Контрольно-измерительные приборы
Введение
Целью данного методического пособия является практическое изучение принципов построения и моделирования электронных устройств с использованием программы Electonics WorkBench (EWB). Пособие может быть использовано при проведении практических работ, зачётных занятий, экзаменов и других испытаний завершающего характера. В ТГМК им Н.Демидова методика проведения таких работ отрабатывалась несколько лет в курсах «Электронная техника», «Электротехнические измерения» по инициативе преподавателя В.М.Новикова. Пособие может быть использовано студентами для самоподготовки, однако для этого необходимо знать основы схемотехники электронных устройств, элементы расчёта, и принципы применения электронных измерительных приборов, т.е. всё то, что предусмотрено государственными образовательными стандартами.
Программа EWB позволяет строить и анализировать любые электронные схемы, включающие в свой состав любые аналоговые и цифровые элементы. Особенностью программы является наличие контрольно-измерительных приборов, по внешнему виду и характеристикам приближенных к их промышленным аналогам. Программа легко осваивается и достаточно удобна в работе.
Система моделирования Elektronics Workbench
Программа EWB рассчитана для работы в среде Windows и занимает около 16 Мбайт. Для размещения временных файлов требуется дополнительно 10-20 Мбайт свободного пространства.
Система меню
Меню File
Меню File предназначено для загрузки и записи файлов, получение твердой копии выбранных для печати составных частей схемы, а также для импорта/экспорта файлов в форматах других систем моделирования и программ разработки печатных плат.
Первые четыре команды этого меню: New (Ctrl+N), Open (Ctrl+O), Save (Ctrl+S), Save As... - типичные для Windows команды работы с файлами и по этому пояснения не требуют. Для этих команд в пятой версии имеются иконки со стандартным изображением. Остальные команды имеют следующее назначение:
- Revent to Savent... - стирание всех изменений, внесенных в текущем сеансе редактирования, и восстановление схемы в первоначальном виде;
- Print... (Ctrl+P) - выбор данных для вывода на принтер;
- Print Setup... - настройка принтера;
- Exit (Alt+F4) - выход из программы;
- Install... - установка дополнительных программ.
Меню Edit
Меню Edit позволяет выполнять команды редактирования схем и копирование экрана.
Назначение команд:
- Cut (Ctrl+X) - стирание (вырезание) выделенной части схемы с
сохранением ее в буфере обмена (Clipboard). Выделенные компоненты
окрашиваются в красный цвет;
- Copy (Ctrl+C) - копирование выделенной части схемы в буфер обмена;
- Paste (Ctrl+V) - вставка содержимого буфера обмена на рабочее поле
программы;
- Delete (Del) - стирание выделенной части схемы;
- Select All (Ctrl+A) - выделение всей схемы;
- Copybits (Ctrl+I) - команда превращения курсора мыши в крестик, которым по правилу прямоугольника можно выделить нужную часть экрана, после отпускания левой кнопки мыши выделенная часть копируется в буфер обмена, после чего его содержимое может быть импортировано в любое приложение Windows. Копирование всего экрана производится нажатием клавиши Print Screen: копирование активной в данный момент части экрана, например, диалогового окна - комбинацией Alt + Print Screen. Команда очень удобна при подготовке отчетов по моделированию, например, при оформлении лабораторных работ;
- Show Clipboard - показать содержимое буфера обмена.
Меню Circuit
Меню Circuit используется для подготовки схем, а также для задания параметров моделирования. Назначение команд:
- Activate (Ctrl+G) - запуск моделирования;
- Stop (Ctrl+T) - остановка моделирования;
- Pause (F9) - прерывание моделирования;
- Label... (Ctrl+L) - ввод позиционного обозначения выделенного компонента (например, R1 - для резистора, C5 - для конденсатора и т.д.);
- Value... (Ctrl+U) - изменение номинального значения параметра компонен-та; команда выполняется также двойным щелчком по компоненту;
- Model... (Ctrl+M) - выбор модели компонента; команда выполняется также двойным щелчком по компоненту;
- Zoom (Ctrl+Z) - развертывание выделенной подсхемы;
- Rotate (Ctrl+R) - вращение выделенного компонента; большинство компо-нентов поворачиваются против часовой стрелки на 90° при каждом выполнении команды, для измерительных приборов (амперметр, вольтметр и др.) меняются местами клеммы подключения. Команда чаще всего используется при подготовке схем. В готовой схеме пользоваться командой нецелесообразно, поскольку это чаще всего приводит к путанице - в таком случае компонент нужно сначала отключить от подсоединенных цепей, а затем вращать;
-Fault (Ctrl+F) - имитация неисправности выделенного компонента путем введения:
1) Leakage - сопротивления утечки;
2) Short - короткого замыкания;
3) Open - обрыва;
4) None - неисправность отсутствует ( включено по умолчанию);
- Subcircuit... (Ctrl+B) - преобразование предварительно выделенной части схемы в подсхему. Выделенная часть схемы должна быть расположена таким образом, чтобы в выделенною область не попали не относящиеся к ней проводники и компоненты;
- Wire Color... - изменение цвета предварительно выбранного проводника. Более простой способ выполнения команды - двойной щелчок мышью на проводнике, после чего в меню выбирается один из шести предлагаемых цветов. Необходимость расцветки особенно важна для проводников, соединяющих контрольные точки (узлы) схемы с осциллографом или логическим анализатором - в этом случае цвет проводника определяет цвет осциллограммы;
- Preferences... (Ctrl+ E) - выбор элементов оформления схемы;
- Show grid - показать сетку для удобства рисования схемы (по умолчанию эта опция выключена, остальные включены). Опция активна только при включенной опции Use grid (использовать сетку);
- Show labels - показать позиционные обозначения компонентов, например, С1, С2 для конденсаторов;
- Show models - показать имена моделей компонентов, например, типов транзисторов;
- Show values - показать номиналы компонентов, например, сопротивления резисторов.
Меню Window
Меню Window содержит следующие команды:
- Arrange (CTRL+W) - упорядочивание информации в рабочем окне EWB путем перезаписи экрана, при этом исправляются искажения изображений компонентов и соединительных проводников;
- Circuit - вывод схемы на передний план;
- Description (CTRL+D) - вывод на передний план описания схемы, если оно имеется, или окно-ярлык для его подготовки (только на английском языке).
Меню Help
Меню Help построено стандартным для Windows способом. Оно содержит краткие сведения по всем рассмотренным выше командам, библиотечным компонентам и измерительным приборам, а также сведения о самой программе. Отметим, что для получения справки по библиотечному компоненту его необходимо отметить на схеме щелчком мыши (он высветится красным цветом) и затем нажать клавишу F1.
Меню Analysis
Первые три команды - Activate (CTRL+G), Stop (CTRL+T), Pause (F9) -аналогичны командам меню Circuit программы EWB 4.1. Назначение остальных команд следующее:
- Analysis Options... (CTRL+Y) - набор команд для установки параметров моделирования;
- Global - настройки общего характера, задаются с помощью диалогового окна, в котором параметры имеют следующее назначение:
1) ABSTOL -абсолютная ошибка расчета токов;
2) GMIN - минимальная проводимость ветви цепи (проводимость
ветви, меньшая GMIN, считается равной нулю);
3) PIVREL, PIVTOL - относительная и абсолютная величины элемента строки матрицы узловых проводимостей (например, при расчете по методу узловых потенциалов), необходимые для его выделения в качестве ведущего элемента;
4) RELTOL - допустимая относительная ошибка расчета напряжений и токов;
5) TEMP - температура, при которой проводится моделирование;
6) VNTOL - допустимая ошибка расчета напряжений в режиме
Transient (анализ переходных процессов);
7) CHGTOL - допустимая ошибка расчета зарядов;
8) RAMPTIME - начальная точка отсчета времени при анализе
переходных процессов;
9) CONVSTEP - относительный размер шага интеграции при расчете
режима по постоянному току;
10) CONVABSSTEP - абсолютный размер шага интеграции при расчете режима по постоянному току;
11) CONVLIMIT - включение или выключение дополнительных средств для обеспечения сходимости интеграционного процесса (например, за счет использования метода вариации напряжений источников питания);
12) RSHUNT - допустимое сопротивление утечки для всех узлов относительно общей шины (заземления);
- DC - настройка для расчета режима по постоянному току (статистический
режим). Для настройки этого режима используется диалоговое окно, параметры
которого имеют следующее назначение:
1) ITL1 - максимальное количество итераций приближенных расчетов;
2) GMINSTEPS - размер приращения проводимости в процентах от GMIN (используется при слабой сходимости итерационного процесса);
3) SRCSTEPS - размер приращения напряжения питания в процентах от его номинального значения при вариации напряжения питания (используется при слабой сходимости итерационного процесса).
- Transient - настройки параметров режима анализа переходных процессов:
1) ITL4 - максимальное количество итераций за время анализа переходных процессов;
2) MAXORD - максимальный порядок (от 2 до 6) метода интегрирования дифференциального уравнения;
3) TRTOL - допуск на погрешность вычисления переменной;
4) METHOD - метод приближенного интегрирования дифференциаль-ного уравнения;
5) TRAPEZOIDAL - метод трапеций,
6) GEAR - метод Гира;
7) ACCT - разрешение на вывод статистических сообщений о
процессе моделирования;
- Device - выбор параметров МОП-транзисторов:
1) DEFAD - площадь диффузионной области стока, м2;
2) DEFAS - площадь диффузионной области истока, м2;
3) DEFL - длина канала полевого транзистора, м;
4) DEFW - ширина канала, м;
5) TNOM - номинальная температура компонента;
6) BYPASS - включение или выключение нелинейной части модели компонента;
7) TRYTOCOMPACT - включение или выключение линейной части модели компонента.
Контрольно-измерительные приборы
Панель контрольно-измерительных приборов находится под полем меню рабочего окна и содержит цифровой мультиметр, функциональный генератор, двухканальный осциллограф, измеритель амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик, генератор слов (кодовый генератор), 8-канальный логический анализатор и логический преобразователь. Вид панели контрольно-измерительных приборов показан на рисунке 2.1. Общий порядок работы с приборами такой: иконка прибора курсором переносится на рабочее поле и подключается проводниками к исследуемой схеме. Для приведения прибора в рабочее (развернутое) состояние необходимо дважды щелкнуть курсором по его иконке.
