Symulacje analogowych układów elektronicznych z wykorzystaniem programu Electronics Workbench
Autor: mgr inż. Edward Gruszka
Spis treści :
1. Wstęp 3
2. Uruchamianie programu 4
3. Opis podstawowych funkcji programu 5
4. Opis użytych przyrządów pomiarowych 23
a) Miernik uniwersalny (Multimetr) 24
b) Generator funkcyjny (Function Generator) 26
c) Oscyloskop ( osciloscope ) 26
d) Bode Plotter 29
5.Opis elementów wykorzystanych okien – elementy analogowe 31
a) Okno elementów biernych (Passive) 32
b) Okno elementów czynnych (Active) 35
c) Okno tranzystorów polowych (FET) 36
d) Okno elementów sterujących (Control) 37
e) Okno elementów wskaźnikowych (Indic) 39
6. Symulacje poszczególnych układów elektronicznych 40
7. Bibliografia 47
Programy symulacyjne umożliwiają eksperymentowanie z obwodami elektrycznymi bez potrzeby korzystania z drogich przyrządów pomiarowych i materiałów laboratoryjnych .Uczeń nie ma możliwości uszkodzenia poszczególnych elementów obwodu. Program informuje o istniejących nieprawidłowościach w strukturze obwodu. Przyrządy pomiarowe w programie wyglądają identycznie jak przyrządy rzeczywiste, mają te same funkcje i są obsługiwane identycznie. Przy zastosowaniu programu symulacyjnego skraca się czas wykonywania ćwiczeń, nauczyciel może z dużą swobodą eksponować ćwiczenia do samodzielnego rozwiązania oraz stwarzać sytuacje problemowe. Praca z programem symulacyjnym wymaga dokładnie takich samych czynności jak w praktycznym laboratorium tzn.
- skonstruowania układu
- przygotowania przyrządów pomiarowych
- właściwego włączenia ich do układu
- prawidłowej interpretacji uzyskanych wyników.
Z dotychczasowych doświadczeń autora wynika, że uczniowie bardzo chętnie pracują z programem symulacyjnym, który stwarza im bardzo duże możliwości poszukiwania własnych rozwiązań. Nauczanie przedmiotów „elektrotechnika”, „elektronika” i „automatyka” z wykorzystaniem symulacji komputerowej, pozwala na dużą aktywizację uczniów w procesie uczenia oraz jego indywidualizację.
Opisane przykłady ćwiczeń, obejmując sześć działów tematycznych, nie wyczerpują oczywiście wszystkich możliwości programu Electronics Workbench, który jest programem profesjonalnym dla elektryków i elektroników. Zaproponowane ćwiczenia są bardzo proste i przeznaczone do wykonania przez uczniów techników elektrycznych. Dla nauczyciela przedmiotu stanowią unowocześnienie jego warsztatu pracy, wymagając większego wysiłku intelektualnego i organizacyjnego, zaś uczniowi przybliżają w ciekawy sposób podstawowe problemy elektrotechniki.
W artykule przybliżono symulację układów analogowych pomijając cyfrowe.
Program Electronic Workebench uruchamia się poprzez klikniecie myszką na ikonę o nazwie Webw, która znajduje się w katalogu Workbnh4. Po uruchomieniu programu pokazuje się główny pulpit, na którym znajdują się podstawowe okna programu.
Do tych okien należą pliki z paskowego menu ( szuflady ). Pliki te znajdują się w lewym górnym rogu i są to: File (kartoteka), Edit (edycja), Circuit (obwód), Window (okno), Help (pomoc). W każdym z tych plików znajdują się pojedyncze funkcje, które służą do tworzenia symulacji komputerowych, jak również do badania poszczególnych elementów elektronicznych.
Obsługa programu Electronics Workbench nie jest skomplikowana. Polega ona na posługiwaniu się myszką komputera poprzez, którą można dokonywać wszelakich operacji, których poszczególne komendy znajdują się w plikach paskowego menu (w szufladach) na głównym pulpicie programu. Po otwarciu pierwszej z szuflad paskowego menu (File) ukaże się na pulpicie jej zawartość, to znaczy wszystkie znajdujące się tam komendy.
Pierwszą opcją w szufladzie (File) jest komenda (New), która służy do otworzenia nowego pulpitu, na którym można tworzyć układ elektroniczny. Układ ten możemy stworzyć sami za pomocą pojedynczych elementów które znajdują się z lewej strony pulpitu, zostaną one opisane w rozdziale pt. Opis elementów wykorzystanych okien - elementy analogowe. Można również wybrać jeden z wielu układów elektronicznych, które zostały dodane do bazy danych programu. Uruchomić je można za pomocą komendy (Open). Po kliknięciu tej komendy otwiera się okno o nazwie (Open Circuit File) co oznacza (otwarta kartoteka obwodów) .
