Исследование преселектора радиоприемника. Лабораторная работа 1 Изучение программы схемотехнического моделирования Multisim
 Скачать 0.69 Mb.
|
|
Лабораторная работа 1 «Изучение программы схемотехнического моделирования Multisim». Программа схемотехнического моделирования Multisim Введение Первые версии программы имели название Electronics Workbench и разраба- тывались фирмой с одноименным названием. Программа имела очень простой и интуитивно понятный графический интерфейс. В настоящее время фирма Electronics Workbench является дочерней компанией, которой полностью владеет фирма National Instruments Corporation. Особенностью программы Multisim является наличие виртуальных измери- тельных приборов, имитирующих реальные аналоги. В состав Multisim входят эф- фективные средства графической обработки результатов моделирования. Другая важная особенность программы заключается в том,что Multisim поддерживает взаимодействие с графической средой LabVIEW, предназначенной для разработки программно-аппаратных средств измеренияи управления. NI Multisim 10.0 позволяет объединить процессы разработки электронных устройств и тестирования на основе технологии виртуальных приборов для учеб- ных и производственных целей Подразделение Electronics Workbench Group ком- пании National Instruments анонсировало выпуск Multisim 10.0 и Ultiboard 10.0, са- мых последних версий программного обеспечения для интерактивного SPICE- моделирования и анализа электрических цепей, используемых в схемотехнике, проектировании печатных плат и комплексном тестировании. Эта платформа свя- зывает процессы тестирования и проектирования, предоставляя разработчику элек- тронного оборудования гибкие возможности технологии виртуальных приборов. Совместное использование программного обеспечения для моделирования элек- трических цепей Multisim 10.0 компании National Instruments со средой разработки измерительных систем LabVIEW, позволяет сравнивать теоретические данные с реальными непосредственно в процессесоздания схем обычных печатных плат, что снижает количество проектных итераций, число ошибок в прототипах и ускоряет выход продукции на рынок. Можно использовать Multisim 10.0 для интерактивного создания принципи- альных электрических схем и моделирования их режимов работы. «Multisim 10.0 составляет основу платформы для обучения электротехнике компании National Instruments, включающей в себя прототип рабочей станции NI ELVIS и NI LabVIEW. База данных компонентов включает более 1200 SPICE-моделей элементов от ведущих производителей, таких как Analog Devices, Linear Technology и Texas Instruments, а также более 100 новых моделей импульсных источников питания. Помимо этого, в новой версии программного обеспечения появился помошник Convergence Assistant, который автоматически корректирует параметры SPICE, ис- правляя ошибки моделирования. Добавлена поддержка моделей МОП- транзисторов стандарта BSIM4, а также расширены возможности отображения и анализа данных, включая новый пробник для значений тока и обновленные стати- ческие пробники для дифференциальных измерений. «Горячие» клавиши Ctrl+N Создать новый файл Ctrl+O Открыть файл Ctrl+S Сохранить текущий файл Ctrl+P Печать графиков / текущий файл Ctrl+Z Отмена действия Ctrl+X Вырезать Ctrl+C Копировать Ctrl+V Вставить Ctrl+D Открывает Circuit Description Box Ctrl+F Поиск Delete Удалить выделенную группу Ctrl+W Выбор устройств Ctrl+J Вставка узла Ctrl+Q Добавление провода Ctrl+I Вставка коннектора Ctrl+B Вставка подсхемы Ctrl+T Вставка текста F5 Запуск схемы F6 Пауза Alt+Y Зеркальное отображение по вертикали Alt+X Зеркальное отображение по горизонтали Ctrl+R Поворот на 90 вправо Ctrl+Shift+R Поворот на 90 влево Клавиши курсора Перемещает выделенное устройство влево, вправо, вверх, вниз Среда Multisim Обзор компонентов В Multisim имеются базы данных трех уровней: 1. Главная база данных. Из Главной базы данных (Master Database) можно только считывать информацию, в ней находятся все компоненты; 2. Пользовательская база данных ( User Database) соответствует текущему пользователю компьютера. Она предназначена для хранения компонентов, которые нежелательно предоставлять в общий доступ; 3. Корпоративная база данных (Corporate Database). Предназначена для тех компонентов, которые должны быть доступны другим пользователям по сети. Средства управления базами данных позволяют перемещать компоненты, объединять две базы в одну и редактировать их. Все базы данных разделяются на группы, а они, в свою очередь, на семейства. Когда пользователь выбирает компо- нент и помещает его в схему, создается новаякопия, Все изменения с ней никак не затрагивают информацию, хранящуюся в базе данных. База данных Master Database разделена на группы: 1) Sources. Cодержит все источники напряжения и тока, заземления. Напри- мер, power sources (источники постоянного, переменного напряжения, заземление, беспроводные соединения - VCC, VDD, VSS, VEE), signal voltage sources (источни- ки прямоугольных импульсов, источник сигнала через определенные промежутки времени), signal current sourses (постоянные, переменные источники тока, источни- ки прямоугольных импульсов); 2) Basic. Содержит основные элементы схемотехники: резисторы, индуктив- ные элементы, емкостные элементы, ключи, трансформаторы, реле, коннекторы и т.д.; 3) Diodes. Содержит различные виды диодов: фотодиоды, диоды Шоттки, светодиоды и т.д.; 4) Transistors. Содержит различные виды транзисторов: pnp-,npn- транзисторы, биполярные транзисоры, МОП-транзисторы, КМОП-транзисторы и т.д.; 5) Analog. Содержит все виды усилителей: операционые, дифференциаль- ные, инвертирующие и т.д.; 6) TTL. Содержит элементы транзисторно-транзисторной логики; 7) CMOS. Содержит элементы КМОП-логики; 8) MCU Module – управляющий модуль многопунктовой связи (от англ. mul- tipoint control unit); 9) Advanced_Peripherals. Содержит подключаемые внешние устройства (дис- плеи, терминалы, клавишные поля); 10) Misc Digital. Содержит различные цифровые устройства; 11) Mixed. Содержит комбинированные компоненты; 12) Indicators. Содержит измерительные приборы ( вольтметры,амперметры), лампы и т.д. Виртуальные приборы Мультиметр (multimeter) предназначен для измерения переменного или по- стоянного тока или напряжения, сопротивления или затухания между двумя узлами схемы. Диапазон измерений мультиметра подбирается автоматически. Его внут- реннее сопротивление и ток близки к идеальным значениям, но их можно изме- нить. Генератор сигналов (function generator) – это источник напряжения, кото- рый может генерировать синусоидальные, пилообразные ипрямоугольные импуль- сы. Можно изменить форму сигнала, его частоту, амплитуду, коэффициент запол- нения и постоянный сдвиг. Диапазон генератора достаточен, чтобы воспроизвести сигналы с частотами от нескольких герц до аудио и радиочастотных. Осциллограф (oscilloscope). В Multisim есть несколько модификаций осцил- лографов, которыми можно управлять как настоящими. Они позволяют устанавли- вать параметры временной развертки и напряжения, выбирать тип и уровень запус- ка измерений. Данные осциллографов можно посмотреть после эмуляции с помо- щью самописца (Grapher) из меню Вид\Плоттер (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 Построитель частотных характеристик (Bode Plotter). Этот прибор пред- назначен для построения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик линейных цепей. Это особенно удобно при анализе свойств полосовых фильтров. Анализатор спектров (spectrum analyzer) служит для анализа спектров пе- риодических несинусоидальных колебаний, измерения амплитуд гармоник. С его помощью можно измерить мощность сигнала и частотных компонент, определить наличие гармоник в сигнале. Ваттметр (wattmeter). Прибор предназначен для измерения мощности и ко- эффициента мощности цепи синусоидального тока. Токовый пробник Измерительный пробник. Показывают постоянные и переменные напряже- ния и токи на участке цепи, а также частоту сигнала. Режимы анализа В Multisim предусмотрено множество режимов анализа данных эмуляции, от простых до самых сложных, в том числе и вложенных. Основные виды анализа: 1) DC – анализ цепи на постоянном токе. Анализ цепей на постоянном токе осуществляется для резистивных схем. Это правило следует напрямую из теории электрических цепей. При анализе на по- стоянном токе конденсаторы заменяют разрывом, катушки индуктивности – корот- ким замыканием, нелинейные компоненты, такие как диоды и транзисторы, заме- няют их сопротивлением постоянному току в рабочей точке. Анализ цепи на по- стоянном токе выявляет узловые потенциалы исследуемой схемы 2) AC – анализ цепи на переменном токе. Анализ цепей на переменном токе заключается в построении частотных ха- рактеристик. 3) Transient – анализ переходных процессов. Анализ переходных процессов в цепях позволяет определить форму выход- ного сигнала, то есть построить график сигнала как функции времени. Чтобы на- чать анализ, выберите пункт меню Simulate\ Analyses и выберите требуемый ре- жим. Список всех функций Multisim приведен на рисунке: Кроме встроенных функций анализа есть возможность определить свою функцию с помощью команд SPICE. При подготовке к анализу необходимо настроить его параметры, например, диапазон частот для анализатора переменного тока (AC analysis). Необходимо так- же выбрать выходные каналы (traces). Плоттер (Grapher) – основной инструмент просмотра результатов эмуляции. Он открывается из меню View/Grapher и автоматически при работе эмуляции. Множество настроек плоттера находятся в окне свойств. Например, можно изменять масштабы, диапазоны, заголовки, стили линий осей. Postprocessor и Grapher — это программы пакета Multisim, которыепозво- ляют отобразить результаты моделирования в графическом виде.Данная функция позволяет строить необходимые графики послепроведенного анализа. Для работы с функцией Postprocessor необходимознать названия узлов. Только те параметры (входные и выходныепеременные), которые указываются при выполнении любого видаанализа(AC Sweep, DC Sweep, Transient Analysis и т.д.) отображаются на графиках функции Postprocessor и Grapher. С помощью данной функции можно создать несколько графиков, изменять параметры графика, удалять объекты, производить логические и алгебраические операции над графиками (сложение, умножение, возведение в квадрат и т.д.). Вызов функции: Создание графика: -внесение данных, необходимых для построения: Select simulation results-добавление данных проведенного анализа. Variables-переменные, необходимые для построения графика. Functions-алгебраические действия над графиками. В окне Expressions available выбираем необходимые графики для построения. Общие правила моделирования При моделировании схем необходимо соблюдать следующие общие правила: 1) Любая схема должна обязательно содержать хотя бы один символ зазем- ления. 2) Любые два конца проводника либо контакта устройства, встречающихся в точке, всегда считаются соединенными. При соединении трех концов (Т - соедине- ние) необходимо использовать символ соединения (узел). Те же правила применя- ются при соединении четырех и более контактов. 3) В схемах должны присутствовать источники сигнала (тока или напряже- ния), обеспечивающие входной сигнал, и не менее одной контрольной точки (за исключением анализа схем постоянного тока). Требования к топологии схем 1) В схеме не должны присутствовать контуры из катушек индуктивности и источников напряжения. 2) Источники тока не должны соединяться последовательно 3) Не должно присутствовать короткозамкнутых катушек 4) Источник напряжения должен соединяться с катушкой индуктивности и трансформатором через последовательно включенный резистор. К конденсатору, подключенному к источнику тока, обязательно должен быть параллельно присое- динен резистор. Пример моделирования схемы В качестве иллюстрации рассмотрим моделирование усилительного каскада на биполярном транзисторе. Построим графики зависимости выходного и входного напряжений от времени, передаточную характеристику, амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики. 1) Соберем исследуемую схему в среде Multisim Примечание: -двойное нажатие левой кнопкой мыши на элемент позволяет изменить его параметры -для удобства при работе можно изменять цвет проводов (выделяем провод правой кнопкой мыши и в появившемся контекстном меню выбираем Change Color) 2) Запускаем режим моделирования, осциллограф автоматически строит гра- фики зависимости входного и выходного напряжений от времени (для того, чтобы их посмотреть, достаточно нажать левой кнопкой мыши на осциллографе). В активном окне Oscilloscope-XSC1 можно увеличивать и уменьшать мас- штаб, сдвигать графики по осям ординат и абсцисс, с помощью курсора смотреть параметры в каждой точке графика ( здесь- значение напряжения), с помощью кнопки Save можно сохранить данные осциллографа в виде таблицы в текстовом файле. 3) Построение аналогичных графиков с помощью Transient Analysis. С по- мощью кнопки плоттера отображение курсоров и данных можно посмотреть зна- чение напряжений в любой точке. При анализе графики для удобства отображают- ся разными цветами. В окне Transient Analysis на вкладке Output выбираем необходимые для анализа величины, а на вкладке Analysis Parameters можно установить начальное и конечное время анализа (такие же действия производятся в любом виде анализа). 4) Построение передаточной характеристики (зависимость выходного на- пряжения от входного) с помощью DC-Sweep Analysis. Работа в плоттере (Grapher View) с графиком осуществляется аналогично. 5) Построение АЧХ и ФЧХ (с помощью AC-Analysis). Примеры собранных схем Пример 1. Эмиттерный повторитель Пример 2. Эмиттерный повторитель на составном транзисторе Зависимость входного и выходного напряжений от времени (красное - входное напряжение, синее - выходное) Передаточная характеристика эмиттерного повторителя Пример 3. Усилительный каскад на МОП-транзисторе График выходного напряжения АЧХ усилительного каскада Пример 4. Исследование дифференциального усилителя на биполярном транзисторе Пример 5. Дифференциальный усилитель на МОП-транзисторе Выходное напряжение Передаточная характеристика усилителя для дифференциального сигнала Исследование ДУ при действии синфазного сигнала Передаточная характеристика усилителя для синфазного сигнала |