Проектирование и моделирование электрических схем в графической системе AutoCAD и пакете программ OrCAD 9.2

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ТОЛЬЯТТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СЕРВИСА

Факультет техники и технологии сервиса

Кафедра «Информационный и электронный сервис»

КУРСОВАЯ РАБОТА

Дисциплина «Основы компьютерного проектирования и моделирования РЭС»

ТЕМА: Проектирование и моделирование электрических схем в графической системе AutoCAD и пакете программ OrCAD 9.2

Руководитель Жуков Г. П.

Студент группы Рз-401

Бабушкин И.А.

1. Разработка кинематической схемы магнитофона

1.1 Постановка задачи

1.2 Описание программной среды AutoCAD

1.3 Проектирование кинематической схемы магнитофона

2. Проектирование и моделирование электрической схемы

2.1 Постановка задачи

2.2 Описание программной среды OrCAD

2.3 Создание проекта

2.4 Моделирование схемы

2.5 Оптимизация схемы

2.6 Симуляция работы схемы

2.7 Полученные результаты Заключение Список используемой литературы

Основная цель курсовой работы — закрепить теоретические знания и получить практической навык работы по проектированию и моделированию электрических схем с использованием современных пакетов прикладных программ AutoCAD 2002 и OrCAD 9.2

Проверка правильности выполнения теоретического расчета различных электрических схем может осуществляться двумя способами:

— экспериментальными исследованиями реальных схем;

— моделированием схем на персональных компьютерах Длительное время в электротехнике преобладал первый способ, который, помимо некоторых достоинств, имел ряд существенных недостатков:

— для экспериментального исследования схем необходимо располагать соответствующим измерительным оборудованием: вольтметрами, амперметрами, электронными осциллографами, генераторами сигналов, частотомерами, анализаторами спектра и др.;

— погрешности реальных измерительных приборов не позволяют сравнивать результаты эксперимента и расчёта с требуемой для практики точностью;

— для исследования схем необходимо собирать их макеты из реальных элементов, что приводит к существенным материальным затратам.

Моделирование электрических цепей на компьютерах лишено этих и некоторых других недостатков:

— не требуются измерительные приборы и макеты исследуемых схем;

— погрешность исследования схем путем моделирования на компьютере можно сделать достаточно малой;

— время, затрачиваемое на компьютерное моделирование меньше времени, расходуемого на изготовление макета и выполнение экспериментального исследования.

В то же время моделирование реальных схем на компьютере имеет и некоторые недостатки:

— трудно учесть в моделях некоторые реально существующие паразитные параметры элементов схем: внутренние сопротивления и проводимости источников; собственные индуктивности и ёмкости реальных резисторов; потери в катушках индуктивности и конденсаторах;

— порой невозможно определить допустимость использования модели для получения требуемой точности моделирования, например, при использовании в схемах электромеханических двигателей или генераторов.

В настоящее время существует ряд программ проектирования и моделирования электронных схем. Будущий радиоинженер должен знать основы компьютерного проектирования и моделирования РЭС, уметь использовать пакет прикладных программ. Программой подготовки специалиста предусмотрено изучение дисциплины «Основы компьютерного проектирования и моделирования РЭС».

Для реализации поставленных задач в моей курсовой работе используются пакеты прикладных программ AutoCAD 2002 и OrCAD 9.2.

1. Разработка кинематической схемы магнитофона

1.1 Постановка задачи

В программной среде AutoCAD выполнить упрощенную кинематическую схему магнитофона.

Рис. 1. Упрощенная кинематическая схема магнитофона

1.2 Описание программной среды AutoCAD

Система AutoCAD, созданная фирмой Autodesk, является на сегодняшний день наиболее распространенной программной графической системой автоматизированного программирования в промышленности, насчитывающей свыше двух миллионов зарегистрированных пользователей. Сама фирма Autodesk занимает четвертое место в мировой табели о рангах среди разработчиков программного обеспечения для ПК. Общепринятым в мире ПК сокращением CAD называют как систему конструирования (computer aided design), так и систему технического черчения (computer aided drafting and drawing) с помощью компьютера.

