МЭЦ метод. указания. Для эффективного усвоения знаний студент должен быть включен в активную учебную и творческую деятельность на основе принципа само стоятельности и сознательности
 Скачать 1.84 Mb.
|
|
3 ВВЕДЕНИЕ Для эффективного усвоения знаний студент должен быть включен в активную учебную и творческую деятельность на основе принципа само- стоятельности и сознательности. Для этого он должен быть заинтересован в сочетании учебных работ со свободной познавательной деятельностью, твор- ческим поиском. Кроме того, переход на стандарты третьего поколения в об- разовании предполагает существенное увеличение часов, выделяемых на са- мостоятельную работу студента, по сравнению с аудиторными часами. Данное учебное пособие наряду с кратким изложением основных тео- ретических положений дисциплины содержит большое количество примеров и индивидуальных заданий, выполнение которых рекомендовано студентам в часы самостоятельной работы для закрепления изучаемого теоретического материала. Существенно облегчить последовательное усвоение сложного материа- ла позволяет использование информационных технологий в учебном процес- се. Сюда следует отнести использование таких систем автоматизации инже- нерных расчетов, как MathCad и ЕlectronicsWorkbench (EWB). Одной из самых доступных программ для моделирования и анализа электрических цепей является программа Еlectronics Workbench. Она позво- ляет моделировать электрические цепи постоянного и переменного тока в ус- тановившемся и переходном режимах. Результаты моделирования отражают- ся на табло многочисленных виртуальных приборов либо в виде графиков, а также могут выводиться на принтер или импортироваться в текстовый или графический редактор для их дальнейшей обработки. Общепризнанный лидер для автоматизации, документирования и по- вторного использования инженерных вычислений в процессе разработки из- делия – это система MathCad. Пакет MathCad сочетает в себе мощный рас- четный блок, полноценный текстовый редактор, графический модуль и мно- гое другое. К его достоинствам можно отнести высокую универсальность, полное соответствие используемых в пакете MathCad функций и операторов традициям оформления, принятым в математике, высокая степень интегра- ции MathCad с другими Windows-приложениями, а также минимальные тре- бования к вычислительными системным ресурсам. В данном учебном пособии изложены основы работы с продуктом кор- порации PTC MathCad Prime 2.0, который относится к новому поколению пе- редового программного обеспечения для инженерных расчетов. В нем соче- таются традиционный интерфейс MathCad, всевозможные функциональные возможности, управление единицами измерения и обновленная документа- ция. 4 1. ВОЗМОЖНОСТИ ПРОГРАММЫ ELECTRONICS WORKBENCH 1.1. Основные достоинства программы Electronics Workbench Программа моделирования Electronics Workbench предназначена для математического моделирования и анализа электрических схем на персо- нальном компьютере с операционной системой Microsoft Windows [1–2]. Правильно говорить: система моделирования и анализа электрических схем Electronics Workbenсh, но, как указывалось во введении, для кратности здесь и далее будем называть ее сокращенно программой EWB. Программа EWB позволяет моделировать аналоговые, цифровые и цифроаналоговые электрические схемы большой степени сложности. Причем моделирование выполняется без формул, на языке принципиальных электри- ческих схем. Имеющиеся в программе библиотеки включают в себя большой набор широко распространенных электротехнических и электронных компо- нентов. Предусмотрена возможность подключения и создания новых биб- лиотек компонентов. Параметры компонентов можно изменять в широком диапазоне значений. Разнообразный набор современных приборов позволяет производить измерение различных величин, задавать входные воздействия, строить графики. Все приборы изображаются на экране монитора в виде, максимально приближенном к реальному, поэтому работать с ними просто и удобно. Это предоставляет в распоряжение обучаемого уникальные возмож- ности для планирования и проведения широкого спектра экспериментов: от простейших опытов до исследования реальных электротехнических уст- ройств. Программа является идеальным средством для обучения, так как по- зволяет снять практически все ограничения, касающиеся элементной базы и приборного парка. Снимаются, кроме того, и все проблемы, связанные с воз- можностью некорректных действий экспериментатора. Такой подход предполагает индивидуализацию процесса обучения и выход его за рамки привычных учебных лабораторий. При условии доступа к компьютеру обучаемый может осваивать лабораторный практикум, прово- дить экспериментальные исследования по учебной дисциплине «Теоретиче- ские основы электротехники» в любом месте и в любое время, что важно для дистанционного обучения. Отличительной особенностью программы EWB является максимальная наглядность процесса моделирования. В качестве исходной модели принима- ется принципиальная электрическая схема исследуемой электрической цепи. Причем графические возможности программы позволяют «рисовать» схемы на экране монитора