Инструменты анализа схем электрических принципиальных в программной среде NI Multisim 12.0.
Часть 3

№ 3’2015
PDF версия
Программная система моделирования Multisim имитирует настоящее рабочее место проектировщика электронной аппаратуры — лабораторию, оборудованную измерительными приборами, действующими в реальном масштабе времени. Работа с системой моделирования Multisim содержит три основных этапа: созданию схемы, выбор и подключение измерительных приборов и, наконец, активацию схемы — расчет процессов, протекающих в исследуемом устройстве. В Multisim имеется достаточно большое количество средств для исследования и анализа данных эмуляции электрических цепей. В представленной статье будет рассмотрена настройка параметров, просмотр результатов и работа со следующими видами анализа в программе Multisim: анализ переходных процессов (Transient Analysis), искажений (Distortion Analysis), анализ Фурье (Fourier Analysis). Рассматривается набор средств, при помощи которых можно искусственно вводить в схему дефекты и выполнять моделирование работы заведомо неисправного устройства, чтобы изучить его дальнейшее поведение при наличии определенных дефектов (коротких замыканий, обрывов, паразитных сопротивлений).

Все статьи цикла.

Введение

Основная задача моделирования состоит в том, чтобы дать разработчику технологию создания таких моделей, которые достаточно полно и точно фиксируют свойства объектов оригиналов, поддаются исследованию и допускают возможность переноса результатов исследований на оригиналы. Моделирование — это метод исследования, который является формой отображения действительности и заключается в воспроизведении свойств реальных объектов при помощи виртуальных объектов. Модель представляет собой комбинацию следующих составляющих:

  • компоненты — это составные части модели, которые при соответствующем объединении образуют систему;
  • параметры — величины, которые выбираются разработчиком произвольно;
  • переменные — определяются функциями, которые отображают характеристики компонентов или системы в целом. Переменные могут быть внешними (полученными извне, это результаты влияния внешних факторов на моделируемую систему; к примеру, температура внешней среды, интенсивность излучения, которое действует на систему) и внутренними (возникшими в самой системе в результате проявления внутренних причин);
  • ограничения — ограничения устанавливают пределы значений переменных или ограничивающие условия распределения тех или иных параметров системы. Ограничения могут быть искусственные (если вводятся разработчиком системы) и естественные (если они определяются системой на основе ее свойств);
  • целевая функция — отображает цели и задачи системы и набор правил для их выполнения.

Под системой в данном случае подразумевается совокупность взаимосвязанных компонентов, объединенных в одно целое для достижения определенной цели (цель может быть не всегда известна разработчику).

Все расчеты в компьютерной модели выполняются в так называемом системном времени, соответствующем реальному времени функционирования объекта исследования или системы.

Модели помогают упорядочить нечеткие или противоречивые понятия и принять дальнейшее решение в отношении реальных объектов. Они дают возможность устранить и конкретизировать условные неточности и понятия. Модели являются хорошим средством для обучения и подготовки специалистов, а также средством прогнозирования поведения объектов и систем. Моделирование позволяет выполнять контролируемые эксперименты в ситуациях, когда проведение экспериментов на реальных объектах является нецелесообразным, опасным, невозможным или достаточно дорогостоящим.

В компьютерном моделировании схем электрических принципиальных в качестве объектов выступают компоненты схемы, под системой же подразумевается вся исследуемая схема.

Электронные компоненты в программах компьютерного моделирования представляются в виде их моделей. Современные программы схемотехнического моделирования имеют модели практически всех элементов, используемых в устройствах электроники: диодов, биполярных транзисторов, тиристоров, МОП-транзисторов, индуктивных катушек, интегральных микросхем и даже микроконтроллеров. Компьютерное моделирование электрической схемы предоставляет инженеру возможность проверить, удовлетворяет ли спроектированное устройство требованиям технического задания, когда используются реальные компоненты с характеристиками, отличающимися от идеальных. Компьютер является мощным инструментом, который при правильном использовании предоставляет безграничные возможности для моделирования и анализа электрических схем. Специально для этих целей существуют соответствующие программы, одной из которых является Multisim.

