37987

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ В ПРОГРАММЕ ELECTRONICS WORKBENCH

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

Из источников питания рассмотрены параметрические компенсационные и импульсные стабилизаторы напряжения а также тиристорные источники питания с фазовым управлением. Источники Батарея ЭДС источника постоянного напряжения или батареи измеряется в вольтах и задается величинами в диапазоне от мкВ до кВ. Ко входу устройства необходимо подключить функциональный генератор или другой источник переменного напряжения. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ И КОМПЕНСАЦИОННЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ Современная электроника предъявляет жесткие...

Русский

2013-09-25

581.5 KB

148 чел.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Казанский государственный энергетический

университет

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ В ПРОГРАММЕ ELECTRONICS WORKBENCH

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ПО КУРСУ

«СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ АВТОМАТИКИ БЫТОВОЙ ТЕХНИКИ»

Казань 2010

УДК 621. 681. 51

Смоляков Б.П., Федотов А.А.

         Моделирование электронных схем и измерительных преобразователей в программе ELECTRONICS WORKBENCH: Лабораторный практикум. Казань: Казан. гос. энерг. у-нт, 2010.

         Лабораторный практикум предназначен для выполнения расчетно-графических работ по курсу «Специальные вопросы автоматики бытовой техники». Приводится описание компонентов,  приборов и методики моделирования и исследования электронных устройств в системе Electronics Workbench.              

          Рассмотрено моделирование электронных устройств,  измерительных преобразователей и корректирующих цепей, используемых  в информационном канале автоматизированного электропривода.

В каждой работе приведены основные теоретические положения, сформулированы цель, задание и контрольные вопросы.

         Лабораторный практикум предназначен для студентов старших курсов, магистрантов и аспирантов, специализирующихся по направлению «Электротехника, электромеханика и электротехнологии».

ВВЕДЕНИЕ

С развитием вычислительной техники стало возможным использование персональных компьютеров в качестве виртуальных лабораторий. К настоящему времени разработано множество специализированных программ компьютерного моделирования. Одной из таких программ является Electronics Workbench, позволяющая с помощью графического интерфейса создавать на экране монитора электронные схемы и подвергать их всестороннему анализу. Широкий набор приборов дает возможность производить измерения различных величин, задавать входные воздействия, строить графики.

Цель лабораторного  практикума - научить студентов с помощью программы Electronics Workbench проводить компьютерное моделирование активных корректирующих цепей информационного канала автоматизированного электропривода, измерительных преобразователей, как генераторных, так и параметрических, а также стабилизированных источников вторичного питания. Из источников питания рассмотрены параметрические, компенсационные и импульсные стабилизаторы напряжения, а также тиристорные источники питания с фазовым управлением. В качестве  корректирующих цепей рассмотрены различные фильтры. Электрические фильтры находят широкое применение в радиотехнике, автоматике, в измерительной и вычислительной технике. С помощью фильтров решаются такие задачи, как частотное выделение и преобразование полезного сигнала, устранение помех и наводок в электрических цепях, анализ частотного спектра сигналов, коррекция и формирование амплитудно-частотных характеристик, а также обеспечение устойчивости в системах автоматического регулирования.

Рассмотрены работы по моделированию следующих преобразователей:

емкостные (зависимость емкости конденсатора от размеров и взаимного расположения его обкладок для измерения давления, перемещения, уровня);

– индуктивные (зависимость индуктивности дросселя от длины и площади сечения его сердечника под воздействием механических перемещений);

– потенциометрические (зависимость сопротивления реостата от положения его движка, перемещающегося под воздействием контролируемого параметра;

– тензорезисторные (тензометрические) - изменение сопротивления проводников и полупроводников при упругих деформациях, для измерения давлений, усилий и вращающих моментов.

КОМПОНЕНТЫ ELECTRONICS WORKBENCH

Система Electronics Workbench имеет большой набор различных компонентов и приборов для построения и исследования различных схем.

Для операций с компонентами и приборами на общем поле системы Electronics Workbench выделена панель компонентов и приборов (рис. 1).

Рис. 1. Общее поле Electronics Workbench на экране компьютера

Панель компонентов и приборов состоит из пиктограмм меню компонентов и приборов. Щелчком мыши на одной из пиктограмм, расположенных на панели, можно открыть соответствующее меню. На рис. 1 открыто меню источников питания (Sources).

В библиотеки компонентов рассматриваемой системы Electronics Workbench версии 5.12 входят аналоговые, цифровые и цифро-аналоговые компоненты. Компоненты разбиты на нижеприведенные группы.

