8. Создание подсхемы

Для того чтобы не загромождать общую схему программа "EWB" позволяет отдельные части схемы объединить в блок. Например, если вы собираетесь смоделировать работу радиолокационной станции (в которой содержится довольно большое количество элементов) с имитатором цели, то можно выделить некоторые части схемы, из которых состоит радиолокационная станция и преобразовать их в функциональные блоки (см. рис. 8.1).

Рис. 8.1. Схема модели радиолокационной станции с имитатором цели (отдельные части схемы представлены в виде функциональных блоков).

peredat - передатчик; im_celi - имитатор цели; pomeha - имитатор помех в радиолокационном канале; priemnic - приемник; GTI - генератор опорных импульсов; sinhr - синхронизатор; schetch - счетчик импульсов.

Главное что требуется в данном случае от подсхемы - это обеспечить соответствие сигналов на входе и на выходе блоков.

Например, на рис. 8.1 видно, что осциллограф подключен к входу и выходу приемника. Так как назначение и функции, выполняемые приемником нам известны, то мы можем контролировать правильность его работы, сравнивая входной и выходной сигналы.

Для оценки правильности работы устройства на уровне блоков этого вполне достаточно. На рис. 8.2 приведены осциллограммы входного и выходного сигналов приемника, глядя на которые можно сказать, что приемник работает правильно. То есть он принимает сигнал на фоне помех и выделяет нужный информационный сигнал. Причем если мы хотим просто смоделировать работу какого-либо устройства и его начинка (то есть принципиальная схема) не важна, то применять в этом случае подсхемы (блоки) очень эффективно.

Рис. 8.2. Принимаемый сигнал и сигнал на выходе приемника

Объединение схемы в блок удобно также при создании новых компонентов, которые вы хотите использовать постоянно (например, вы хотите, чтобы у вас был такой компонент как амплитудный детектор или фильтр нижних частот). О том, как создать и сохранить такие блоки-компоненты будет написано несколько ниже.

Внутри блока могут находиться также другие блоки (вложенные блоки или, если сказать иначе, вложенные подсхемы), например, в состав блока приемника может входить блок детектора, блок преобразователя частоты, блок фильтра нижних частот и другие блоки.

Рис. 8.3. Выделение элементов для объединения их в подсхему.

А теперь о том, как создать подсхему. Снова вернемся к схеме для снятия вольтамперных характеристик лампового триода и сделаем из нее виртуальный стенд для изучения вольтамперных характеристик лампового триода, в котором из основного блока будут выходить только проводники, подключающиеся к органам управления (переменным резисторам) и приборам.

Расположите компоненты схемы так, как показано на рис. 8.3. Для того чтобы объединить группу элементов в блок необходимо их выделить (см. рис. 8.3). При этом не выделяйте компоненты, которые должны остаться вне блока (это гораздо проще, чем исправлять подобные ошибки потом).

После того как вы выделили группу элементов нужно нажать на кнопку , находящуюся на панели инструментов, или выбрать пункт меню "Circuit" - "Create Subcircuit". В обоих случаях на экран выводится окно, в котором вы должны указать имя создаваемого блока и некоторые дополнительные параметры (указать метод создания) (см. рис. 8.4).

Рис. 8.4. Окно для ввода параметров блока

Переведем то, что отображается в этом окне, и я думаю, не стоит дополнительно пояснять эти пункты, так как и так все понятно: "Name" - поле для ввода имени подсхемы (имя должно быть на английском языке); "Copy from circuit" - копировать выделенные объекты в подсхему; "Move from circuit" - переместить выделенные объекты в подсхему; "Replace in circuit" - заменить выделенные объекты в схеме. Если что-то непонятно то просто попробуйте выбрать каждый пункт и посмотреть что из этого получается. Выбрав пункт "Replace in circuit" мы получим схему, которая показана на рис. 8.5. Кроме того, в библиотеке "Favorites" теперь появился новый компонент "stend", который можно использовать при составлении схем. А если мы сохраним файл как шаблон, то этот блок будет доступен во всех схемах, которые мы будем делать после этого (так же мы до этого делали с обычными элементами). То есть мы может делать свои компоненты-блоки.

Рис. 8.5. Получившийся виртуальный стенд

И сразу хочу отметить некоторые нюансы, которые при этом возникают. Не рекомендую вам сохранять файл как шаблон, если блок содержит вложенную подсхему - она может неправильно отображаться в программе при следующем ее запуске (точнее эта подсхема будет, скорее всего, пустой или поврежденной, другими словами - непригодной для использования). И в заключение этого параграфа посоветую не слишком злоупотреблять подсхемами, так как их наличие замедляет симуляцию схемы, хотя и дает выигрыш в других отношениях: легко читаемая схема, легче отыскать ошибку в схеме (найти неисправный блок проще, чем в большой схеме) и т.д.

Ну а теперь мы перейдем к рассмотрению приборов и инструментов, имеющихся в программе EWB. В частности с двумя вы уже поверхностно знакомы - это вольтметр и амперметр - они самые простые. Кроме этих двух приборов есть и более сложные инструменты - осциллограф, анализатор АЧХ/ФЧХ, функциональный генератор, мультиметр и др.

9. Работа с приборами

В программе "Electronics Workbench" содержится некоторый набор инструментов, без которых невозможно было бы анализировать работу радиоэлектронной схемы. В основном они находятся в библиотеке "Instruments", но есть исключения, например, вольтметр и амперметр почему-то считаются не приборами, а индикаторами, и находятся соответственно в библиотеке "Indicators". Там же находится логический пробник, который тоже можно считать прибором (правда простейшим). Знакомство с этим типом компонентов мы начнем с приборов библиотеки "Instruments".

9.1 Мультиметр

(Multimeter) - Мультиметр. Мультиметром называют прибор способный выполнять измерение нескольких физических величин - напряжения, тока и сопротивления.

Рис. 9.1. Мультиметр

С помощью мультиметра находящегося в программе "EWB" можно измерить постоянный и переменный ток в ветвях схемы, постоянное и переменное напряжение в узлах схемы, а также измерить величину сопротивления цепи.

Мультиметр это единственный в программе прибор, позволяющий измерять сопротивление. При двойном щелчке на изображении мультиметра появляется окно (это и есть сам прибор), внешний вид которого показан на рис.9.1. В окне можно выбирать режимы работы мультиметра, и здесь же будут отображаться результаты измерений. Мультиметр имеет следующие режимы работы:

? "A" - измерение тока;

? "V" - измерение напряжения;

? "Щ" - измерение сопротивления;

? "dB" - измерение уровня напряжения в децибелах;

? "~" - измерение по переменному току;

? "-" - измерение по постоянному току.

При нажатии на кнопку "Settings" выйдет окно настройки прибора, в котором можно установить такие параметры как: сопротивление вольтметра ("Voltmeter resistance"), сопротивление амперметра ("Ammeter resistance"), измерительный ток в режиме омметра ("Ohmmeter current") и опорное напряжение для измерения напряжения в децибелах ("Decibel standard").

А теперь давайте рассмотрим каждый из режимов работы в отдельности. Первый режим, с который мы с вами познакомимся это режим измерения напряжений в схеме.

Выбор режима измерения напряжения осуществляется нажатием кнопки "V" на приборе. При работе в этом режиме мультиметр включается параллельно тому участку цепи, на котором производится измерение (как подключать мультиметр, в этом режиме, показано на рис. 9.2).

Внутреннее сопротивление мультиметра в режиме вольтметра установлено по умолчанию равным 1ГОм, но его значение можно изменить в настройках прибора.



а) работа мультиметра в режиме измерения постоянного напряжения.

б) работа мультиметра в режиме измерения переменной составляющей напряжения

Рис. 9.2. Измерение напряжений в схеме с помощью мультиметра

С помощью кнопок "-" и "~" можно выбирать режим измерения соответственно постоянного напряжения (см. рис. 9.2, а) или переменной составляющей напряжения (этот режим показан на рис. 9.2, б). При измерении переменной составляющей напряжения мультиметр показывает ее действующее UД, а не амплитудное Um значение. Если напряжение, действующее на входе мультиметра, имеет синусоидальную форму, то его амплитудное значение можно вычислить по формуле

.

В том случае если это напряжение сложной формы, то вычисление его амплитудного значения будет проблематично.

Помимо измерения режимов измерения постоянного и переменного напряжения у мультиметра имеется еще один режим измерения напряжений - "dB", при котором измеряется уровень напряжения, в децибелах, относительно некоторого опорного напряжения Uоп. Это напряжение задается в настройках прибора, вызываемых при нажатии на кнопку "Setting", и установлено по умолчанию равным 1B. Уровень напряжения в децибелах можно вычислить, используя для этого выражение

,

здесь Uвх - входное напряжение, действующее между выводами мультиметра; Uоп - опорное напряжение, относительно которого производится измерение.

Если при этом измеряется не постоянное, а переменное напряжение, то измерение производится по его действующему значению.

Следующий режим работы мультиметра - измерение тока. В этом режиме также можно производить измерения, как по переменному, так и по постоянному току (рис. 9.3). Внутреннее сопротивление прибора в режиме амперметра устанавливается в настройках "Setting" (по умолчанию оно составляет 1нОм). В режиме измерения тока мультиметр включается в разрыв цепи, в которой требуется произвести измерение.

Рис. 9.3. Работа с прибором в режиме измерения величины протекающего постоянного тока

При измерении переменного тока мультиметр показывает его действующее значение IД. Амплитудное значение Im можно вычислить для синусоидального тока по формуле

.

Думаю, что не будет лишним напомнить вам, что включение мультиметра при измерении постоянных токов и напряжений нужно производить в правильной полярности (из-за того, что вы включите прибор в неправильной полярности, его показания будут противоположны по знаку истинным, а иногда при этом возможно также появление ошибок измерения).

Последний режим работы мультиметра, который мы пока еще не затрагивали, это режим измерения сопротивления (рис. 9.4). Для измерения сопротивления участка цепи нужно присоединить мультиметр параллельно этому участку и нажать кнопки "Щ" и "-" (сопротивление участка цепи измеряется только на постоянном токе). При этом из схемы должны быть исключены все источники тока и напряжения (источник тока заменяется обрывом цепи, а источник напряжения короткозамкнутым участком).

Рис. 9.4. Работа с мультиметром в режиме измерения сопротивления

Еще раз напомню, что измерение сопротивления осуществляется при постоянном токе, поэтому наличие в цепи конденсатора эквивалентно обрыву, а катушка индуктивности эквивалентна короткозамкнутому участку (если только у нее нет внутреннего сопротивления). Измерительный ток в режиме омметра устанавливается в настройках прибора ("Setting").

С мультиметром мы с вами уже разобрались и следующий прибор, который мы рассмотрим - осциллограф.

9.2 Осциллограф

(Oscilloscope) - Осциллограф. Осциллографом называется прибор для визуального наблюдения быстроизменяющихся процессов происходящих в электронной схеме (то есть электрических сигналов). В программе "EWB" имеется хороший двухканальный запоминающий осциллограф, который является незаменимым помощником при анализе работы электронной схемы.

Извлеките осциллограф из библиотеки и дважды кликните на его изображении левой кнопкой мыши. Перед вами появиться окно осциллографа, или можно сказать его передняя панель, на которой расположен его экран и органы настройки.

На передней панели осциллографа имеются четыре панели для его настройки - "Time base" ("Развертка"), "Trigger" ("Синхронизация"), "Channel A" ("Канал A") и "Channel B" ("Канал B"). На передней панели имеется также кнопка "Expand".

Рис. 9.5. Внешний вид осциллографа в программе Electronics Workbench.

Давайте рассмотрим назначение органов управления расположенных на этих панелях. Начнем с панели "Time base".

На этой панели можно задавать масштаб по горизонтальной оси (масштаб времени) . Сразу хочу отметить тот факт, что значения масштаба по горизонтальной оси, как и всех остальных параметров, фиксированные, и вы можете только выбирать их из списка. Значения масштаба по горизонтальной оси находятся в пределах от 0,1нсек/дел до 1сек/дел.

Кнопки , , предназначены для выбора режима работы развертки осциллографа. Кнопка позволяет использовать внутреннюю развертку (по горизонтальной оси будет откладываться время, а по вертикальной - напряжение). Кнопки и позволяют использовать в качестве напряжения развертки сигналы на входах "A" и "B" (эти режимы требуются для снятия вольтамперных характеристик полупроводниковых приборов, получения на экране осциллографа фигур Лиссажу и т.д.).

Пункт "X position" предназначен для задания положения начала осциллограммы. Осциллограмму можно сдвигать в пределах ±5сек с дискретностью равной 0,2сек.

Панели "Channel A" и "Channel B" одинаковые и позволяют устанавливать масштаб по вертикальной оси (масштаб напряжения) для каждого из двух каналов отдельно. Масштаб по вертикальной оси может варьироваться в пределах от 10мкВ/дел до 5кВ/дел. При помощи пункта "X position" можно сдвигать осциллограмму по вертикальной оси в пределах от -3 до 3 дел. Кнопки и переводят осциллограф в режим работы с закрытым и открытым входом соответственно (в режиме с закрытым входом пропускается только переменная составляющая сигнала). Кнопка позволяет отключить один из каналов осциллографа.

Панель "Trigger" позволяет настраивать синхронизацию осциллографа - тип синхронизации, уровень и т.д. В пункте "Level" можно задавать уровень синхронизации. Кнопки , , и служат для выбора режима синхронизации осциллографа:

? "Auto" - синхронизация от внутреннего источника;

? "Ext" - синхронизация от внешнего источника;

? "A" - синхронизация по импульсам на входе "A";

? "B" - синхронизация по импульсам на входе "B".

Кнопки и позволяют выбрать синхронизацию соответственно по переднему и заднему фронту импульса (эта настройка работает в режимах "A", "B" и "Ext").

Кнопка "Expand" переводит осциллограф в развернутый режим, показанный на рис. 9.7. В этом режиме можно прокрутить всю осциллограмму, начиная с момента включения схемы, и проследить за ее изменением, а также произвести измерения. Развернутым видом осциллографа вы будете пользоваться очень часто - без этого невозможно будет просмотреть осциллограмму полностью и произвести точные измерения в схеме.

Давайте рассмотрим пример использования осциллографа для исследования процессов в электронной схеме. В качестве такого примера возьмем схему усилителя на транзисторе с отрицательной обратной связью по току (см. рис. 9.6).

Соберите схему, показанную на рисунке (настраивать параметры транзистора не нужно, они уже установлены, а о том, как устанавливать параметры для источника переменного напряжения смотрите в разделе 10).

Рис. 9.6. Схема включения осциллографа

На рисунке показано, как нужно правильно присоединять прибор к исследуемой схеме. Два нижних вывода это входы осциллографа (каналы A и B), верхний вывод должен быть заземлен, а четвертый вывод представляет собой вход для импульсов при синхронизации осциллографа от внешнего источника.

Цвет графиков на экране осциллографа определяется цветом проводника присоединенного к соответствующему каналу.

Лучше всегда выделять проводники, подходящие к входам осциллографа разными цветами, чтобы не путать осциллограммы.

После того как вы собрали схему и запустили ее моделирование, откройте прибор, дважды кликнув по его изображению на схеме. Установите длительность развертки "0,50мсек/дел", усиление (или масштаб напряжения) канала "A" установите равным "50мВ/дел" а для канала "B" равным "100мВ/дел". Оба канала нужно перевести в режим с открытым входом (из-за особенностей исследуемой схемы подключать к ней осциллограф в режиме с закрытым входом необязательно, - там уже есть конденсаторы, которые блокируют постоянную составляющую сигнала).

Рис. 9.7. Развернутый вид осциллографа.

Изменяя значение уровня синхронизации (поле "Level") можно добиться остановки осциллограммы на экране осциллографа. Попробуйте установить режим работы осциллографа (или ) и посмотреть вид получившейся кривой. В данном случае это будем почти прямая линия, так как сдвиг фаз между входным и выходным сигналом усилителя близок к 180є.

Тоже было бы при фазовом сдвиге 0є, а при остальных значениях фаз получился бы наклонный эллипс, сжатие которого пропорционально отношению фаз (разумеется, при одинаковом значении частоты входного и выходного сигнала усилителя).

А теперь нажмите на кнопку "Expand" для перевода осциллографа в развернутое состояние (см. рис. 9.7). В развернутом состоянии остались те же четыре панели настройки прибора, и добавилось еще три новые кнопки:

? - возвращает осциллограф в обычный режим работы (т.е. выполняет действие обратное нажатию кнопки "Expand")

? - меняет цвет фона экрана осциллографа с белого на черный, и обратно. При этом можно сделать более реалистичным вид экрана осциллографа, - например, получить осциллограмму зеленого цвета на черном фоне.

? - сохранение результатов моделирования в текстовый файл (файл получает расширение [*.scp]). Данный файл имеет почти такую же структуру как файл, записываемый компонентом "Write Data", о котором вы можете прочесть в параграфе "Источники тока и напряжения".

Для просмотра сохраненной осциллограммы ее можно загрузить в окно "Analysis Graphs" (это окно выводится на экран при выборе пункта "Display Graphs" из меню "Analysis", или при нажатии кнопки на панели инструментов). Сохраненные данные (для одного из каналов) можно также воспроизвести впоследствии с помощью компонента "Piecewise linear source" (о нем вы можете узнать в следующем параграфе книги).

По краям экрана осциллографа в развернутом режиме находятся измерительные бегунки "1" и "2" (см. рис. 9.7), которые можно перемещать по осциллограмме, потянув за треугольники.

Результаты измерений отображаются в прямоугольных окошках расположенных под экраном осциллографа.

В левом и центральном окошках показываются результаты измерения первым и вторым бегунком соответственно.

В окошках отображаются следующие параметры:

? T - имитационное время, соответствующее положению бегунка;

? VA (или VB) -напряжение в канале A (или B), соответствующее времени T.

В правом окошке показывается разность между измерениями первым и вторым бегунком. Это очень удобно, когда необходимо, например, измерить длительность фронта или среза импульса (или какого-либо другого временного интервала), разницу напряжений в двух точках схемы и т.д.

Как вы уже, наверное, заметили - каждым бегунком можно измерить напряжение как в канале A, так и в канале B. Причем неважно, каким из них конкретно - можно выполнять одни и те же измерения бегунком "1" или бегунком "2". Осциллограф будет одним из основных приборов, с которыми вы будете работать при моделировании схем в программе "Electronics Workbench". Постарайтесь полностью освоить работу с ним.

А теперь перейдем к изучению работы со следующим прибором, имеющимся в программе - функциональным генератором.

9.3 Функциональный генератор

(Function generator) - Функциональный генератор. Функциональным генератором называют прибор позволяющий вырабатывать сигналы различной формы. Функциональный генератор, имеющийся в программе "EWB" может вырабатывать сигналы трех типов - синусоидальный сигнал, прямоугольные импульсы, треугольные импульсы. Причем у двух последних можно изменять не только амплитуду и частоту, но и их форму.

Давайте рассмотрим этот прибор более подробно. Вытащите прибор из библиотеки на схему. Откройте окно прибора, дважды кликнув левой кнопкой мыши по его изображению на схеме. Перед вами появится окно прибора, внешний вид которого показан на рис. 9.8. Все его органы управления генератором находятся на его передней панели. Давайте посмотрим, каково их назначение.

Рис. 9.8. Функциональный генератор

Три кнопки в верхней части позволяют выбирать форму сигнала, который будет генерироваться прибором:

- кнопка позволяет получить синусоидальный сигнал;

- кнопка позволяет получать прямоугольные импульсы;

- кнопка позволяет получать треугольные импульсы.

Ниже кнопок находятся поля для ввода значений частоты, скважности импульсов, амплитуды и постоянной составляющей выходного сигнала (они имеют кнопки со стрелками, позволяющие дискретно изменять их значение на единицу).

Поле ввода "Frequency" ("Частота") позволяет установить значение частоты выходного сигнала генератора (значение частоты можно ввести как с клавиатуры, так и с помощью стрелок находящихся в поле ввода).

В списке выбора справа от поля установки значения частоты нужно выбрать множитель частоты - Hz, kHz или MHz (соответственно Гц, кГц или МГц). Значение частоты выходного сигнала может изменяться в пределах от 0,1 Гц до 999 МГц (устанавливать значение частоты равное "0" программа не позволяет, как и превышать значение "999").

Поле "Duty cycle" ("Скважность") позволяет установить скважность импульсов. Эта настройка работает только в режиме генерации прямоугольных и треугольных импульсов, а на синусоидальный сигнал не влияет. Понятие скважности для прямоугольных и треугольных импульсов не одинаковое.

Рис. 9.9. Изменение формы для разных сигналов при изменении скважности. а) и б) - для прямоугольных импульсов; в) и г) - для треугольных импульсов.

Для прямоугольных импульсов с помощью этой настройки можно изменять (в процентах) длительность положительной части периода импульса по отношению к периоду его повторения. То есть, можно записать что

,

здесь D - скважность импульсов; tp - длительность положительной части периода импульса; tn - длительность отрицательной части периода импульса; T - период повторения импульсов.

На рис.9.9 для сравнения показаны графики выходного напряжения функционального генератора при значении скважности D = 50% (см. рис.9.9, а), и при значении скважности D = 80% (см. рис.9.9, б) для режима генерации прямоугольных импульсов.

Для треугольных импульсов под скважностью понимается отношение (тоже в процентах) длительности промежутка нарастания импульса к периоду его повторения, то есть

,

где D - скважность; tн - длительность времени нарастания; tс - длительность времени спада; T - период повторения импульсов.

Графически, для режима генерации сигналов треугольной формы, это поясняется для случаев, когда значение скважности D = 50% (см. рис. 9.9, в) и при значении D = 80% (см. рис. 9.9, г).

Поле ввода "Amplitude" ("Амплитуда") служит для установки амплитудного значения выходного сигнала генератора. Справа от поля ввода числового значения амплитуды можно установить множитель для выходного напряжения - мV, mV, V, kV (соответственно мкВ, мВ, В, кВ). Величина амплитуда выходного сигнала может устанавливаться в пределах от 0В до 999 кВ.

Поле ввода "Offset" ("Постоянная составляющая") позволяет установить уровень постоянной составляющей на выходе функционального генератора в вольтах (множителя напряжения нет). Ее значение может варьироваться от -999 В до 999 В. Установив постоянную составляющую выходного сигнала той же величины, что и его амплитуда можно, например, получить последовательность однополярных импульсов в режиме генерации сигнала прямоугольной формы.

Функциональный генератор имеет два выхода для сигнала. Первый из прямой, а второй инверсный. Вывод "Common" обычно нужно заземлить, но иногда этого не требуется. Дело в том, что существует несколько вариантов подключения функционального генератора к исследуемой схеме.

Рис. 9.9. Варианты включения функционального генератора

При первом варианте подключения генератора к схеме (см. рис. 9.9, а) средний вывод (вывод "Common") заземляется и каждый из выходов генератора используется отдельно. При втором способе включения (см. рис. 9.9, б) один из выходов заземляется, а второй используется по назначению (при этом средний вывод ни куда не присоединен). В этом случае амплитуда выходного сигнала удваивается (то есть если вы устанавливаете амплитуду выходного сигнала равной 10 В, то на выходе на самом деле будет действовать напряжение с амплитудой 20 В). Рекомендую вам собрать схемы, приведенные на рис. 9.9 и сравнить их работу.

Переключение между режимами работы функционального генератора и установку новых значений амплитуды, частоты, скважности и постоянной составляющей его выходного сигнала можно производить, не прерывая моделирования схемы.

Следующий прибор, который мы рассмотрим это анализатор амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик.

9.4 Анализатор АЧХ/ФЧХ

(Bode plotter) -Анализатор амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик цепи или устройства. В литературе встречается также название "графопостроитель амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик схемы", но с моей точки зрения это все же анализатор, так он не только строит эти характеристики, но и позволяет проводить некоторые измерения.

При помощи анализатора АЧХ/ФЧХ вы сможете проанализировать амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики различных цепей, - например усилителей, фильтров и т.д. Анализатор АЧХ/ФЧХ измеряет отношение амплитуд выходного и входного сигналов и фазовый сдвиг между ними. Для измерения он генерирует собственный спектр частот. Замечу, что при этом схема должна содержать какой-либо источник переменного тока или напряжения, хотя частота этого источника игнорируется.

Рис. 9.10. Внешний вид анализатора АЧХ/ФЧХ.

Перетащите анализатор АЧХ/ФЧХ на монтажный стол и дважды кликните левой кнопкой мыши по его изображению. Перед вами появится передняя панель (рис. 9.10), на которой размещены органы управления прибором.

У анализатора АЧХ/ФЧХ есть два основных режима работы - построение амплитудно-частотной и построение фазочастотной характеристики. Нажатие кнопки переводит анализатор в режим построения амплитудно-частотной характеристики. В режим построения фазочастотной характеристики анализатор переводится нажатием кнопки .

Кнопка , расположенная в верхнем правом углу передней панели прибора позволяет сохранить показания прибора в специальном файле (файл получает расширение [*.bod]). Этот файл, так же как и файл с показаниями осциллографа, можно загрузить в окно "Analysis Graphs".

Ниже кнопок расположены две панели "Vertical" и "Horizontal", которые позволяют устанавливать диапазоны значений для вертикальной и горизонтальной оси соответственно.

На панели "Horizontal" настраивается диапазон генерируемых анализатором АЧХ/ФЧХ частот. В поля ввода "I" (от слова "Initial") и "F" (от слова "Final") вводятся соответственно начальное и конечное значение генерируемого спектра частот.

На панели "Vertical" в зависимости от режима работы (построение АЧХ или ФЧХ) в полях "I" и "F" можно устанавливать либо начальное и конечное значение отношения амплитуд сигналов либо начальное и конечное значение фазового сдвига.

Кнопки и позволяют устанавливать соответственно линейный и логарифмический масштаб по осям.

В левой части экрана анализатора АЧХ/ФЧХ находится измерительный бегунок. Этот бегунок можно передвигать по экрану анализатора АЧХ/ФЧХ кнопками и . Показания бегунка отображаются в специальных полях находящихся на той же панели, на которой расположены кнопки перемещения измерительного бегунка. В режиме "Magnitude" в полях отображается отношение амплитуд между выходным и входным сигналом и частота, соответствующие положению измерительного бегунка. В режиме "Phase" в этих полях отображаются значения фазового сдвига между выходным и входным сигналами на частоте соответствующей положению измерительного бегунка. В качестве примера применения анализатора АЧХ/ФЧХ возьмем туже схему, что и при рассмотрении осциллографа. Подключите анализатор АЧХ/ФЧХ к исследуемой схеме согласно рис. 9.11. Развернем прибор, дважды кликнув по его изображению, и займемся его настройкой.

Рис. 9.11. Подключение анализатора АЧХ/ФЧХ к исследуемой цепи.

Для снятия амплитудно-частотной характеристики (см. рис. 9.12) необходимо нажать на кнопку "Magnitude".

Установите диапазон генерируемого анализатором спектра частот от 1 Гц до 100 МГц. Затем необходимо выбрать желаемый масштаб по оси частот - логарифмический или линейный. По оси частот лучше выбирать логарифмический масштаб.

После того как настроен диапазон генерируемых частот, нужно установить параметры отображения по вертикальной оси. В примере по вертикальной оси установлен линейный масштаб, начальное и конечное значения по вертикальной оси приняты равными "0" и "50" соответственно.

Рис. 9.12. Построение амплитудно-частотной характеристики.

Для того чтобы снять фазочастотную характеристику (см. рис. 9.13) необходимо нажать на кнопку "Phase". Отличие настройки прибора в этом режиме почти не отличается от настройки его в режиме построения АЧХ.

Рис. 9.13. Построение фазочастотной характеристики

Единственное отличие состоит в том, что по вертикальной оси анализатора настраивается не минимальное и максимальное отношение амплитуд выходного и входного сигнала прибора, как в предыдущем случае, а предельные значения фазового сдвига. В примере этот диапазон установлен равным от -360° до 90° (можно установить и другие значения).

Запустите симуляцию схемы, и вы получите характеристики, показанные на рисунках 9.12 и 9.13. Перемещая измерительный бегунок по экрану анализатора, вы сможете определить полосу рабочих частот усилителя (характеристику можно считать линейной, если при отклонении частоты от рабочего значения коэффициент пропускания меняется в пределах ±3дБ). Анализатор спектра заканчивает группу приборов для измерения аналоговых величин из библиотеки "Instruments". Остальные приборы, имеющиеся в этой библиотеке, предназначены для проведения анализа цифровых схем. Приборов для работы с цифровыми схемами в библиотеке "Instruments" всего три - это "Word generator" ("Генератор слов"), "Logic analyzer" ("Логический анализатор") и "Logic converter" ("логический конвертер"). Свое знакомство с этими приборами мы начнем с прибора "Word generator", который при исследовании цифровых схемах играет примерно ту же роль что и функциональный генератор в аналоговых схемах.

9.5 Генератор слов

(Word generator) - Генератор слов. Генератор слов используется для генерации цифровых последовательностей в схему. Этот прибор очень многофункциональный и может использоваться для решения разного рода задач - от проверки работоспособности схемы до вырабатывания программируемых воздействий на цифровую схему.

Рис. 9.14. Генератор слов

С помощью генератора слов можно выработать 1024 цифровых слова с разрядностью до 16. Список слов отображается в окошке слева, там же их можно и редактировать. Адрес слова может изменяться от 0000 до 03ff.

Состояние каждого вывода на текущий момент времени показывается снизу передней панели генератора в круглых индикаторах .

На панели "Address" расположены поля, в которых можно просматривать адрес изменяемого слова (то есть того на котором стоит курсор в поле "Edit") и адрес текущего слова в поле "Current", а также задавать начальное и конечное значение адреса генерируемых слов в полях ввода с названиями "Initial" и "Final" соответственно.

На панели "Address" расположены также кнопки и управления генерацией слов.



Рис. 9.15. Ввод слова в генератор слов

Рис. 9.16. Окно настроек генератора слов

? Кнопка - переводит генератор в циклический режим. В этом режиме генератор вырабатывает слова расположенные по адресам от значения указанного в поле ввода "Initial" до адреса указанного в поле "Final". По достижении адреса указанного в поле "Final" цикл повторяется.

? Кнопка - позволяет подать разовую последовательность слов. В этом режиме генератор также формирует слова расположенные по адресам от значения указанного в поле ввода "Initial" до адреса указанного в поле "Final", но по достижении адреса указанного в поле "Final" работа генератора останавливается.

? Кнопка - позволяет подавать последовательность слов в пошаговом режиме. С каждым нажатием кнопки адрес формируемого слова инкрементируется.

? Кнопка - позволяет устанавливать точку остановки (прерывания). Для того чтобы установить точку остановки необходимо в поле со списком слов выбрать требуемую позицию (слово) и нажать на кнопу . По достижении точки остановки генератор останавливается (выполнение цикла, если генератор работает в этом режиме, прерывается).

? Кнопка - открывает окно настроек прибора.

Последовательность слов можно вводить либо вручную, либо выбрать одну из типовых последовательностей в окне настроек генератора слов. Причем вводить слова вручную можно в нескольких режимах - непосредственно в шестнадцатеричном значении (вводится в поле со списком слов, как показано на рис. 9.15), шестнадцатиразрядным бинарным кодом в поле ввода "Binary", или символами с кодировкой ASCII в поле ввода "ASCII" (при этом будет записываться как бы шестнадцатеричный код введенного символа).

Окно настроек генератора слов открывается при нажатии на кнопку , в нем можно задать режим его работы, очистить список слов, открыть или сохранить последовательность слов в файле. В окне настроек содержаться следующие пункты:

? "Clear buffer" - очистить список слов. После очистки списка слов можно ввести их значения вручную, или выбрать одну из четырех типовых последовательностей (эти последовательности - "Up counter", "Down counter", "Shift right" или "Shift left");

? "Open" - открыть последовательность слов из файла;

? "Save" - сохранить текущую последовательность слов в файле (расширение полученного файла [*.dp]);

? "Up counter" - генерация слов в режиме повышающего счетчика;

? "Down counter" - генерация слов в режиме понижающего счетчика;

? "Shift right" - циклический сдвиг единицы вправо;

? "Shift left" - циклический сдвиг единицы влево;

Поле позволяет установить числовое значение частоты смены слов, а в поле можно установить множитель частоты.

Рис. 9.17. Схемы для изучения работы с генератором слов.

Кнопки и устанавливают режим синхронизации генератора слов - соответственно от внутреннего источника импульсов и от внешнего. Кнопки и устанавливают режим синхронизации по фронту или спаду импульса соответственно. Для изучения работы генератора слов соберите две схемы, показанные на рис.9.17. Компоненты для схемы "red probe" ("логический пробник") и "Decoded Seven-Segment Display" ("семисегментный индикатор с дешифратором") находятся в библиотеке "Indicators". Думаю, с генератором слов больше вопросов не возникнет, и теперь мы перейдем к изучению следующего прибора - логического анализатора. Логический анализатор позволяет просматривать и анализировать цифровые последовательности, поданные на его входы.

9.6 Логический анализатор

(Logic analyzer) - Логический анализатор. Логический анализатор позволяет записывать одновременно шестнадцать цифровых сигналов, поданных на его входы, с последующим их просмотром. На передней панели логического анализатора расположены не все его настройки, а лишь несколько кнопок.

Кнопка позволяет остановить работу анализатора. Кнопка служит для сброса логического анализатора. При нажатии на нее он заново строит графики сигналов.

Текущий логический уровень сигналов (0 или 1) действующих на входах анализатора отображается в круглых индикаторах расположенных по левой стороне окна прибора. В пункте "Clocks per division" можно выбрать, сколько выборок будет приходиться на одно деление. Число выборок на деление может быть: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 и 128.



Рис. 9.18. Внешний вид окна логического анализатора

На экране прибора расположены два измерительных бегунка, которые позволяют измерять временные интервалы и (или) длительность импульсов. Результаты измерения отображаются в специальном поле на панели прибора.

Рис. 9.19. Окно настройки синхронизации прибора

При нажатии кнопки на панели "Clock" выйдет окно "Clock setup" ("Опции синхронизации") настройки синхронизации прибора.

В нем можно настроить работу прибора, установить режим его работы от внутреннего или внешнего источника тактовых сигналов. Рассмотрим эти настройки подробнее.

"Clock edge" - режим срабатывания на тактовые импульсы.

Он может принимать значения:

- "Positive" - положительный импульс;

- "Negative" - отрицательный импульс.

"Clock mode" - режим синхронизации анализатора.

Он также может принимать два значения:

- "Internal" - тактирование от внутреннего источника импульсов;

- "External" - тактирование от внешнего источника импульсов.

"Clock qualifier" - управление синхронизацией логического анализатора по входу qualifier.

"Internal clock rate" - частота следования импульсов внутреннего источника синхросигналов.

"Logic analyzer" - настройка логического анализатора. На этой панели можно задать три настройки:

- "Pre-trigger samples" - размер pre-буфера;

- "Post-trigger samples" - размер post-буфера;

- "Threshold voltage" - Пороговое напряжение.

При нажатии на кнопку на панели "Trigger" появится окно "Trigger patterns" ("Свойства триггера") настройки триггера анализатора, в котором можно настроить свойства триггера.

Рис. 9.20. Установка опций триггера.

Триггер запускает анализатор при выполнении какого-либо условия. Мы не будем рассматривать этот режим подробно, так как он не работает должным образом. Кроме задания трех констант "A", "B" и "C" здесь можно настроить еще две опции:

- Trigger combinations - режим работы триггера;

- Trigger qualifier - управление триггером по входу qualifier.

Для изучения работы логического анализатора соберите схему, которая показана на рис. 9.21. Работать с этим прибором вы будете, как правило, в упрощенном режиме (без использования триггера и входа управления запуска).



