КСлаб1э. Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисциплін "схемотехніка еом" "компютерна схемотехніка"

• Название: Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисциплін "схемотехніка еом" "компютерна схемотехніка"
• Дата: 13.05.2023
• Размер: 3.98 Mb.
• Имя файла: КСлаб1э.doc
• Тип: Методичні вказівки; #1127571
• страница: 2 из 13

1.2. Компоненты Electronics Workbench

Для операций с компонентами на общем поле Electronics Workbench выделены две области: панель компонентов и поле компонентов (рис.1.1).



Рис.1.1.

Панель компонентов состоит из пиктограмм полей компонентов, поле компонентов – из условных изображений компонентов.

Щелчком мышью на одной из одиннадцати пиктограмм полей компонентов, расположенных на панели, можно открыть соответствующее поле. На рис. 1.1 открыто поле пассивных компонентов (Passive). Для описания компонентов более логичным является разделение их по типам, чему мы будем следовать в дальнейшем, давая в каждом случае ссылку на поле, в котором расположен компонент.

На рис. 1.2 показаны все имеющиеся в Electronics Workbench поля компонентов. Эта картинка получена искусственно, на самом деле при работе может быть открыто только одно поле компонентов. Перейдем теперь к описанию имеющихся в программе компонентов.

В библиотеки элементов программы Electronics Workbench входят аналоговые, цифровые и цифро-аналоговые компоненты.

Все компоненты можно условно разбить на следующие группы:

• 
  базовые компоненты,
  
• 
  источники,
  
• 
  линейные компоненты,
  
• 
  ключи,
  
• 
  нелинейные компоненты,
  
• 
  индикаторы,
  
• 
  логические компоненты,
  
• 
  узлы комбинационного типа,
  
• 
  узлы последовательного типа,
  
• 
  гибридные компоненты.
  

Рис. 2.1.

Базовые компоненты

С оединяющий узел

Узел применяется для соединения проводников и создания контрольных точек. К каждому узлу может подсоединяться не более четырех проводников.

После того, как схема собрана, можно вставить дополнительные узлы для подключения приборов.

З аземление

Компонент "заземление" имеет нулевое напряжение и таким образом обеспечивает исходную точку для отсчета потенциалов.

Не все схемы нуждаются в заземлении для моделирования, однако любая схема, содержащая:

• 
  операционный усилитель,
  
• 
  трансформатор.
  
• 
  управляемый источник,
  
• 
  осциллограф,
  

должна быть обязательно заземлена, иначе приборы не будут производить измерения или их показания окажутся неправильными.

 Будьте внимательны при заземлении трансформаторов и управляемых источников.

Источники

Все источники в Electronics Workbench идеальные. Внутреннее сопротивление идеального источника напряжения равно нулю, поэтому его выходное напряжение не зависит от нагрузки. Идеальный источник тока имеет бесконечно большое внутреннее сопротивление, поэтому его ток не зависит от сопротивления нагрузки.

 Функциональный генератор можно использовать в качестве идеального источника напряжения.

И сточник постоянного напряжения

ЭДС источника постоянного напряжения или батареи измеряется в Вольтах и задается производными величинами (от мкВ до кВ). Короткой жирной чертой в изображении батареи обозначается вывод, имеющий отрицательный потенциал по отношению к другому выводу.

 Батарея в ElectronicsWorkbench имеет внутреннее сопротивление, равное нулю, поэтому, если необходимо использовать две параллельно подключенные батареи, то следует включить последовательно между ними небольшое сопротивление (например, в 1 Ом).

И сточник постоянного тока

Ток источника постоянного тока (direct current) измеряется в Амперах и задается производными величинами (от мкА до кА). Стрелка указывает направление тока (от "+" к "-").

И сточник переменного напряжения

Действующее значение (root-mean-square – RMS) напряжения источника измеряется в Вольтах и задается производными величинами (от мкВ до кВ). Имеется возможность установки частоты и начальной фазы. Напряжение источника отсчитывается от вывода со знаком "-".

Действующее значение напряжения V_RMS. вырабатываемое источником переменyого синусоидального напряжения, связано с его амплитудным значением V_PEAK следующим соотношением:

.

И сточник переменного тока

Действующее значение тока источника измеряется в Амперах и задается производными величинами (от мкА до кА). Имеется возможность установки частоты и начальной фазы. Ток источника отсчитывается от вывода со знаком "-".

