Введение в Multisim. 3x часовой курс. Телефон в Киеве 38 (068) 3942122 Телефон в Риге 371 (22) 38 8786 Телефон в Ереване
 Скачать 2.22 Mb.
|
|
Раздел II - Эмулирование Обзор эмулирования В то время как хорошая конструкция — следствие хорошей схемы, по настоящему отличные конструкции по лучаются только если у вас есть возможность их эмулировать. В Multisim есть множество функций и средств эму ляции, недоступных в других пакетах проектирования электроники. Эмуляция прибора позволяет снизить количество циклов разработки и ошибок при создании прототипа. Ес ли схема проверяется эмулированием прямо во время ее разработки, количество циклов проектирования замет но снижается. В Multisim встроен не только эмулятор мирового уровня SPICE, но и XSPICE, предназначенный для эффек тивного эмулирования цифровых компонентов. Патентованные средства соэмуляции позволяют тестировать схемы с компонентами, описанными на VHDL. Пакет MultiMCU позволяет включать в эмуляцию смешанной схемы определенные микроконтроллеры. Этот пакет доступен не во всех версиях Multisim. Модели По словам Рона Киловицки (Ron Kielowski), автора 2-го издания "Inside SPICE": "Точные результаты эмуляции не бывают случайными. Используемая модель и настройки эмулятора опреде лят скорость, точность и эффективность ваших результатов". Эту цитату можно сформулировать в следующем виде: Для точных результатов необходимы качественные мо дели и соответствующие настройки эмулятора. Multisim предлагает тысячи моделей SPICE, но все же иногда существуют ситуации, когда ваша собственная модель была бы лучшей. В Multisim входит средство создания моделей "Конструктор моделей" (Model Makers), который автоматичес ки сгенерирует модель на основании данных databook. Таким образом экономится ваше время и усилия, но что бы успешно работать с ними, нужно хорошо потренироваться. Начальные настройки Конструктора моделей соответствуют определенной модели. Они не фиксированы, с помощью данных databook можно выбрать компоненты и численные значения, соответствующие определенно му компоненту. Конструктор моделей запускается на 6-м шаге создания нового компонента с помощью мастера компонен тов. Также его можно запустить при редактировании компонента из базы данных: на закладке Модель (Model) окна свойств компонента (Component Properties) нажмите кнопку Добавить/редактировать (Add/Edit) и запусти те конструктор моделей соответствующей кнопкой (Start Model Maker). Модели SPICE можно найти на сайтах производителя микросхем, также опытные пользователи часто созда ют свои модели. Использование интерактивного эмулятора Перед началом эмуляции внимательно все проверьте. У всех схем должен быть источник и заземление. Когда все готово, нажмите кнопку запуска эмулятора [] [] или F5. Запустится интерактивная эмуляция. Настройки интерактивной эмуляции можно изменять в меню Эмуляция/Настройки интерактивной эмуля ции (Simulate/Interactive Simulation Settings). Некоторые из настроек приведены ниже, на рисунке 28. По умол чанию установлено время окончания эмуляции через 1е+30 секунд (где-то около 3,17 е+13 миллиардов лет). Шаг по времени генерируется автоматически. Рисунок 28 — Настройки интерактивной эмуляции ni.com/russia 18 Введение в Multisim Раздел II Эмулирование Чтобы посмотреть результаты, воспользуйтесь динамическим пробником «в . Просто нажмите иконку проб ника и курсор мыши будет выполнять его роль: при наведении на любой сегмент сети отобразятся следующие данные: • Напряжение (мгновенное, амплитуда, среднеквадратичное и постоянный сдвиг). • Частота. Результаты эмуляции также отображаются на виртуальных приборах. Они рассматриваются ниже в этом раз деле. В Multisim есть и более привычные средства анализа SPICE. Чтобы их запустить, нажмите на панели Само писец/Аналитика (Grapher/Analyses List) кнопку ^ - , или с помощью пункта меню Эмуляция/Анализ (Simulate/Analyses). Более подробно анализ обсуждается ниже более подробно. Обработка ошибок