 

Средства анализа данных моделирования

Для каждой отдельной схемы в Multisim можно настроить свои параметры анализа. Эти параметры сохраняются вместе с файлом схемы, а потому даже в том случае, когда файл открыт на другом компьютере, установки будут использованы те же. Для каждого анализа разработчик может настраивать определенные параметры, переменные для анализа, установки моделирования. Возможность настройки опций анализа появляется после его запуска, в результате чего откроется окно настроек, которое в зависимости от выбранного анализа будет содержать отдельные или все следующие вкладки:

  • «Параметры» (в зависимости от вида анализа вкладка может принимать разные названия: «Параметры частоты», «Частотные параметры», «Параметры анализа», «Анализируемые параметры»);
  • «Переменные»;
  • «Установки моделирования»;
  • «Итоги».

Опции и установки, доступные для настройки на вкладках «Переменные», «Установки моделирования», «Итоги» для всех анализов, аналогичны и уже были рассмотрены в предыдущей статье [5], поэтому здесь при рассмотрении функций анализа подробное описание этих вкладок будет опущено.

Для начала анализа необходимо выбрать нужную функцию из основного меню программы Multisim посредством запуска команды «Моделирование/Вид анализа» (рис. 1), настроить параметры анализа и выполнить анализ нажатием кнопки «Моделировать».

Меню функций анализа программы Multisim

Рис. 1. Меню функций анализа программы Multisim

Анализ переходных процессов (Transient Analysis)

Переходные процессы в электрических цепях возникают вследствие коммутации или динамического изменения воздействия на электрическую цепь. Характер переходного процесса определяется порядком цепи, то есть порядком дифференциального уравнения, описывающего процесс в цепи, и видом корней характеристического уравнения (видом полюсов операторного изображения исследуемой величины). При анализе переходных процессов, также называемом переходным процессом во временной области, Multisim вычисляет отклик схемы как функцию времени. Каждый входной цикл разделяется на два интервала, и DC-анализ выполняется для каждой временной точки в цикле. Решение для формы сигнала напряжения в узле определяется значением этого напряжения в каждой точке времени за один полный цикл. Для анализа переходных процессов в электронной лаборатории Multisim предназначен анализ Transient Analysis.

При подготовке к анализу Transient Analysis необходимо настроить его параметры. Для этого при помощи команды основного меню Multisim «Моделирование/Вид анализа/Переходные процессы» откроем окно настроек анализа Transient Analysis «Анализ переходных процессов». Окно содержит четыре вкладки:

  • «Параметры анализа»;
  • «Переменные»;
  • «Установки моделирования»;
  • «Итоги».

Рассмотрим вкладку «Параметры анализа» (рис. 2). В верхней части вкладки расположено поле «Начальные условия», в котором из выпадающего списка можно выбрать следующие значения:

Вкладка «Параметры анализа» окна «Анализ переходных процессов»

Рис. 2. Вкладка «Параметры анализа» окна «Анализ переходных процессов»

  • «Автоматическое определение начальных условий» — система начинает анализ, используя в качестве начальных значений рабочую точку по постоянному току. При аварийном завершении анализа Multisim попытается использовать нулевые начальные условия. Если и в этот раз не удастся выполнить анализ, то система будет применять определенные разработчиком начальные условия;
  • «Установить равным нулю» — анализ переходного процесса начинается с нулевых начальных условий;
  • «Определенные пользователем» — система будет использовать определенные разработчиком начальные условия;
  • «Рассчитать рабочую точку на DC» — система рассчитывает рабочую точку по постоянному току схемы, после чего использует полученный результат в качестве начальных условий для анализа переходного процесса.

В поле «Параметры» устанавливается начальное время переходного процесса (параметр «Начало», TSTART) и его конечное время (параметр «Окончание», TSTOP) в секундах. Значение параметра «Начало» (TSTART) должно быть больше или равно нулю, но меньше значения параметра «Окончание» (TSTOP). Отрицательные значения начального и конечного времени переходного процесса не допускаются. Посредством установки флажка в чекбоксе «Использовать максимальный шаг по времени» (TMAX) и последующей установки переключателя в одну из позиций:

  • «Минимальное количество шагов»;
  • «Длительность макс. шага» (TMAX);
  • «Создавать автоматически»

можно задать минимум временных шагов, введя с клавиатуры нужное количество расчетных точек между начальным и конечным временем переходного процесса, максимальное время шага в секундах, которое может поддерживать анализ, генерацию временных шагов автоматически.