Рисунок 2.1 - Панель контрольно-измерительных приборов
Мультиметр
Лицевая панель мультиметра показана на рисунке 2.2. На лицевой панели мультиметра расположен дисплей для отображения результатов измерения, клеммы для подключения к схеме и кнопки управления.
Ammeter resistance – внутреннее сопротивление вольтметра.
Voltmeter resistance – входное сопротивление вольтметра.
Ohmmeter current – ток через контролируемый объект;
Decibel standard – установка эталонного напряжения при измерении ослабления или усиления в децибелах.
Рисунок 2.2 - Лицевая панель мультиметра
Функциональный генератор
Лицевая панель генератора показана на рисунке 2.3. С помощью органов управления можно установить:
Форму выходного сигнала: синусоидальную, треугольную и прямоугольную;
Частоту выходного сигнала Frequency;
Коэффициент заполнения Duty cyde в %: для импульсных сигналов это отношение длительности импульса к периоду повторения - величина обратная скважности;
Амплитуду выходного сигнала Amplitude;
Смещение (постоянную составляющую)
выходного сигнала Offset.
Рисунок 2.3 - Лицевая панель функционального генератора
Осциллограф
Лицевая панель осциллографа показана на рисунке 2.4. Осциллограф имеет два канала (CHANNEL) А и В с раздельной регулировкой чувствительности в диапазоне от 10 мкВ/дел (mV/Div) до 5 кВ/дел (kV/Div) и регулировкой смещения по вертикали (Y POS). Выбор режима по входу осуществляется нажатием кнопок
. Режим АС предназначен для наблюдения только сигналов переменного
тока (его еще называют режимом "закрытого входа"). В режиме 0 входной зажим замыкается на землю. В режиме DC (включён по умолчанию) можно проводить осциллографические измерения как постоянного так и переменного тока. Этот режим еще называют режимом "открытого входа".
Рисунок 2.4 - Лицевая панель осциллографа
Режим развертки выбирается кнопками Y/T, B/A и А/В. В режиме Y/Т (обычный режим, включен по умолчанию) реализуются следующие режимы развертки; по вертикали – напряжение сигнала, по горизонтали – время; в режиме В/А: по вертикали – сигнал канала В, по горизонтали – сигнал канала А; в режиме А/В: по вертикали – сигнал канала А, по горизонтали – сигнал канала В.
В режиме развертки Y/Т длительность развертки (TIME BASE) может быть задана в диапазоне от 0,1 нс/дел до 1 с/дел с возможностью установки смещения в тех же единицах по горизонтали, т.е. по оси Х.
Генератор слова
Внешний вид генератора слова в развернутом виде показан на рисунке 2.5. Генератор (его называют еще кодовым генератором) предназначен для генерации шестнадцати 8-разрядных двоичных слов, которые набираются пользователем на экране, расположенном в левой части лицевой панели. Для набора двоичных комбинаций необходимо щелкнуть мышью на соответствующем разряде и затем ввести с клавиатуры 0 или 1. Дальнейшие перемещения по полю экрана удобнее проводить не с помощью мыши, а клавишами управления курсором.
Рисунок 2.5 - Лицевая панель генератора слова
Сформированные слова выдаются на восемь расположенных в нижней части прибора выходных клемм-индикаторов:
С индикацией выходного сигнала в двоичном коде на клеммах индикаторов и в окне Binary; В пошаговом режиме (при нажатии кнопки STEP на панели), циклическом (при нажатии кнопки CYCLE на панели) или с выбранного слова до конца (при нажатии кнопки BURST) при заданной частоте посылок (установка -нажатиями кнопок в окне FREQUENCY); При внутреннем (при нажатии кнопки INTERNAL) или внешнем сигнале синхронизации (при нажатии кнопки EXTERNAL);
Запуск по переднему или заднему фронту задается кнопками
Логический анализатор
Внешний вид логического анализатора показан на рисунке 2.6. Анализатор предназначен для отображения на экране монитора 8-разрядных кодовых последовательностей одновременно в восьми точках схемы, а также в виде двоичных чисел на входных клеммах-индикаторах и в виде шестнадцатеричных чисел в окне HEX. При нажатии кнопки CLEAR информация на экране стирается
Рисунок 2.6 - Лицевая панель логического анализатора
В блоке TRIGGER расположены кнопки запуска по положительному (включена по умолчанию) или отрицательному спаду сигнала и клемма для подключения вешнего источника синхронизации, например, генератора слова (подключается после нажатия кнопки EXTERNAL). Кроме того, предусмотрен автозапуск и запуск по заданной двоичной комбинации (после нажатия кнопки PATTERN на панели прибора), устанавливаемой пользователем в появившемся окошке, путем ведения туда с клавиатуры 1, 0 или Х (неопределенное состояние), предварительно щелкнув мышью на нужном разряде.