Okno to podzielone jest na dwie części. Po lewej stronie znajdują się przykładowe układy elektroniczne, a po prawej stronie umieszczone są foldery: (samples) (przykładowe układy), (compleks) (bardziej skomplikowane) oraz (tutorial) (przykładowe układy do nauki), w których umieszczone są te układy oraz z którymi można przeprowadzać symulację jak również tworzyć schematy do tych układów, śledzić pracę układu za pomocą symulowanych przyrządów pomiarowych oraz drukować kopie schematu, wskazań przyrządów i listy elementów. Następną komendą jest (Save), (zachowaj). Służy ona do zapisania obwodu (bez zmieniania jego nazwy) z którym praca została zakończona lub chcemy ją zakończyć w późniejszym terminie. Gdy chcemy użyć tej komendy do zachowania układu przykładowego pokazuje się okno z informacją (File ......... already exists. Replace existing file) (Dokument …………. już istnieje. Czy zastąpić istniejący dokument). Jeżeli dokonaliśmy jakiejś zmiany to, gdy klikniemy w tym oknie na (Tak) to zmiany zostaną zapisane, gdy klikniemy na (Nie) to układ pozostanie bez zmian. Można również użyć tej komendy do zapisania układu który stworzyliśmy sami, lecz do zapisywania takich układów służy następna komenda (Save As), (zachowaj jako). Tą komendą zapisuje się obwody które nie posiadają nazwy lub ich nazwę chcemy zmienić, następną komendą w kolejności jest komenda (Revert to Saved..) (odwrócić zachowanie) ta funkcja przydatna jest wtedy, gdy pracujemy z pewnym układem i dokonaliśmy w nim zmian. Dzięki tej funkcji możemy przywrócić do wersji początkowej, jeszcze przed dokonaniem tych zmian tzn. do wersji odczytanej przed zapisem zmian. Program umożliwia nam również drukowanie stworzonych przez nas układów. Do tego służy komenda (Print) ( drukuj ). Po kliknięciu tej komendy na pulpicie pokazuje się okno w którym mamy do wyboru różne elementy, które chcielibyśmy dołączyć do wydrukowanego schematu.
Są to: (Schematic) (schemat układu) na wydruku pojawi się cały układ, wszystkie elementy oraz połączenia między nimi, (Description) (opis układu) znajduje się on pod każdym układem, (Parts list) ( podział listy) na wydruku pojawia się lista wszystkich użytych elementów elektronicznych, (Label List) (etykieta listy), (Model List) (model listy) jeżeli element , który znajduje się w pewnym obwodzie, posiada swoją bibliotekę w której znajdują się różne jego modele to drukując w raz ze schematem wydrukujemy wszystkie parametry tego obwodu lub jeśli na pulpicie znajduje się kilka takich elementów to parametry tych elementów również zostaną wydrukowane, (Analysis Options) (analizy opcji) opis tej funkcji zostanie zawarty w następnym pliku paskowego menu. Pod napisem (Instruments) (przyrządy) umieszczone zostały urządzenia, które chcielibyśmy dołączyć do wydruku. Są to: (Multimeter) (miernik uniwersalny), (Functon Generator) (generator funkcyjny), (Oscilloscope) (oscyloskop), (Bode Plotter) (Ploter wykresu Body’ego) (Word Generator) (generator słów), (Logic Analyzer) (analizator stanów logicznych), (Logic Converter) (konwerter logiczny), wszystkie te przyrządy zostaną dokładnie opisane w rozdziale czwartym pt. „Opis użytych przyrządów”. Można również zmienić ustawienia drukarki. Do tego służy następna komenda (Print Setup) (opcje drukowania). W kolejności następną komendą jest (Exit) (wyjście) służy ona do całkowitego zamknięcia programu, można również zamknąć program klikając na mały krzyżyk w prawym górnym rogu. Komenda (Install...), która jest następna służy do instalacji dodatkowych programów lub opcji do programu Electronics Workbench 4. Następna komenda (Import from SPICE), (Export to SPICE) (SPICE – Simulation Program with Integrated Circuits Emhasis – program symulacyjny do układów scalonych). Jest to program, który współpracuje z EWB 4. Program ten służy nie tylko układom scalonym, można również symulować na nim ogólne układy elektroniczne. SPICE służy przede wszystkim do analizy układów analogowych, ale można również analizować układy cyfrowe i analogowo-cyfrowe poprzez symulator logiczny pozwalający analizować układy na poziomie funkcjonalnym (oznacza to że np.: bramka NAND jest opisywana za pomącą tabeli stanów i czasów propagacji, a nie przez jej schemat tranzystorowy, co przyspiesza a w przypadku bardziej złożonych układów umożliwia dokonanie analizy). Zasadniczo EWB 4 nie przewiduje bezpośredniego przetwarzania plików tekstowych z opisem zadania w języku SPICE, co jest trochę zaskakujące zważywszy, że jądrem programu jest 32 bitowy kod SPICE. Nie oznacza to jednak braku możliwości symulowania netlist stworzonych przez inne programy. EWB może w takim przypadku zaimportować zbiór z netlistą i stworzyć odpowiadające jej schematy, ale użyteczność tego ostatniego jest w takim wypadku mocno ograniczona, gdyż automatyczne rozmieszczenie i łączenie rozpoznanych elementów układu prowadzi zazwyczaj do bardzo zagmatwanego schematu – często łamiącego wszelki zasady zawarte w podręcznikach. Możliwy jest także eksport w formacie standartowego SPICE – choć występuje tutaj problem tego typu, że w standardowym SPICE nie ma odpowiedników wielu elementów zdefiniowanych i używanych przez EWB. Aby stworzyć układ w SPICE należy otworzyć któryś z układów dostępnych w programie lub stworzyć go samemu, następnie kliknąć na komendę Exsport to SPICE i w oknie które nam się pokaże:
dokonujemy zmiany rozszerzenia z Ca4 (takie rozszerzenie mają wszystkie układy zawarte w programie) na rozszerzenie Cir, aby można było ten układ zapisać w SPICE. Teraz aby otworzyć wcześniej zapisany układ należy kliknąć na komendę Import from SPICE i na pulpicie pojawi się układ przetworzony przez podprogram SPICE .
Następną szufladą z paskowego menu jest (Edit) (edycja).
Po otwarciu tej szuflady pokazuje się na pulpicie jej zawartość tzn. wszystkie znajdujące się tam komendy. Pierwszą z nich jest (Cut) (wytnij) służy ona do wycinania z układu poszczególnych elementów, aby użyć tej komendy należy wcześniej zaznaczyć element klikając na niego myszką. Po wycięciu elementu układu zostaje przeniesiony do schowka (Clipboard) skąd można go z powrotem wklejać nie tylko do EWB, ale również do innych programów np. Word. Można również kopiować elementy, do tego służy komenda (Copy) (kopiuj). Korzystając z tej komendy element także zostaje przeniesiony do schowka. Aby wkleić element na pulpit EWB po wcześniejszym użyciu komendy (Cut) lub (Copy) należy, użyć następnej opcji (Paste) (wklej). Aby usunąć niepotrzebny element z układu trzeba zaznaczyć najpierw element lub grupę elementów, które chcemy usunąć, a potem użyć następnej komendy (Delete) (skasować). Komenda, która w kolejności jest następna mianowicie (Select All) (zaznacz wszystko) ma za zadanie zaznaczyć wszystkie znajdujące się w układzie elementy na kolor czerwony. Po wykonaniu tego możemy np. przesuwać cały układ w różne miejsca pulpitu. Trzeba przy tym zwrócić uwagę na to, że klikając na tą komendę zostaną zaznaczone tylko elementy układu, a przyrządy znajdujące się w układzie (takie jak oscyloskop, czy generator) nie zostaną zaznaczone i w tym przypadku nie mogą zostać skopiowane. Komenda (Copybits) (skopiuj cześć) służy do zaznaczania pewnej części układu znajdującego się na pulpicie, czynność tą wykonujemy myszką. Po zaznaczeniu pewnej części układu automatycznie zostaje ona przeniesiona do schowka. Żeby zobaczyć i przejrzeć wcześniej skopiowaną część układu, trzeba kliknąć na komendę (Show Clipboard) (pokaż schowek), tam możemy zobaczyć i dokonać analizy, czy część układu została skopiowana tak jak chcieliśmy, jak również możemy zobaczyć że znajdują się tam wcześniej skopiowane pojedyncze elementy.
Plikiem następnym z paskowego menu (szuflady) jest (Circuit) (obwód).
Jest to jeden z ważniejszych plików paskowego menu, ponieważ znajdują się tam komendy, które dotyczą przede wszystkim pracy obwodów. Można tutaj zmieniać modele poszczególnych elementów elektronicznych oraz możemy dokonywać zmiany parametrów tych elementów. Pierwszą komendą jest (Activate) (aktywować). Po zrobieniu jakiegoś obwodu trzeba sprawdzić, czy obwód działa poprawnie, aby tego dokonać należy właśnie użyć tej funkcji która aktywuje cały ten obwód. Można tego dokonać nie tylko za pomocą tej komendy, także możemy kliknąć na mały przełącznik znajdujący się w prawym górnym rogu pulpitu . Po aktywacji obwodu możemy go również wyłączyć za pomącą przełącznika, albo dokonać wyłączenia obwodu za pomącą komendy (Stop). Ta komenda doprowadzi do całkowitego wyłączenia obwodu, można tego uniknąć wstrzymując pracę obwodu na pewien czas za pomocą komendy (Pause) (przerwa). Po kliknięciu tej komendy zmienia ona swoją nazwę na (Resume) (wznowić). Następne komendy dotyczą głównie elementów elektronicznych. Zatem komendą następną jest (Label) (etykieta). Tą funkcją nadajemy elementom etykietę tzw. nazwę. Dla przykładu podaję rezystor:
- Rezystor o rezystancji bez nadanej etykiety.
- Ten sam rezystor o rezystancji z nadaną etykietą R1.
Następną komendą (Value) (wartość) można dokonywać wszelakich zmian w podstawowych wartościach poszczególnych elementów elektronicznych. Tak jak np. rezystor charakteryzuje się rezystancją to jej wartość można zmieniać w następujący sposób. Klikamy myszką na tą komendę, po czym na pulpicie pokazuje się okno, gdzie można dokonać tej zmiany.
Z jednej strony okna można wpisywać klawiaturą dokładną wartość rezystora, a z drugiej strony zmieniamy jednostkę rezystancji (Ohm) () w programie został on oznaczony litera (ą), dlatego można ją zmieniać na (ą), (ką), (Mą). Jako dobry przykład można jeszcze podać (Voltmeter) (woltomierz) lub (Ammeter) (amperomierz), których parametry można zmieniać następująco:
Dokonać możemy zmiany rezystancji tak jak w poprzednim przykładzie, można jeszcze dokonać zmiany trybu pracy tych woltomierzy np. z trybu zmiennoprądowego (AC) na tryb stałoprądowy (DC), dokonujemy tego poprzez kliknięcie na małą strzałkę obok napisu (Mode) (Tryb).
Następną komendą w pliku paskowego menu (Circuit) jest (Model..) (wzór). Chcąc dokonać zmiany modelu pewnego elementu należy posłużyć się tą komendą klikając na nią myszką. Po wykonaniu tej czynności na pulpicie pojawi się okno, w którym mamy możliwość wyboru typu danego elementu, który można wybrać z wielu znajdujących się w bibliotece (Library) (są to tak jakby katalogi, których nazwa odpowiada typowi danego elementu). Po wybraniu tego typu (katalogu) można dokonać wyboru konkretnego modelu wybranego przez nas wcześniej elementu. Jako przykład podam wzmacniacz operacyjny:
Okno to jest podzielone na dwie części. Z jednej strony możemy wybrać typ wzmacniacza operacyjnego; w tym przypadku wybrałem jako typ wzmacniacza operacyjnego (Lm). Z drugiej strony dokładny model tego wzmacniacza; tutaj wybrałem model (Lm 741). W oknie tym jest jeszcze kilka funkcji, które mają różne zastosowanie. Pierwszą funkcją jest (New Library) (nowa biblioteka) dzięki niej można zakładać w bibliotece własny katalog (typ). Funkcja (Edit) (edycja), która jest następna umożliwia nam dokładne przeanalizowanie parametrów wybranego przeze mnie wzmacniacza. Klikając na nią otwiera nam się następne okno, gdzie są zawarte wszystkie parametry tego wzmacniacza wraz z wartościami tych parametrów.
Wszystkie ta parametry zostaną opisane w rozdziale 5. Opis elementów wykorzystanych okien - elementy analogowe.
Następną opcją tego okna jest (Copy) (kopiuj). Dzięki niej można do utworzonego wcześniej katalogu poprzez komendę (New Library) skopiować różne modele elementów elektronicznych. Dla przykładu w (Library) (bibliotece) wzmacniacza operacyjnego zakładam katalog (model) do którego skopiuję powyższy model wzmacniacza operacyjnego (LM 741).
Po wykonaniu powyższej czynności tzn. kliknięciu na komendę (Copy) należy wpierw kliknąć na nowo stworzony katalog, następnie najechać na następną funkcję tego okna (Paste) (wkleić), a na pulpicie otworzy się okno, gdzie należy potwierdzić, czy dany model ma być skopiowany w danym momencie, czy chcemy z tego zrezygnować na pewien czas.
...
alef01