персонального компьютера, используя готовые шаблоны условных графических изображений элементов электрических цепей и элек- трических приборов. Условные графические изображения большинства эле- 5 ментов отвечают действующим требованиям Единой системы конструктор- ской документации. Но главной отличительной особенностью данной про- граммы является наличие в ней виртуальных контрольно-измерительных приборов, лицевые панели которых по внешнему виду, характеристикам и приемам работы с ними приближены к их реальным промышленным анало- гам. Внешний вид рабочего экрана программы EWB соответствует обще- принятым нормам графического интерфейса пользователя операционной среды Windows, и обучаемый, имеющий минимальные навыки работы со стандартным пакетом прикладных программ Microsoft Office, не испытывает трудностей при выполнении операций загрузки и сохранения файлов схем, редактирования схем. Вид основного рабочего окна программы EWB приведен на рис. 1.1. Рис. 1.1. Вид основного рабочего окна программы EWB Результаты моделирования с использованием программ EWB можно вывести на принтер, перенести в текстовый или графический редакторы, Исследование электрического фильтра 6 входящие в состав пакета стандартного прикладного программного обеспе- чения Microsoft Office. В случае, когда необходимо получить результаты в аналитическом ви- де и провести экспериментальные измерения, программа EWB позволяет с помощью многооконного режима работы Windows воспользоваться про- граммой «Калькулятор» из стандартных программ Microsoft Office для Win- dows. На рис. 1.2 приведено положение рабочих окон программ EWB и «Калькулятор». Как видно из рисунка, можно непосредственно наблюдать на экране результаты расчета (на табло виртуального калькулятора) и экспери- мента (на экране виртуального осциллографа). Рис. 1.2. Расположение рабочих окон программ EWB и «Калькулятор» Основные достоинства программы EWB: • экономия времени. Работа в реальной электротехнической лаборато- рии требует больших временных затрат на подготовку эксперимента. Теперь, с появлением программы EWB, электротехническая лаборатория всегда бу- дет под рукой, что позволяет сделать изучение дисциплины ТОЭ более дос- тупным и развивать дистанционное обучение; 7 • достоверность измерений. В природе не существует двух совершенно одинаковых элементов, то есть все реальные элементы имеют большой раз- брос значений параметров, что приводит к погрешностям в ходе проведения эксперимента. В программе EWB все элементы описываются строго установ- ленными параметрами, поэтому каждый раз в ходе эксперимента будет по- вторяться результат, определяемый только параметрами элементов и алго- ритмом расчета; • удобство проведения измерений. Учеба невозможна без ошибок, а ошибки в реальной электротехнической лаборатории порой очень дорого об- ходятся экспериментатору. Работая с программой EWB, экспериментатор за- страхован от случайного поражения током, а приборы не выйдут из строя из– за неправильно собранной схемы. Благодаря этой программе в распоряжении пользователя имеется такой широкий набор приборов, который вряд будет доступен в реальной жизни. Таким образом, всегда имеется уникальная воз- можность для планирования и проведения широкого спектра исследований электрических схем при минимальных затратах времени; • графические возможности. Сложные схемы электрических цепей за- нимают достаточно много места, изображение при этом стараются сделать более плотным, что часто приводит к ошибкам в подключении проводников к элементам цепи. Программа EWB позволяет разместить схему таким обра- зом, чтобы были четко видны все соединения элементов и одновременно вся схема целиком. Возможность изменения цвета проводников позволяет сде- лать схему более удобной для восприятия. Можно отображать различными цветами и графики, что очень удобно при одновременном исследовании не- скольких зависимостей; • стандартный пользовательский интерфейс Windows. Программа EWB использует стандартный пользовательский интерфейс Windows, что значи- тельно облегчает ее усвоение и использование. Интуитивность и простота интерфейса пользователя делает программу доступной любому, кто знаком с основами использования Windows. 1.2. Компоненты электрических схем и экспериментальные возможности программы Electronics Workbench В библиотеки компонентов электрических схем программы EWB вхо- дят пассивные элементы, транзисторы, управляемые источники, управляемые ключи, гибридные элементы, индикаторы, логические элементы, триггерные устройства, цифровые и аналоговые элементы, специальные комбинацион- 8 ные и последовательные схемы. Также обучаемые имеют возможность соз- дания своих моделей элементов и добавления их в библиотеки элементов. В программе EWB используется большой набор приборов для прове- дения измерений: амперметр, вольтметр, мультиметр, осциллограф, Боде- плоттер (графопостроитель частотных характеристик схем), функциональный генератор, генератор слов, логический анализатор и логический преобразова- тель. Программа EWB может проводить моделирование и анализ схем на по- стоянном и переменном токах. Анализ схем переменного тока может прово- диться как во временной, так и в частотной областях. Программа также по- зволяет проводить анализ цифроаналоговых и цифровых схем. В программе EWB можно исследовать переходные процессы, возникающие при воздейст- вии на схемы входных сигналов различной формы. Программа EWB позволяет строить электрические схемы различной степени сложности при помощи следующих операций: • выбор элементов и приборов из библиотек; • перемещение элементов и приборов в любое место рабочего поля; • поворот элементов и групп элементов на углы, кратные 90 градусам; • копирование, вставка или удаление элементов, групп элементов, фрагментов схем и целых схем; • изменение цвета проводников; • выделение цветом контуров схем для более удобного восприятия; • одновременное подключение нескольких измерительных приборов и наблюдение их показаний на экране монитора; • присваивание элементу условного обозначения; • изменение параметров элементов в широком диапазоне. Все операции производятся при помощи мыши и клавиатуры. Управ- ление только с клавиатуры невозможно. Следует отметить, что при работе с программой EWB должна быть ус- тановлена английская раскладка клавиатуры. Путем настройки измерительных приборов можно: • изменять оцифровку шкал приборов в зависимости от диапазона из- мерений; • задавать режим работы измерительного прибора; • задавать вид входных воздействий на схему (постоянные и гармони- ческие токи и напряжения, треугольные и прямоугольные импульсы). Графические возможности программы EWB позволяют: 9 • одновременно наблюдать несколько кривых на графике; • отображать кривые на графике различным цветом (например, цвета лучей осциллограмм); • измерять координаты точек на графике; • переносить данные, полученные в среде EWB, в программу графиче- ского редактора, что позволяет провести необходимые преобразования ри- сунка и вывод его на печать; • переносить схему или ее фрагменты в текстовый редактор и добав- лять в них пояснения или замечания по работе схемы. В данном пособии, имеющем ознакомительную цель, рассмотрены ос- новные операции, необходимые для моделирования и анализа линейных электрических цепей постоянного и синусоидального тока, что далеко не раскрывает все потенциальные возможности программы EWB. Как отмеча- лось во введении, описание программы EWB в полном объеме и методика проведения экспериментальных исследований с использованием всего мно- гообразия инструментальных средств, наборов элементов, методов планиро- вания и проведения экспериментов с использованием данной программы из- ложены в литературе, приведенной в библиографическом списке. 10 2. ЗАПУСК И УПРАВЛЕНИЕ ПРОГРАММОЙ ELECTRONICS WORKBENCH 2.1. Начало работы и операции управления Началу работы с программой EWB предшествует включение компью- тера и загрузка операционной системы Windows, под управлением которой запускается и выполняется программа EWB. Для этого необходимо: • включить монитор; • включить системный блок; • дождаться появления на экране монитора рабочего стола и операци- онной системы Windows, свидетельствующей об успешной загрузке опера- ционной системы; • установить английскую раскладку клавиатуры. Рабочий стол – это стартовый экран Windows (рис. 2.1), представляю- щий собой графическую среду, на которой отображаются объекты и элемен- ты управления Windows, в том числе и элементы запуска программы EWB. Рис. 2.1. Рабочий стол Windows Ярлык программы EWB Кнопка ПУСК Панель быстрого запуска Значки и ярлыки объектов Панель задач Языковая панель Указатель мыши 11 На рабочем столе после запуска операционной системы видны сле- дующие объекты и элементы управления: значки и ярлыки объектов, кнопка «Пуск», панель быстрого запуска, панель задач, языковая панель, указатель мыши. Среди объектов рабочего стола видим ярлык программы EWB, пред- ставляющий собой небольшую картинку, символизирующую программу EWB. Ярлык программы EWB находится среди значков и ярлыков объектов рабочего стола и указан на одной из кнопок управления панели быстрого за- пуска. Среди элементов управления рабочего стола выделим кнопку «Пуск», указатель мыши, панель быстрого запуска, панель задач, языковую панель, с помощью которых осуществляются запуск и управление программой EWB. Все операции запуска и управления программой EWB производятся при помощи мыши и клавиатуры. В качестве активного элемента управления выступает указатель мыши – графический объект (обычно в виде стрелки), перемещение которого на эк- ране синхронизировано с перемещением мыши по плоской поверхности. Все остальные графические элементы управления (электронные кнопки, ярлыки, переключатели, флажки, раскрывающиеся списки, строки меню) являются пассивными элементами управления. При этом работа с пользовательским интерфейсом программы EWB основана на взаимодействии активного (ука- зателя мыши) с экранными пассивными элементами управления. Характер взаимодействия выбирает сам пользователь, в его распоряжении приемы на- ведения указателя мыши и другие приемы. Основными приемами управления с помощью мыши при работе с программой EWB являются: • перемещение указателя мыши – осуществляется путем