В нижней части вкладки «Параметры анализа» находится поле «Дополнительно», в котором путем установки флажка в чекбоксах:

  • «Установить начальный шаг» (TSTЕP);
  • «Оценивать макс. шаг на основе перечня соединений» (TMAX) —

можно задать значение временного шага в секундах (данное значение должно быть меньшим, чем значение максимального временного шага, установленное в поле «Длительность макс. шага», TMAX), необходимость оценки максимального шага на основе перечня соединений. В том случае если заданы параметры начального (TSTЕP) и максимального временного шага (TMAX), размер временных шагов, получаемый в процессе анализа, будет начинаться с начального значения шага и увеличиваться до значения заданного максимального временного шага.

Для того чтобы вернуться к значениям по умолчанию, нажмите на кнопку «По умолчанию» в верхнем правом углу окна «Анализ переходных процессов».

В результате анализа переходного процесса вычисляется напряжение в зависимости от времени. Анализируемая схема и результаты Transient Analysis (окно плоттера Grapher) представлены на рис. 3.

Анализируемая схема и результаты Transient Analysis (окно плоттера Grapher)

Рис. 3. Анализируемая схема и результаты Transient Analysis (окно плоттера Grapher)

Также необходимо отметить, что вкладки «Переменные» и «Установки моделирования» окна «Анализ переходных процессов» имеют небольшие отличия от стандартных вкладок анализов и по этой причине требуют особого внимания.

Рассмотрим вкладку «Переменные» (рис. 4). В стандартном варианте она должна содержать два окна: «Выходные переменные» и «Переменные для анализа». В анализе переходных процессов окно «Переменные для анализа» разделено на два поля: «Аналоговый» и «Цифровой». При добавлении переменных в анализ они автоматически сортируются системой на аналоговые и цифровые и отображаются в соответствующих полях. При этом разработчику позволено на свое усмотрение перемещать переменные из одного поля в другое. Сделать это можно следующим образом. Выделите нужную переменную левой кнопкой мыши и переместите ее при помощи кнопки-стрелки перемещения. Все остальные опции вкладки «Переменные» аналогичны стандартным и уже были рассмотрены в предыдущей статье [5].

Вкладка «Переменные» окна «Анализ переходных процессов»

Рис. 4. Вкладка «Переменные» окна «Анализ переходных процессов»

Рассмотрим вкладку «Установки моделирования» (рис. 5). В дополнение к стандартным вкладка содержит поле «Оцифровка аналогового сигнала», в котором разработчик может установить на свое усмотрение уровень логической «единицы» и логического «нуля».

Вкладка «Установки моделирования» окна «Анализ переходных процессов»

Рис. 5. Вкладка «Установки моделирования» окна «Анализ переходных процессов»

Случается так, что после запуска Transient Analysis, вследствие возникновения проблем, анализ может быть аварийно завершен. Для решения проблемы необходимо проверить анализируемую схему и убедиться в том, что в схеме нет разорванных соединений и все компоненты схемы правильно включены в цепь. Но если проблема все же осталась, можно порекомендовать установить пользовательские значения следующих параметров в окне «Выбор параметров анализа» (данное окно открывается нажатием кнопки «Выбрать» на вкладке «Установки моделирования» окна «Анализ переходных процессов»):

  • «Относительная погрешность» [RELTOL] (вкладка «Общие») — увеличить значение относительного допуска ошибки с 0,001 до 0,01, это уменьшает требуемые итерации для выполнения сходимости, в результате чего симуляция завершается намного быстрее;
  • «Используемый предел итераций» [ITL4] (вкладка «Переходные») — увеличить значение данного параметра до 1000, это позволит анализу переходных процессов проделать больше итераций для каждого временного шага до получения результата. Однако необходимо учитывать, что увеличение значения данного параметра может замедлить симуляцию;
  • «Метод интеграции» [METHOD] (вкладка «Переходные») — изменить метод интеграции для анализа переходного процесса. Необходимо отметить, что использование метода по умолчанию ускоряет симуляцию схемы и увеличивает числовую точность, однако иногда может привести к получению непредвиденных результатов. Также трапецеидальное интегрирование менее стабильно.

Анализ искажений (Distortion Analysis)

Distortion Analysis — анализ нелинейных и интермодуляционных искажений, предназначенный для анализа искажений сигнала, которые могут быть неочевидны при использовании анализа переходного процесса.

