Пособие 2017 Сх новое 12.10.16. Применение современных сапр в схемотехнике электронных устройств
 Скачать 3.74 Mb.
|
|
Проектирование электронных устройств На кафедре САПР с использованием системы NI ELVIS разработан фронтальный цикл экспериментальных лабораторных работ [3; 4; 5]. Он включает в себя следующие работы: – Исследование возможностей системы NI ELVIS. – Выпрямители и параметрические стабилизаторы на кремниевых диодах и стабилитронах. – Решающие усилители. – Усилители переменного тока на базе интегральных операционных усилителей (ОУ). – Активные фильтры на базе интегральных ОУ. – Способы обеспечения устойчивости аналоговых электронных устройств. – RC-генераторы синусоидальных колебаний. – Триггеры Шмитта и аналоговые компараторы. – Генераторы прямоугольных импульсов (мультивибраторы). – Логические элементы. – Комбинационные цифровые устройства. – Триггеры и регистры. – Цифровые счетчики. Система NI ELVIS позволяет минимизировать рутинную работу студентов и преподавателя. Например, в старом цикле лабораторных работ студенты очень долго снимали частотные характеристики электронных устройств; применение системы NI ELVIS позволяет в десятки раз сократить это время. В старом цикле на лабораторных занятиях выполнялось 6 – 7 разных лабораторных работ; при этом преподаватель практически все свое время уделял поиску ошибок в действиях студентов разных бригад. При использовании фронтального цикла на базе системы NI ELVIS, обладающей высокой надежностью, все студенты на лабораторном занятии выполняют одну лабораторную работу (для каждой бригады – свой экспериментальный макет). Поэтому у преподавателя освобождается много времени для интерактивного общения со студентами, т. е. для совместного осмысления полученных в результате эксперимента результатов. При проведении фронтальных лабораторных работ в системе NI ELVIS всячески приветствуется взаимопомощь студентов. Эксперимент сделала твоя бригада – помоги другой; при этом у студентов развиваются преподавательские навыки. В то же время имеет место соревновательность: бригада сделала эксперимент первой – поощрение. Преподаватель задает каждой бригаде свои вопросы на осмысление полученных экспериментальных результатов, представленных на компьютере в удобном визуализированном виде; при этом интерактивность учебного процесса существенно повышается. Таким образом, при фронтальном методе рутинную работу студенты делают, по возможности, коллективно, творческий процесс индивидуален. При экспериментальных исследованиях аналоговых электронных устройств с использованием системы NI ELVIS в рамках лабораторного цикла решаются две основные задачи: – Наиболее выигрышным образом раскрыть возможности визуализации набора приборов NI ELVIS с учетом их реальных ограничений. – Провести всестороннее экспериментальное исследование данного устройства. Успешное решение первой задачи во многом определяет глубину исследований во второй задаче, а также имеет самостоятельную ценность: в своей дальнейшей деятельности молодой специалист будет активно отвергать системы экспериментальных исследований, имеющие меньшую комфортность по сравнению с системой NI ELVIS. Для примера рассмотрим особенности постановки лабораторной работы «Способы обеспечения устойчивости аналоговых электронных устройств». В этой работе студенты снимают и исследуют множество ЛАЧХ и ФЧХ, что наиболее выигрышно раскрывает возможности визуализации такого прекрасного прибора как «Анализатор Боде». Однако реальный частотный диапазон этого прибора составляет 5…35000 Гц, а проблемы высокочастотной неустойчивости усилителей, как правило, возникают на частотах 0,1…100 МГц. Что делать? Выход состоит в том, чтобы в лабораторной работе изложить способы обеспечения устойчивости усилителей инвариантно к частотному диапазону, а схемотехнические примеры, их иллюстрирующие, перевести с использованием RC-цепей и интегральных операционных усилителей в частотный диапазон «Анализатора Боде» (физическое моделирование). В работе рассматриваются следующие способы: – Уменьшение в усилителе глубины общей отрицательной обратной связи (ООС). – Введение в усилитель пассивного частотно-зависимого делителя (RC-цепь). – Использование в усилителе местной частотно-зависимой ООС. – Введение в усилитель высокочастотного параллельного канала усиления. По критерию устойчивости Найквиста усилитель с общей отрицательной