Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
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.
кнопка и команда Cut – для вырезания фрагментов документов;
кнопка и команда Copy – для копирования фрагментов документов;
кнопка и команда Paste – для вставки фрагментов документов.
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.
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
2.3.2. 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.
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.
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.
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
.
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
Нажав в правом верхнем углу клавишу , получаем показания приборов.
2
3
Остановка процесса осуществляется с помощью той же клавиши .
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.
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.
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.
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
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
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.
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
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.
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.
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.
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
Нажав в правом верхнем углу клавишу , подготавливаем схему к работе.
Далее включая поочередно и вместе ключи клавишами А и В, составляем таблицу истинности.