простого пе- ремещения мыши по плоской поверхности. Когда мышь движется по плоской поверхности, указатель мыши синхронно перемещается по экрану. В зависи- мости от ситуации указатель мыши при этом может изменить свою форму со стрелки на символ песчаных часов. Это указывает на необходимость времен- ной выдержки перед совершением очередной операции; • наведение указателя на выбранный элемент – удержание его на эле- менте некоторое время. При этом указатель мыши изменяет свою форму на символ руки. Многие графические образы элементов программы спроектиро- ваны так, что при наведении на них указателя мыши на экране рядом с вы- бранным элементом появляется всплывающая подсказка, кратко комменти- рующая его название и свойства; • щелчок левой кнопкой мыши (ЛКМ) – быстрое однократное нажатие на левую кнопку мыши. Левая кнопка мыши является основной, поэтому 12 простой щелчок мышью означает щелчок именно левой кнопкой. Щелчок основной (левой) кнопки мыши используется очень широко, но надо разли- чать объекты и элементы управления графического интерфейса программы. Для объектов программы (например, компонент электрической схемы) один щелчок по ним приводит к их выделению, при этом, как правило, они меняют свой цвет на красный. Выделение объекта – это подготовительная операция. Обычно за нею следует какая-то иная операция (например, удаление выде- ленного компонента схемы) – в этом случае она распространяется только на выделенный объект. Для элементов управления программы один щелчок имеет не подготовительное, а исполнительное действие. Так, одним щелчком активизируются кнопки, переключаются переключатели, исполняются ко- манды, представленные в меню (в списке); • двойной щелчок левой кнопкой мыши (ЛКМ) – быстрое (с малым ин- тервалом времени) двукратное нажатие на левую кнопку мыши. Двойной щелчок ЛКМ используется для запуска программы EWB с рабочего стола. Двойной щелчок ЛКМ по изображению компонента схемы электрической цепи вызывает появление диалогового окна настройки параметров компонен- та; • щелчок правой кнопкой мыши (ПКМ) – быстрое однократное нажа- тие на правую кнопку мыши. Правая кнопка является вспомогательной, по- этому любая операция с ней приводит к появлению специального меню вы- бора. Щелчок ПМК по компоненту схемы имеет исключительно большое значение. Дело в том, что все компоненты программы имеют уникальные на- боры различных свойств (параметров) – правая кнопка мыши позволяет доб- раться до этих свойств. При щелчке ПКМ по любому компоненту схемы от- крывается специальное меню, которому за особую важность дали название – контекстное меню. Убрать контекстное меню можно щелчком ПКМ по сво- бодному от контекстного меню месту рабочего поля; • перетаскивание – выполняется путем перемещения мыши с нажатой левой кнопкой. Перемещение мыши сопровождается перемещением вслед за указателем мыши экранного компонента, на котором установлен указатель мыши. Каждое диалоговое окно имеет строку заголовка – за нее и выполняют перемещение; • протягивание указателя мыши – используется для изменения разме- ров объектов либо для их группового выделения. При наведении указателя мыши на любую границу рабочего окна программы в момент пересечения рамки окна указатель мыши меняет свою форму – из стрелки он превращает- ся в двунаправленную стрелку. В этот момент можно щелкать на ЛКМ и, не отпуская ее, перемещать мышь. При этом граница окна перемещается вместе 13 с указателем. Правый нижний угол рабочего окна программы несколько от- личается по внешнему виду от других углов. Протягиванием за этот угол можно одновременно управлять размерами окна и по вертикали и по гори- зонтали. Такими приемами можно управлять размером окна. Протягивание мыши можно использовать для группового выделения компонентов схемы. Для этого надо установить указатель мыши где–то на свободном месте рабочего поля, нажать на ЛКМ и, не отпуская ее, переме- щать мышь. На экране видно, что за указателем мыши тянется прямоуголь- ная рамка. Все компоненты, которые попадут в область этой рамки, будут выделены. Снять выделение можно щелчком ЛКМ на свободном от компо- нентов месте рабочего поля. Клавиатура используется для ввода текста, а также команд в виде ком- бинаций специальных клавиш. Недостатком программы EWB является то, при работе с ней используется английская раскладка клавиатуры. Во всплы- вающих меню используются клавиатурные сокращения одновременного на- жатия специальных управляющих клавиш. При описании таких комбинаций используется знак «+», который указывает на необходимость одновременно- го нажатия клавиш (Ctrl+N). Клавиши не обязательно нажимать строго одно- временно. Можно сначала нажать одну, а затем, удерживая ее нажатой, на- жать следующую. При наборе текста используют латинские символы. Обычно для пере- ключения между русской и английской раскладками клавиатуры используют комбинацию левых клавиш (Shift + Alt). Если включено отображение языко- вой панели (см. рис. 2.1), то указание текущего языка отображается на ней. В этом случае достаточно щелкнуть ЛКМ по указателю языка языковой панели и выбрать в открывшемся меню пункт «Английский». |