Нелинейными искажениями называются любые искажения, в составе которых присутствуют частоты, изначально отсутствовавшие во входном сигнале. Нелинейные искажения характеризуются появлением в спектре сигнала новых составляющих, отсутствующих в первоначальном сигнале, количество и амплитуды которых зависят от изменения входного уровня. Появление дополнительных составляющих в спектре обусловлено нелинейной зависимостью выходного сигнала от входного, то есть нелинейностью передаточной функции. В выходном сигнале выделяются гармонические и интермодуляционные искажения всех порядков. Искажения сигнала являются следствием нелинейного усиления или фазовой неравномерности в схеме, где присутствуют ложные компоненты сигнала, которые добавляются в форме гармонических и интермодуляционных искажений.

Multisim симулирует гармонические и интермодуляционные искажения для аналоговых малосигнальных цепей. Гармонические искажения могут анализироваться при добавлении спектрально чистого источника сигнала в разрабатываемую схему. Анализируя выходной сигнал и его гармоники, можно определить искажения. Multisim вычисляет узловые напряжения и токи в цепях на частотах гармоник 2f и 3f и отображает результаты относительно входной частоты f, как если бы частота изменялась в заданном пользователем диапазоне. Интермодуляционные искажения обнаруживаются, когда два или более сигналов приходят на вход усилителя одновременно. В этом случае взаимодействие сигналов производит интермодуляционный эффект. Для интермодуляционных искажений анализ рассчитывает значения на частотах f1+f2, f1–f2 и 2f1–f2.

В Multisim запуск анализа искажений производится при помощи команды основного меню «Моделирование/Вид анализа/Искажений». В результате откроется окно «Анализ искажений». В данном окне помимо уже рассмотренных ранее стандартных вкладок находится вкладка «Анализируемые параметры» (рис. 6), настройка параметров которой и будет рассмотрена далее.

Вкладка «Анализируемые параметры» окна «Анализ искажений»

Рис. 6. Вкладка «Анализируемые параметры» окна «Анализ искажений»

На вкладке «Анализируемые параметры» можно настроить следующие частотные параметры анализа искажений:

  • «Начальная частота» (FSTART) — начальная частота (отрицательные значения частоты не допускаются; если значение начальной частоты не указано, то расчет не будет произведен);
  • «Конечная частота» (FSTOP) — конечная частота (отрицательные значения частоты не допускаются);
  • «Характеристика изменения» — тип изменения: декадный, линейный, октавный (определяет распределение вычисляемых точек в диапазоне частот);
  • «Количество точек» — количество точек, в которых производится расчет частотных характеристик в процессе анализа (при увеличении количества точек будут получены наиболее точные результаты, однако может снизиться скорость симуляции схемы);
  • «Вертикальная шкала» — вертикальная шкала: логарифмическая, линейная, затухания (дБ), октавная (данный параметр управляет масштабом по оси Y на выходном графике);
  • «Отношение F2/F1» — данный параметр используется только для анализа интер-модуляционных искажений (диапазон значений отношения от 0 до 1).

Для того чтобы скопировать установки текущего AC Analysis в анализ искажений, необходимо нажать на кнопку «Восстановить основные значения АС». Вернуться к значениям по умолчанию можно при помощи кнопки «По умолчанию». После того как все настройки произведены, вы можете запустить анализ, нажав на кнопку «Моделировать», которая находится в нижней части окна «Анализ искажений».

Рассмотрим процесс анализа гармонических искажений на конкретном примере. Для этого определим на вкладке «Анализируемые параметры» окна «Анализ искажений» следующие настройки параметров анализа:

  • «Начальная частота» (FSTART) — 1 Гц;
  • «Конечная частота» (FSTOP) — 200 МГц;
  • «Характеристика изменения» — декадная;
  • «Количество точек» — 100;
  • «Вертикальная шкала» — логарифмическая;
  • «Отношение F2/F1» — флажок в чекбоксе снят.

На вкладке «Переменные» в поле «Переменные для анализа» необходимо добавить переменную выходного сигнала.