1. Sources - источники питания и сигналов.

2. Basic - пассивные и коммутационные компоненты.

3. Diodes - диоды.

4. Transistors - транзисторы.

5. Indicators — индикаторные устройства разных типов.

6. Instruments - приборы для исследования схем.

В системе Electronics Workbench можно использовать следующие приборы: мультиметр, функциональный генератор, осциллограф, боде-плоттер, генератор слов, логический анализатор, логический преобразователь.

1.1. Источники

  Батарея

ЭДС источника постоянного напряжения или батареи измеряется в вольтах и задается величинами в диапазоне от мкВ до кВ.

  Заземление

Компонент "Заземление" имеет нулевое напряжение и, таким образом, обеспечивает исходную точку для отсчета потенциалов.

1.2. Базовые компоненты

  Соединяющий узел

Узел применяется для соединения проводников и создания контрольных точек. К каждому узлу может подсоединяться не более четырех проводников. После того, как схема собрана, в связи между элементами можно вставить дополнительные узлы для подключения приборов.

  Резистор

Сопротивление резистора измеряется в омах и задается величинами в диапазоне от Ом до МОм.

  Конденсатор

Емкость конденсатора измеряется в фарадах и задается величинами в диапазоне от пФ до Ф.

2. ПРИБОРЫ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Приборы из библиотеки индикаторов

2.2. Приборы из меню приборов

Кроме амперметра и вольтметра в Electronics Workbench имеется семь приборов с многочисленными режимами работы, каждый из которых можно использовать в схеме только один раз. Слева в меню расположены приборы для формирования и наблюдения аналоговых величин: мультиметр, функциональный генератор, осциллограф, Боде-плоттер.

Рис. 2. Меню приборов

Справа расположены приборы для формирования и наблюдения цифровых величин: генератор слов, логический анализатор, логический преобразователь.

Измеритель АЧХ и ФЧХ (Bode Plotter)

Лицевая панель измерителя АЧХ-ФЧХ показана на рисунке. Измеритель предназначен для анализа амплитудно-частотных (при нажатой кнопке MAGNITUDE, включена по умолчанию) и фазо-частотных (при нажатой кнопке PHASE) характеристик при логарифмической (кнопка LOG, включена по умолчанию) или линейной (кнопка LIN) шкале по осям Y (VERTICAL) и X (HORIZONTAL). Настройка измерителя заключается в выборе пределов измерения коэффициента передачи и вариации частоты с помощью кнопок в окошках F – максимальное и I – минимальное значение. Значение частоты и соответствующее ей значение коэффициента передачи или фазы индицируются в окошках в правом нижнем углу измерителя. Значения указанных величин в отдельных точках АЧХ или ФЧХ можно получить с помощью вертикальной визирной линейки, находящейся в исходном состоянии в начале координат и перемещаемой по графику мышью или кнопками ← и →. Результаты измерения можно записать также в текстовый файл. Для этого необходимо нажать кнопку SAVE и в диалоговом окне указать имя файла (по умолчанию предлагается имя схемного файла). В полученном таким образом текстовом файле с расширением .bod АЧХ и ФЧХ представляются в табличном виде.

Подключение прибора к исследуемой схеме осуществляется с помощью зажимов IN (вход) и OUT (выход). Левые клеммы зажимов подключаются соответственно ко входу и выходу исследуемого устройства, а правые – к общей шине. Ко входу устройства необходимо подключить функциональный генератор или другой источник переменного напряжения.

3. СОЗДАНИЕ СХЕМ

3.1. Технология построения схем

Electronics Workbench позволяет строить аналоговые, цифровые и цифро-аналоговые схемы различной степени сложности.

При построении схем выполняются следующие операции:

- выбор элементов и приборов из библиотек;

- перемещение элементов на рабочее поле;

- изменение параметров элементов;

- соединение элементов проводниками.

После построения схемы и подключения приборов анализ ее работы начинается нажатием выключателя в правом верхнем углу окна программы.

Повторное нажатие выключателя в правом верхнем углу прекращает работу схемы.

Выбор нужного компонента производится из меню компонентов, которое выбирается нажатием левой кнопки мыши на одной из пиктограмм панели компонентов. При этом в меню компонентов появляются изображения соответствующих компонентов. После выбора меню компонентов нужный компонент при помощи мыши перемещается на рабочее поле.

Выделение объекта осуществляется при помощи мыши (под объектом подразумевается как один компонент, так и группа компонентов). При выборе одного компонента нужно установить указатель мыши на компонент (при этом изображение указателя изменится на «указывающий перст») и щелкнуть левой кнопкой мыши. Для выбора группы компонентов нужно установить указатель мыши в один из углов прямоугольной области, содержащей группу, и, нажав левую кнопку мыши, растянуть рамку до необходимых размеров, после чего отпустить кнопку. Выбранный объект изменяет свой цвет на красный. Снять выделение можно щелчком мыши в любой свободной точке рабочего поля.