эмуляции Рано или поздно, даже у самых опытных пользователей может возникнуть ошибка во время эмуляции SPICE. Для поиска и исправления ошибок в Multisim служит Советник эмуляции (simulation advisor). Если появится сообщение об ошибке, как на рисунке 29, запустите Советника и просмотрите доступную ин формацию. Рисунок 29 — Диалоговое окно Информация об ошибке эмуляции Рисунок 30 — Советник эмуляции Чаще всего встречается две ошибки: задания времени (timestep error) и сингулярная матрица (singular matrix). В таблице 31 приведены возможные пути решения этих ошибок. Действие Измените начальные условия Настройка По умолчанию Ошибка: Временной шаг слишком маленький Увеличьте максимальный шаг по времени Увеличьте относительный допуск ошибки (relative error tolerance) Уменьшите сопротивление шунта Измените метод интеграции (при высокой мощности или в схемах с переключателями) Начальные условия ТМАХ RELTOL RSHUNT Автоматическое определение 1х10- 5 0.001 lxlO 12 METHOD Трапециидальньгй (Trapezoidal) Ошибка: сингулярная матрица Проверьте соединения Уменьшите порог диагонального элемента Увеличьте допустимый уровень заполнения PIVTOL PIVREL lxlO" 13 lxlO 1 3 Новое значение Установите ноль lxlO 3 0.01 lxlO 9 Зубчатый (Gear) Уменьшите до величины, меньшей указанной в сообщении об ошибке 1x10-11 Рисунок 31 — Общие решения ошибок эмуляции Введение в Multisim 19 © National Instruments Россия, СНГ, Балтия Раздел II Эмулирование Виртуальные приборы Виртуальные приборы — это модельные компоненты Multisim, которые соответствуют реальным приборам. Например, среди виртуальных приборов в Multisim есть осциллографы, генераторы сигналов, сетевые анализа торы и плоттеры боде. Виртуальные приборы — это простой и понятный метод взаимодействия со схемой, почти не отличающийся от традиционного при тестировании или создании прототипа. Разработчики, знакомые с National Instruments LabVIEW могут создавать свои собственные приборы буквально из ничего. Например, для моделирования электромагнитных помех можно сделать собственный генератор шума. Виртуальные приборы LabVIEW могут регистрировать реальные данные, пользоваться ими во время эмуля ции, отправлять данные на вывод аналоговых приборов. Таким образом, эмулированные данные могут управлять реальными приборами. Для создания виртуальных приборов среда разработки LabVIEW необходима, а для ис пользования уже созданных — нет. Чтобы добавить виртуальный прибор, выберите его с панели Приборов (Instruments), рисунок 32. Чтобы по смотреть лицевую панель прибора, дважды кликните на иконку прибора. Терминалы прибора соединяются с элементами схемы так же, как и для других компонентов. В Multisim также есть эмулированные реально-существующие приборы. К таким приборам относится Tektronix TDS 2024 Oscilloscope. Они выглядят и действуют точно в соответствии с техническим описанием про изводителя. Рисунок 32 — Панель приборов В каждой схеме может быть много приборов, включая и копии одного прибора. Кроме того, у каждого окна схемы может быть свой набор приборов. Каждая копия прибора настраивается и соединяется отдельно. В этом разделе рассмотрены наиболее популярные приборы. Более подробная информация о каждом прибо ре есть в руководстве пользователя Multisim (User Guide) и в файле справки (helpfile). ni.com/russia 20 Введение в Multisim Раздел II Эмулирование Упражнение 1 - Работа с приборами Приблизительное время выполнения: 20 минут В этом упражнении демонстрируется интерактивный эмулятор и виртуальные приборы. К концу упражнения пользователь научится размещать приборы, открывать их лицевые панели и настраивать различные параметры. Цель • Научиться размещать и соединять виртуальные приборы • Научиться настраивать приборы. Выполнение 1) Загрузите схему 40kFilter2.ms9. Во время выполнения шагов 2-4 обратитесь к рисунку 20. 2) Замените Тактовый генератор (Clock Source) Генератором сигналов (Function Generator). После размеще ния дважды кликните его иконку, чтобы открыть переднюю панель и введите следующие параметры:: • Волновой фронт (Waveform) = синусоидальный (sinewave) • Амплитуда (Amplitude) = 1 В. • Частота (Frequency) = 40 кГц 3) Закройте панель приборы. 4) Поместите Плоттер Боде (Bode plotter) между входным и выходным узлами. Двойным щелчком откройте прибор и введите настройки, указанные ниже. После этого запустите эмуляцию и исследуйте результаты. • Установите величину (Magnitude) • Горизонтальную I (Initial — начальная) = 1 кГц, F (Final — конечная) = 1 МГц • Вертикальная I (Initial — начальная) = -50 дБ, F (Final — конечная) = 10 дБ 5) Поместите осциллограф чтобы измерить входное и выходное напряжения. Дважды кликните иконку ос циллографа и введите следующие параметры: • Цена деления по времени (Timebase) = 20 мкс/дел. • Канал А= 1 В/дел • Канал В = 1 В/дел 6) Цвет проводника, подключенного к прибору определяет цвет на экране прибора. Убедитесь, что проводни ки от выходного разъема до операционного усилителя голубые. В противном случае, в контекстном меню участка проводника выберите команду "Цвет проводника" (Wire Color) и измените цвет. 7) Измените значение потенциометра (R3), нажав "А", чтобы увеличить сопротивление и "Shift-A", чтобы его уменьшить. Изучите изменение данных на экране осциллографа. На заметку: Данные Графика Боде изменятся только после перезапуска эмуляции. 8) Во время работы эмуляции воспользуйтесь прибором "Пробник" (Measurement Probe) чтобы проверить уровни напряжения в схеме. Он находится в конце панели приборов. Конец упражнения Введение в Multisim 21 © National Instruments Россия, СНГ, Балтия Раздел II Эмулирование Мультиметр Мультиметр предназначен для измерения переменного или постоянного тока или напряжения, сопротивле ния или затухания между двумя узлами схемы. Диапазон измерений мультиметра подбирается автоматически. Его внутреннее сопротивление и ток близки к идеальным значениям, но их можно изменить. Рисунок 33 — Символ мультиметра Рисунок 34 — Лицевая панель мультиметра Генератор сигналов Генератор сигналов (function generator) — это источник напряжения, который может генерировать синусои дальные, 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 несколько герц до аудио и радиочастотных. У генератора сигналов есть три терминала-источника импульсов. Общий центральный терминал определяет положение нуля. ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ Рисунок 35 — Символ генератора сигналов Рисунок 36 — Лицевая панель Генератора сигналов Осциллографы В Multisim есть несколько модификаций осциллографов, которыми можно управлять как настоящими. Они позволяют устанавливать параметры временно развертки и напряжения, выбирать тип и уровень запуска изме рений. Данные специальные осциллографов Multisim можно посмотреть после эмуляции с помощью самописца (Grapher) из меню Вид/Плоттер (View/Grapher). Рисунок 37 — Символ осциллографа Рисунок 38 — Лицевая панель осциллографа ni.com/russia 2 2 Введение в Multisim Раздел II Эмулирование 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. Рисунок 39 — Схематическая диаграмма осциллографа Tektronix Рисунок 40 — Лицевая панель осциллографа Tektronix Плоттер Боде Плоттер Боде отображает относительный фазовый или амплитудный отклик входного и выходного сигнала. Это особенно удобно при анализе свойств полосовых фильтров. Рисунок 41 — Символ генератора сигналов Спектральный анализатор Рисунок 42 — Лицевая панель генератора сигналов Спектральный анализатор (spectrum analyzer) служит для измерения амплитуды гармоники с заданной частотой. Также он может измерить мощность сигнала и частотных компонент, определить наличие гармоник в сигнале. Результаты работы спектрального анализатора отображаются в спектральной области, а не временной. Обыч но сигнал — это функция времени, для ее измерения используется осциллограф. Иногда ожидается синусоидаль ный сигнал, но он может содержать дополнительные гармоники. В результате, невозможно измерить уровень сигнала. Если же сигнал измеряется спектральным анализатором, получается частотный состав сигнала, т.е. амп литуда основной и дополнительных гармоник. Рисунок 43 — Символ Спектрального анализатора Рисунок 44 — Лицевая панель спектрального анализатора. Function Generator Front Panel Введение в Multisim 23 © National Instruments Россия, СНГ, Балтия Раздел II Эмулирование Приборы N1 LabVIEW В состав Multisim входит четыре разных виртуальных прибора N1 LabVIEW: микрофон (microphone), динамик (speaker), генератор сигналов (signal generator) и анализатор сигналов (signal analyzer). Их символы приведены на рисунке 45, а лицевая панель динамика — на рисунке 46. Микрофон (Microphone) — Записывает звук устройствами аудио записи компьютера и выдает эти данные как источник сигнала. Динамик (Speaker) — Проигрывает входящие звуковые данные на динамике компьютера. Генератор сигналов (Signal Generator) — Генерирует синусоидальный, треугольный, прямоугольный и пилооб разный сигналы.. Анализатор сигналов (Signal Analyzer) — Отображает временной профиль, энергетический спектр или бегущее среднее входящего сигнала. Рисунок 45 — Символы приборов N1 LabVIEW Рисунок 46 — Пример лицевой панели прибора Необходимые приборы можно создать в графической среде разработки N1 LabVIEW. Этим приборам доступ ны все возможности LabVIEW: сбор данных, управление приборами, математический анализ и многие другие. Например, вы можете зарегистрировать реальный сигнал с помощью платы сбора данных или модульногс прибора N1 и воспользоваться полученными данными в эмуляции схемы Multisim. Также можно сделать прибор, который отображает данные эмуляции и одновременно результаты вычисление (бегущего среднего, спектра мощности) на основании этих данных. Приборы N1 LabVIEW могут использоваться как устройства ввода, так и вывода данных. Приборы ввода ото бражают или обрабатывают данные. Приборы вывода генерируют данные, которые станут источником в эмуля ции. Один прибор N1 LabVIEW не может быть одновременно прибором и ввода и вывода данных. Еще одно различие между приборами ввода и вывода данных: первые постоянно получают данные во вреш работы эмуляции. В отличие от них, приборы вывода данных генерируют конечный набор данных и передают его в Multisim Эти данные используются в эмуляции схемы. Приборы вывода данных не могут постоянно генерировать данньк во время работы эмуляции. Для ввода в схему новых данных, остановите эмуляцию, измените данные и переза пустите эмуляцию. Приборы вывода данных предоставляют создателю или пользователю возможность повторения выходны: данных. В настройках прибора LabVIEW необходимо указать период повторения данных, в противном случа< эмулятор будет считать, что поступает 0 В. после окончания данных. Если прибор настроен на повтор данных сигнал будет повторяться до окончания эмуляции. Приборы ввода данных позволяют пользователю или создателю установить частоту оцифровки. Это частот; регистрации данных Multisim, аналогично частоте оцифровке прибора сбора данных или модульного прибора регистрирующего реальный сигнал. При выборе частоты оцифровки необходимо учитывать теорему Найквиста Обратите внимание, что чем больше частота оцифровки, тем медленнее будет работать эмуляция. Для создания и изменения приборов N1 LabVIEW необходима среда разработки N1 LabVIEW версии 8.0 ил] выше. ni.com/russia 24 Введение в Multisir Note: If using the Speaker instrument in conjunction with the Microphone instrument, set the Sample Rate of the two instruments to be the same, Otherwise, set the Sample Rate of the Speaker to be at least twice the frequency of the input signal. Микрофон Генератор сигналов Динамик Анализатор сигналов Раздел II Эмулирование Для использования приборов N1 LabVIEW на компьютере должен быть установлен N1 LabVIEW Run-Time Engine. Его версия должна совпадать с версией LabVIEW, в которой был создан прибор. N1 LabVIEW Run-Time Engine 8.0 как элемент Electronics Workbench Shared Components входит в комплект установки Multisim. Анализ В Multisim входит множество средств анализа данных эмуляции, от простых до самых сложных, в том числе и вложенных. Чтобы начать анализ, выберите пункт меню Эмуляция/Анализ (Simulate/Analyses) и выберите нуж ную функцию. Список всех функций Multisim приведен на рисунке 47. Кроме встроенных функций анализа, есть возможность определить свою функцию с помощью команд SPICE. При подготовке к анализу, настройте его параметры, например, диапазон частот для анализатора переменно го тока (AC analysis). Также здесь необходимо выбрать выходные каналы (traces). Чтобы не запутаться при про смотре результатов, имена каналов лучше делать осмысленными. Результаты отображаются на графиках Multisim Grapher и сохраняются для последующей обработки Postprocessor. Некоторые результаты сохраняются в кон трольной записи (audit trail), которую тоже можно просмотреть. Рисунок 47 — Функции анализа Рисунок 48 — Диалоговое окно настроек АС Analysis Плоттер Плоттер (Grapher) — основной инструмент просмотра результатов эмуляции. Он открывается из меню Вид/Плоттер (View/Grapher) и автоматически при работе эмуляции. Различные части окна плоттера перечисле ны на рисунке 49. Данные отображаются на графике graph и в таблице chart. График — это одна или несколько зависимостей вдоль вертикальной или горизонтальной оси. В таблице представлены строки и колонки текстовых данных. Ок но разделено на несколько закладок, число которых зависит от работающих функций анализа. У каждой закладки есть две возможные активные зоны, указанные красной стрелкой на левом поле: всей за кладки, около ее имени, или активного графика (таблицы). Некоторые функции, например, копирования, вставки, вырезания влияют только на активную область, поэтому проверьте, что выделена нужная область перед выполнением такого действия. Введение в Multisim 25 © National Instruments Россия, СНГ, Балтия DC Operating Point,,. AC Analysis Transient Analysis.., Fourier Analysis... Noise Analysis... Noise Figure Analysis... Distortion Analysis,,, DC Sweep.., Sensitivity... Parameter Sweep... Temperature Sweep.,. Pole Zero.., Transfer Function.,. Worst Case... Monte Carlo... Trace Width Analysis... Batched Analysis... User Defined Analysis... RF Analyses Раздел II Эмулирование Имя закладки, щелкните мышью, чтобы отобразить.. Здесь появится красная стрелка Область графика (таблицы) на закладке. На заметку на красную стрелку, которая показывает, что это активная область Выбранный график выделен треугольниками на зависимости и в полоске состояния (Status bar) Если не выделен ни один график, в полоске состояния отображается выбранная закладка Рисунок 49 — Плоттер Множество настроек плоттера находятся в окне свойств. Можно изменять масштабы, диапазоны, заголовки, стили линий осей и многие другие параметры. Чтобы открыть окно настроек страницы (Page Properties) или ок на стандартных свойств, воспользуйтесь пунктами меню Редактировать/Настройки страницы (Edit/Page Properties) или Редактировать/Свойства (Edit/Properties), рисунки 50 и 51 соответственно. Рисунок 50 — Настройки страницы плоттера Рисунок 51 — Свойства графика Курсоры можно перетаскивать с помощью левой кнопки мыши. Настройки передвижения курсора задаются в его контекстном меню. Можно переместить курсор на заданное значение по оси X, Y, или к следующему ми нимуму или максимуму в любом направлении (рисунок 52). Курсоры, легенды и линии графика можно скрыть или отобразить с помощью кнопок панели (рисунок 53). Set X_Value Set Y_Value => Set Y_Value <= Go to next Y_MAX => Go to next Y_MAX <= Go to next Y_MIN => Go to next Y_MIN <= Select Trace ID Hide Select Marks , Рисунок 52 — Возможные перемещения курсора ni.com/russia 26 Введение в Multisim Раздел II Эмулирование Результаты можно экспортировать в N1 LabVIEW, Excel или MathCAD. Также их можно сохранить в одном из следующих форматов: данные LabVIEW (.LVM или .TDM), с разделением запятыми (.CSV) и в виде текста. Чтобы сохранить данные плоттера, в меню Файл/Сохранить как (File/Save As) выберите необходимый формат. Настройки масштабирования. Подробнее смотри "Масштаб и исходный вид Отображает/скрывает легенду графика. Подробнее смотри "Линии сетки и легенды' Смотри "Работа с закладками плоттера Смотри "Работа с графиками" Применяет свойства таблицы Отображает/скрывает линии сетки. Подробнее смотри "Линии сетки и легенды" Включение/отключение негативного отображения графика или таблицы Отображает/скрывает курсоры и данные. Подробнее смотри "Курсоры" Копирует свойства таблицы Накладывает зависимости Позволяет экспортировать данные в Excel. Смотри "Экспорт в Excel" Позволяет экспортировать данные в LabVIEW. Смотри "Экспорт в LabVIEW" Позволяет экспортировать данные в MathCAD. Смотри "Экспорт в MathCAD" Рисунок 53 — Панель плоттера Введение в Multisim 2 7 © National Instruments Россия, СНГ, Балтия Раздел II Эмулирование Упражнение 5 - Работа с функциями анализа Примерное время выполнения: 35 минут В этом упражнении пользователи продолжат изучение полосового фильтра с помощью функций анализа. На основе функций анализа переменного тока, переходных процессов, Фурье и Монте-Карло пользователи на учатся работать с настройками функций и плоттера. Цели • Сравнить анализ переменного тока (AC Analysis) с плоттером Боде • Сравнить анализ переходных процессов (Transient Analysis) с осциллографом. • Использовать выражения для анализа • Понять, как настраивать и запускать Фурье Анализ • Понять, как устанавливать допуски (tolerances) и запускать анализ Монте-Карло • Научиться управлять форматом вывода плоттера Выполнение 1) Загрузите схему 40kFilter3.ms9. На заметку, что на выходе фильтра добавлено нагрузочное сопротивление (Rload). Это необходимо для проведения анализа потребляемой мощности. 2) Запустите эмуляцию, чтобы получить графики Боде и временной зависимости. Откройте панель инстру ментов двойным щелчком по иконкам графика Боде (Bode plotter) и Осциллографа (Oscilloscope). Запусти те эмуляцию, нажав на кнопку с молнией или кнопку F5. Остановите эмуляцию после отображения графи ка Боде. Закройте панели инструментов кнопкой Закрыть (Close) на каждой из них. На заметку: также мож но открывать и закрывать панели инструментов двойным щелчком по соответствующей иконке. 3) Откройте настройки функции анализа переменного тока: Эмуляция/Анализ/Анализ переменного тока (Simulate/Analyses/AC Analysis). а) На закладке Результаты (Output) удалите все переменные из колонки "Выбранные переменные" (Selected variables) таблицы анализа в правой части диалогового окна. Для этого выберите все переменные в колон ке и нажмите Удалить (Remove). b) Выберите выходную переменную $ и нажмите Добавить (Add). c) Точка тестирования (test point) перейдет в правую часть, под "Выбранные для анализа переменные". 4) Проверьте выходные параметры и эмуляцию. 5) Нажмите Эмулировать (Simulate). Откроется плоттер с несколькими закладками. Последние три будут: осциллограф, плоттер Боде, анализ переменного тока. Сравните графики плоттера Боде и анализа переменного тока. 6) Следующие шаги позволят вам настроить свойства графика функции анализа переменного тока. Это об щие методы настройки любого графика. 7) Левым щелчком на графике Амплитуда (Magnitude) (верхний график) сделайте его активным. Активный график выделен небольшой стрелкой в левой части окна. а) Кликните правой кнопкой на левой оси, чтобы открыть свойства графика (Graph Properties), i) Выберите закладку Левая ось (Left Axis), ii) Введите следующие параметры на этой закладке: Hi) В разделе Масштаб (Scale) выберите децибелы (Decibels), iv) В диалоге Метки (Label) наберите Gain (dB) (или Усиление, дБ), v) В разделе Ось (Axis) выберите Включена (Enabled) и Толщина линии (Pen Size) 1. vi) В разделе Диапазон (Range) установите нижний предел -50, а верхний 10. ni.com/russia 28 Введение в Multisim |