В окне свойств источника на вкладке «Параметры» (рис. 7) установим следующие значения параметров для используемого в схеме источника:

  • «Напряжение» (Pk) — 5 В;
  • «Частота» (F) — 2 кГц;
  • «Анализ амплитуды АС» — 2 В;
  • «Амплитуда искажений частоты 1» — 5 В;
  • значения остальных параметров — 0.
Вкладка «Параметры» окна свойств компонента схемы

Рис. 7. Вкладка «Параметры» окна свойств компонента схемы

Для того чтобы открыть окно свойств источника, необходимо выделить его при помощи левой кнопки мыши на схеме, а при помощи правой кнопки мыши вызвать контекстное меню и выбрать в нем пункт «Свойства».

После того как все параметры настроены, нажмем на кнопку «Моделировать» в окне анализа искажений. В итоге системой будут построены графики с результатами искажений по второй гармонике (рис. 8а) и по третьей гармонике (рис. 8б), которые отобразятся в окне плоттера Grapher. Анализируемая схема усилителя представлена на рис. 9.

Рис. 8. Результаты анализа гармонических искажений

Рис. 8. Результаты анализа гармонических искажений:
а) графики с результатами искажений по второй гармонике;
б) графики с результатами искажений по третьей гармонике

Анализируемая схема усилителя

Рис. 9. Анализируемая схема усилителя

Рассмотрим процесс анализа интермодуляционных искажений и в качестве исследуемой снова будем использовать схему усилителя. Для этого определим на вкладке «Анализируемые параметры» окна «Анализ искажений» следующие настройки параметров анализа:

  • «Начальная частота» (FSTART) — 10 Гц;
  • «Конечная частота» (FSTOP) — 100 МГц;
  • «Характеристика изменения» — декадная;
  • «Количество точек» — 100;
  • «Вертикальная шкала» — логарифмическая;
  • «Отношение F2/F1» — 0,679999 (флажок в чекбоксе установлен).

На вкладке «Переменные» в поле «Переменные для анализа» необходимо добавить переменную выходного сигнала.

В окне свойств источника на вкладке «Параметры» установим следующие значения параметров для используемого в схеме источника:

  • «Напряжение» (Pk) — 5 В;
  • «Частота» (F) — 2 кГц;
  • «Анализ амплитуды АС» — 2 В;
  • «Амплитуда искажений частоты 1» — 5 В;
  • «Амплитуда искажений частоты 2» — 5 В;
  • значения остальных параметров — 0.

После того как все параметры настроены, нажмем на кнопку «Моделировать» в окне анализа искажений. В результате системой будут построены графики с кривыми для частот f1+f2 (рис. 10а), f1–f2 (рис. 10б) и 2f1–f2 (рис. 10в), которые отобразятся в окне плоттера Grapher на разных закладках.

Результаты анализа интермодуляционных искажений — графики с кривыми для частот

Рис. 10. Результаты анализа интермодуляционных искажений — графики с кривыми для частот:
а) f1+f2;
б) f1–f2;
в) 2f1–f2

Известные методы измерения нелинейных искажений отличаются большим разнообразием. Широкое распространение получил метод гармоник как наиболее простой при экспериментах и удобный для расчетов. Менее распространены другие методы: разностного тона, модулированного тона, взаимной модуляции (интермодуляции). Измеряют и переходные интермодуляционные искажения. Для перечисленных методов существуют свои области применения. При этом каждый из них использует специальные сигналы, обеспечивающие наибольшую эффективность обнаружения продуктов искажений.

Анализ Фурье (Fourier Analysis)

Проведение спектрального анализа Фурье — это метод анализа сложных периодических сигналов, применимый к любым несинусоидальным периодическим функциям, преобразуемым в синусоидальные или косинусоидальные формы и постоянную составляющую. Анализ Фурье является методом анализа сложных периодических сигналов во времени и позволяет разложить любую несинусоидальную периодическую функцию в ряд Фурье, то есть на составляющие sin и cos (возможно, в бесконечный ряд), а также на постоянные составляющие. Такое разложение позволяет проводить дальнейший анализ и получать объединенные сигналы различных форм.

Учитывая математическую теорему Фурье о разложении в ряд Фурье, периодическая функция f(t) может быть представлена следующей формулой:

f(t) = A0+A1cosωt +A2cos2ωt + … +B1sinωt +B2sin2ωt + …,

где А0 — постоянная составляющая входного сигнала; A1cosωt+B1sinωt — собственная составляющая (имеет частоту и период, равный частоте и периоду входного сигнала); Ancosnωt+Bnsinnωt — n‑ная гармоника функции; А, В — коэффициенты; 2π/Т — собственная круговая частота, или период частоты входного периодического сигнала.