Перемещение объекта по рабочему полю производится при помощи мыши или клавиш со стрелками на клавиатуре. Для перемещения объект нужно предварительно выделить, а затем при помощи мыши или стрелок на клавиатуре переместить в нужное место. При перемещении мышью необходимо установить указатель мыши на объект (при этом изображение указателя изменится) и, нажав левую кнопку мыши, перетащить объект.

Поворот объекта можно осуществлять на угол, кратный 90°. Для этого объект нужно предварительно выделить, а затем выбрать команду Rotate из меню Circuit или нажать Ctrl+R. При этом объект повернется на 90° против часовой стрелки. При повороте группы компонентов на 90° поворачивается каждый компонент, а не вся группа целиком.

Удаление объекта осуществляется командой Delete. Перед удалением объект также должен быть выделен.

Для соединения компонентов проводниками нужно подвести указатель мыши к выводу компонента. При этом на выводе компонента появится цветная точка. Нажав левую кнопку мыши, нужно переместить ее указатель к выводу компонента, с которым нужно соединиться, когда на выводе этого компонента появится цветная точка, отпустить кнопку мыши. Выводы компонентов соединятся проводником автоматически.

Если требуется соединить уже существующие проводники, то необходимо на эти проводники поместить «узлы соединения проводников» из поля Basic (элемент в виде большой точки). После помещения на проводник точка оказывается красной. Чтобы она почернела, необходимо щелкнуть мышью по свободному месту рабочего поля. Если на точке будет виден светлый след от проводника, то электрического соединения нет и точку надо установить заново. После удачной установки к этому элементу можно подключить еще два проводника.

Для подключения вывода компонента к уже существующему проводнику необходимо проложить проводник от вывода компонента к нужному проводнику и после появления точки соединения, которая появляется автоматически, отпустить кнопку мыши.

Если соединение нужно разорвать, то курсор подводится к одному из выводов компонентов или к точке соединения проводников и при появлении цветной точки нажимается левая кнопка мыши, проводник отводится на свободное место, после чего кнопка отпускается (проводник при этом исчезает).

Для удаления проводника надо его выделить (подвести курсор к проводнику и щелкнуть левой кнопкой мыши), а затем нажать клавишу Delete. На появившийся запрос ответить ОК. Если удалить компонент, то удалятся все подключенные к нему проводники.

Установка значений параметров компонентов производится в диалоговом окне свойств компонента, которое открывается двойным щелчком мыши по изображению компонента или командой Component properties из меню Circuit. В диалоговом окне при помощи мыши следует выбрать нужную закладку, ввести требуемые значения параметров компонента и нажать Accept (OK) для подтверждения или Cancel для отмены установки значений.

В Electronics Workbench имеется семь приборов, формирующих различные воздействия и анализирующих реакцию схемы. Эти приборы представлены в виде пиктограмм, расположенных в меню приборов.

Для подключения прибора к схеме нужно мышью перетащить прибор из меню инструментов на рабочее поле и подключить выводы прибора к исследуемым точкам.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ И КОМПЕНСАЦИОННЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

Современная электроника предъявляет жесткие требования к пульсациям выходного напряжения источника питания. Постоянное напряжение источника питания должно быть неизменным. Основными причинами, вызывающими колебания выходного напряжения источника питания, являются изменения напряжения сети и тока нагрузки. Стабилизатором постоянного напряжения называется устройство, поддерживающее с требуемой точностью напряжение на нагрузке при изменении в заданных пределах напряжения сети и сопротивления нагрузки.

Стабилизаторы постоянного напряжения подразделяются на параметрические и компенсационные.

Параметрическими стабилизаторами напряжения называются устройства с нелинейными элементами (кремниевый стабилитрон), параметры которых с изменением напряжения изменяются таким образом, что напряжение на нагрузке остается почти неизменным по величине.

Преимущества параметрических стабилизаторов постоянного напряжения — простота схемы; недостатки — низкий КПД, невозможность регулирования выходного напряжения, небольшой коэффициент стабилизации и возможность работы только при малых токах нагрузки.

Более высокими техническими показателями обладают стабилизаторы компенсационного типа, работа которых основана на сравнении фактического значения выходного напряжения с заданным.

Рис. 1.1     Рис.1.2

Компенсационный стабилизатор (рис. 1.1) состоит из трех узлов:

- источник опорного напряжения (ОН);

- сравнивающий и усилительный элемент (СУ);

- регулирующий элемент (РЭ).

Как следует из структурной схемы, регулирующий элемент включается последовательно с источником входного напряжения Uвх и нагрузкой Rн и выполняет роль переменного гасящего резистора. Если по каким-либо причинам напряжение на нагрузке отклонилось от своего номинального значения, то разность опорного напряжения и выходного напряжения усиливается и воздействует на регулирующий элемент, за счет чего выходное напряжение стабилизатора возвращается к номинальному значению.

Основными параметрами стабилизатора являются коэффициент стабилизации и выходное сопротивление. Коэффициентом стабилизации называют отношение относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора при постоянном сопротивлении нагрузки, т. е.

,

где ΔUвх, ΔUвых — изменения напряжения на входе и выходе стабилизатора; Uвх, Uвых — номинальные напряжения на входе и выходе стабилизатора.

Этот параметр служит основным критерием для выбора схемы стабилизатора. Выходным сопротивлением стабилизатора называют отношение изменения напряжения на выходе стабилизатора к вызвавшему его изменению тока нагрузки при постоянном входном напряжении:

.

Желательно, чтобы Rвых было небольшой величины.

Одна из возможных схем компенсационного стабилизатора напряжения приведена на рис. 1.2.

Транзистор VT1, включенный последовательно с сопротивлением нагрузки Rн, является регулирующим элементом, а транзистор VT2 является усилительным. Кремниевый стабилитрон VD используется в качестве источника опорного напряжения, а транзистор VT2 усиливает разность, образованную опорным напряжением Uоп и падением напряжения на резисторе R2. Если напряжение на входе Uвх возрастает, то в первый момент повышается напряжение на резисторе делителя R2, а следовательно, увеличивается базовый ток Iб2. При этом увеличивается ток коллектора Iк2 и падение напряжения на резисторе R3. Потенциал базы транзистора VT1 повышается, а ток базы Iб1 снижается. Это приводит к увеличению напряжения на транзисторе VT1 до того значения, при котором напряжение Uвых становится близким к прежнему. В делителе R1, R2 можно применить переменный резистор для регулирования выходного напряжения. Коэффициент стабилизации в компенсационных стабилизаторах может достигать нескольких тысяч. Компенсационные стабилизаторы напряжения обеспечивают высокую точность поддержания стабильного напряжения, значительное ослабление пульсаций и возможность регулирования выходного напряжения. Они применяются в блоках питания устройств, собранных на полупроводниковых приборах, или микросхемах. К недостаткам можно отнести низкий КПД, так как на регулирующем транзисторе всегда имеются потери выпрямленного напряжения.

Кроме стабилизаторов компенсационного типа находят применение и импульсные стабилизаторы напряжения. Если в компенсационных стабилизаторах транзистор работает непрерывно, то в импульсных стабилизаторах он работает в режиме переключения, мощность на регулирующем транзисторе в режиме переключения значительно меньше, чем при работе в непрерывном режиме. Это повышает КПД стабилизатора и уменьшает его габариты. Промышленность выпускает стабилизаторы напряжения с различными параметрами в интегральном исполнении.

Цель работы:

построение схем, моделирование с помощью программы Electronics Workbench и изучение принципа работы параметрического и компенсационного стабилизаторов напряжения.

Вопросы для самоподготовки:

1. Что такое стабилизаторы напряжения? Каково их назначение?
2. Какие виды стабилизаторов вам известны?
3. Поясните принцип работы стабилизаторов. Нарисуйте функциональные схемы.
4. Какие элементы входят в состав параметрического стабилизатора напряжения? Нарисуйте схему. Поясните назначение элементов.
5. В каком режиме работы стабилизатора нагрузка на стабилитрон максимальна – в режиме холостого хода или в режиме короткого замыкания
6. По какой формуле определяется коэффициент стабилизации?
7. Какие элементы входят в состав компенсационного стабилизатора напряжения? Нарисуйте схему. Поясните назначение элементов.
8. Расскажите о принципе построения компенсационного стабилизатора на операционных усилителях.
10. Расскажите, из каких основных узлов состоят интегральные стабилизаторы напряжения.

Порядок выполнения работы.

  1.  Собрать схему параметрического стабилизатора напряжения, изображенную на рисунке  2.   При моделировании для имитации пульсаций использовать источник переменного напряжения.

  1.  Установить сопротивление резистора Rн=100кОм.
    3. Включить схему.
    4. По показаниям приборов проверить параметры рассчитанного стабилизатора.
    5. Развернуть панель осциллографа и наблюдать входной и выходной сигналы (Рисунок 3).
    6. Переключить осциллограф  на измерение переменного напряжения (режим АС).
    7. Определить пульсации на нагрузке и рассчитать коэффициент стабилизации.
    8. Собрать схему компенсационного стабилизатора напряжения, изображенную на рисунке 4. .   При моделировании для имитации пульсаций использовать источник переменного напряжения.

9. Изменяя сопротивление переменного резистора R3 убедиться, что напряжение на выходе стабилизатора меняется.
10. Развернуть панель осциллографа и наблюдать входной и выходной сигналы (Рисунок 5).
11. Переключить осциллограф  на измерение переменного напряжения (режим АС).
12. Определить пульсации на нагрузке и рассчитать коэффициент стабилизации.
13. Провести сравнительную характеристику параметрического и компенсационного стабилизаторов напряжения.

ЛИТЕРАТУРА

Карлащук А.И. Электронная лаборатория на IBM PC, Москва, изд.     Салон–Пресс, 2004г.

Смоляков Б.П., Андреев Н.К., Малеев Н.А.  Расчет и исследование активных      корректирующих цепей информационного канала

    автоматизированного электропривода. Изд. КГЭУ, 2010г.

Дорошенко А.Н., Логинов В.А., Федоров В.Н.

    Моделирование дискретных устройств в системе ELECTRONICS    WORKBENCH, Москва, изд. МЭИ, 2004г.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

46416. Надійність машин і устаткування 1.13 MB
  Причини утворення і розвитку несправностей деталей машин Практично будьяка несправність є наслідком зміни механічних властивостей матеріалу конструктивних розмірів деталей і стану їхньої поверхні. У свою чергу зміна механічних властивостей відбувається внаслідок зміни складу і структури матеріалу деталей. До конструктивних факторів відносяться фактори що були враховані на стадії проектування: конструктивне виконання деталей і складальних одиниць форма величина зазорів і натягів у спряженнях шорсткість і твердість поверхонь і т.;...
46417. Відновлення деталей типу вал(вісь) 264 KB
  Для відновлення нерухомих сполучень, широко розповсюджена елекроконтактне приварювання металевої стрічки (дроту). Перевага – незначний нагрів деталей, зменшення витрат наплавних матеріалів, значне підвищення продуктивності і умов праці.
46418. УСТРОЙСТВО ВВОДА АНАЛОГОВОЙ ИНФОРМАЦИИ 135.5 KB
  В настоящее время персональные компьютеры используют не только как вычислительные средства, но и как универсальные измерительные приборы. КИС на основе персонального компьютера заменяют стандартные измерительные приборы (вольтметры, осциллографы, анализаторы спектра, генераторы и пр.) системой виртуальных приборов. Причем ряд этих приборов может быть активизирован на одном персональном компьютере одновременно.
46419. СЦЕНАРІЙ КОНКУРСНОЇ ПРОГРАМИ «МІС ГІМНАЗІЙНА ВЕСНА» 55 KB
  Доброго дня дорогі друзі ВЕДУЧА. Вас вітає конкурс краси і грації ВЕДУЧА. ВЕДУЧА. А до речі кажуть що наші дівчата – найкрасивіші дівчата в світі До глядачів Це правда ВЕДУЧА.
46420. Визуализация семантического анализа текстов 3.57 MB
  Технологии анализа естественного языка, моделирования когнитивных процессов понимания, языкового взаимодействия и извлечения информации из текстов объединяются общим термином “Компьютерная лингвистика” (вычислительная лингвистика, computational linguistics)
46421. Розрахунок завантажувального пристрою - бункер лопатний 5.07 MB
  Схематичне зображення положення заготовки в направляючих бункера Принцип дії лопатного бункера заснований на тому що заготовки типу болт штуцер і інші перемішуються в полості бункера за допомогою лопатей п’ять штук. Безпосередньо при перемішуванні заготовки які попадають виступаючою частиною в спеціальні пази між направляючими стійками переміщуються по даним стійкам до направляючого лотка за допомогою лопатей.2 зображена схема розташування заготовки між направляючими пазами пристрою.2 видно що відстань між пазами H має бути...
46422. ОСНОВИ ПРОГРАМУВАННЯ ТА АЛГОРИТМІЧНІ МОВИ 453.93 KB
  Приклад слів у програмі: Progrm Input Output Vr Begin Integer WriteLn End. Приклад рядків програми: vr nme : string; begin write‘Як вас звуть’; redlnnme; writeln‘Здрастуйте шановний ’nme’ ’; end. Операції виведення виконують так само дві процедури: Write і WriteLn. Процедура WriteLn аналогічна процедурі Write але після її виконання курсор переміщаєтьсянав початок нового рядка.