму доступною всім, хто знайомий з основами використання Windows.

Наявні в програмі бібліотеки включають великий набір широко поширених електричних та електронних компонентів. Передбачена можливість підключення та створення нових бібліотек компонентів. Параметри компонентів можна змінювати в широкому діапазоні значень. Прості компоненти описуються набором параметрів, значення яких можна змінювати безпосередньо з клавіатури, активні елементи – моделлю, яка є сукупністю параметрів, що описує конкретний елемент або його ідеальну модель. Модель вибирається із списку бібліотек компонентів, параметри моделі також можуть бути змінені користувачем.

Широкий набір приладів дозволяє проводити вимірювання різних величин, задавати вхідні сигнали, будувати графіки. Всі прилади зображаються у вигляді, який максимально наближений до реального, тому працювати з ними просто і зручно. Результати моделювання можна вивести на принтер або імпортувати в текстовий або графічний редактор для їх подальшої обробки. Можливість зміни кольору провідників дає можливість зробити схему більш зручною для сприйняття. Можна відображати різними кольорами і графіки, що досить зручно при одночасному дослідженні декількох залежностей.

Всі операції здійснюються за допомогою миші або клавіатури. Керування тільки з клавіатури неможливе. Налаштуванням приладів можна:

• змінювати шкали приладів залежно від діапазону вимірювань;

• задавати режим роботи приладу;

• задавати вид вхідних дій на схему (постійні та гармонічні струми і напруга, трикутні та прямокутні імпульси).

Графічні можливості програми дають можливість:

• одночасно спостерігати декілька кривих на графіку;

• відображати криві на графіках різними кольорами;

• вимірювати координати точок на графіку, імпортувати дані в графічний редактор, що позволяє провести необхідні перетворення рисунка та вивід його на принтер.

Electronics Workbench дає можливість використати результати, отримані в програмі PSpice, а також передавати результати із Electronics Workbench у цю програму. Можна вставити схему або її фрагмент у текстовий редактор і надрукувати в ньому пояснення або зауваження про роботу схеми.

Разом з тим, програма має ряд обмежень:

1 Неможливість багатоваріантного аналізу, що не позволяє отримати сімейство характеристик при зміні одного або декількох параметрів компонентів.

2 У використовуваній версії програми не передбачений багатоваріантний аналіз при зміні температури.

3 Вимірювальні прилади, що застосовуються в програмі, можуть одночасно виводити обмежену кількість графіків, причому осцилограф може побудувати графіки напруг тільки у двох точках схеми, а Боде-плоттер (Bode Plotter) здійснює побудову АЧХ та ФЧХ тільки для одної точки схеми. Більше того, програма не позволяє автоматизувати побудову залежностей від струмів, напруг та інших параметрів схеми. Ці залежності можуть бути побудовані вручну за методиками, що застосовуються для експериментальних вимірювань на макетах.

До бібліотеки елементів програми Electronics Workbench входять аналогові та цифро-аналогові компоненти.

Всі компоненти можна умовно розбити на наступні групи:

• базові компоненти;

• джерела;

• лінійні компоненти;

• ключі;

• нелінійні компоненти;

• індикатори;

• логічні компоненти;

• вузли комбінаційного типу;

• вузли послідовного типу;

• гібридні компоненти.

Для зміни величини пасивних компонентів (або моделі транзисторів та інтегральних мікросхем) необхідно виконати одну з наступних операцій:

1. Двічі клацнути лівою кнопкою миші на зображенні компонента схеми. При цьому відкривається вікно параметрів компонента.

2. Клацнути правою кнопкою миші на зображенні компонента, і при появі вікна контекстного меню, вибрати опцію Component Properties (властивості компонента). При цьому також відкривається вікно параметрів компонента.

Для зміни величини компонента в лінійці меню вибирається опція Value (величина). Далі у відповідних вічках змінюється значення та одиниця компонента. При виборі опції Label можна вказати позначення елемента, яке буде явно вказано на схемі.

Використовувані клавіші:

• букви від A до Z;

• цифри від 0 до 9;

• клавіша Enter на клавіатурі;

• клавіша пропуск [Space].

Крім описаних елементів, в Electronics Workbench є сім приладів з багаточисельними режимами роботи, кожен з яких (за винятком амперметра та вольтметра) можна використовувати в схемі тільки один раз. Ці прилади розташовані на панелі приладів.

Зліва на панелі розташовані прилади для формування та спостереження аналогових величин: мультиметр, функціональний генератор, осцилограф, Боде - плоттер.

Справа розташовані прилади для формування та спостереження логічних величин: генератор слів, логічний аналізатор, логічний перетворювач.

Запуск програми. Запустити програму Electronics Workbench можна подвійним клацанням миші або на ярлику, що знаходиться на робочому столі, або на назві запускаючого файлу Wewb32.exe у каталозі Workbench на жорсткому диску. У цьому випадку компоненти електричних та електронних схем будуть зображені в форматі, прийнятому в країнах Західної Європи та Америки (прикладом може служити зображення резистора в зигзагоподібному вигляді).

При емуляції операційної системи DOS (наприклад, при запуску Far.exe) можна, знаходячись в каталозі Workbench, запустити програму з командного рядка з ключем / din: Wewb32.exe /din <Enter>. В цьому випадку формат зображення компонентів буде наближений до формату, прийнятого в державному стандарті.

Після завершення завантаження керуючої оболонки необхідно відкрити схему лабораторної установки, для чого вибрати в меню File команду Open, (або клацнути лівою кнопкою миші на піктограмі в лінійці меню) а потім із запропонованого списку вибрати файл із схемою лабораторної установки (наприклад, lab4.ewb).

Файл відкривається або подвійним клацанням лівою кнопкою миші на назві файлу, або одноразовим клацанням спочатку на назві файлу, а потім на кнопці “відкрити”.

Завершення роботи. Після закінчення виконання лабораторної роботи необхідно закрити програму Electronics Workbench, для чого необхідно виконати одну з наступних операцій:

1. Вибрати в лінійці основного меню опцію File, а потім – команду Exit.

2. Клацнути лівою кнопкою миші на зображення в правому кутку верху екрана.

3. Утримуючи клавішу Alt на клавіатурі, натискувати на функціональну клавішу F4.