обратной связью устойчив, если на частоте среза, где модуль его петлевого усиления равен единице, абсолютное значение дополнительного фазового сдвига по контуру обратной связи меньше 180° (рассматриваются минимально-фазовые системы, устойчивые в разомкнутом состоянии). На рис.1.10 приведен пример экспериментальных ЛАЧХ и ФЧХ петлевого усилителя с общей ООС при введении в него для обеспечения устойчивости пассивного частотно-зависимого делителя. Следует отметить, что «Анализатор Боде» измеряет общий фазовый сдвиг петлевого усиления системы с учетом инвертирования усилителем фазы входного сигнала (рис. 1.10). Дополнительный фазовый сдвиг получается вычитанием из общего сдвига 180°. Из рассмотрения ЛАЧХ и ФЧХ, приведенных на рис. 1.10, очевидно, что замкнутый усилитель будет устойчив.  Рис. 1.10. Экспериментальные ЛАЧХ и ФЧХ петлевого усиления с общей ООС Действительно, на частоте среза петлевого усиления, равной 15 кГц, абсолютное значение дополнительного фазового сдвига составляет 90°, что значительно меньше 180°. В данном случае запас устойчивости усилителя по фазе близок к 90°; при этом переходный процесс в замкнутом усилителе при реакции на ступенчатое входное воздействие не носит колебательный характер. Экспериментальные исследования замкнутого усилителя с системой NI ELVIS и их эмуляция в системе Multisim подтверждают эти выводы: усилитель устойчив, т. е. на выходе нет незатухающих колебаний и расходящихся процессов. Применение системы Multisim в процессе эмуляции электронных устройств Общая часть Multisim представляет собой высокоэффективный интерактивный эмулятор схем. Он включает в себя версию Multicap, позволяющую быстро и графически наглядно описать проектируемую схему, и широко распространенный программный комплекс SPICE, реализующий множество функций анализа аналоговых электронных устройств. К несомненным достоинствам системы Multisim следует отнести наличие в ней специального набора интерактивных компонентов, изменение которых сразу отражается на результатах эмулирования. Это позволяет наиболее эффективно решать задачи параметрического синтеза электронных устройств (например, определить сопротивления резисторов схемы, при которых усилитель будет иметь заданный коэффициент усиления, или найти параметры корректирующих RС-цепей, обеспечивающих проектируемому устройству заданный запас устойчивости по фазе и т. д.). В Multisim можно также реализовать виртуальные трехмерные макетные платы. При соединении элементов на виртуальной плате в соответствии с принципиальной схемой все элементы и соединения окрасятся в зеленый цвет; в этом случае студент может приступить к физическому макетированию. Применение в практике проектирования электронных устройств систем Multisim и NI ELVIS позволяет познакомить студентов с основными этапами сквозного проектирования: синтез структуры и принципиальной схемы – эмуляция – эксперимент – конструкция. При этом основные исследования ими проводятся при моделировании электронного устройства в системе Multisim (анализ и параметрический синтез). Эта система имеет очень большую базу данных компонентов (сотни транзисторов, интегральных операционных усилителей и т. д.) с высоким уровнем доверительности к их математическим моделям. Модельный мир, т. е. мир виртуальной реальности свободен от ограничений физической реализуемости. Действительно, верхняя граница частотного диапазона “Анализатора Боде” в системе NI ELVIS составляет 35 кГц, а в системе Multisim электронную схему можно исследовать до частот в десятки и сотни МГц. Руководство по моделированию электронных схем в системе Multisim Интерфейс системы Multisim показан на рис. 2.1 и состоит из следующих основных элементов: Строка меню, котораяпозволяет выбирать команды для всех функций; Панель разработки(Design Toolbox), которая позволяет управлять различными элементами схемы; Панель инструментов, которая состоит из кнопок для быстрого доступа к командам и элементам меню; Рабочая область, на которой собирается моделируемая схема; Приборная панель, котораясодержит модели различных контрольно-измерительных приборов.  