Действующее значение тока I_RMS, вырабатываемое источником переменного синусоидального тока, связано с его амплитудным значением 1_РЕАК следующим соотношением:

.

Г енератор тактовых импульсов

Генератор вырабатывает последовательность прямоугольных импульсов. Можно регулировать амплитуду импульсов, коэффициент заполнения (скважность) и частоту следования импульсов. Отсчет амплитуды импульсов генератора производится от вывода, противоположного выводу "+".

И сточник напряжения, управляемый напряжением

Выходное напряжение источника напряжения, управляемого напряжением, зависит от входного напряжения, приложенного к управляющим зажимам.

Отношение выходного напряжения к входному определяется коэффициентом пропорциональности Е, который задаётся в мВ/В, В/В и кВ/В:

,

где v_out – выходное напряжение источника,

v_in- входное напряжение источника.

И сточник тока, управляемый напряжением

Величина тока источника тока, управляемого напряжением, зависит от входного напряжения, приложенного к управляющим зажимам. Отношение выходного тока к управляющему напряжению – коэффициент G, измеряется в единицах проводимости (1/Ом или сименс):

,

где I_OUT. – выходной ток источника,

V_IN – напряжение, приложенное к управляющим зажимам источника.

И сточник тока, управляемый током

Величина тока источника тока, управляемого током, зависит от величины входного тока (тока в управляющей ветви). Входной и выходной токи связаны коэффициентом пропорциональности F, который определяет отношение выходного тока к току в управляющей ветви. Коэффициент F задается в мА/А, А/А и кА /А.

,

где I_OUT – выходной ток источника,

I_IN - входной ток источника.

И сточник напряжения, управляемый током

Величина напряжения источника напряжения, управляемого током, зависит от величины входного тока (тока в управляющей ветви). Входной ток и выходное напряжение об разуют параметр, называемый передаточным сопротивлением Н, который представляет собой отношение выходного напряжения к управляющему току. Передаточное сопротивление имеет размерность сопротивления и задается в мОм, Ом и кОм.

,

где V_OUT – выходное напряжение источника,

I_IN – входной ток источника.

 При подключении управляемых источников нужно соблюдать полярность и направление токов в подключаемых цепях. Стрелка указывает направление тока от "+" к "-", значком "+” указан положительный вывод источника напряжения.

И сточник напряжения +5В

Используя этот источник напряжения, можно устанавливать фиксированный потенциал узла 5 В или уровень логической единицы.

И сточник сигнала "логическая единица"

При помощи этого источника устанавливают уровень логической единицы в узле схемы.

Линейные элементы

Р езистор

Сопротивление резистора измеряется в Омах и задается производными величинами (от Oм до МОм).

П еременный резистор

Положение движка переменного резистора устанавливается при помощи специального элемента — стрелочки-регулятора. В диалоговом окне можно установить сопротивление начальное положение движка (в процентах) и шаг приращения (также в процентах). Имеется возможность изменять положение движка при помощи клавиш-ключей.

Используемые клавиши-ключи:

• 
  буквы от А до Z,
  
• 
  цифры от 0 до 9,
  
• 
  клавиша Enter на клавиатуре,
  
• 
  клавиша пробел [Space].
  

Для изменения положения движка необходимо нажать клавишу-ключ. Для увеличения значения положения движка необходимо одновременно нажать [Shift] и клавишу-ключ, для уменьшения – клавишу-ключ.

 Пример: Движок установлен в положении 45%, шаг приращения – 5%, клавиша-ключ -пробел [Space]. Нажатием клавиши [Space] положение движка становится равным 40%. При каждом последующем нажатии на клавишу [Space] значение уменьшается на 5%. Если на­жать [Space] + [Shift], то положение движка потенциометра увеличится на 5%.

К онденсатор

Ёмкость конденсатора измеряется в Фарадах и задается производными величинами (от пФ до Ф).
П еременный конденсатор

Переменный конденсатор допускает возможность изменения величины емкости. Величину ёмкости устанавливают, используя её начальное значение и значение коэффициента пропорциональности следующим образом:

С = (начальное значение/100) • коэффициент пропорциональности.

Значение емкости может устанавливаться с помощью клавиш-ключей так же, как и положение движка переменного резистора.

К атушка индуктивности

Индуктивность катушки (дросселя) измеряется в Генри и задается производными величинами (от мкГн до Гн).