Каждая частотная составляющая отклика представляется гармоникой периодического сигнала. В процессе моделирования каждая составляющая рассчитывается отдельно. Согласно принципу суперпозиции общий отклик является суммой откликов каждой составляющей. Обратим внимание, что амплитуда гармоник постепенно уменьшается в порядке их возрастания. При выполнении дискретных преобразований Фурье используется только второй период собственной составляющей переходной характеристики (извлеченной из выходной цепи). Первый период не учитывается, в связи с временем задержки сигнала, то есть временем переходного процесса. Коэффициент каждой из гармоник вычисляется из временного интервала — от начала периода до точки времени «t». Внутри выбранного интервала данные для вычисления коэффициента гармоник устанавливаются автоматически и являются функциями собственной частоты. Для данного типа анализа собственная частота должна соответствовать частоте источника переменного тока или же наименьшей общей частоте совокупности источников переменного тока.

Функция Analysis Fourier позволяет определить, какие составляющие ряда Фурье образуют сигнал, и вычислить степень его искажения.

Для проведения анализа следует в основном меню программы Multisim выбрать пункт «Моделирование/Вид анализа/Фурье» и в открывшемся окне «Анализ Фурье» на вкладке «Анализируемые параметры» (рис. 11) выполнить настройки следующих параметров:

  • «Частота дискретизации (основная)» — частота АС источника исследуемой схемы;
  • «Количество гармоник» — количество гармоник основной частоты;
  • «Период дискретизации» (TSTOP) — количество времени, в течение которого должна быть обнаружена выборка;
  • «Переходные процессы» — установка параметров ассоциированного переходного процесса;
  • «Отображать фазу»;
  • «Отображать в виде гистограммы» — отображение результатов в виде гистограммы. В том случае если флажок в данном чекбоксе снят, результаты будут отображаться как линейный график;
  • «Нормализовать график» — нормирование результатов относительно тестируемой частоты;
  • «Экран» — выбор отображения результатов в плоттере Grapher: «График и таблица», «Таблица», «График»;
  • «Шкала амплитуды» — вертикальная шкала: логарифмическая, линейная, затухания (дБ), октавная (данный параметр управляет масштабом по оси Y на выходном графике);
  • «Степень полиномиальности для интерполяции» — установка степени, используемой при интерполяции между точками при симуляции (чем выше степень, тем больше точность результата);
  • «Частота выборок».
Вкладка «Анализируемые параметры» окна «Анализ Фурье»

Рис. 11. Вкладка «Анализируемые параметры» окна «Анализ Фурье»

Для того чтобы автоматически получить оценку параметров «Частота дискретизации (основная)», «Период дискретизации (TSTOP)», используйте кнопки «Определить».

В окне «Анализ Фурье» также расположены три стандартные вкладки, установка параметров которых аналогична уже рассмотренным ранее [5].

Результат анализа Фурье — это график с Фурье-амплитудами и фазами составляющих в зависимости от частоты. По умолчанию амплитуды отрисовываются в виде гистограммы, но могут отображаться и как линейный график. Также анализ Фурье вычисляет суммарное значение коэффициента нелинейных искажений в процентах.

Рассмотрим анализируемую схему (рис. 12). Из-за наличия диода в цепи происходит искажение входного сигнала. С помощью двухканального осциллографа можно проконтролировать форму искаженного сигнала (рис. 13). Осциллограф позволяет проводить анализ сигналов во временной области. Для того чтобы добавить виртуальный прибор в рабочее поле программы, необходимо нажать на его пиктограмму на панели «Приборы» и разместить его с помощью мыши в необходимом месте на схеме. Двухканальный осциллограф имеет два входа (канал А и В) и может отображать осциллограммы двух сигналов одновременно.

Схема преобразования входного напряжения

Рис. 12. Схема преобразования входного напряжения

Осциллограмма напряжений

Рис. 13. Осциллограмма напряжений

Подключим один канал осциллографа к выходу источника, а второй к выходу диода. Принцип соединения виртуального осциллографа с элементами схемы такой же, как и для других компонентов схемы.

