ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕК-ТРОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ. ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММЫ MULTISIM. СанктПетербургский горный университетКафедра общей электротехники теоретические основы электротехники и электроники. Применение программы
 Скачать 1.99 Mb.
|
|
1 Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Санкт-Петербургский горный университет Кафедра общей электротехники ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ. ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММЫ MULTISIM Методические указания к лабораторным работам для студентов бакалавриата направления 27.03.03 Санкт-Петербург 2021 2 УДК 621.3 (07) ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ. ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММЫ MULTISIM : Методические указания к лабораторным работам / Санкт-Петербургский горный университет. Сост И.Н. Войтюк, А.В. Турышева, ЭВ. Яковлева,. СПб, 2021, 53 с. Методические указания к выполнению лабораторных работ составлены в соответствии с федеральными государственными образовательными стандартами высшего образования. Представлены методические указания по выполнению и оформлению виртуальных лабораторных работ с использованием программы Multisim по дисциплине Теоретические основы электротехники и электроники для студентов направления бакалавриата 27.03.03 Системный анализ и управление профиля Теория и математические методы системного анализа и управления в технических, экономических и социальных системах. Методические указания могут быть использованы студентами других направлений и специальностей по указанной дисциплине. Научный редактор проф. Я.Э. Шклярский Рецензент к.т.н., ведущий инженер-конструктор OOO ПО Энергосистема А.П. Шевчук Санкт-Петербургский горный университет , 2021 3 ВВЕДЕНИЕ Целью лабораторного практикума является получение навыков при виртуальных исследованиях электрических цепей, правильное использование электроизмерительных приборов и развитие умения анализировать полученные результаты. В указаниях к лабораторным работам приводятся цель работы, программа работы, указывается порядок выполнения экспериментов и требования к содержанию отчета. Методические указания поданному разделу дисциплины включают 6 лабораторных работ общей трудоемкостью 17 часов и методику применения программы Multisim для их выполнения. МЕТОДИКА ПРИМЕНЕНИЯ ПРОГРАММЫ MULTISIM ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ Общие положения Программа Multisim позволяет провести лабораторные работы без сборки реальных схем за счет компьютерного (математического) моделирования процессов, происходящих в схемах. Представленная программа располагает широким набором виртуальных элементов электрических цепей, представленных в виде условных обозначений (пиктограмм, которые обладают основными свойствами реальных физических элементов источников постоянного и переменного напряжения и тока, резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, измерительных приборов и т. д. Поэтому представленные лабораторные работы можно выполнить как на физическом стенде, таки в виртуальном исполнении на компьютере при этом все методические указания для выполнения лабораторных работ практически полностью подходят для обоих указанных методов. Следует отметить, что программа Multisim выбрана авторами, как отличающаяся от других программ, преследующих те же цели, простыми легко осваиваемым пользовательским интерфейсом. В распоряжении авторов имеется лицензионная усовершенствованная (десятая) версия программы Multisim 10. Поэтому в дальнейшем описание процесса моделирования представлено этой версией. Программа Multisim обладает преемственностью, те. все 4 схемы созданные в ранних версиях могут быть промоделированы в версии Multisim 10. Назначение и состав программы Multisim Программа Multisim представляет собой компьютерное средство для схемотехнического моделирования и анализа электротехнических и электронных устройств и установок. Программа Multisim 10 содержит в своем составе практически все известные элементы современных электрических цепей источники неизменного и регулируемого постоянного и переменного напряжения и тока, резистивные индуктивные и емкостные элементы, трансформаторы, электрические машины, всевозможные электронные элементы, а также информационно-измерительную технику амперметры, вольтметры, ваттметры, мультиметры, генераторы, осциллографы и т. д. Правила сборки виртуальных электрических цепей, измерения и другие исследования выполняются по тем же правилам, что и для реальной цепи. Число и вид электрических схем самого разного назначения, которые можно собрать и исследовать, не ограничено. Программа Multisim 10 является, в сущности, превосходной виртуальной лабораторией, помещенной в компьютер. Открытие программы, ее составляющие и сборка схемы Для обращения к программе Multisim необходимо создать ярлык на рабочем столе и им пользоваться для обращения к программе. После запуска на экране появляется графическая оболочка интерфейса программы (рис. 1), посредством которой и осуществляется