К атушка с переменной индуктивностью

Величину индуктивностью этой катушки устанавливают, используя начальное значение её индуктивности и коэффициента пропорциональности следующим образом:

L = (начальное значение /100) • коэффициент

Значение индуктивности может устанавливаться с помощью клавиш-ключей так же, как и положение движка переменного резистора.

Т рансформатор

Трансформатор используется для преобразования напряжения V₁ в напряжениеV₂.

Коэффициент трансформации n равен отношению напряжения V₁ на первичной обмотке к напряжению V₂ на вторичной обмотке. Параметр n может быть установлен в диалоговом окне свойств модели трансформатора. Трансформатор может быть выполнен с отводом средней точки.

 Схема, содержащая трансформатор, должна быть заземлена.

Ключи

Ключи имеют два состояния: выключенное (разомкнутое) и включенное (замкнутое). В выключенном состоянии они представляют собой бесконечно большое сопротивление, во включенном состоянии их сопротивление равно нулю. Ключи могут управляться:

• 
  клавишей,
  
• 
  таймером,
  
• 
  напряжением,
  
• 
  током.
  

Так как замкнутые ключи в Electronics Workbench имеют сопротивление равное нулю, то при параллельном соединении с другим ключом или батареей рекомендуется последовательно ввести в цепь резистор с сопротивлением 1 Ом.

Р еле

Электромагнитное реле может иметь нормально замкнутые или нормально разомкнутые контакты. Оно срабатывает, когда ток в управляющей обмотке превышает значение тока срабатывания Ion. Во время срабатывания происходит переключение пары нормально замкнутых контактов S2, S3 реле на пару нормально замкнутых контактов S2, S1 реле. Реле остается в состоянии срабатывания до тех пор, пока ток в управляющей обмотке превышает удерживающий ток Ihd. Значение тока Ihd должно быть меньше, чем Ion.

К люч, управляемый клавишей

Ключи могут быть замкнуты или разомкнуты при помощи управляющих клавиш на клавиатуре. Имя управляющей клавиши можно ввести с клавиатуры в диалоговом окне, появляющемся после двойного щелчка мышью на изображении ключа.

 Пример: Если необходимо, чтобы состояние ключа изменялось клавишей 'пробел' [Space], то следует ввести текст «Space» в диалоговое окно и нажать ОК.

Используемые клавиши-ключи:

буквы от А до Z,

цифры от 0 до 9,

клавиша Enter на клавиатуре,

клавиша пробел [Space].

Р еле времени

Реле времени представляет собой ключ, который размыкается в момент времени Toff и замыкается в момент времени Ton. Ton и Toff должны быть больше 0.

Если Ton < Toff, то в начальный момент времени, когда t = 0, ключ находится в разомкнутом состоянии. Замыкание ключа происходит в момент времени t = Ton, а размыкание – в момент времени t = Toff.

Если Ton > Toff, то в начальный момент времени, когда t = 0, ключ находится в замкнутом состоянии. Размыкание ключа происходит в момент времени t = Toff, а замыкание — в момент времени t = Ton. Ton не может равняться Toff.

К люч, управляемый напряжением

Ключ, управляемый напряжением, имеет два управляющих параметра: включающее (Von) и выключающее (Voff) напряжения. Он замыкается, когда управляющее напряжение больше или равно включающему напряжению Von, и размыкается, когда оно равно или меньше, чем выключающее напряжение Voff.

Ключ, управляемый током

Ключ, управляемый током, работает аналогично ключу, управляемому напряжением. Когда ток через управляющие выводы превышает ток включения Ion, ключ замыкается; когда ток падает ниже тока выключения loff – ключ размыкается.

Нелинейные элементы

Л ампа накаливания

Лампа накаливания – элемент резистивного типа, преобразующий электроэнергию в световую энергию. Она характеризуется двумя параметрами: максимальной мощностью Р_MAX и максимальным напряжением V_MAX. Максимальная мощность может иметь величину в диапазоне от мВт до кВт, максимальное напряжение – в диапазоне от мВ до кВ. При напряжении на лампе большем V_MAX (в этот момент мощность, выделяющаяся в лампе, превышает Ртах) она перегорает. При этом изменяется изображение лампы (обрывается нить) и проводимость ее становится равной нулю.

П редохранитель

Предохранитель разрывает цепь, если ток в ней превышает максимальный ток I_MAX. Значение I_MAX может иметь величину в диапазоне от мА до кА. В схемах, где используются источники переменного тока, I_MAX является максимальным мгновенным, а не действующим значением тока.