Рис. 2.1. Интерфейс системы Multisim Работа с системой Multisim включает в себя три основных этапа: создание схемы, выбор и подключение измерительных приборов, активация схемы – расчет процессов, протекающих в исследуемом устройстве. Первый обозначенный этап начинается с размещения на рабочем поле Multisim компонентов из библиотеки программы. Подразделы библиотеки программы Multisim поочередно могут быть вызваны с помощью иконок, расположенных на панели инструментов. Компоненты – это основа любой схемы, это все элементы, из которых она состоит. Multisim оперирует с двумя категориями компонентов: реальными (real) и виртуальными (virtual). У реальных компонентов, в отличие от виртуальных, есть определенное, неизменяемое значение и свое соответствие на печатной плате. Виртуальные компоненты нужны только для эмуляции, пользователь может назначить им произвольные параметры. В библиотеки компонентов программы входят пассивные элементы, транзисторы, управляемые источники, управляемые ключи, гибридные элементы, индикаторы, логические элементы, триггерные устройства, цифровые и аналоговые элементы. Активные элементы могут быть представлены моделями как идеальных, так и реальных элементов. В программе используется большой набор приборов для проведения измерений: амперметр, вольтметр, осциллограф, мультиметр, анализатор Боде, функциональный генератор, генератор слов, логический анализатор и логический преобразователь. Главная база данных компонентов Multisim содержит следующие группы компонентов: – Sources (источники питания). Группа содержит все источники напряжения и тока, заземления. Здесь можно обнаружить компоненты power sources (источники постоянного и переменного напряжения, заземление, беспроводные соединения – VCC, VDD, VSS,VEE), компоненты signal voltage sources (источники прямоугольных импульсов, источник сигнала через определенные промежутки времени), компоненты signal current sourses (постоянные и переменные источники тока, источники прямоугольных импульсов); – Basic (базовые элементы). Группа содержит основные схемотехнические элементы: резисторы, индуктивные элементы, конденсаторы, ключи, трансформаторы, реле, и т.д.; – Diodes (диоды). Содержит различные типы диодов: стабилитроны, фотодиоды, диоды Шоттки, светодиоды и т.д.; – Transistors (транзисторы). Группа содержит различные виды транзисторов: биполярные транзисоры pnp и npn типа, МОП-транзисторы, КМОП-транзисторы и т.д.; – Analog (элементы аналоговой техники). Группа содержит множество типов аналоговых усилителей: операционные, дифференциальные, инвертирующие и т.д.; – TTL (ТТЛ элементы). Группа содержит различные логические компоненты на базе транзисторно-транзисторной логики.; CMOS (КМОП элементы). Группа содержит различные логические компоненты на базе КМОП-логики.; – Advanced Peripherals (дополнительные периферийные устройства). Группа содержит подключаемые внешние устройства (дисплеи, терминалы, клавишные поля); – Misc Digital (модели цифровых устройств). Группа содержит различные цифровые устройства; – Mixed (составные устройства). Группа содержит комбинированные компоненты; – Indicators (индикаторы). Группа содержит измерительные приборы, такие как вольтметры, амперметры и средства индикации, такие как лампы, дисплеи, пробники и т.д.  Рис. 2.2. Выбор модели логического компонента в проводнике компонентов Рассмотренные группы компонентов можно найти в нижней части панели инструментов, или можно выбрать пункт меню Place Component, который вызывает общий проводник компонентов. В проводнике можно выбрать любую рассмотренную ранее группу. На рис. 2.2 показан выбор модели реального логического компонента И-НЕ из группы TTL. В Multisim существует множество встроенных средств анализа полученных при моделировании данных. Основные виды анализа: 1. DC – анализ цепи на постоянном токе. При анализе на постоянном токе конденсаторы заменяют разрывом, катушки индуктивности – коротким замыканием, нелинейные компоненты, такие как диоды и транзисторы, заменяют эквивалентной схемой, состоящей из резисторов и зависимых источников. Анализ цепи на постоянном токе выявляет узловые потенциалы исследуемой схемы; 2. AC – анализ цепи на переменном токе. Анализ цепей на переменном токе заключается в построении частотных характеристик; 3. Transient – анализ переходных процессов. Анализ переходных процессов в цепях позволяет определить форму выходного сигнала, то есть построить график сигнала как функции времени. При моделировании схем необходимо соблюдать следующие общие правила: – Любая схема должна обязательно содержать хотя бы один символ заземления; – Любые два конца проводника либо контакта