Составление схем и моделирование их работы
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ
ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ
Кафедра «Электротехника и Электроника»
КОМПЬЮТЕРНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ
ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ
МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
по использованию программы моделирования электрических и электронных устройств “Electronics Workbench 5.12”
МОСКВА 2004
Аннотация
Данная работа предназначена для преподавателей использующих в своей работе программу ELECTRONIC WORKBENCH и студентов, изучающих Электротехнику и Электронику.
Методические указания позволяют преподавателям быстро освоить моделирование электрических и электронных схем с помощью данной программы, а студентам самостоятельно или под руководством преподавателя получить навыки работы с программой ELECTRONIC WORKBENCH и помочь в выполнении лабораторно-практических работ по всем разделам дисциплины.
Автор: к.т.н., доцент Белов Н.В.
Рецензент: д.т.н., профессор Шкатов П.Н.
Заведующий кафедрой
д.т.н., профессор Шатерников В.Е.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
по использованию программы моделирования электрических и электронных устройств “Electronics Workbench 5.12”
Основные элементы программы
1.1. Рабочее окно программы
1.2. Основные меню и команды
1.2.1. Меню File (Файл) для работы с документами
кнопка 
и команда New – для создания новых документов;
кнопка 
и команда Open – для открытия документов;
кнопка 
и команда Save – для сохранения документов;
кнопка 
и команда Print – для печати документов.
1.2.2. Меню Edit (Правка) для правки документов
кнопка 
и команда Cut – для вырезания фрагментов документов;
кнопка 
и команда Copy – для копирования фрагментов документов;
кнопка 
и команда Paste – для вставки фрагментов документов.
1.2.3. Меню Circuit для подготовки схем и задания параметров
кнопка 
и команда Rotate – для вращения компонентов схем;
кнопка 
и команда Flip Horizontal – для зеркального отображения
компонентов схем по горизонтали;
кнопка 
и команда Flip Vertical – для зеркального отображения
компонентов схем по вертикали;
кнопка 
и команда Zoom Out – для уменьшения компонентов и схем;
кнопка 
и команда Zoom In – для увеличения компонентов и схем.
Компоненты и измерительные приборы.
2.1. Строка основных групп компонентов схем. Группы компонентов вызываются однократным нажатием левой кнопки мыши на клавишу в окне.
2.1.1. Кнопка 
и группа компонентов Sources –для моделирования источников питания электрических схем;
2.1.2. кнопка 
и группа компонентов Basic –для моделирования пассивных компонентов электрических схем;
2.1.3. кнопка 
и группа компонентов Diodes –для моделирования полупроводниковых диодов;
2.1.4. кнопка 
и группа компонентов Transistors –для моделирования биполярных и полевых транзисторов;
2.1.5. кнопка 
и группа компонентов Analog ICs –для моделирования операционных усилителей;
2.1.6. кнопка 
и группа компонентов Logic Gates –для моделирования логических элементов;
2.1.7. кнопка 
и группа компонентов Digital –для моделирования триггеров;
2.1.8. кнопка 
и группа компонентов Indicators –для моделирования амперметров, вольтметров, индикаторных ламп и др.;
2.1.9. кнопка 
и группа компонентов Instruments –для моделирования мультиметра, осциллографа, генератора функций и др.;
2.1.10. кнопка 
и группа компонентов Miscellaneous –для моделирования элементов автоматики.
2.2. Строка группы SOURCES и некоторые компоненты
2.2.1. кнопка 
и компонент Ground –заземление;
2.2.2. кнопка 
и компонент Battery –источник постоянного напряжения, величина которого задается с помощью соответствующего диалогового окна;
2.2.3. кнопка 
и компонент DC Current Source –источник постоянного тока, величина которого задается с помощью соответствующего диалогового окна;
2.2.4. кнопка 
и компонент AC Voltage Source –источник переменного напряжения, величина которого задается с помощью соответствующего диалогового окна;
2.2.5. кнопка 
и компонент AC Current Source –источник переменного тока, величина которого задается с помощью соответствующего диалогового окна.
2.3. Строка группы BASIC и некоторые компоненты
2.3.1. кнопка 
и компонент Connector –точка соединения проводников, используемая также для введения надписей в схему;
2.3.2. кнопка 
и компонент Resistor –резистор, сопротивление которого задается с помощью соответствующего диалогового окна;
2.3.3. кнопка 
и компонент Capacitor –конденсатор, емкость которого задается с помощью соответствующего диалогового окна;
2.3.4. кнопка 
и компонент Inductor –катушка, индуктивность которой задается с помощью соответствующего диалогового окна;
2.3.5. кнопка 
и компонент Transformer –воздушный трансформатор, параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна;
2.3.6. кнопка 
и компонент Nonlinear Transformer –трансформатор с сердечником, параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна.
2.4. Строка группы DIODES и некоторые компоненты
2.4.1. кнопка 
и компонент Diode –полупроводниковый диод, параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна;
2.4.2. кнопка 
и компонент Zener Diode –стабилитрон, параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна;
2.4.3. кнопка 
и компонент LED –светодиод, параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна.
2.4.4. кнопка 
и компонент Full-Wave-Bridge-Rectifier –мостовой выпрямитель, параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна.
2.5. Строка группы TRANSISTORS и некоторые компоненты
2.5.1. кнопка 
и компонент NPN-Transistor –биполярный транзистор типа n-p-n, параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна;
2.5.2. кнопка 
и компонент PNP-Transistor –биполярный транзистор типа p-n-p, параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна;
2.5.3. кнопка 
и компонент N-Channel JFET –полевой транзистор с n-каналом, параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна;
2.5.4. кнопка 
и компонент P-Channel JFET –полевой транзистор с p-каналом, параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна.
2.6. Строка группы ANALOG ICS и некоторые компоненты
2.6.1. кнопка 
и компонент 3-Terminal-Opamp –линейная модель операционного усилителя с тремя выводами, параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна;
2.6.2. кнопка 
и компонент 5-Terminal-Opamp –нелинейная модель операционного усилителя с пятью выводами, параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна;
2.6.3. кнопка 
и компонент Comparator –операционный усилитель, предназначенный для сравнения напряжений, параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна.
2.7. Строка группы LOGIC GATES и некоторые компоненты
2.7.1. кнопка 
и компонент 2-Input AND Gate –логический элемент И, параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна;
2.7.2. кнопка 
и компонент 2-Input OR Gate –логический элемент ИЛИ, параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна;
2.7.3. кнопка 
и компонент NOT Gate –логический элемент НЕ, параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна;
2.7.4. кнопка 
и компонент Schmitt-Triggered Inverter –триггер Шмитта, параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна.
2.8. Строка группы DIGITAL и некоторые компоненты
2.8.1. кнопка 
и компонент RS Flip-Flop –RS-триггер, параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна;
2.8.2. кнопка 
и компонент JK Flip-Flop –JK-триггер, параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна;
2.8.3. кнопка 
и компонент D Flip-Flop –D-триггер, параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна.
2.9. Строка группы INDICATORS и некоторые основные компоненты.
2.9.1. кнопка 
и компонент Voltmeter –вольтметр, параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна;
2.9.2. кнопка 
и компонент Ammeter –амперметр, параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна;
2.9.3. кнопка 
и компонент Bulb –лампа накаливания, параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна;
2.9.4. кнопка 
и компонент Red Probe –светоиндикатор;
2.9.5. кнопка 
и компонент Seven-Segment Display –семисегментный индикатор, параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна.
2.10. Строка группы INSTRUMENTS и некоторые компоненты
2.10.1. кнопка 
и компонент Multimeter –тестер, параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна;
2.10.2. кнопка 
и компонент Function Generator –функциональный генератор, параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна;
2.10.3. кнопка 
и компонент Oscilloscope –осциллограф, параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна;
2.10.4. кнопка 
и компонент Bode Plotter –графопостроитель, параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна.
2.11. Строка группы MISCELLANEOUS и некоторые компоненты
2.11.1. кнопка 
и компонент Fuse –предохранитель, максимальный ток которого задается с помощью соответствующего диалогового окна;
2.11.2. кнопка 
и компонент DC Motor –электродвигатель постоянного тока, параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна.
Составление схем и моделирование их работы
3.1. Составление простейших электрических схем постоянного тока.
Рассмотрим эту процедуру на примере:
Дана схема, состоящая из одного последовательно включенного резистора
R1= 0,5 Ом и двух параллельно включенных R2=R3= 3 Ома, которая питается от источника постоянной ЭДС 20 В.
Задание: Построить и рассчитать схему. Проверить на модели все токи и напряжения.
3.1.1 I шаг-моделирование идеального источника постоянной ЭДС 20 В (r = 0) .
В строке основных групп компонентов отыскиваем группу Sources
и нажимаем на кнопку .
Открывается строка компонентов этой группы,
в ней находим кнопку и удерживая ее мышкой переносим на экран. На экране
появляется 1-ый компонент схемы 
, который редактируем с помощью диалогового окна, нажимая правую кнопку мыши.
Используя Component Properties,открываем следующее окно.
В нем устанавливаем необходимое напряжение и даем обозначение.
В результате на экране получаем источник постоянной ЭДС 20 В.
3.1.2. II шаг-моделирование трех резисторов 0,5Ом, 3,0Ома и 3,0Ома.
В строке основных групп компонентов отыскиваем группу Basic
и нажимаем на кнопку .
Открывается строка компонентов этой группы,
в ней находим кнопку 
и удерживая ее мышкой переносим на экран три резистора по очереди.
На экране появляются три остальных компонента схемы,
которые редактируем с помощью диалогового окна.
Меняем величину сопротивления всех трех резисторов, обозначаем их и поворачиваем второй и третий с помощью команды .
В результате на экране получаем источник постоянной ЭДС и три резистора подготовленные для соединения в схему
.
3.1.3. III шаг-соединение компонентов в схему.
Для соединения компонентов проводниками нужно подвести указатель мыши к выводу компонента. При этом на выводе появляется черная точка. Нажав на левую кнопку мыши, нужно переместить ее указатель к выводу компонента, с которым нужно
соединиться.
Например:
Соединяя таким образом все компоненты, получаем расчетную схему.
2
3
3.1.4. IV шаг-расчет токов и напряжений в схеме.
Для расчета воспользуемся методом эквивалентных преобразований.
Согласно теоретическим представлениям эквивалентное сопротивление будет:
Далее рассчитываем токи I1, I2 и I3
,
,
И наконец, рассчитываем напряжение U23
3.1.5 Vшаг-моделирование вольтметра, трех амперметров и их соединение в схему.
В строке основных групп компонентов отыскиваем группу Indicators
и нажимаем кнопку 
.
Открывается строка компонентов этой группы,
и в ней с помощью кнопок 
и 
вызываем на экран вольтметры и амперметры.
На экране получаем один вольтметр и три амперметра
.
Редактируем типы измерительных приборов, их обозначения и расположение на схеме аналогично предыдущим компонентам с помощью диалоговых окон.
Увеличивая размеры расчетной схемы так, чтобы измерительные приборы поместились в ней, получаем схему для моделирования.
2
3
3.1.6. VI шаг-включение схемы для моделирования и получение результатов.
Нажав в правом верхнем углу клавишу 
, получаем показания приборов.
2
3
Остановка процесса осуществляется с помощью той же клавиши 
.
3.1.7. Если необходим реальный источник постоянного напряжения (r ¹ 0), то можно составить схему из идеального источника ЭДС E1 и резистора rи выделить эту схему в виде специальной электрической цепи.
Для этого нажимаем кнопку 
и появляется диалоговое окно Subcircuit ,
в котором редактируем данную электрическую цепь.
Сначала необходимо ввести имя цепи, например Er,затем скопировать eё по команде Copy from Circuit.
В результате в строке основных групп компонентов схем под кнопкой 
, где хранятся все специальные цепи, появляется новый компонент.
Теперь нажав на нее, получаем предварительное окно 
и затем, придерживая с помощью мышки кнопку 
, получим список специальных цепей
.
В этом списке выбираем необходимый компонент, например Subcircuit “Er”, по команде Accept получаем специальную цепь 
, которая представляет реальный источник постоянного напряжения E1=20 В с внутренним сопротивлением r = 20 Ом.
3.1.8. Поскольку в данной программе не предусмотрен ваттметр, то его также собирают в виде специальной схемы и помещают под кнопкой .
При необходимости с помощью этой кнопки вызываем предварительное окно и затем, придерживая с помощью мышки кнопку , получим список специальных цепей
.
В этом списке выбираем необходимый компонент, например Subcircuit
“wattmetr”, нажимаем кнопку Accept и получаем специальную цепь,
которая встраивается специальным образом в схему для измерений. Так как у ваттметра нет собственного индикатора показаний, то используется вольтметр, который присоединяется к дополнительным выводам прибора. Показания в вольтах в этом случае надо считать как ватты.
3.2. Составление простейших электрических схем переменного тока.
Рассмотрим эту процедуру на примере:
Дана разветвленная схема переменного тока, состоящая из резисторов R1= 0,5 Ом, R2=R3= 3 Ома, конденсатора С2= 796 мкФ и индуктивности L3= 12,7 мГн, которая питается от источника переменного напряжения 220 В и частотой 50 Гц.
Задание: Построить и рассчитать схему. Проверить на модели все токи, напряжения и мощность.
3.2.1. I шаг-моделирование источника переменного напряжения 220 В и частотой 50 Гц.
В строке основных групп компонентов отыскиваем группу Sources
и нажимаем на кнопку 
.
Открывается строка компонентов этой группы,
в ней находим кнопку 
и удерживая ее мышкой переносим на экран.
На экране появляется 1-ый компонент схемы,
который не требует редактирования.
3.2.2. II шаг-моделирование трех резисторов 0,5 Ом, 3,0 Ом и 3,0 Ом, конденсатора
796 мкФ и индуктивности 12,7 мГн.
В строке основных групп компонентов отыскиваем группу Basic
и нажимаем на кнопку 
.
Открывается строка компонентов этой группы,
в ней находим кнопки 
, 
и 
, удерживая мышкой кнопки переносим на экран резисторы, емкость и индуктивность по очереди.
На экране появляются остальные компоненты схемы,
которые редактируем с помощью диалогового окна.
Изменяем сопротивления всех трех резисторов, емкость конденсатора и индуктивность катушки, обозначаем и поворачиваем изображения элементов.
В результате на экране получаем источник переменного напряжения, три резистора, конденсатор и индуктивность, подготовленные для соединения в схему
3.2.3. III шаг-соединение компонентов в схему.
Расчетную разветвленную схему получаем, соединяя все компоненты.
3.2.4. IV шаг-расчет токов, напряжений и мощности в схеме.
Для расчета воспользуемся методом эквивалентного сопротивления в комплексном виде. Сначала рассчитаем реактивные сопротивления
и 
.
Затем комплексные сопротивления ветвей
Далее сопротивление двух параллельных ветвей и эквивалентное сопротивление цепи:
И, наконец, рассчитываем токи, напряжения и мощность:
А, 
В,
В,
А,
А.
Определяем активную мощность цепи согласно известной формуле
Вт.
3.2.5 Vшаг-моделирование вольтметра, трех амперметров и ваттметра и их соединение в схему.
В строке основных групп компонентов отыскиваем группу Indicators
и нажимаем кнопку .
Открывается строка компонентов этой группы,
и в ней с помощью кнопок и вызываем на экран вольтметры и амперметры.
На экране получаем один вольтметр и три амперметра
.
Редактируем типы измерительных приборов, их обозначения и расположение на схеме аналогично предыдущим компонентам с помощью диалоговых окон.
Так как ни в одной группе компонентов нет ваттметра, модель этого прибора (wattmetr) находим в наборе субсхем,
при этом сам прибор выполнен по специальной схеме, а индикатором является вольтметр.
Увеличивая размеры расчетной схемы так, чтобы измерительные приборы поместились в ней, получаем схему для моделирования.
В этой схеме возможно применение графопостроителя (Bode Plotter)для измерения фазового сдвига и осциллографа (Oscilloscope) для получения формы кривой напряжения
3.2.6. VI шаг-включение схемы для моделирования и получение результатов.
Нажав в правом верхнем углу клавишу , получаем показания приборов.
При этом Bode Plotterпоказывает фазовый сдвиг j = 53,46° между напряжением U23 и током I2,
а осциллограф показывает форму кривой напряжения на индуктивности.
3.3. Составление простейших аналоговых электронных схем.
Рассмотрим эту процедуру на примере:
Задание: Построить схему усилителя низкой частоты на базе операционного усилителя с отрицательной обратной связью. Проверить на модели ее работоспособность и возможности снятия основных характеристик.
3.3.1. I шаг-моделирование операционного усилителя.
В строке основных групп компонентов отыскиваем группу Analog ICs
и нажимаем на кнопку 
.
Открывается строка компонентов этой группы,
в ней находим кнопку 
- это компонент 3-Terminal-Opamp –линейная модель операционного усилителя с тремя выводами, параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна. Удерживая ее мышкой, переносим на экран.
На экране появляется 1-ый компонент схемы, который не требует редактирования.
3.3.2. II шаг-моделирование двух резисторов в цепи обратной связи Rос= 100кОм,
R1 = 1 кОм и конденсаторов связи Сс1 = Сс2 = 1мкФ.
В строке основных групп компонентов отыскиваем группу Basic
и нажимаем на кнопку .
Открывается строка компонентов этой группы,
в ней находим кнопки и , удерживая мышкой кнопки, переносим на экран резисторы и конденсаторы по очереди.
На экране появляются остальные компоненты схемы,
которые редактируем с помощью диалогового окна.
Изменяем сопротивления резисторов и емкости конденсаторов, обозначаем и поворачиваем изображения элементов.
В результате на экране получаем операционный усилитель, два резистора и два конденсатора, подготовленные для соединения в схему
3.3.3. III шаг-соединение компонентов в схему.
Соединяя все компоненты, получаем схему усилителя низкой частоты.
3.3.4. IVшаг-моделирование двух вольтметров на входе и выходе усилителя, генератора входного сигнала, осциллографа и их соединение в схему.
В строке основных групп компонентов отыскиваем группы IndicatorsиInstruments
и нажимаем кнопки и 
.
Открываются строки компонентов этих групп,
и в них с помощью кнопок -Voltmeter, 
-Function Generator и
-Oscilloscope вызываем на экран вольтметры, генератор входного сигнала и осциллограф.
На экране получаем два вольтметра, генератор и осциллограф
.
Редактируем типы измерительных приборов, их обозначения и расположение на схеме аналогично предыдущим компонентам с помощью диалоговых окон.
Соединяя элементы между собой, получаем схему моделирования работы усилителя низкой частоты.
3.3.5. V шаг-включение схемы и получение результатов.
Нажав в правом верхнем углу клавишу , получаем показания приборов.
При этом входной сигнал задан генератором
а осциллограф показывает форму кривой напряжения на входе и выходе усилителя.
3.4. Составление простейших цифровых электронных схем.
Рассмотрим эту процедуру на примере:
Задание: Составить таблицы истинности для основных логических функций И, ИЛИ и НЕ. Проверить на модели правильность их функционирования.
3.4.1. I шаг-моделирование логических элементов.
В строке основных групп компонентов отыскиваем группу Logic Gates
и нажимаем на кнопку 
.
Открывается строка компонентов этой группы,
в ней находим три кнопки:
кнопка 
- это компонент 2-Input AND Gate –логический элемент И;
кнопка 
- это компонент 2-Input OR Gate –логический элемент ИЛИ;
кнопка 
- это компонент NOT Gate –логический элемент НЕ.
Удерживая их мышкой, переносим на экран.
На экране появляются 3 компонента схемы, которые не требуют редактирования.
3.4.2. II шаг-моделирование схемы задания логических уровней и индикации состояний.
В строке основных групп компонентов отыскиваем группу Basic
и нажимаем на кнопку .
Открывается строка компонентов этой группы,
в ней находим кнопки 
и 
, удерживая мышкой кнопки, переносим на экран компоненты Switch – ключ, управляемый клавишами и Pull-Up-Resistor– источник сигнала «логическая единица».
На экране появляются компоненты схемы, которые редактируем с помощью диалогового окна.
Изменяем клавиши управления ключами, например A и B.
Индикатор логического уровня находим в строке компонентов Indicators.
С помощью кнопки 
- Red Probe переносим на экран три компонента для контроля уровня логического сигнала на входах и выходе логического элемента.
И теперь составляем схему задания логических уровней и индикации состояний.
3.4.3. III шаг-соединение компонентов в схему.
Соединяя логические элементы и схему задания логических уровней и индикации состояний, получаем схему моделирования работы логических элементов и проверки правильности их функционирования.
В качестве примера возьмем элемент И
3.4.4. IV шаг-включение схемы и получение результатов.
Нажав в правом верхнем углу клавишу , подготавливаем схему к работе.
Далее включая поочередно и вместе ключи клавишами А и В, составляем таблицу истинности.
Дата добавления: 2018-05-09; просмотров: 105; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!