Электротехника и Электроника КОМПЬЮТЕРНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОН

Работа добавлена на сайт samzan.net:

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”

1. 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.  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.  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.

1.  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

  

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.

1.   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.

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.

1.  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

  .

1.  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

1.  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 .

1.  Если необходим реальный источник постоянного напряжения (r  0), то можно  составить схему из идеального источника ЭДС E1 и резистора r и 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.

1.  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.

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.

1.  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

  

1.  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

1.  VI шаг-включение схемы для моделирования и получение результатов.

Нажав в правом верхнем углу клавишу , получаем показания приборов.

При этом Bode Plotter показывает фазовый сдвиг  = 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.

1.  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

1.  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 Indicators и Instruments

 

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.

1.  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.

1.  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.

1.  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

   

1.  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.

1. Протестант 1995 Перевод с французского введение примечания доктора исторических наук Н
2. Компьютерный интерфейс передачи в системе персонального радиовызова общего пользования
3. Тема 1. Принципы МЧП- Понятие автономии воли сторон Режим наиболее благоприятствования Наци
4. СВЯТЫНИ И ДОСТОПРИМЕЧАТЕЛЬНОСТИ МОСКВЫ И ПОДМОСКОВЬЯ с 29 декабря по 3 января Программа поездки-
5. тема связи диапазон 900 МГц ~ Англия Италия Испания Австрия Ирландия; второй по распространенности
6. керамическое покрытие кузова C
7. Грамматические категории числа и падежа
8. .2004. Кем направлен больной ~ госпитализирована в плановом порядке Диагноз направившего учреждения ~ ж
9. микро де~гейіндегі тиімділік пен шы~ындар аралы~ында~ы шекті ~атынас Айма~ты~ инвестициялар дегеніміз ~м
10. Инновационные направления развития туризма
11. Налоговая система Российской Федерации
12. Projections bout these mysteries
13. Осложнения в ранние сроки беременности, как причина специфических болей и кровотечения
14. Финансирование библиотек
15. Тема- Основные направления профилактической деятельности суицидального поведения среди подозреваемых обв
16.  Предмет и метод общей теории права и государства 1
17.  Договорный режим имущества супругов 26 15
18. реакцию тревоги проявляющуюся в срочной мобилизации защитных сил и ресурсов организма;2 фазу сопротивлен
19. Эра либерализма Александра I
20. Економічна сутність ПДВ, його роль та значення

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе