Разработка мультиметра

. Среда Multisim

Обзор компонентов

В Multisim имеются базы данных трех уровней:

1. Главная база данных. Из Главной базы данных (Master Database) можно только считывать информацию, в ней находятся все компоненты;

2.       Пользовательская база данных (User Database) соответствует текущему пользователю компьютера. Она предназначена для хранения компонентов, которые нежелательно предоставлять в общий доступ;

3.  Корпоративная база данных (Corporate Database). Предназначена для тех компонентов, которые должны быть доступны другим пользователям по сети.

Средства управления базами данных позволяют перемещать компоненты, объединять две базы в одну и редактировать их. Все базы данных разделяются на группы, а они, в свою очередь., на семейства. Когда пользователь выбирает компонент и помещает его в схему, создается новая копия, Все изменения с ней никак не затрагивают информацию, хранящуюся в базе данных.

База данных Master Database разделена на группы:

) Sources. Cодержит все источники напряжения и тока, заземления. Например, power sources (источники постоянного, переменного напряжения, заземление, беспроводные соединения - VCC, VDD, VSS, VEE), signal voltage sources (источники прямоугольных импульсов, источник сигнала через определенные промежутки времени), signal current sourses (постоянные, переменные источники тока, источники прямоугольных импульсов)

2)   Basic. Содержит основные элементы схемотехники: резисторы, индуктивные элементы, емкостные элементы, ключи, трансформаторы, реле, коннекторы и т.д.

3) Diodes. Содержит различные виды диодов: фотодиоды, диоды Шоттки, светодиоды и т.д.

4)       Transistors. Содержит различные виды транзисторов: pnp-, npn-транзисторы, биполярные транзисоры, МОП-транзисторы, КМОП-транзисторы и т.д.

5)       Analog. Содержит все виды усилителей: операционные, дифференциальные, инвертирующие и т.д.

6) TTL. Содержит элементы транзисторно-транзисторной логики

7)       CMOS. Содержит элементы КМОП-логики.

8) MCU Module - управляющий модуль многопунктовой связи (от англ. multipoint control unit)

10) Misc Digital. Содержит различные цифровые устройства.

11)     Mixed. Содержит комбинированные компоненты

12) Indicators. Содержит измерительные приборы (вольтметры, амперметры), лампы и т.д.

3. Виртуальные приборы

Мультиметр предназначен для измерения переменного или постоянного тока или напряжения, сопротивления или затухания между двумя узлами схемы. Диапазон измерений мультиметра подбирается автоматически. Его внутреннее сопротивление и ток близки к идеальным значениям, но их можно изменить.

Генератор сигналов (function generator) - это источник напряжения, который может генерировать синусоидальные, пилообразные и прямоугольные импульсы. Можно изменить форму сигнала, его частоту, амплитуду, коэффициент заполнения и постоянный сдвиг. Диапазон генератора достаточен, чтобы воспроизвести сигналы с частотами от нескольких герц до аудио и радиочастотных.

Осциллограф. В Multisim есть несколько модификаций осциллографов, которыми можно управлять как настоящими. Они позволяют устанавливать параметры временной развертки и напряжения, выбирать тип и уровень запуска измерений. Данные осциллографов можно посмотреть после эмуляции с помощью самописца (Grapher) из меню Вид\Плоттер (View/Grapher).

В Multisim есть следующие осциллографы:

- 2-х канальный

-         4-х канальный

          осциллограф смешанных сигналов Agilent 54622D

-         4-х канальный цифровой осциллограф с записью Tektronix TDS 2024

Построитель частотных характеристик (Bode Plotter). Этот прибор предназначен для построения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик линейных цепей. Это особенно удобно при анализе свойств полосовых фильтров.

Анализатор спектров (spectrum analyzer) служит для анализа спектров периодических несинусоидальных колебаний, измерения амплитуд гармоник. С его помощью можно измерить мощность сигнала и частотных компонент, определить наличие гармоник в сигнале.

Ваттметр. Прибор предназначен для измерения мощности и коэффициента мощности цепи синусоидального тока.

Токовый пробник

Измерительный пробник. Показывают постоянные и переменные напряжения и токи на участке цепи, а также частоту сигнала

. Режимы анализа

В Multisim предусмотрено множество режимов анализа данных эмуляции, от простых до самых сложных, в том числе и вложенных.

Основные виды анализа:

) DC - анализ цепи на постоянном токе.

Анализ цепей на постоянном токе осуществляется для резистивных схем. Это правило следует напрямую из теории электрических цепей; при анализе на постоянном токе конденсаторы заменяют разрывом, катушки индуктивности - коротким замыканием, нелинейные компоненты, такие как диоды и транзисторы, заменяют их сопротивлением постоянному току в рабочей точке. Анализ цепи на постоянном токе выявляет узловые потенциалы исследуемой схемы

) AC - анализ цепи на переменном токе.

Анализ цепей на переменном токе заключается в построении частотных характеристик.

) Transient - анализ переходных процессов

Анализ переходных процессов в цепях позволяет определить форму выходного сигнала, то есть построить график сигнала как функции времени.

Чтобы начать анализ, выберите пункт меню Simulate\ Analyses и выберите требуемый режим.

Список всех функций Multisim приведен на рисунке:

Кроме встроенных функций анализа есть возможность определить свою функцию с помощью команд SPICE.

При подготовке к анализу необходимо настроить его параметры, например, диапазон частот для анализатора переменного тока (AC analysis). Необходимо также выбрать выходные каналы (traces).

Плоттер (Grapher) - основной инструмент просмотра результатов эмуляции. Он открывается из меню View/Grapher и автоматически при работе эмуляции.

Множество настроек плоттера находятся в окне свойств. Например, можно изменять масштабы, диапазоны, заголовки, стили линий осей.

5. Моделирование в графическом виде

Postprocessor и Grapher - это программы пакета Multisim, которые позволяют отобразить результаты моделирования в графическом виде.

Данная функция позволяет строить необходимые графики после проведенного анализа. Для работы с функцией Postprocessor необходимо знать названия узлов. Только те параметры (входные и выходные переменные), которые указываются при выполнении любого вида анализа (AC Sweep, DC Sweep, Transient Analysis и т.д.) отображаются на графиках функции Postprocessor и Grapher.

С помощью данной функции можно создать несколько графиков, изменять параметры графика, удалять объекты, производить логические и алгебраические операции над графиками (сложение, умножение, возведение в квадрат и т.д.).

Вызов функции

Создание графика:

внесение данных, необходимых для построения:

Select simulation results - добавление данных проведенного анализа. Variables-переменные, необходимые для построения графика. Functions-алгебраические действия над графиками.

В окне Expressions available выбираем необходимые графики для построения.

. Общие правила моделирования

При моделировании схем необходимо соблюдать следующие общие правила:

1)      Любая схема должна обязательно содержать хотя бы один символ заземления.

2)      Любые два конца проводника либо контакта устройства, встречающихся в точке, всегда считаются соединенными. При соединении трех концов (Т-соединение) необходимо использовать символ соединения (узел). Те же правила применяются при соединении четырех и более контактов.

В схемах должны присутствовать источники сигнала (тока или напряжения), обеспечивающие входной сигнал, и не менее одной контрольной точки (за исключением анализа схем постоянного тока)

. Требования к топологии схем

1)      В схеме не должны присутствовать контуры из катушек индуктивности и источников напряжения.

2)      Источники тока не должны соединяться последовательно

3)       Не должно присутствовать короткозамкнутых катушек

4)      Источник напряжения должен соединяться с катушкой индуктивности и трансформатором через последовательно включенный резистор. К конденсатору, подключенному к источнику тока, обязательно должен быть параллельно присоединен резистор.

8. Пример моделирования схемы

В качестве иллюстрации рассмотрим моделирование усилительного каскада на биполярном транзисторе. Построим графики зависимости выходного и входного напряжений от времени, передаточную характеристику, амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики.

1)      Соберем исследуемую схему в среде Multisim

Примечание:

двойное нажатие левой кнопкой мыши на элемент позволяет изменить его параметры - для удобства при работе можно изменять цвет проводов (выделяем провод правой кнопкой мыши и в появившемся контекстном меню выбираем Change Color)

В активном окне Oscilloscope-XSC1 можно увеличивать и уменьшать масштаб, сдвигать графики по осям ординат и абсцисс, с помощью курсора смотреть параметры в каждой точке графика (здесь - значение напряжения), с помощью кнопки Save можно сохранить данные осциллографа в виде таблице в текстовом файле.

)        Построение аналогичных графиков с помощью Transient Analysis.

С помощью кнопки плоттера отображение курсоров и данных можно посмотреть значение напряжений в любой точке. При анализе графики для удобства отображаются разными цветами.

В окне Transient Analysis на вкладке Output выбираем необходимые для анализа величины, а на вкладке Analysis Parameters можно установить начальное и конечное время анализа (такие же действия производятся в любом виде анализа).

) Построение передаточной характеристики (зависимость выходного напряжения от входного) с помощью DC-Sweep Analysis. Работа в плоттере (Grapher View) с графиком осуществляется аналогично.

5) Построение АЧХ и ФЧХ (с помощью AC-Analysis).

Заключение

Исходя из вышеизложенного, мы можем сделать вывод, что в настоящее время применение компьютерного моделирования в электротехнике позволяет упростить и удешевить проектирование и изготовление электротехнических устройств не используя дорогих измерительных приборов.

Использование такой программы, как Multisim позволяет производить замеры тока, мощности, напряжения как по отдельности, так и в комплексе с помощью виртуального осциллографа.

Среда моделирования позволяет более наглядно выводить данные в виде графиков на монитор компьютера, что позволяет анализировать функциональную зависимость измеряемых величин друг от друга.

Учитывая возможности данной программы можно сделать вывод что она может частично заменить лабораторный электротехнический комплекс среднего уровня.

В курсовой работе приведены некоторые примеры по созданию электро схем с использованием различных элементов и наблюдение за ними с помощью измерений их характеристик.

Список литературы

1.   Теоретические основы электротехники: В 3-х т. Учебник для вузов. Том 1,2 / К.С. Демирчан, Л.Р. Нейман, Н.В. Коровкин, В.Л. Чечурин. - СПб.; Питер, 2004. - 463 с.: ил.

2.   Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: Учеб. - 10-е изд. - М.: Гардарика, 2002. - 636 с.

3. Прянишников В.А. Теоретические основы электротехники: Курс лекций. - СПб.: КОРОНА принт, 2000. - 368 с.: ил.

4.   Хернитер Марк Е. Multisim 7: Современная система компьютерного моделирования и анализа схем электронных устройств. (Пер. с англ.)/Пер. с англ. Осипов А.И. - Издательский дом, ДМК - пресс, 2006. - 488 с.: ил.

5.   Кузовкин В.А., Филатов В.В. Моделирование процеов в электрических цепях. Учебное пособие по дисциплине «Электротехника и электроника». - М.: ИЦ ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», 2006. -212 с.

6.   Панфилов Д.И., Иванов В.С., Чечурин И.Н. Электротехника в экспериментах и упражнениях: Том 1 - М.: ДОДЕКА, 1999 г. - 304 с.

7.   Мелешкин Ю.А., Серебрякова Н.Ю. Анализ электрических цепей средствами виртуальной электронной лаборатории. Учебное пособие: - Самара.: СамГТУ, 2000 г. - 57 с.