Рис. 9.21. Схема для изучения работы логического анализатора

Поэтому данной схемы будет вполне достаточно для изучения обращения с этим прибором, но если есть желание, то можно попробовать и другие режимы его работы. А теперь мы переходим к изучению последнего прибора из библиотеки "Instruments" - "Logic converter" - логический конвертер. А после этого мы рассмотрим некоторые приборы, находящиеся в библиотеке "Indicators".

9.7 Логический конвертер

(Logic converter) - Логический конвертер. Логический конвертер предназначен для анализа и синтеза цифровых схем. С помощью данного прибора можно оптимизировать цифровую схему, построенную на логических элементах, провести анализ таблицы истинности и выполнить другие действия.

Подключение прибора осуществляется очень просто, входные линии исследуемой схемы подключаются к выходам, а выход цифровой схемы к входу "Out" логического конвертера.

Рис. 9.22. Внешний вид прибора.

Какие выводы подключены, отображается на индикаторах , расположенных в верхней части прибора.

Логический конвертер позволяет производить подробный анализ схем построенных на логических элементах.

Кнопка позволяет построить таблицу истинности подключенной логической схемы.

Кнопка позволяет упростить логическое выражение, которое и вводится (вручную или автоматически при анализе схемы) в строку расположенную в нижней части приборного окна логического конвертера (рис. 9.23).

Кнопка позволяет таблице истинности сопоставить логическую функцию, которая выводится в строке расположенной в нижней части приборной панели (рис. 9.23).

Рис. 9.23. Строка для ввода логической функции.

Как уже отмечалось, логический конвертер позволяет не только анализировать логические цепи, но и синтезировать их. Чтобы синтезировать схему необходимо ввести выражение в дизъюнктивной нормальной форме в строке расположенной внизу панели прибора, при этом знак инверсии заменяет апостроф "'" после логической переменной, логическое сложение обычный знак "+", а при логическом умножении никакого знака ставить не требуется (нужно просто записать переменные подряд).

Введя функцию можно построить ее таблицу истинности, нажав кнопку и просмотреть ее в окне прибора.

Рис. 9.24. Отображение таблицы истинности схемы.

Можно синтезировать и саму схему в базисах И-ИЛИ-НЕ (см. рис.9.25, а) или И-НЕ (рис. 9.25, б) с помощью кнопок и соответственно.

Рис. 9.25. Синтез цифровых схем в различных базисах.

А теперь перейдем к рассмотрению приборов расположенных в библиотеке "Indicators". В отличие от приборов находящихся "Instruments" эти приборы можно устанавливать на схему в любом количестве.

9.8 Вольтметр

(Voltmeter) - Вольтметр. Вольтметр позволяет измерять постоянные и переменные напряжения в схеме. Необходимо отметить, что вольтметр показывает не амплитудное, а действующее значение напряжения. Если это напряжение несинусоидальной формы, то вычислить его амплитудное значение будет трудно (нужно воспользоваться осциллографом). Если же напряжение на входе вольтметра, имеет синусоидальную форму, то его амплитудное значение можно вычислить по формуле

.

9.9 Амперметр

(Ammeter) - Амперметр. Амперметр может измерять действующее значение переменного тока, или величину постоянного тока протекающего через него. Все сказанное про вольтметр можно отнести и к данному прибору. Установка параметров и вольтметра и амперметра не вызывает никаких трудностей, и поэтому не будем ее описывать.

К числу приборов можно также отнести логический пробник, который очень удобно использовать при проверке работоспособности цифровой (логической) схемы.

9.10 Логический пробник

(Red probe) - Логический пробник. Логический пробник служит для индикации появления высокого логического уровня в цифровых схемах. Если напряжение превышает этот уровень, то он светится, если нет, то он ничего не индицирует. Как уже указывалось ранее, у логического пробника имеется три цвета- красный, синий и зеленый (выбираются в настройках прибора).

На этом можно закончить знакомство с приборами, имеющимися в программе "Electronics Workbench" и начать рассмотрение источников тока и напряжения которых в программе очень много (и очень часто приходится ими пользоваться).

10. Источники тока и напряжения

В предыдущем параграфе мы рассмотрели приборы "Electronics Workbench", и рассмотрели их применение. В этом параграфе вам предлагается познакомиться с другим типом компонентов - источниками сигналов и источниками питающих напряжений, которые занимают не менее важное место, чем приборы, в процессе моделирования и анализа электронных схем.

В программе "Electronics Workbench" имеются широкий выбор источников как постоянного, так и переменного тока и напряжения. Среди них есть и управляемые источники (напряжения или тока) и источники модулированных сигналов (амплитудно-модулированных и частотно-модулированных). К сожалению, в программе нет источника сигналов с фазовой модуляцией.

Вы, наверное, уже догадались, что мы будем сейчас изучать компоненты, находящиеся в библиотеке "Sources". И начнем мы с такого компонента как "Ground" ("Земля"). Хотя надо сказать, что его нельзя назвать источником сигнала дословно.

(Ground) Земля. Компонент "Земля" является точкой с нулевым потенциалом, относительно которой отсчитываются напряжения в схеме. Программа "Electronics Workbench" позволяет подключать к схеме несколько таких компонентов. Все они соединяются с плоскостью заземления, которую мы не видим на экране (компоненты "Земля" соединены между собой).

Как я уже упоминал, элемент "Земля" должен быть обязательно подключен к моделируемой цепи, вне зависимости от того нужна ли она в этой схеме или нет. При ее отсутствии программа откажется запускать процесс моделирования схемы или будет неправильно моделировать работу цепи.

(Battery) - Источник постоянного напряжения (или можно сказать, что это батарея). Этот источник предназначен для подачи в схему постоянного питающего напряжения (или, в некоторых случаях, может быть использован как источник опорного напряжения и т.д.). Напряжение источника может иметь размерность от [мкВ] до [кВ].

Допуск напряжения изначально установлен по умолчанию (это определяется в диалоговом окне анализа Монте-Карло), вы можете установить другой допуск (на вкладке "Value", в диалоговом окне параметров источника постоянного напряжения снимите выделение в пункте "Use global tolerance" и введите значение допуска в поле "Voltage tolerance").