компьютерное моделирование поставленных задач. Экран дисплея делится на четыре злны (см. рис. 1) Зона в верхней части экрана (1) – командное меню, содержащее команды, возможных действий программы. она в правой части экрана (2) – меню условных обозначений оборудования. Она содержит условные графические обозначения оборудования, которые могут быть использованы для компьютерного моделирования процессов. Зона в верхней части экрана (3) меню условных обозначений элементов. Она содержит условные графические обозначения элементов, которые могут быть использованы для компьютерного моделирования процессов. Остальная часть экрана (4) – рабочая зона, в которой осуществляется построение необходимых схем. Кнопка выхода из программы (5). При подведении к ней курсора мыши и нажатии левой кнопки будет произведён выход из программы. Переключатель (6), при включении которого после сборки схемы и задания параметров её элементов программа начинает компьютерное моделирование. Рис. 1 Сборка схемы Выбрать элементы схемы из соответствующих библиотеки разместить их на экране, при этом используется метод drag and drop. Элемент выбирается и перетаскивается мышью на отведенное ему 6 место. Выбранный (активный) элемент выделяется красным цветом. При необходимости поворот элемента на о осуществляется с помощью соответствующей "кнопки" на панели инструментов или щелчком правой клавиши мыши на элементе из контекстного меню на команде" (вращение, или выделением элемента одним щелчком левой кнопки мыши, а затем одновременным нажатием на две клавиши – Ctrl и R. Если в рабочую зону был вынесен неверный элемент и его необходимо удалить или возникла необходимость в корректировке собранной схемы, то для этого необходимо выполнить следующую операцию. К условному обозначению элемента, который подлежит удалению, подвести курсор мыши и выделить его путём однократного нажатия правой кнопки мыши (при этом он будет выделен пунктирными линиями. Если необходимо удалить сразу несколько элементов, то их можно одновременно выделить путём нажатия левой кнопки мыши с последующим её удержанием и перемещением курсора по экрану таким образом, чтобы в образующийся прямоугольник попали все необходимые элементы, после чего их можно удалить путём нажатия клавиши "Dе1еtе" на клавиатуре. Для рисования соединительных линий (проводов) между выбранными элементами необходимо подвести курсор мыши к изображению одного из двух соединяемых элементов в том месте, где из него выходит конец соединительной линии после чего надо нажать левую кнопку мыши и, удерживая её в этом положении, подвести курсор к краю изображения другого соединяемого элемента после чего надо левую кнопку мыши отпустить, а затем однократно нажать снова левую клавишу. В результате произведённых операций будет нарисована соединительная линия между двумя элементами схемы (рис. 2). Рис. 2 Установка параметров собранной схемы 7 После того как необходимая схема будет собрана в рабочей зоне, необходимо задать как параметры отдельных её элементов (сопротивления, ёмкости, индуктивности, источника напряжения, источника тока, таки измерительных приборов (амперметра, вольтметра, включенных в схему. Данная операция осуществляется в следующей последовательности а выбрать элемент схемы путём подведения к нему курсора мыши б сделать два быстрых щелчка левой кнопкой "мыши" на изображении выбранного элемента в в появившемся окне (рис. 3) задать необходимые параметры элемента путем подводки курсора в соответствующую область и нажатия левой клавиши мыши. При необходимости в корректировке введенного значения следует удалить старое значение нажатием клавиши "Васksрасе", а затем ввести новое значение Рис. 3 8 г установить нужный порядок измерения задаваемой величины при помощи кнопок прокрутки порядка путём подведения к ним курсора и нажатия левой кнопки мыши д подтвердить заданное значение параметра путём нажатия "ОК". Окно задания параметров ёмкости и индуктивности выглядит аналогичным образом. Процесс задания значений их параметров происходит также по пунктам "ад. Источники Все источники в Multisim 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. Установка параметров источников Данная операция осуществляется в следующей последовательности а выбрать из тематической библиотеки соответствующий источник б сделать два быстрых щелчка левой кнопкой "мыши" на изображении выбранного источника (для примера выбран источник напряжения в) в появившемся окне (рис. 4) последовательно задать необходимые параметры источника путём подводки курсора в соответствующую область окна и нажатия левой кнопки мыши, после чего ввести значение параметра с клавиатуры. При необходимости в корректировке введенного значения следует удалить старое значение нажатием клавиши "Васksрасе ", а затем ввести новое значение г подтвердить заданные значения параметров источника напряжения путём нажатия "ОК". 9 Рис. Виртуальные измерительные приборы Виртуальные измерительные приборы, представленные в программе Multisim, имеют внешние лицевые панели приборов, которые достаточно близко совпадают с панелями физических приборов. Амперметр 10 Амперметр - измерительный прибор, который измеряет действующее значение тока в амперах. На панели прибора может быть указано значение тока в миллиамперах. В данном случае действующее значение тока, указанное на панели амперметра, равно 8,020 мА. Вольтметр Вольтметр - измерительный прибор, который измеряет действующее значение тока в вольтах. Вольтметр подключают параллельно участку цепи, на котором следует измерить напряжение. В данном случае действующее значение напряжения на сопротивлении, указанное на панели вольтметра, равно 3,208 В. Установка параметров вольтметров и амперметров Данная операция осуществляется в следующей последовательности а выбрать измерительный прибор (вольтметр, амперметр) на собранной схеме, параметры которого необходимо задать путём подведения к нему курсора "мыши б сделать два быстрых щелчка левой кнопкой мыши на изображении выбранного измерительного прибора в в появившемся окне задать режим работы прибора - АС, что соответствует работе его на переменном токе. Рекомендуется оставить значения внутренних сопротивлений измерительных приборов "по умолчанию, то есть не изменять их. Необходимо учесть, что АС – измерение переменного напряжения С – измерение постоянного напряжения. Ваттметр Ваттметр измерительный прибор, который измеряет активную мощность и коэффициент мощности. Ваттметр имеет две обмотки обмотку напряжения, которая включается параллельно исследуемому участку цепи, и токовую обмотку, которая включается последовательно с исследуемым участком. В данном случае указаны 11 свернутая и развернутая панели ваттметра. На развернутой панели указаны активная мощность – 25,748 мВт и коэффициент мощности – 0,454. Свернутую панель используют для подключения вольтметра к исследуемой цепи. Датчик тока Рис. 5 Иконка и расширенное изображение датчика тока представлены на рис. 5. Находится датчик тока в библиотеке Измерительные приборы. Датчик тока удобно использовать совместно с осциллографом, так как он позволяет осуществить гальваническую развязку между исследуемой цепью и многоканальным осциллографом. Коэффициент преобразования амперов в вольты можно менять в широких пределах. Осциллограф Осциллограф используют для анализа электромагнитных процессов во временной области. В программе Multisim доступны три разных осциллографа – двухканальный осциллограф (рис. 6), четырехканальный осциллограф (рис. 7) и осциллограф Agilent 54622D (в данных работах он не используется. На этих рисунках 12 представлены иконки осциллографов, которые необходимы при сборке схемы и расширенные экраны для регистрации мгновенных значений напряжений. Рис. 6. Рис. 7 13 Двух- и четырехканальный осциллографы работают практически одинаково и отличаются только количеством каналов. Следует отметить, что настройка осциллографа является достаточно сложной. Поэтому дадим описания работы и настройки осциллографа подробно. При этом укажем настройку двухканального осциллографа. Настройка четырехканального аналогична. Настройки виртуальных осциллографов напоминают настройки обычного осциллографа. Их основные параметры — напряжение в вольтах по вертикальной оси, время развертки по горизонтальной оси и синхронизация. Если вы умеете пользоваться физическим лабораторным осциллографом, то все эти настройки должны быть вам знакомы. Если вы незнакомы с лабораторным осциллографом, то изучение виртуальных осциллографов в программе Multisim позволит научиться работе с ним. Настройка виртуального осциллографа Для использования осциллографа (двухканального) щелкните по кнопке Oscilloscope на панели инструментов и затем щелкните по месту, где следует поместить иконку осциллографа в рабочей области. Иконку (рис. 8) используют для подключения осциллографа к схеме. Рис Дважды щелкните по иконке, чтобы открылась панель осциллографа (рис. 9). Осциллограф имеет два канала Аи В с раздельной регулировкой чувствительности по оси напряжений (ось Y). Для проведения измерений осциллограф нужно настроить, для чего следует задать 1. Нужный масштаб, по которму откладывается уровень сигнала (ось Y); 2. Нужный масштаб развертки по оcи времени (ось X). 14 3. Смещение начала координат по осям. 4. Режим работы по входу – закрытый или открытый. 5. Режим синхронизации – внутренний или внешний. Настройка осциллографа производится при помощи полей управления, расположенных на панели управления. Панель управления осциллографа разделена на четыре поля управления 1. Поле управления горизонтальной разверткой (масштабом времени. Рис. 9. 2. Поле управления каналом А. 3. Поле управления каналом В. 2. 