Д иод

Ток через диод может протекать только в одном направлении – от анода А к катоду К. Состояние диода (проводящее или непроводящее) определяется полярностью приложенного к диоду напряжения.

С табилитрон

Для стабилитрона (диода Зенера) рабочим является отрицательное напряжение. Обычно этот элемент используют для стабилизации напряжения.

С ветоизлучающий диод (светодиод)

Светоизлучающий диод излучает видимый свет, когда проходящий через него ток превышает пороговую величину.

Мостовой выпрямитель

Мостовой выпрямитель предназначен для выпрямления переменного напряжения. При подаче на выпрямитель синусоидального напряжения среднее значение выпрямленного напряжения V_dc можно приблизительно вычислить по формуле:

Vdc = 0.636 * (Vp – 1.4),

где Vp — амплитуда входного синусоидального напряжения.

Д иод Шоттки

В отличие от простого диода, диод Шоттки находится в отключенном состоянии до тех пор, пока напряжение на нем не превысит фиксированного уровня порогового напряжения.

Т иристор (управляемый вентиль)

У тиристора помимо анодного и катодного выводов имеется дополнительный вывод управляющего электрода. Он позволяет управлять моментом перехода прибора в проводящее состояние. Вентиль отпирается, когда ток управляющего электрода превысит пороговое значение, а к анодному выводу не будет приложено положительное смещение. Тиристор остается в открытом состоянии, пока к анодному выводу не будет приложено отрицательное напряжение.

С имистор (двунаправленный управляемый вентиль)

Симистор способен проводить ток в двух направлениях. Он запирается при изменении полярности протекающего через него тока и отпирается при подаче следующего управляющего импульса.

Динистор

Динистор – управляемый анодным напряжением двунаправленный переключатель. Динистор не проводит ток в обоих направлениях до тех пор, пока напряжение на нем не превысит напряжения переключения, тогда динистор переходит в проводящее состояние и его сопротивление становится равным нулю.

О перационный усилитель

Операционный усилитель (ОУ) – усилитель, предназначенный для работы с обратной связью. Он обычно имеет очень высокий коэффициент усиления по напряжению, высокое входное и низкое выходное сопротивление. Вход "+" является неинвертирующим, а вход "- – инвертирующим. Модель операционного усилителя позволяет задавать параметры: коэффициент усиления, напряжение смещения, входные токи, входное и выходное сопротивления.

Входные и выходные сигналы ОУ должны быть заданы относительно земли.

О перационный усилитель с пятью выводами

ОУ с пятью выводами имеет два дополнительных вывода (положительный и отрицательный) для подключения питания.

Для моделирования этого усилителя используется модель Буля-Коха-Педерсона. В ней учитываются эффекты второго порядка, ограничение выходного напряжения и тока.

Умножитель напряжений

Умножитель перемножает два входных напряжения V_Xи V_Y. Выходное напряжение V_OUTрассчитывается по формуле:

V_OUT = k  Vx  Vy,

где к – константа умножения, которая может устанавливаться пользователем.

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы являются усилительными устройствами, управляемыми током. Они бывают двух типов: P-N-P и N-P-N.

Буквы означают тип проводимости полупроводникового материала, из которого изготовлен транзистор. В транзисторах обоих типов стрелкой отмечается эмиттер, направление стрелки указывает направление протекания тока.

N-P-N транзистор имеет две n-области (коллектор С и эмиттер Е) и одну р-область (базу В).

P-N-P транзистор имеет две р-области (коллектор С и эмиттер Е) и одну n-область (базу В).

Полевые транзисторы (FET)

Полевые транзисторы управляются напряжением на затворе, то есть ток, протекающий через транзистор, зависит от напряжения на затворе. Полевой транзистор включает в себя протяженную область полупроводника n-типа или р-типа, называемую каналом. Канал оканчивается двумя электродами, которые называются истоком и стоком. Кроме канала n -или р-типа, полевой транзистор включает в себя область с противоположным каналу типом проводимости. Электрод, соединенный с этой областью, называют затвором. Для полевых транзисторов в Electronics Workbench выделено специальное поле компонентов FET. В программе имеются модели полевых транзисторов трех типов: транзисторов с управляющим р-п переходом (JFET) и двух типов транзисторов на основе металлооксидной пленки (МОП-транзисторы или MOSFET): МОП-транзисторы с встроенным каналом (Depletion MOSFETs) и МОП-транзисторы с индуцированным каналом (Enhancement MOSFETs).

Полевые транзисторы с управляющим р-n переходом (JFET)

Полевой транзистор с управляющим р-n переходом (JFET) – униполярный транзистор, управляемый напряжением, в котором для управления током используется наведенное электрическое поле, зависящее от напряжения затвора.

Для n-канального полевого транзистора с управляющим р-n переходом чем более отрицательным будет напряжение, прикладываемое к затвору, тем меньше будет ток.

Полевые транзисторы с управляющим р-n переходом

В поле компонентов имеется два типа таких транзисторов: N-канальный и Р-канальный.

В n-канальном полевом транзисторе затвор состоит из р-области, окруженной n-каналом

В р-канальном полевом транзисторе затвор состоит из n-области, окруженной р-каналом

Полевые транзисторы на основе металлооксидной пленки

Управление током, протекающим через полевой транзистор на основе металлооксидной пленки (МОП-транзистор или MOSFET), также осуществляется с помощью электрического поля, прикладываемого к затвору.

Обычно подложка контактирует с наиболее отрицательно смещенным выводом транзистора, подключенным к истоку. В трехвыводных транзисторах подложка внутренне соединена с истоком. N-канальный транзистор имеет следующее обозначение: стрелка направлена внутрь значка; р-канальный транзистор имеет исходящую из значка стрелку. N-канальный и р-канальный МОП-транзисторы имеют различную полярность управляющих напряжений.

В Electronics Workbench имеется 8 типов МОП-транзисторов:

4 типа МОП-транзисторов со встроенным каналом,

4 типа МОП-транзисторов с индуцированным каналом.

МОП-транзистор со встроенным каналом (Depletion MOSFETs)

Подобно полевым транзисторам с управляющим р-n переходом (JFET), МОП-транзистор со встроенным каналом состоит из протяженной области полупроводника, называемой каналом. Для p-канального транзистора эта область является полупроводником p-типа, для n-канального транзистора – n-типа. Свободные электроны от истока до стока должны пройти через этот узкий канал, заканчивающийся с обеих сторон электродами, называемыми истоком и стоком.

Металлический затвор МОП-транзистора изолирован от канала тонким слоем двуокиси кремния так, что ток затвора во время работы пренебрежимо мал. Чем более отрицательное напряжение затвор-исток приложено к n-канальному транзистору, тем больше канал обедняется электронами проводимости, ток стока при этом уменьшается. При значении напряжения затвор-исток Vgs(off) канал полностью обеднен, и ток от истока к стоку прекращается. Напряжение Vgs(off) называется напряжением отсечки. С другой стороны, чем более положительно напряжение затвор-исток, тем больше размер канала, что приводит к увеличению тока. Р-канальный транзистор работает аналогично, но при противоположных полярностях напряжения

Т рехвыводной N-канальный MOSFET

со встроенным каналом
Т рехвыводной P-канальный MOSFET
со встроенным каналом

Ч етырехвыводной N-канальный MOSFET
со встроенным каналом

Ч етырехвыводной P-канальный MOSFET
со встроенным каналом

Эти МОП-транзисторы не имеют физического канала между истоком и стоком, как МОП-транзисторы со встроенным каналом. Вместо этого область проводимости может расширяться на весь слой двуокиси кремния.

МОП-транзистор с индуцированным каналом работает только при положительном напряжении исток-затвор. Положительное напряжение исток-завтвор, превышающее минимальное пороговое значение (V_to), создает инверсионный слой в области проводимости, смежной со слоем двуокиси кремния. Проводимость этого индуцированного канала увеличивается при увеличении положительного напряжения затвор-исток. МОП-транзисторы с индуцированным каналом используются преимущественно в цифровых схемах и схемах с высокой степенью интеграции (БИС).

Т рехвыводной N-канальный MOSFET
с индуцированным каналом

Т рехвыводной P-канальный MOSFET
с индуцированным каналом

Ч етырехвыводной N-канальный MOSFET
с индуцированным каналом

Четырехвыводной P-канальный MOSFET
с индуцированным каналом

Цифровые элементы

Цифровые элементы программы представлены следующими группами: Индикаторы, логические элементы, узлы комбинационного типа, узлы последовательностного типа, гибридные элементы.