(DC Current Source) - Источник постоянного тока. Размерность величины тока можно менять в пределах от [мкА] до [кА].

(AC Voltage Source) - Источник переменного напряжения. Этот источник представляет собой генератор переменного напряжения синусоидальной формы. Установка параметров этого источника не представляет никаких проблем. Все пункты его окна параметров вам знакомы, кроме одного - "Phase". Этот пункт позволяет установить начальную фазу колебания. Например, это может понадобиться при моделировании трехфазной цепи (как вы помните, каждая из фаз отличается от соседней фазы фазовым сдвигом на 120є), и в других случаях, когда необходима определенная величина начальной фазы.

Величина напряжения источника переменного напряжения может иметь размерность от мкВ до кВ. Надо сразу отметить, что вы устанавливаете не амплитудное его значение Um, а действующее U. Чтобы найти амплитудное значение выходного напряжения генератора, нужно умножить то значение, которое вы установили на , то есть

.

Частота напряжения может быть выражена в Гц, кГц и МГц. Величина фазы может быть большей 360є, так как далее ее значение будет повторяться (иными словами, если вы зададите ее равной 370є, то это будет эквивалентно 10є).

(AC Current Source) - Источник переменного тока. Этот источник вырабатывает ток синусоидальной формы. Все сказанное относительно источника переменного напряжения относится также и к этому источнику. Исключение составляет только то, что это источник тока, а не напряжения. Размерность тока источника может принимать следующие значения: мкА, мА, А и кА.

(Voltage-Controlled Voltage Source) - Источник напряжения управляемый напряжением. Величина напряжения на выходе этого источника прямопропорциональна напряжению, действующему на входных выводах

где k - коэффициент пропорциональности.

Этот коэффициент задается в окне параметров этого компонента в пункте "Voltage gain" (на вкладке "Value"), и может иметь размерность, выраженную в мВ/В, В/В и кВ/В.

(Voltage-Controlled Current Source) - Источник тока управляемый напряжением. Величина выходного тока Iвых источника тока управляемого напряжением зависит от напряжения Uвых приложенного к входным выводам. Эти два параметра связаны так называемой крутизной G, которая является отношением выходного тока к входному напряжению, то есть

.

Крутизна G имеет размерность проводимости, то есть - [1/Ом], которая известна также как сименс [См], и кроме этого можно еще выбирать размерность [мСм] и [кСм]. В программе ее величину можно задать в окне параметров источника в поле ввода "Transconductance". Слева от поля ввода можно выбрать ее размерность.

(Current-Controlled Voltage Source) - Источник напряжения управляемый током. Величина выходного тока этого источника связана с входным напряжением выражением

где R - коэффициент пропорциональности.

Коэффициент R имеет размерность сопротивления, и задается в поле ввода "Transresistance" (если перевести с английского языка, то наиболее близкий перевод "переходное сопротивление"). Размерность может быть [мОм], [Ом] и [кОм].

(Current-Controlled Current Source) - Источник тока управляемый током. Выходной ток этого источника пропорционален входному току и определяется выражением

здесь k коэффициент пропорциональности.

Коэффициент k может иметь размерность [мА/А], [А/А] и [кА/А]. Его значение вводится в поле ввода "Current gain". Этот источник можно использовать в качестве усилителя тока (кстати, других усилителей тока в "Electronics Workbench" нет).

(Vcc Source) - Источник напряжения +5В. Этот источник используется для подачи питающего напряжения на цифровые микросхемы с напряжением питания +5В. Кроме этого он может служить для установки уровня логической единицы на входах цифровых микросхем (из библиотеки "Digital ICs"), логических элементов (библиотека "Logic gates") а также базовых цифровых устройств (из библиотеки "Digital").

(Vdd Source) - Источник напряжения +15В. Назначение этого источника аналогично предыдущему, за исключением величины его выходного напряжения (у некоторых цифровых микросхем напряжение питания составляет +15В, а не +5В).

Конечно, эти источники можно использовать и в других целях, однако их назначение в программе именно такое.

(Clock) - Источник однополярных прямоугольных импульсов. Генерирует прямоугольные импульсы положительной полярности (изменить полярность нельзя). Положительный вывод источника указывается на его изображении в схеме знаком "+".

Можно изменять такие параметры импульса как:

- амплитуда импульса, размерность которой от [мВ] до [кВ];

- частота, ее размерность может быть от [Гц] до [МГц];

- скважность, значение которой изменяется от 1% до 99%.

Так как нельзя изменять уровень постоянной составляющей сигнала, то получение двуполярных импульсов непосредственно от этого источника не возможно. Но, их можно получить, используя его совместно с другими компонентами (например, используя сумматор и источник постоянного напряжения).

(AM Source) - Источник амплитудно-модулированных сигналов. Этот источник представляет собой генератор сигнала с амплитудной модуляцией. Его выходное напряжение имеет вид

,

где Um - амплитуда несущего колебания; щ - частота несущей; Щ - частота модуляции; M - коэффициент модуляции.

Индекс модуляции выбирают меньшим единицы (обычно его значение находится в пределах от 0,7 до 0,9). В программе эти параметры выходного сигнала обозначаются следующим образом: Um - "Carrier amplitude"; щ - "Carrier frequency"; M - "Modulation index"; Щ - "Modulation frequency".

(FM Source) - Источник частотно-модулированных сигналов. Он представляет собой частотно-модулированный генератор переменного напряжения, модулирующая частота которого изменяется по закону синуса. В программе приняты следующие обозначения для параметров его выходного сигнала:

? "Peak amplitude" - пиковое значение амплитуды сигнала;

? "Carrier frequency" - несущая частота сигнала;

? "Modulation index" - индекс частотной модуляции;

? "Modulation frequency" - модулирующая частота;

? "Offset" - постоянная составляющая выходного сигнала.

Рис.10.1. Генераторы сигналов управляемые напряжением.

а) - "Voltage-Controlled Sine Wave Oscillator"; б) - "Voltage-Controlled Triangle Wave Oscillator"; в) - "Voltage-Controlled Square Wave Oscillator"; г) - "Controlled One-Shot"