4. Поле управления синхронизацией (запуском. Управление масштабом времени Поле управления горизонтальной разверткой (масштабом времени) служит для задания масштаба горизонтальной оси осциллографа при наблюдении напряжения на входах каналов Аи В в зависимости от времени. Временной масштаб задается от 10 +12 с/дел до 15 10 –12 с/дел. Масштаб может дискретно уменьшаться на один шаг при щелчке мышью на кнопке (^) справа от поля и увеличиваться при щелчке на кнопке (Чтобы получить удобное для наблюдения изображение на экране осциллографа, установите масштаб времени таким образом, чтобы цена двух делений на горизонтальной оси примерно была равна величине, обратно пропорциональной частоте исследуемого сигнала, те. составляла бы период сигнала. Например, если Вы хотите исследовать сигнал с частотой 1 кГц, установите масштаб времени равным 0,05 мс. C помощью кнопок, расположенных в поле строки Х Р, можно дискретно сдвигать начало осциллограммы по горизонтальной оси. В этом же поле расположены три кнопки У/Т, А/В, В/А, позволяющие задавать вид зависимости отображаемых сигналов. При нажатии на кнопку У/Т по вертикальной оси откладывается напряжение, по горизонтальной оси — время, при нажатии на кнопку А/В по вертикальной оси откладывается амплитуда напряжения на входе канала А, по горизонтальной оси - канала В и при нажатии на кнопку В/А, наоборот. При этом масштаб осей определяется установками соответствующих каналов. В режимах А/В и В/А можно наблюдать частотные и фазовые сдвиги (фигуры Лиссажу), петли гистерезиса, вольтамперные характеристики и т.д. Управление каналами Аи В Две нижние части панели осциллографа являются полями управления отображением сигналов, поданных на входы каналов Аи В соответственно, Верхнее окно в поле позволяет управлять масштабом оси отображаемого напряжения по вертикальной или горизонтальной оси. Цена деления может дискретно устанавливаться от 10 –12 Вдел до 10 +12 кВ/дел. Масштаб для каждой оси устанавливается отдельно. Чтобы получить удобное для работы изображение на экране осциллографа, перед началом эксперимента установите масштаб, соответствующий ожидаемому напряжению. Например, при подаче на вход переменного сигнала амплитудой 3 вольта установите масштаб вертикальной оси Вдел. 16 Ниже расположено поле, которое позволяет дискретно сдвигать ось Х вверх или вниз. Для того чтобы развести изображения от каналов Аи В, воспользуйтесь сдвигом по оси У (У pos ) для одного или двух каналов. Три нижние кнопки реализуют различные режимы работы осциллографа. Режим работы осциллографа с закрытым входом устанавливается нажатием на кнопку АС. В этом режиме на вход не пропускается постоянная составляющая сигнала. При нажатии на кнопку С осциллограф переходит в режим с открытым входом. В этом режиме на вход осциллографа пропускаются как постоянная, таки переменная составляющая сигнала. При нажатии па кнопку 0 вход осциллографа соединяется с общим выводом осциллографа, что позволяет определить положение нулевой отметки по оси У. Управление синхронизацией Правое поле управления Т (синхронизация) (рис. 10) определяет момент начала отображения осциллограммы на экране осциллографа. Первоначально луч располагается в левой части экрана и не перемещается, пока осциллограф не получит сигнала синхронизации. После получения сигнала луч начинает движение вправо и рисует на экране видимую линию. Достигнув правой части экрана, луч автоматически перемещается в его левую часть. Затем он останавливается и больше не двигается, пока не получит новый сигнал синхронизации. Кнопки в строке Запуск задают момент запуска осциллограммы по фронту, или по срезу, импульса. Рис. 10 17 Строка Уровень позволяет задавать уровень, при превышении которого происходит запуск осциллограммы. Значение уровня можно сдвинуть наделения вниз или вверх. Осциллограф имеет три режима синхронизации – автоматический, нормальный (обычный) и однократный. 1. Автоматический режим (Авто) – запуск осциллограммы производится автоматически при подключении осциллографа к схеме. Когда "луч" доходит до конца экрана, осциллограмма снова прописывается сначала экрана (новый экран. Запуск может быть по входу "А" или "В, в которых запускающим сигналом является сигнал, поступающий на соответствующий вход. Запуск может быть внешним (Внеш. В этом случае сигналом запуска является сигнал, подаваемый на входсинхронизации. Режим обычный (Норм. В этом режиме осциллограмма на экране неподвижна. Режим одноразовый (Одн.). Данный режим работает аналогично режиму Норм, за исключением того, что на экране формируется только одна кривая, а потом луч отключается. На экране осциллографа видны два курсора – красный курсор) и синий (курсор 2), при помощи которых можно измерить мгновенные значения напряжений в любой точке осциллограммы. Для этого просто перетащите мышью курсоры за треугольники в их верхней части в требуемое положение. Координаты точек пересечения первого курсора с осциллограммами отображаются на табло рис. 11). Т и Т – это координаты курсоров 1 и 2 соответственно. В столбце время приведены координаты каждого курсора повремени. В поле Т2–Т1 показана разность значений напряжений курсоров 2 и 1. Рис. 11 18 Функциональный генератор Функциональный генератор является идеальным источником напряжения, генерирующим напряжения синусоидальной, прямоугольной и треугольной форм. Его уменьшенное и увеличенное изображения приведены на рис. 12. Рис. 12 Средний зажим генератора (Общий) при подключении к схеме обеспечивает общую точку для отсчета амплитуды переменного напряжения. Для отсчета напряжения относительно нуля общий вывод заземляется. Напряжение на левом выводе принимается положительным, на правом — отрицательным. |