Первая версия AutoCAD увидела свет в 1982 году и работала в среде DOS. Это была первая по-настоящему работоспособная программа автоматизированного проектирования, способная работать на ПК. Успех системы AutoCAD во многом объяснялся принятой при ее разработке концепцией системы с открытой архитектурой. Главная ее особенность состояла в том, что большинство используемых файлов представляло собой обычный текст в формате ASCII, и это позволяло легко использовать содержащиеся в них данные в сопряженных пользовательских системах.

Другим важным фактором была предусмотренная в системе возможность использования специализированного языка программирования Auto LISP. В результате широкие функциональные возможности AutoCAD превратили эту систему в своего рода стандарт в классе систем автоматизированного технического проектирования и выполнения чертежных работ.

Сейчас AutoCAD — это наиболее гибкая из существующих графическая программная система для ПК, способная эффективно работать в самых различных областях технического проектирования. Уникальная возможность легко адаптироваться к самым разнообразным «человеческим» языкам, включая и те, что используют нелатинский алфавит, поставили AutoCAD вне конкуренции на международном рынке программных продуктов для систем автоматизированного проектирования (САПР). В результате AutoCAD сейчас используется в более чем 125 странах мира.

AutoCAD является базовой системой для целого ряда более специализированных САПР, используемых в различных областях техники:

архитектурных САПР; по отношению к ним часто используется аббревиатура AEC — architecture, engineering, construction (архитектура, планировка, строительство);

машиностроительных САПР;

географических информационных систем (Geographic Information Systems — GIS);

автоматизированных систем управления ресурсами;

САПР в электротехнике и электронике;

систем мультимедиа.

На рисунке ниже показан «скриншот» программы AutoCAD.

Рис. 2. Рабочая область программы AutoCAD

В рабочий стол AutoCAD 2002 включены:

— падающие меню — верхняя строка непосредственно под заголовком окна программы;

— необязательные панели инструментов:

— Standard и Styles — вторая строка от заголовка;

— Layers и Properties — третья строка;

— Draw и Modify — например, столбцы слева и справа;

— строка состояния — строка внизу окна программы;

— окно командных строк — выше строки состояния;

— необязательное экранное меню — столбец справа.

1.3 Проектирование кинематической схемы магнитофона

Построение кинематической схемы магнитофона производится путем построения примитивов:

— линия; - окружность;

— полигон (многоугольник, которые можно вызвать, используя соответствующие кнопки в меню «Чертить (Draw)», находящееся в левой части рабочей области AutoCAD.

Рис. 3. Меню «Чертить»

Для достижения необходимого вида полученных примитивов используем инструменты меню «Изменить (Modify)»

Рис. 4. Меню «Изменить»

В результате проведенных работ получим упрощенную кинематическую схему магнитофона.

2. Проектирование и моделирование электрической схемы

2.1 Постановка задачи

Рассчитать переходный процесс в цепи с индуктивностью, приведенной ниже, и определить мгновенные значения напряжений u_R1,(t) и u_RL показанные на схеме, после замыкания ключа S. Параметры элементов схемы имеют значения: R1 = R2 = 100 Ом; L = 0,1 Гн. Напряжение источника Е = 100 В. Построить трафики временных зависимостей этих напряжений.

Рис. 5. Электрическая схема для проектирования и моделирования

2.2 Описание программной среды OrCAD

Представление о версии OrCAD 9.2 дает перечень входящих в ее состав программных модулей:

OrCAD Capture — графический редактор схем;

OrCAD Capture CIS (Component Information System) — графический редактор схем, дополненный средством ведения баз данных компонентов; при этом зарегистрированные пользователи получают через Интернет (с помощью службы ICA, Internet Component Assistant) доступ к каталогу компонентов, содержащему более 200 тыс. наименований;

PSpice Schematics — графический редактор схем, заимствованный из пакета DesignLab;

OrCAD PSpice A/D — программа моделирования аналоговых и смешанных аналого-цифровых устройств, данные в которую передаются как из PSpice Schematics, так и из OrCAD Capture;

OrCAD PSpice Optimizer — программа параметрической оптимизации;