Для удобства работы рекомендуется цепям, при помощи которых осциллограф подключается к схеме, назначить разный цвет (в нашем случае красный и зеленый). Для этого щелкните два раза левой кнопкой мыши по проводнику, в результате будет открыто окно «Установки цепи» (рис. 14). Цвет цепи можно изменить на вкладке «Цепь». Сделать это можно посредством выбора нужного цвета в окне «Палитра». Данное окно вызывается при помощи нажатия на цветную иконку в поле «Цвет цепи». Для вступления изменений в силу нажмите на кнопку «Применить» или ОК. Таким образом, первоначальный сигнал будет отображаться на осциллограмме красным цветом, а искаженный — зеленым.

Окно «Установки цепи»

Рис. 14. Окно «Установки цепи»

Для работы с виртуальным осциллографом необходимо открыть его лицевую панель. Для этого нужно дважды щелкнуть левой кнопкой мыши на пиктограмме прибора на схеме. После того как панель откроется, сделайте необходимые настройки подобно тому, как бы вы это сделали на панели реального прибора.

В верхней части лицевой панели расположен графический дисплей, предназначенный для графического отображения формы сигнала, а именно для отображения напряжения по вертикальной оси и, соответственно, времени по горизонтальной оси. Также прибор оснащен двумя курсорами для проведения измерений во временной области, которые при необходимости можно перемещать левой кнопкой мыши. В нижней части находится панель управления, предназначенная для настройки отображения измеряемого сигнала. Более подробно работа с двухканальным осциллографом рассмотрена в [7].

В результате преобразования на выходе схемы будет получено пульсирующее напряжение, вдвое большее частоты напряжения на входе. При помощи анализа Фурье можно разложить данную функцию на синусоидальные составляющие с различными частотами. Результаты анализа отображаются в табличном виде (рис. 15а), а также в виде графика (рис. 15б).

Результаты анализа Фурье

Рис. 15. Результаты анализа Фурье:
а) в табличном виде;
б) в виде графика

 

Назначение дефектов компонентам электрической схемы в Multisim

При исследовании разработанной схемы в Multisim можно преднамеренно вводить в нее дефекты — для изучения дальнейшего поведения схемы при наличии определенных дефектов, а также выявления неисправностей, которые могут вызвать такие дефекты. Для этого в Multisim имеются следующие средства:

  • закладка «Дефект» окна свойств компонента — дефекты назначаются вручную для отдельных компонентов схемы;
  • окно «Автоматические неисправности» — дефекты задаются случайным образом в виде отказов разных компонентов по всей схеме произвольным образом.

При этом необходимо уточнить, что неисправность является следствием присутствия дефектов в схеме электрической. В общем случае под неисправностью цифрового или микропроцессорного устройства понимают формализованное представление факта проявления дефекта в этих устройствах в виде неверных значений сигналов на входах и выходах. Как пример: обрыв проводника/перегоревший транзистор — это дефекты, неверные результаты на выходе схемы — неисправность. Дефекты и неисправности могут быть постоянными и непостоянными (кратковременными, чередующимися). Неисправностью цифрового устройства можно считать такое состояние, которое обусловлено дефектами одного или нескольких элементов схемы или соединяющих их проводников. Неисправности приводят к сбоям и отказам в работе устройства, поэтому важно предвидеть возможные неисправности и уметь их локализировать и исправлять. Программа Multisim предоставляет набор средств, при помощи которых можно искусственно вводить в схему дефекты и производить моделирование работы заведомо неисправного устройства. Накопленные сведения о сбоях и отказах помогают устранить их в период профилактического контроля устройства.

Ручное назначение дефектов отдельным компонентам схемы

Для того чтобы назначить дефект определенному выводу компонента схемы, необходимо при помощи левой кнопки мыши выделить этот компонент на схеме, а правой кнопкой мыши вызвать контекстное меню и выбрать в нем пункт «Свойства». В результате выполненных действий будет открыто окно свойств компонента, состоящее из набора вкладок. Вкладка «Дефект» (рис. 16) позволяет установить тип дефекта, который мы хотели бы назначить отмеченному в левой части вкладки выводу компонента. На вкладке приводятся условия моделирования и набор выводов компонента с опцией на каждый вывод, что позволяет выборочно имитировать ту или иную неисправность. Тип дефекта назначается путем установки переключателя в одну из следующих позиций:

Вкладка «Дефект» окна свойств компонента схемы

Рис. 16. Вкладка «Дефект» окна свойств компонента схемы

  • «Нет» — нет дефекта (это значение установлено по умолчанию);
  • «Обрыв» — после установки переключателя в данную позицию выбранному выводу/выводам назначается очень большое сопротивление, что будет расценено эмулятором как обрыв проводника;
  • «КЗ» (короткое замыкание) — после установки переключателя в данную позицию выбранному выводу/выводам назначается очень маленькое сопротивление, таким образом, компонент не влияет на измерения в схеме;
  • «Утечка» — после установки переключателя в данную позицию становится активным поле для ввода с клавиатуры произвольного значения сопротивления. Это сопротивление включается параллельно выбранным выводам, в результате чего ток протекает мимо выводов, хотя он должен протекать через этот компонент.

В левой нижней части вкладки «Дефект» находится кнопка «Заменить», при помощи которой можно заменить выбранный компонент на схеме другим компонентом из библиотеки. В результате нажатия на кнопку будет открыто окно «Выбор компонента» (рис. 17), в котором и производится выбор нового компонента для замены. После того как новый компонент выбран, нажмите на кнопку ОК, в результате окно «Выбор компонента» будет закрыто, а на схеме отобразится новый компонент.

Окно «Выбор компонента»

Рис. 17. Окно «Выбор компонента»

Для вступления в силу внесенных на вкладке «Дефект» изменений нажмите на кнопку ОК.

Использование опций автоматических отказов компонентов

Для того чтобы задать проявление дефектов в схеме случайным образом, необходимо в основном меню Multisim «Моделирование» выбрать пункт «Автоматические неисправности», в результате откроется одноименное окно (рис. 18), которое содержит следующие поля:

  • «Любой»;
  • «Короткое замыкание» (КЗ);
  • «Обрыв»;
  • «Утечка»;
  • «Паразитное сопротивление».
Окно «Автоматические неисправности»

Рис. 18. Окно «Автоматические неисправности»

Для того чтобы назначить появление определенного дефекта в схеме, необходимо выбрать тип дефекта и ввести в его поле количество дефектов данного типа. Multisim будет произвольно имитировать возникновение дефектов в заданном количестве и типах. При выборе поля «Любой» будут произвольно комбинироваться такие дефекты, как короткое замыкание, обрыв, утечка. В том случае если разработчик назначил в окне «Автоматические неисправности» тип дефекта «Утечка», необходимо в поле «Паразитное сопротивление» ввести значение и единицы измерения паразитного сопротивления. Для вступления в силу всех изменений нажмите кнопку ОК.

Электронная система моделирования Multisim имитирует реальное рабочее место исследователя — лабораторию, оборудованную измерительными приборами, работающими в реальном масштабе времени. С ее помощью можно создавать, моделировать как простые, так и сложные аналоговые и цифровые радиофизические устройства. Для работы в программе Multisim необходимо:

  • знание основных принципов работы операционной системы Windows;
  • понимание принципов работы основных измерительных приборов (осциллограф, мультиметр и т. п.);
  • знание отдельных элементов радиоэлектронных устройств.

Концепция электронной лаборатории с виртуальными измерительными приборами, заложенная в систему моделирования Multisim, существенно облегчает проведение самого сложного этапа — расчета процессов, протекающих в радиоэлектронном устройстве.

Литература
  1. NI Circuit Design Suite — Getting Started with NI Circuit Design Suite. National Instruments, Jan. 2012.
  2. NI Multisim. Fundamentals. National Instruments, Jan. 2012.
  3. Multisim User Guide. National Instruments Corp., 2007.
  4. Колесникова Т. Инструменты анализа схем электрических принципиальных в программной среде NI Multisim 12.0 // Компоненты и технологии. 2015. № 1.
  5. Колесникова Т. Инструменты анализа схем электрических принципиальных в программной среде NI Multisim 12.0. Часть 2 // Компоненты и технологии. 2015. № 2.
  6. Баксултанов Д. Е., Касимова Б. Р. Реализация анализа Фурье для несинусоидальных периодических цепей переменного тока в различных программных средах. Научно-практическая конференция ученых и студентов с дистанционным участием. Астана, Евразийский национальный университет им. Л. Н. Гумилева, 2012.
  7. Колесникова Т. Работа с виртуальными приборами в программной среде NI Circuit Design Suite — Multisim 12.0. Часть 2 // Компоненты и технологии. 2014. № 2.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *