Практические занятия
Общие сведения о программе Multisim
Программа Multisim является версией 6.02 (в 2007 г. появилась 10 версия) программы Electronics Workbench (EWB) разработки фирмы Interactive Image Technologies. Особенностью программы является наличие контрольно-измерительных приборов, обширных библиотек электронных компонентов, в том числе логических микросхем малой и средней степени интеграции.
Программа позволяет моделировать логические устройства, набирая их из отдельных компонентов, анализировать поведение схемы при различных воздействиях на аргументы, проводить «реконструкцию», заменяя одни элементы другими. При этом экономятся материальные средства, затрачиваемые на лабораторное оборудование и его обслуживание, пропадает риск «пережигания» элементов, возникающий при отладке реальных схем.
Ознакомимся с элементной базой и приборами анализа, используемыми в данной работе.
Логические элементы вызываются из библиотеки MISC, последовательным нажатием левой клавиши мыши на символы:
В библиотеке MISC широко представлены двух и многовходовые логические элементы И (AND)-U1, ИЛИ (OR)-U2, НЕ (NOT)-U3, И-НЕ (NAND)-U4, ИЛИ-НЕ (NOR)-U5, М2 (EOR)-U6, М2 с инверсией (ENOR)-U7,
И-ИЛИ-НЕ (AND-OR-N)-U8:
Кроме представленных логических элементов потребуются пассивные элементы-резисторы и резисторные сборки, средства коммутации-включатели и кнопки, источники питания. Все эти элементы и средства можно извлечь из соответствующих разделов библиотек:
Управление входными аргументами схемы можно осуществлять как в ручном, так и автоматическом режимах. Ручное управление, т.е. подача логических нулей и единиц производится при помощи контактных коммутаторов, а автоматическое с помощью генератора логических сигналов Word Generator.
Генератор может выдавать двоичные слова разрядностью в 32 бита, а кодовые комбинации необходимо задавать в шестнадцатеричном коде.
Каждая кодовая комбинация заносится с помощью клавиатуры, номер редактируемой ячейки фиксируется в окошке EDIT блока ADRESS. В процессе работы генератора в отсеке ADRESS индицируется номер текущей ячейки CURRENT, ячейки инициализации или начала работы INITIAL и конечной ячейки FINAL. К дополнительным органам управления относятся кнопки CYCLE – циклический режим начиная с нулевой ячейки, BURST – с выбранного слова до конца, STEP – пошаговый режим, BREAKPOINT – прерывание работы генератора в указанной ячейке.
Для перенесения компонента из библиотеки на рабочее поле курсор мыши подводится к значку соответствующего раздела, при этом его название подсвечивается. После выбора компонента курсором мыши и нажатия ее левой кнопки (отмена выбора – нажатие правой кнопки) возможны два варианта. В первом, наиболее простом случае, курсор мыши в форме стрелки с выбранным компонентом переносится на рабочее поле и нажимается левая кнопка мыши. Во втором случае вызов компонента сопровождается вызовом окна, Если необходимо отредактировать параметры компонента, то в этом окне нажимается кнопка Edit, проводится коррекция параметров, и только после нажатия кнопки ОК в этом окне курсор мыши принимает указанную форму.
Соединение выводов всех элементов друг с другом осуществляется только проводами. Не допускается наложение выводов элементов друг на друга – при этом соединение не устанавливается. Для прокладки соединительных проводников курсор мыши необходимо подвести к выводу компонента и когда курсор примет крестообразную форму, нажать-отпустить левую кнопку мыши, проводник в виде пунктирной линии протянуть к выводу второго компонента и снова нажать-отпустить левую кнопку мыши. Для удаления проводника он выделяется и нажимается клавиша Delete. При изменении формы проводника он отмечается, при этом точки его перегибов и соединений с выводами компонента отмечаются квадратиками, которые и служат для перемещения курсором мыши его отдельных частей.
При установке курсора мыши на иконку прибора или на любой другой компонент схему и нажатия ее правой кнопки, вызывается динамическое меню, позволяющее вырезать (Gut), копировать (Copy), изменить цвет (Color) компонента, а также выполнить четыре команды по его перемещению (вращению).
При необходимости удаления в буфер, копирования, изменения цвета или перемещения компонента целесообразно воспользоваться соответствующими командами из меню Edit. Если требуется размножить некоторый компонент, то после его копирования курсор мыши ставится на свободное место рабочего поля и нажатием правой кнопки мыши вызывается второе динамическое меню, отличающееся от первого большим числом команд. После выбора из этого меню команды вставки Paste курсор мыши с прицепившимся к нему значком компонента устанавливается в требуемое место будущей схемы и нажимается левая кнопка мыши. Если компонент необходимо вставить в разрыв проводника, то он устанавливается так, чтобы его выводы с обеих сторон совпали с проводником, после чего нажимается левая кнопка мыши. Для удаления компонента он отмечается и нажимается клавиша Delite, при этом удаляются и присоединенные к нему проводники.
Интуитивный редактор схем программы Multisim дает возможность за счет экономии времени на рисовании оставлять больше времени на конструирование. Multisim построен так, что нет необходимости переключаться от режима размещения деталей к режиму разводки, как в других аналогичных программах. Multisim поступает к заказчику с полной базой из 16000 деталей и включает в себя имитационную модель, схематический символ, электрические параметры и макет для разводки. Также имеется бесплатный доступ к центру конструирования (Design Center), в котором имеется более 12 миллионов деталей в поисковой базе данных.
Максимальной точностью и достоверностью обладают классические программы схемотехнического моделирования или SPICE-подобные программы (где SPICE с английского - Имитационная Программа со Встроенным Выражением Цепи), к числу которых и относится Multisim. Принцип их работы основан на машинном составлении системы обыкновенных дифференциальных уравнений электрической цепи и их решении без применения упрощающих предположений. Здесь используются численные методы Рунге - Кутта или метод Гира для интегрирования системы дифференциальных уравнений, метод Ньютона - Рафсона для линеаризации системы нелинейных алгебраических уравнений и метод Гаусса или LU-разложение для решения системы линейных алгебраических уравнений. Модификации этих методов направлены на улучшение сходимости или вычислительной эффективности без упрощения исходной задачи.
В Multisim используются следующие функции SPICE моделирования: SPICE-моделирование индустриального стандарта; XSPICE усиление для расширения Berkeley SPICE3 возможностей; моделирование с подключением VHDL и Verilog; интерактивное моделирование; широкий набор источников, включая DC, синусоидальный, импульсный, пилообразный, случайный, AM, FM; программное моделирование; смешанная аналого-цифровое моделирование; современные алгоритмы для разрешения проблем пересекающихся цепей, расширенные опции для получения компромисса скорость/точность. Функции радиочастотного моделирования: SPICE усиления для высокочастотной имитации; RF инструменты и анализы, RF модели и мастер создания собственных моделей.
Multisim - единственный общецелевой пакет моделирования для использования с частотами свыше 100 MHz, где SPICE обычно становится неработоспособным. Радиочастотный набор программы Multisim включает специальную библиотеку деталей, мастер создания радиочастотных моделей, радиочастотные виртуальные инструменты и радиочастотные анализаторы. VHDL и Verilog функции - простой способ работы для начинающих использовать HDLs, который представляет собой инструмент моделирования сложных цифровых деталей, которые не могут быть смоделированы в SPICE. VHDL и Verilog - возможность моделирования деталей без необходимости понимать HDL синтаксис. VHDL и Verilog - самостоятельный инструмент конструирования с редакторами кодов, менеджерами проектов моделирования, выводом формы колебаний и отладкой, совместным моделированием со SPICE, полным соответствие стандартам.
Multisim позволяет работать группе конструкторов над идентичными схемами в реальном времени через локальную сеть или Интернет. С помощью Multisim можно вводить специальные поля для характеристики деталей, такие как стоимость, время поставки или предпочтительный поставщик.
Совместное использование Multisim и технологии виртуальных приборов, позволяет инженерам-разработчикам печатных плат и преподавателям электротехнических специальностей достичь полной непрерывности цикла проектирования, состоящего из трех этапов: изучение теории, создание принципиальной схемы моделируемой системы, изготовление прототипа и проведение тестовых испытаний.
В Multisim 10.0 и Ultiboard 10.0 реализовано большое количество функции для профессионального проектирования, ориентированных на самые современные средства моделирования, улучшенную компонентную базу данных и расширение пользовательского сообщества. Компонентная база данных включает в себя более 1200 новых элементов и более 500 новых SPICE-моделей от ведущих производителей, таких, как Analog Devices, Linear Technology и Texas Instruments, а также более 100 новых моделей импульсных источников питания.
Помимо этого, в новой версии программного обеспечения появился помощник Convergence Assistant, который автоматически корректирует параметры SPICE, исправляя ошибки моделирования, была добавлена поддержка стандартов BSIM 4, а так же расширены возможности отображения и анализа данных, включая новый пробник для значений тока и обновленные статические пробники для дифференциальных измерений.
Кафедра радиоэлектроники
Т.В. Гордяскина, С.В. Лебедева
Моделирование радиотехнических цепей и сигналов в программной среде Multisim
Учебно-методическое пособие по выполнению
лабораторных работ и курсового проекта
для студентов дневного обучения по специальности
160905 «Техническая эксплуатация транспортного
радиооборудования»
Издательство ФГОУ ВПО «ВГАВТ»
Н. Новгород, 2010
УДК 519.876.5
Гордяскина Татьяна Вячеславовна, Лебедева Светлана Владимировна
Моделирование радиотехнических цепей и сигналов в программной среде Multisim: Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторных работ и курсового проекта для студентов дневного обучения по специальности 160905 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования». – Н. Новгород: Издательство ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2010. – 62 с.
В учебно-методическом пособии изложена методика выполнения лабораторных работ и курсового проекта по дисциплине «Радиотехнические цепи и сигналы» с помощью программного пакета Multisim.
Протокол № 9 от 28.05.2010 г.
© ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2010
Краткие теоретические сведения
Multisim – это интерактивный эмулятор схем, позволяющий разрабатывать устройства за минимальное время. Multisim включает в себя версию Multicap, что делает его идеальным средством для программного описания и немедленного последующего тестирования схем. Multisim также поддерживает взаимодействие с LabVIEW и Signal Express производства National Instruments для тесной интеграции средств разработки и тестирования.
Пакет Multisim использует стандартный интерфейс Windows. Интуитивность и простота интерфейса значительно облегчает его использование.
Multisim обеспечивает возможность разработки схемы и ее тестирования / эмуляции из одной среды разработки.
Кроме традиционного анализа SPICE, Multisim позволят пользователям подключать к схеме виртуальные приборы. Это простой и быстрый способ увидеть результат с помощью имитации реальных событий.
При необходимости более сложного анализа Multisim предлагает различные функции анализа. В Multisim входит Grapher – мощное средство просмотра и анализа данных эмуляции.
Возможность изменения цвета проводников позволяет сделать схему более удобной для восприятия. Можно отображать различными цветами и графики, что очень удобно при одновременном исследовании нескольких зависимостей.
Основы работы в программном пакете Multisim
Интерфейс пользователя состоит из нескольких основных элементов, которые представлены на рис. 1.
В окне разработки (Design Toolbox) находятся средства управления различными элементами схемы.
Глобальные настройки (рис. 2) управляют свойствами среды Multisim. Доступ к ним открывается из диалогового окна Свойства (Preferences). Выберите пункт Опции /глобальные настройки (Options /Global Preferences) , откроется окно Свойства со следующими закладками:
Paths (Путь) – указывает путь к файлам баз данных и другие настройки;
Parts (Компоненты) – выбор режима размещения компонентов и стандарта символов (ANSI или DIN) ;
ANSI или DIN – настройки эмуляции по умолчанию;
General (Общие) –изменение поведения прямоугольника выбора, колеса мыши и инструментов соединения и автоматического соединения.
Обзор компонентов
Компоненты – это основа любой схемы, это все элементы, из которых она состоит, Multisim оперирует с двумя категориями компонентов: реальными (real) и виртуальными (virtual). У реальных компонентов, в отличие от виртуальных, есть определенное, неизменяемое значение и свое соответствие на печатной плате. Виртуальные компоненты нужны только для эмуляции, пользователь может назначить им произвольные параметры.
В Multisim есть и другая классификация компонентов: аналоговые, цифровые, смешанные, анимированные, интерактивные (компоненты управляются с помощью клавиш, указанных под каждым элементом), цифровые с мультивыбором, электромеханические и радиочастотные.
На панели компонентов представлены поля источников (place sourse), основных элементов (place basic),диодов (place diode), транзисторов (place transistor), аналоговых (place analog), индикаторов (place indicator) и др.
Проводник компонентов (Component Browser) – это место, где выбираются компоненты для размещения их на схеме. После двойного щелчка мыши курсор примет форму компонента, пока будет выбрано место на схеме для компонента.
В проводнике компонентов отображается текущая база данных, в которой хранятся отображаемые элементы. В Multisim они организованы в группы (groups) и семейства (families) . Также в проводнике отображается описание компонента (поле Назначение Function), модель и печатная плата или производитель.
В группе источников можно выбрать источники постоянного и переменного напряжения, тока, мощности; зависимые источники (например, источники напряжения и тока, управляемые током или напряжением) и др.
В группе основных элементов выбирают переключатели, трансформаторы, разъемы, реле, постоянные и переменные резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и др. элементы.
В группе индикаторов размещены пробники, цифровые индикаторы, лампы накаливания, вольтметры и амперметры.
После выбора компонентов из базы данных они размещаются на схеме и соединяются между собой. В это время и после установки компоненты можно повернуть. Чтобы выбрать компонент, просто щелкните по нему мышью. Для выбора нескольких компонентов прижмите кнопку мыши и перемещайте ее, рисуя прямоугольник выбора вокруг нужных компонентов. Выбранные компоненты обозначаются пунктирной линией.
Компоненты можно заменять на другие с помощью их контекстного меню, пункта Заменить компоненты (Replace Component(s)) . Новые компоненты выбираются в открывшемся дополнительном окне проводника компонентов. Соединения компонентов после замены Multisim восстановит.
Чтобы начать вести соединяющий провод, кликните по разъему, чтобы завершить соединение, кликните по конечному выводу. После появления проводника Multisim автоматически присвоит ему номер в сети. Номера увеличиваются последовательно, начиная с 1. Заземляющие провода всегда имеют номер 0 – это требование связано с работой скрытого эмулятора SPICE. Чтобы изменить номер соединения или присвоить ему логическое имя, необходимо дважды кликнуть по проводнику и ввести новое значение.
Приборы
Виртуальные приборы – это модельные компоненты Multisim, которые соответствуют реальным приборам. Например, среди виртуальных приборов в Multisim есть осциллографы, генераторы сигналов, анализаторы спектра и др.
Чтобы добавить виртуальный прибор, выберите его с панели приборов (Instruments) , рис. 4. Чтобы посмотреть лицевую панель прибора, дважды кликните на иконку прибора. Выводы прибора соединяются с элементами схемы так же, как и другие компоненты.
В Multisim также есть эмулированные реально существующие приборы Agilent и Tektronix.
1.2.1. Генератор сигналов
Генератор XFG1 является идеальным источником напряжения, вырабатывающим сигналы синусоидальной, прямоугольной или треугольной формы.
Средний вывод генератора при подключении к схеме обеспечивает общую точку для отсчета амплитуды переменного напряжения. Для отсчета напряжения относительно нуля общий вывод заземляют. Крайние правый и левый выводы служат для подачи переменного напряжения на схему. Напряжение на правом выводе изменяется в положительном направлении относительно общего вывода, напряжение на левом выводе – в отрицательном.
Двойным щелчком мыши на уменьшенном изображении открывается увеличенное изображение генератора (рис. 5).
1.2.2. Осциллограф
Осциллограф XSC1, представляет собой аналог двухлучевого запоминающего осциллографа. Можно подключить осциллограф к уже включённой схеме или во время работы cxемы переставить выводы к другим точкам – изображение на экране осциллографа изменится автоматически.
Остановить процесс расчета параметров и характеристик схемы в любой момент времени можно нажатием клавиши F9 или выбором пункта Pause (Пауза) в меню Circuit. Продолжить расчет можно повторным нажатием клавиши F9 или выбором пункта Resume меню Circuit. Нажатием кнопки "Пуск-Стоп" в верхнем углу экрана начинается или прекращается расчет параметров схемы.
На схему выводится уменьшенное изображение осциллографа. На этом изображении имеется четыре входных зажима: верхний правый зажим – общий; нижний правый – вход синхронизации; левый и правый нижние зажимы представляют собой соответственно вход канала А (channel А) и вход канала В (channel В).
Двойным щелчком мыши по уменьшенному изображению открывается изображение передней панели осциллографа (рис. 6).
Непосредственно под экраном находится линейка прокрутки, позволяющая наблюдать любой временной отрезок процесса от момента включения до момента выключения схемы.
На экране осциллографа расположены два курсора, обозначаемые 1 и 2, при помощи которых можно измерить мгновенные значения напряжений в любой точке осциллограммы. Для этого просто переместите мышью курсоры за треугольники в их верхней части в требуемое положение. Координаты точек пересечения первого курсора с осциллограммой отображаются в верхней строке, координаты второго курсора – в средней строке. В нижней строке отображаются значения разностей между соответствующими координатами первого и второго курсоров. Результаты можно записать в файл. Для распечатки полученных осциллограмм удобно получить изображение на белом фоне, нажав кнопку .
1.2.3. Анализатор спектра XSA1
Анализатор спектра XSА1, предназначен для определения спектра сигнала в любой точке радиотехнической цепи. Можно подключить анализатор спектра к уже включённой схеме или во время работы cxемы переставить выводы к другим точкам – изображение на экране анализатора спектра изменится автоматически.
На рис. 7 представлена передняя панель анализатора спектра с изображением амплитудного спектра положительного гармонического сигнала S(t)=1+Sin(2p1000t).
Для корректного отображения спектра необходимо выбрать диапазон частот, задавая начальное значение диапазона в окне Start, конечное значение – в поле End, сохранить настройки, нажав Enter. Перемещая маркер, внизу рабочего окна получаем значения частоты и амплитуды выбранной гармоники.
Похожая информация.
Похожие статьи