OrCAD Layout — графический редактор печатных плат;

OrCAD Layout Plus — программа OrCAD Layout, дополненная бессеточным автотрассировщиком SmartRoute, использующим методы оптимизации нейронных сетей (используется также в системах Protel 99 SE и P-CAD 2000);

OrCAD Layout Engineer’s Edition — программа просмотра печатных плат, созданных с помощью Layout или Layout Plus, средство общей расстановки компонентов на плате и прокладки наиболее критических цепей, выполняемых инженером-схемотехником перед выдачей задания на проектирование печатной платы конструктору;

OrCAD GerbTool — программа создания и доработки управляющих файлов для фотоплоттеров (разработка фирмы WISE Software Solutions специально для OrCAD, аналог программы САМ350);

Visual CADD — графический редактор фирмы Numera Software (упрощенный аналог AutoCAD).

Рис. 6. Рабочая область программы OrCAD Capture

2.3 Создание проекта

Чтобы создать новый проект — необходимо нажать File>New Project, после чего в открывшемся диалоговом окне (рис. 3.) на строке Name указывается имя проекта…", присвоив ему имя, например «Kurs_Var₁» (символы кириллицы не допускаются, если предполагается моделирование), а на строке Location — имя подкаталога расположения проекта (при этом для просмотра файловой структуры удобно пользоваться кнопкой Browse). Далее в средней части этого окна выбирается тип проекта.

В нашем случае используется Analog or Mixed-Signal Circuit — аналоговые, цифровые или смешанные аналого-цифровые устройства, моделируемые с помощью программы PSpice A/D (возможна также дальнейшая разработка печатной платы с помощью OrCAD Layout).

Рис. 7. Меню присвоение имени и типа проекту Далее в начале создания проекта предусмотрена загрузка прототипа, указав его имя в изображенном на рис. 8 диалоговом окне (вариант Create based upon an existing project) — возможна загрузка одного из 4 стандартных прототипов или любого созданного ранее проекта.

Рис. 8. Выбор прототипа проекта

2.4 Моделирование схемы

После создания нового проекта идет построение схемы: для этого используя вложенные библиотеки OrCAD’а мы выбираем соответствующие элементы, необходимые нам для работы и вставляем их в наш набор инструментов, откуда их уже и используем. Пользуемся мы при этом следующей кнопкой, расположенной на панели редактирования — Place Part, что показано на Рис. 9; а на Рис. 10 показан выбор библиотек Рис. 9. Установка компонентов проектируемой схемы Рис. 10. Выбор используемых библиотек После этого рисуется сама схема, которая показана на Рис. 11.

Рис. 11. Схема цепи с индуктивностью После построения схемы мы производим её моделирование.

Затем мы настраиваем каждый элемент схемы изменяя его номинал и значения на указанные в задании.

2.5 Оптимизация схемы

электрический цепь кинематический магнитофон Далее, мы добавляем параметры оптимизации в схему, устанавливая текущие «Current Value», начальные «Initial Value» значения компонентов, а так же допуск «Tolerance».

Затем через Меню PsPice — Run PsPice Optimizer мы запускаем сам процесс оптимизации. После этого, используя команду Edit — Specification мы задаем спецификацию тех элементов, которые нам нужно найти, в нашем случае — это напряжение VR1 и VR2L1. Окно спецификации показано на Рис. 12.

Рис. 12. Окно спецификации Затем используя команды Tune — Update Performance, Update Derivatives мы проводим окончательную оптимизацию параметров необходимых нам элементов и командой Edit — Update Schematic вводим их в нашу схему, т. е. схема подделывается под эти элементы используя уже оптимизированные параметры.

2.6 Симуляция работы схемы

Мы создаем через команду New Simulation Profile — новый симуляционный файл (отчет), необходимый нам для нахождения графиков зависимости напряжений VR1 и VR2L1.

После создания этого файлы мы запускаем программу OrCAD PSpice A/D — программа моделирования аналоговых и смешанных аналого-цифровых устройств, данные в которую передаются из OrCAD Capture. Делаем это через следующую команду Run PsPice.

2.7 Полученные результаты

В окне программы PSpice A/D, используя команду Add Trace, мы получаем необходимые нам графики (Рис. 13)

Рис. 13. Графики зависимости напряжения VR1 и VR2L1 от времени

Заключение

В проделанной работе мы использовали для практического закрепление знаний полученных в процессе изучения дисциплины «Основы компьютерного проектирования и моделирования РЭС», следующие программы AutoCAD 2006 и Пакет программ OrCAD 9.2., со следующим набором программ:

1) OrCAD Capture — графический редактор схем;

2) OrCAD PSpice A/D — программа моделирования аналоговых и смешанных аналого-цифровых устройств, данные в которую передаются как из PSpice Schematics, так и из OrCAD Capture;

3) OrCAD PSpice Optimizer — программа параметрической оптимизации;

В ходе выполнения курсовой работы мы полностью осознали и выполнили цель нашей курсовой работы, а именно закрепили теоретические знания и получили практический навык работы по проектированию и моделированию электрических схем с использованием современных пакетов прикладных программ AutoCAD 2006 и OrCAD 9.2.

Сделав краткие выводы о полученных результатах, мы можем сказать, что моделирование электрических цепей на компьютерах лишено некоторых недостатков:

— не требуются измерительные приборы и макеты исследуемых схем;

— погрешность исследования схем путем моделирования на компьютере можно сделать достаточно малой;

— время, затрачиваемое на компьютерное моделирование меньше времени, расходуемого на изготовление макета и выполнение экспериментального исследования.

— для экспериментального исследования схем необходимо располагать соответствующим измерительным оборудованием: вольтметрами, амперметрами, электронными осциллографами, генераторами сигналов, частотомерами, анализаторами спектра и др.;

В то же время моделирование реальных схем на компьютере имеет и некоторые недостатки:

— трудно учесть в моделях некоторые реально существующие паразитные параметры элементов схем: внутренние сопротивления и проводимости источников; собственные индуктивности и ёмкости реальных резисторов; потери в катушках индуктивности и конденсаторах;

— порой невозможно определить допустимость использования модели для получения требуемой точности моделирования, например, при использовании в схемах электромеханических двигателей или генераторов.

Тем не менее, можно с уверенностью сказать, что моделирование электрических и электронных схем на компьютерах — это существенный прогресс в технике экспериментальных исследований. Путем сравнительно простых средств — персонального компьютера и программы моделирования можно очень быстро выполнить проверку правильности расчета, установить области допустимых изменений параметров отдельных элементов, существенно снизить затраты на экспериментальные исследования.

Оценив решение выполняемой задачи с точки зрения оптимальности, мы можем с уверенностью сказать, что выше указанные пакеты программ, типа AutoCAD 2000;2006 и OrCAD 9.2. дают прекрасную возможность дл реализации всех их преимуществ для работы над различными видами чертежей — в AutoCAD 2000;2006 и интегральных схем с последующими выводом графиков в OrCAD 9.2.

Список используемой литературы

1. Красовский Д. Г., Виноградов А. В. AutoCAD 2000 для всех /русская и английская версии/. — 2-е изд. — М.: Компьютер Пресс, 1999. — 272 с.

2. Автоматизированное проектирование узлов и блоков РЭС средствами современных САПР: Учеб. пособие для вузов/И.Г. Мироненко, В. Ю. Суходольский, К. К. Холуянов; Под ред. И. Г. Мироненко. — М.: Высш. шк., 2002. — 391 с.

3. Автоматизация проектирования радиоэлектронных средств: Учеб. пособие для вузов / О. В. Алексеев, А. А. Головков, И. Ю. Пивоваров и др.; Под ред. О. В. Алексеева. — М.: Высш. шк., 2000. — 479 с.

4. Разевиг В. Д. Система проектирования OrCAD 9.2. — М.: СОЛОН-Р, 2001. — 519 с.

5. Абрамов Г. Н., Туищев А. И. Расчёт и конструирование бытовых радиоэлектронных средств: Учеб. пособие. Ч. 1. — М.: МГУС, 2001. — 160 с.