Популярные системы моделирования электронных устройств

Представляются программы схемотехнического моделирования, которые полезно использовать при изучении дисциплины «Электротехника и электроника» в порядке повышения уровня их возможностей.

Workbench.

Первая версия EWB 3.0 была рассчитана на операционные системы разрядностью 16 бит и имеет простой и наглядный интерфейс. EWB отличается от других программ тем, что представляет пользователю обстановку аналоговой или цифровой лаборатории электроники. В аналоговой лаборатории (рис. 7.2.1) имеются касса (Paits) компонентов электроники (рис. 7.2.2) и полка (If^lll^fll^ на которой помещены (по порядку) мультиметр, генератор испытательных сигналов, осциллоскоп и частотный характериограф.

В кассе Parts наряду с элементами 1—3,5,7—30, которые использовались ранее в гл. 1—3, имеются элементы: 4 — лампа накаливания; 6 — переклю;

Puc. 72.1. Интерфейс пользователя в EWB 3.0.

Рис. 7.2.2. Состав кассы элементов Parts программы EWB.

чатель, управляемый кнопкой клавиатуры ПК; 31 — электромагнитное реле — переключатель; 32 — таймер-переключатель; 33 и 34 — реле, управляемые, соответственно, напряжением и током; 35—38 — управляемые источники, соответственно, E (U), J{I), J{U), ?(/); 39 — плавкий предохранитель (умеет перегорать, как и лампа 4).

Схему модели (пример на рис. 7.2.3) создает пользователь путем перетаскивания элементов из кассы на рабочее ноле и соединения их полюсов проводами, которые протягиваются мышкой.

Рис. 7.23. Пример схемы модели для получения ВАХ диода

Для узлов используют элемент 3. В схему включают измерительные приборы (генератор сигналов — Function Generator, осциллоскоп — Oscilloscope).После сборки схемы задают параметры компонентов: тип диода (1N4001), сопротивление балластного резистора (1 кОм), коэффициент передачи преобразователя тока в напряжения (1 Ом). Эти параметры устанавливают в окнах атрибутов, которые открываются после двойного щелчка мышкой по элементу на схеме (рис. 7.2.4).

На генераторе устанавливают вид колебаний (синусоидальный, пилообразный, прямоугольный), частоту колебаний, режим цикла (для импульсных сигналов), амплитуду колебаний, постоянную составляющую сигнала.

Рис. 7.2.4. Окна атрибутов элементов схемы: диода — тип диода 1N4001 (а), конвертора тока в напряжение — коэффициент передачи Я (б), резистора — сопротивление R (в).

Напряжение генератора периодически меняется во времени по закону.

«(О ⁼ H,"sin (coO;

Двухканальный осциллоскоп включают в режим представления зависимости сигнала в канале В (пропорционален току диода i_%(t) = u_B(t)/H) от сигнала в канале А (пропорционален напряжению на диоде u^(t) = u_c(t)).

После старта моделирования кнопкой ГоГД и завершения расчетов на экране осциллоскопа появляется ВАХ диода в прямом и, частично, обратном включении. Масштабы графика, но горизонтальной оси М_л =100 мВ/дел и М_в = 5 мВ/дел подобраны для наблюдения ВАХ /_д(?/_д) в прямом направ;

лении. Каждое деление содержит пять коротких отрезков между точками на осях X и У экрана. Масштаб графика по току составляет М,= MJH. Масштабы позволяют определить координаты любой точки графика. Так, для крайней правой точки графика ток I = (5 мВ/дел) (2 дел)/(1 Ом) = = 10 мА и напряжение U = (100 мВ/дел) • (4 дел) = 0,4 В.

Для расчетов состояния цени постоянного тока в EWB 3.0 в модели используют источники постоянного напряжения и (или) тока. Результаты моделирования представляются вольтметрами и амперметрами, включенными в схему. Для расчетов переходных процессов включают источники переменных напряжений и токов, генератор сигналов (см. рис. 2.8.2, 3.1.3— 3.1.7). Для расчетов частотных свойств цени используют в модели прибор Body Plotter, на экране которого представляется амплитудноили фазочастотная характеристика (рис. 7.2.5).

Для моделирования цифровых устройств в EWB 3.0 имеются приборы и касса элементов (рис. 7.2.6).

Однократные приборы: А — вольтметр, В — цифровой генератор слов, С — логический анализатор, D — логический конвертор.

Компоненты цифровые: 1 — И, 2 — ИЛИ, 3 — Исключающее ИЛИ, 4 — НЕ, 5 — И-НЕ, 6 — ИЛИ-НЕ, 7 — узел, 8 — индикатор 1/0, 9 — источник 1, 10 — источник 0, 11 — Д5-триггер, 12 — J/C-триггер, 13 — D-триггер, 14 — сумматор, 15 — семивходовый 7-сегментный дисплей, 16 — четырехвходовый 7-сегментный дисплей.

Пример модели цифрового устройства в EWB 3.0 приведен на рис. 7.2.7.

Puc. 7.2.5. АЧХ усилительного каскада, полученная с помощью Bode Plotter.

Рис. 7.2.6. Приборы и компоненты цифровых схем EWB 3.0.

Рис. 7.2.7. Пример испытания (демонстрации) устройства, реализующего заданную логическую функцию:

а — функция на панели конвертора логики; 6 — лицевая панель генератора слов после вывода первого слова; в — схема в состоянии 1 на выходе Логический конвертор позволяет составить таблицу истинности (рис. 7.2.8, а), нажатием кнопки 1 на этой таблице подготовить выражение для логической функции (рис. 7.2.8, б), нажатием кнопки 2 упростить выражение для этой функции (рис. 7.2.8, в) и нажатием кнопки 3 синтезиро;

Puc. 7.2.8. Синтез схемы с помощью логического конвертора вать схему устройства (рис. 7.2.8, г) с использованием базовых логических элементов.

Таким образом, в EWB 3.0 формирование модели и целей моделирования производится выбором измерительных приборов и ограничивается их возможностями. В версиях EWB 4.0 и 5.0 (32 бита) были расширены функции и улучшены алгоритмы расчетов.

Использование этих версий EWB описано в книге [8].

Эти начальные версии EWB применительно к задачам, решаемым в дисциплине «Электротехника и электроника», имеют вполне достаточные возможности и достоинства: простота использования студентами в виртуальной лаборатории без дополнительного обучения, наглядность управления моделью и представления результатов. Они удобны для лекционных демонстраций динамических моделей электронных устройств и как инструмент для подготовки тестовых и других заданий студентам. Программа EWB 3.0 устанавливается на ПК простым копированием. Важным достоинством EWB является наличие вольтметров и амперметров для измерения постоянных (DC-режим) и действующих значений (ЛС-режим).

Наследником в семействе EWB стала программная среда N1 Multisim 10. Описание и примеры использования этой среды представлены в книге [10]. Возможности MSI 0 существенно расширены и углублены, но они значительно превышают потребности дисциплины «Электротехника и электроника» при потере простоты и наглядности.