устройства, встречающихся в точке, всегда считаются соединенными. При соединении трех концов (Т-соединение) необходимо использовать символ соединения (узел). Те же правила применяются при соединении четырех и более контактов; – В схемах должны присутствовать источники сигнала (тока или напряжения), обеспечивающие входной сигнал, и не менее одной контрольной точки (за исключением анализа схем постоянного тока) [1]. Рассмотрим основные измерительные виртуальные приборы, доступные пользователю среды Multisim: 1. Мультиметр (рис. 2.3) предназначен для измерения переменного или постоянного тока или напряжения, сопротивления или падения напряжения между двумя узлами схемы. Диапазон измерений мультиметра подбирается автоматически. Его внутреннее сопротивление и ток близки к идеальным значениям, но их можно изменить программно при необходимости.  Рис. 2.3. ИВП Мультиметр в среде Multisim 2. Генератор сигналов (рис. 2.4) – источник напряжения, который может генерировать синусоидальные, пилообразные и прямоугольные импульсы. Можно изменить форму сигнала, его частоту, амплитуду, коэффициент заполнения и постоянный сдвиг. Диапазон генератора достаточен, чтобы воспроизвести сигналы с частотами от нескольких герц до аудио и радиочастотных.  Рис. 2.4. ИВП Генератор сигналов в среде Multisim 3. Осциллограф. В Multisim есть несколько модификаций осциллографов, которыми можно управлять как настоящими. Они позволяют устанавливать параметры временной развертки и напряжения, выбирать тип и уровень запуска измерений. Данные осциллографов можно посмотреть после эмуляции с помощью самописца (Grapher) из меню View/Grapher. В Multisim есть следующие осциллографы: – 2-х канальный; – 4-х канальный; – осциллограф смешанных сигналов Agilent 54622D; – 4-х канальный цифровой осциллограф с записью Tektronix TDS 2024. 4. Анализатор Боде (рис. 2.5) по функционалу идентичен рассмотренному ранее анализатору, входящему в состав NI ELVIS.  Рис. 2.5. ИВП Анализатор Боде в среде Multisim 5. Спектральный анализатор (рис. 2.6) служит для измерения амплитуды гармоник с заданной частотой. Также он может измерить мощность сигнала и частотных компонент, определить наличие искомых гармоник в сигнале. Результаты работы спектрального анализатора отображаются в частотной области, а не временной.  Рис. 2.6. ИВП Спектральный анализатор в среде Multisim 6. Ваттметр (рис. 2.7) предназначен для измерения коэффициента мощности.  Рис. 2.7. ИВП Ваттметр в среде Multisim  Рис. 2.8. Токовый пробник в среде Multisim 7. Токовый пробник (рис. 2.8) эмулирует поведение промышленных токовых клещей, которые преобразуют ток, протекающий в проводе, в напряжение, показываемое на выходных клеммах. Последние могут быть подключены к осциллографу, где ток определяется, основываясь на отношении напряжение/ток пробника. 8. Измерительный пробник (рис. 2.9) показывает постоянные и переменные напряжения и токи на участке цепи, а также частоту сигнала.  Рис. 2.9. Измерительный пробник в среде Multisim 9. Генератор слова (рис. 2.10) генерирует 32-разрядные двоичные слова. Генерация может быть разовой, циклической, пошаговой. Последовательность двоичных слов может быть задана и отображена в двоичном десятичном, шестнадцатиричном или символьном виде. В качестве источника синхронизации может выступать как внешний, так и внутренний сигнал.  Рис. 2.10. ИВП Генератор слова в среде Multisim 10. Логический анализатор (рис. 2.11) предназначен для исследования цифровых схем. Он позволяет записывать и визуализировать состояния логических компонентов схемы на протяжении времени моделирования. Анализ может производиться над 16-разрядными двоичными словами. Тактирование анализатора может производится как с внешнего, так и с внутреннего источника.  Рис. 2.11. ИВП Логический анализатор в среде Multisim Путем настройки приборов можно: – Изменять шкалы приборов в зависимости от диапазона измерений; – Задавать режим работы прибора; – Задавать вид входных воздействий на схему (постоянные и гармонические токи и напряжения, треугольные и прямоугольные импульсы). Графические возможности программы позволяют: – Одновременно наблюдать несколько кривых на графике; – Отображать кривые на графиках различными цветами; – Измерять координаты точек на графике; – Импортировать данные в графический редактор, что позволяет произвести необходимые преобразования рисунка и вывод его на принтер. |