Программа ELECTRONICS WORKBENCH

Программа ELECTRONICS WORKBENCH

Программа ELECTRONICS WORKBENCH позволяет моделировать и анализировать аналоговые, цифровые и цифро-аналоговые электрические схемы большой степени сложности. Имеющиеся в программе библиотеки включают в себя большой набор широко распространенных электронных компонентов, параметры которых можно изменять в широком диапазоне значений. Простые компоненты описываются набором параметров, значения которых можно изменить непосредственно с клавиатуры, активные элементы – моделью, представляющей собой совокупность параметров и описывающей конкретный элемент или его идеальное представление. Модель выбирается из списка библиотек компонентов, и ее параметры также могут быть изменены пользователем.

Широкий набор приборов позволяет производить измерения различных величин, задавать входные воздействия, строить графики. Все приборы изображаются в виде, максимально приближенном к реальному, поэтому работать с ними просто и удобно.

Возможности ELECTRONICS WORKBENCH

Основные достоинства программы:

1. Экономия времени:

электронная лаборатория всегда под рукой.

2. Достоверность измерений:

все элементы описываются строго заданными параметрами.

3. Удобство проведения измерений.

4. Графические возможности позволяют:

одновременно наблюдать несколько кривых на графике,

отображать кривые на графиках различными цветами,

изображать координаты точек на графике.

5. Анализ схем:

может производиться как во временной, так и в частотной областях; программа также позволяет проводить анализ цифро-аналоговых и цифровых схем.

Компоненты ELECTRONICS WORKBENCH

Базовые компоненты

Соединяющий узел

Узел применяется для соединения проводников и создания контрольных точек. К каждому узлу может подсоединяться не более четырех проводников.

После того, как схема собрана, можно вставить дополнительные узлы для подключения приборов.

Заземление

Компонент «заземление» имеет нулевое напряжение и, таким образом, обеспечивает исходную точку для отчета потенциалов.

Не все схемы нуждаются в заземлении для моделирования, однако любая схема, содержащая: операционный усилитель, трансформатор, управляемый источник, осциллограф, должна быть обязательно заземлена, иначе приборы не будут производить измерения или их показания окажутся неправильными.

Источник постоянного напряжения

ЭДС источника постоянного напряжения или батареи измеряется в вольтах и задается производными величинами (от мкВ до кВ).

Источник постоянного тока

Ток источника постоянного тока измеряется в амперах и задается производными величинами (от мкА до кА ). Стрелка указывает направление тока (от «+» к «-»).

Источник переменного напряжения

Действующее значение напряжения источника измеряется в вольтах и задается производными величинами (от мкВ до кВ). Имеется возможность установки частоты и начальной фазы. Напряжение источника отсчитывается от вывода со знаком «~».

Источник переменного тока

Действующее значение тока источника измеряется в амперах и задается производными величинами (от мкА до кА). Имеется возможность установки частоты и начальной фазы. Напряжение источника отсчитывается от вывода со знаком «~».

Резистор

Сопротивление резистора измеряется в омах и задается производными величинами (от Ом до МОм).

Переменный резистор

Положение движка переменного резистора устанавливается при помощи специального элемента – стрелочки-регулятора. Для изменения положения движка необходимо нажать клавишу-ключ. Для увеличения значения положения движка необходимо одновременно нажать [ Shift] и клавишу-ключ, для уменьшения - клавишу-ключ.

Конденсатор

Емкость конденсатора измеряется в фарадах и задается производными величинами (от пФ до Ф).

Переменный конденсатор

Переменный конденсатор допускает возможность изменения величины емкости:

С = (начальное значение / 100) · коэффициент пропорциональности.

Катушка индуктивности

Индуктивность катушки измеряется в генри и задается производными величинами (от мкГн до Гн).

Катушка с переменной индуктивностью

Индуктивность катушки устанавливают, используя начальное ее значение и коэффициента пропорциональности, следующим образом:

L = (начальное значение / 100) · коэффициент пропорциональности.

Трансформатор

Трансформатор используется для преобразования напряжения U1 в напряжение U2. Коэффициент трансформации n равен отношению напряжения U1 на первичной обмотке к напряжению U2 на вторичной обмотке.

Реле

Электромагнитное реле может иметь нормально замкнутые или нормально разомкнутые контакты. Оно срабатывает, когда ток в управляющей обмотке превышает значение тока срабатывания Ion. Во время срабатывания происходит переключение пары нормально замкнутых контактов S2, S3 реле на пару нормально замкнутых контактов S2, S1 реле. Реле остается в состоянии срабатывания до тех пор, пока ток в управляющей обмотке превышает удерживающий ток Ihd. Значение тока Ihd должно быть меньше, чем Ion.

Ключ, управляемый напряжением

Ключ, управляемый напряжением, имеет два управляющих параметра: включающее и выключающее напряжения. Он замыкается, когда управляющее напряжение больше или равно включающему напряжению, и размыкается, когда оно равно или меньше, чем выключающее напряжение.

Ключ, управляемый током

Ключ, управляемый током, работает аналогично ключу, управляемому напряжением. Когда ток через управляющие выводы превышает ток включения, ключ замыкается; когда ток падает ниже тока выключения, ключ размыкается.

Мостовой выпрямитель

Мостовой выпрямитель предназначен для выпрямления переменного напряжения. При подаче на выпрямитель синусоидального напряжения среднее значение выпрямленного напряжения Udc можно приблизительно вычислить по формуле:

Udc = 0, 636 ( Up - 1, 4), где Up - амплитуда входного синусоидального напряжения.

Диод

Ток через диод может протекать только в одном направлении - от анода A к - катоду K. Состояние диода (проводящее и непроводящее) определяется полярностью приложенного к диоду напряжения.

Светоизлучающий диод

Светоизлучающий диод излучает видимый свет, когда проходящий через него ток превышает пороговую величину.

Тиристор

У тиристора помимо анодного и катодного выводов имеется дополнительный вывод управляющего электрода. Он позволяет управлять моментом перехода прибора в проводящее состояние. Вентиль отпирается, когда ток управляющего электрода превысит пороговое значение, а к анодному выводу не будет приложено положительное смещение. Тиристор остается в открытом состоянии, пока к анодному выводу не будет приложено отрицательное напряжение.

Симистор

Симистор способен проводить ток в двух направлениях. Он запирается при изменении полярности протекающего через него тока и отпирается при подаче следующего управляющего импульса.

Динистор

Динистор – управляемый анодным напряжением двунаправленный переключатель. Динистор не проводит ток в обоих направлениях до тех пор, пока напряжение на нем не превысит напряжения переключения, тогда динистор переходит в проводящее состояние, его сопротивление становится равным нулю.

Операционный усилитель

Операционный усилитель предназначен для усиления сигналов. Он имеет обычно очень высокий коэффициент усиления по напряжению, высокое входное и низкое выходное сопротивление. Вход «+» является неинвертирующим, а вход «-» - инвертирующим. Модель операционного усилителя позволяет задавать параметры: коэффициент усиления, напряжения смещения, входные токи, входное и выходное сопротивления.

Входные и выходные сигналы ОУ должны быть заданы относительно земли.

Операционный усилитель с пятью выводами

ОУ с пятью выводами имеет два дополнительных вывода (положительный и отрицательный) для подключения питания.

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы являются усилительными устройствами, управляемыми током. Они бывают двух типов: P-N-P и N-P-N.

Буквы означают тип проводимости полупроводникового материала, из которого изготовлен транзистор. В транзисторах обоих типов стрелкой отмечается эмиттер, направление стрелки указывает направление протекания тока.

N-P-N транзистор

N-P-N транзистор имеет две n-области (коллектор С и эмиттер E) и одну p-область (базу В).

P-N-P транзистор

P-N-P транзистор имеет две p-области (коллектор С и эмиттер E) и одну n-область (базу В).

Полевые транзисторы (FET)

Полевые транзисторы управляются напряжением на затворе, то есть ток, протекающий через транзистор, зависит от напряжения на затворе. Полевой транзистор включает в себя протяженную область полупроводника n- или р- типа, называемую каналом. Канал оканчивается двумя электродами, которые называются истоком и стоком. Кроме канала n- или p- типа, полевой транзистор включает в себя область с противоположным каналу типом проводимости. Электрод, соединенный с этой областью, называют затвором.

Логические элементы

Логическое НЕ

Элемент логическое НЕ или инвертор изменяет состояние входного сигнала на противоположное. Уровень логической единицы появляется на его выходе, когда на входе не единица, и наоборот.

Таблица истинности

Вход А	Выход Y

Выражение булевой алгебры: Y=Ā.

Логическое И

Элемент И реализует функцию логического умножения. Уровень логической единицы на его выходе появляется в случае, когда на оба входа подается уровень логической единицы.

Таблица истинности

Вход А Вход В Выход Y

Выражение булевой алгебры: Y=А × В.

Логическое ИЛИ

Элемент ИЛИ реализует функцию логического сложения. Уровень логической единицы на его выходе появляется в случае, когда на один или на другой вход подается уровень логической единицы.

Таблица истинности

Вход А Вход В Выход Y

Выражение булевой алгебры: Y=A V B.

Исключающее ИЛИ

Двоичное число на выходе элемента, исключающее ИЛИ, является младшим разрядом суммы двоичных чисел на его входах.

Таблица истинности

Вход А Вход В Выход Y

Выражения булевой алгебры:

Элемент И - НЕ

Элемент И-НЕ реализует функцию логического умножения с последующей инверсией результата. Он представляется моделью из последовательно включенных элементов И и НЕ.

Таблица истинности элемента получается из таблицы истинности элемента И путем инверсии результата.

Таблица истинности

Вход А Вход В Выход Y

Выражение булевой алгебры:

Элемент ИЛИ - НЕ

Элемент ИЛИ-НЕ реализует функцию логического сложения с последующей инверсией результата. Он представляется моделью из последовательно включенных элементов ИЛИ и НЕ.

Его таблица истинности получается из таблицы истинности элемента ИЛИ путем инверсии результата.

Таблица истинности

Вход А Вход В Выход Y

Выражение булевой алгебры:

Исключающее ИЛИ - НЕ

Данный элемент реализует функцию «исключающее ИЛИ» с последующей инверсией результата. Он представляется моделью из двух последовательно соединенных элементов исключающее ИЛИ и НЕ.

Таблица истинности

Вход А Вход В Выход Y

Выражение булевой алгебры:

Узлы комбинационного типа

Полусумматор

Полусумматор производит сложение двух одноразрядных двоичных чисел. Он имеет два входа слагаемых: А, В и два выхода: суммы и переноса. Суммирование производится элементом Исключающее ИЛИ, а перенос - элементом И.

Таблица функционирования

Входы	Выходы	Примечание
А	В	сумма	перенос
				0+0=0
				0+1=1
				1+0=1
				1+1=0 (перенос)

Выражения булевой алгебры: сумма = A Å B, перенос = А× В.

Полный двоичный сумматор

Полный двоичный сумматор производит сложение трех одноразрядных двоичных чисел. Результатом является двухразрядное двоичное число, младший разряд которого назван суммой, старший разряд – переносом.

Устройство имеет три входа и два выхода. Входы: слагаемых А, В и переноса. Выходы: суммы и переноса. Полный двоичный сумматор можно реализовать на двух полусумматорах и одном элементе ИЛИ.

Таблица функционирования

Входы	Выходы
А	В	перенос	сумма	перенос

Дешифратор из 3 в 8

Дешифратор - логическое устройство, имеющее n входов и 2 n выходов. Каждой комбинации входного кода соответствует активный уровень на одном из 2 n выходов. Данный дешифратор имеет три входа адреса (А, B, С), два разрешающих входа (G1, G2) и 8 выходов (YО...Y7). Номер выхода, имеющего активное состояние, равен числу N, определяемому состоянием адресных входов:

N = 22 C+ 21 B+20 A.

Активным уровнем является уровень логического нуля. Дешифратор работает, если на входе G1 высокий потенциал, а на G2 - низкий. В других случаях все выходы пассивны, то есть имеют уровень логической единицы.

Таблица функционирования

Входы разрешения Адресные входы Выходы

G1 G2 A B C Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7

X X x X

X X x

Приоритетный шифратор из 8 в З

Шифратор выполняет операцию, обратную дешифратору. Строго говоря, только один из входов шифратора должен иметь активный уровень.

Данный шифратор при наличии на нескольких входах активного состояния активным считает вход со старшим номером. Кроме того, выход дешифратора инверсный, то есть значения разрядов двоичного числа на выходе инвертированы. Если хотя бы один из входов шифратора в активном состоянии, выход GS также будет в активном состоянии, а выход Е0 - в пассивном и наоборот. При пассивном состоянии разрешающего входа Е1 выходы GS также будут пассивными. Активным уровнем так же, как и у дешифратора, является уровень логического нуля.

Таблица функционирования

E1 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 A2 A1 A0 GS E0

X X X X X X X X

X X X X X X X

X X X X X X

X X X X X

X X X X

X X X

X X

X

Мультиплексор из 8 в 1

Мультиплексор (селектор данных) осуществляет операцию передачи сигнала с выбранного входа на выход. Номер входа равен адресу - двоичному числу, определяемому состоянием адресных входов.

Данный мультиплексор имеет 12 входов; восемь из которых входы данных (D0 - D7), три входа адреса (А, В, С) и один разрешающий вход (ЕN). Мультиплексор работает при подаче на вход разрешения логического 0.

Выход W является дополнением выхода Y ( W = Y ).

Таблица функционирования

Входы Выходы

C B A EN Y W

X X X

D0 D0’

D1 D1’

D2 D2’

D3 D3’

D4 D4’

D5 D5’

D6 D6’

D7 D7’

Демультиплексор

Демультиплексор выполняет операцию, обратную мультиплексору. Он передает данные со входа на тот выход, номер которого равен адресу. Данное устройство имеет 4 входа и 8 выходов. Входы адреса: А, В, С. Вход данных - G. Если на входе G логическая единица, то на всех выходах также логическая единица.

Таблица функционирования

Входы Выходы

G C B A O0 O1 O2 O3 O4 O5 O6 O7

X X X X

Узлы последовательного типа

Триггер - простейший последовательный элемент с двумя состояниями, содержащий элементарную запоминающую ячейку и схему управления, которая изменяет состояние элементарной ячейки. Состояние триггера зависит как от комбинации на входах, так и от предшествующего состояния. Триггерные устройства лежат в основе компьютерной оперативной памяти и используются во множестве последовательных схем. Триггер можно создать из простых логических элементов.

RS-триггер

RS-триггер имеет только два установочных входа: S (set - установка) - установка выхода Q в 1 и R (reset - сброс) - сброс выхода Q в 0. Для этого триггера является недопустимой одновременная подача команд установки и сброса (R = S = 1), поэтому состояние выхода в этом случае остается неопределенным и не описывается.

Таблица функционирования

Входы Выходы

установка S сброс R Q Q’

Q-1 Q’-1

X X

Q-1 – сохраняет предыдущее положение триггера, X – неопределенное состояние.

D- триггер

Информация со входа D заносится в триггер по положительному перепаду тактового импульса и сохраняется до следующего положительного перепада на счетном входе.

Таблица функционирования

Входы Выходы

данных D счетчик Clock Q

↑

↑

Счетчик

Счетчик - элемент, осуществляющий подсчет импульсов, подаваемых на его вход. Двоичное число, представляемое состоянием его выходов, по фронту импульса на счетном входе увеличивается на единицу. Описываемое устройство представляет собой четырехразрядный счетчик с двумя входами синхронизации и четырьмя выходами. Чтобы использовать счетчик по максимальной длине счета, генератор тактовых импульсов подключают к входу синхронизации CLKA и соединяют выход QA со входом синхронизации CLKB. Суммирование производится по отрицательному фронту импульса на счетном входе. Для сброса счетчика в 0 на входы R01 и R02 подают уровень логической единицы.

Таблица функционирования

Входы	Выходы
N	Счет	D	C	B	A
	↓
	↓
	↓
	↓
	↓
	↓
	↓
	↓
	↓
	↓
	↓
	↓
	↓
	↓
	↓
	↓

Сброс счетчика:

Входы	Выходы
R01	R02	QD	QC	QB	QA

		Счет
		Счет

Гибридные компоненты

ЦАП

Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) осуществляет преобразование цифрового сигнала в аналоговый. Описываемый ЦАП имеет 8 цифровых входов и 2 входа ( I+I и I-I) для подачи опорного тока Iоп. ЦАП формирует на выходе ток Iвых, который пропорционален входному числу Nвх.

Выходной ток определяется по формуле:

I_вых = (N_вх/256)Iоп,

где Iоп – опорный ток, определяемый последовательно подключенными ко входу Uоп + или Uописточником напряжения Uоп и сопротивлением R:

I оп== (Uоп/ R)× 255/256.

Второй выход является дополнением первого. Его ток определяется из выражения: I_вых’= Iоп - I_вых.

АЦП

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) производит преобразование аналогового напряжения в число. Представленный АЦП переводит аналоговые напряжения Uвх на входе в 8-разрядное двоичное число Nвых по формуле:

где [ ] – целая часть, Ufs = Uоп+- Uоп-- разница напряжений на опорных входах.

555 таймер

Таймер – элемент, имеющий цифровой вход и выход, характеризуется временем задержки Td. Изменение состояния на его выходе происходит через время, определяемое временем задержки Td.

555 таймер – интегральная схема, наиболее часто употребляемая как мультивибратор, одновибратор или управляемый напряжением генератор. Состояние выхода таймера изменяется через время, определяемое внешней времязадающей RC-цепью. Принципиально 555 таймер состоит из двух компараторов, делителя напряжения, триггера и разряжающего транзистора.

Одновибратор

Одновибратор вырабатывает импульс фиксированной длительности в ответ на управляющий перепад на его входе. Длина выходного импульса определяется внешней времязадающей RC- цепью.

Установка формы сигнала

Выберите требуемую форму выходного сигнала и нажмите на кнопку с соответствующим изображением. Форму треугольного и прямоугольного сигналов можно изменить, уменьшая или увеличивая значение в поле DUTY CYCLE (скважность). Этот параметр определяется для сигналов треугольной и прямоугольной формы. Для треугольной формы напряжения он задает длительность (в процентах от периода сигнала) между интервалом нарастания напряжения и интервалом спада. Установив, например, значение 20, мы получим длительность интервала нарастания 20 % от периода, а длительность интервала спада - 80 %. Для прямоугольной формы напряжения этот параметр задает соотношение, между длительностями положительной и отрицательной части периода.

Установка частоты сигнала

Частота генератора может регулироваться от 1 Гц до 999 МГц. Значение частоты устанавливается в строке FREQUENCY с помощью клавиатуры и кнопок со стрелками.

Моделирование схем

ELECTRONICS WORKBENCH позволяет моделировать аналоговые, цифровые и цифроаналоговые схемы различной степени сложности.

Исследуемая схема собирается на рабочем поле при одновременном использовании мыши и клавиатуры. При построении и редактировании схем выполняются следующие операции:

- выбор компонента из библиотеки компонентов;

- выделение объекта;

- перемещение объекта;

- копирование объекта;

- удаление объекта;

- соединение компонентов схемы проводниками;

- установка значений компонентов;

- подключение приборов.

После построения схемы и подключения приборов анализ ее работы начинается после нажатия выключателя.

Выключатель

Подключение приборов

В ELECTRONICS WORKBENCH имеется семь приборов, формирующих различные воздействия и анализирующих реакцию схемы. Эти приборы представлены в виде пиктограмм, расположенных на панели инструментов.

Для подключения прибора к схеме нужно мышью переместить прибор с панели инструментов на рабочее поле и подключить выводы прибора к исследуемым точкам. Некоторые приборы нужно заземлять, иначе их показания будут неверными.

Лабораторная работа № 1

Эксперимент 1.

Эксперимент 2.

Эксперимент 3.

Эксперимент 4.

Эксперимент 5.

Эксперимент 7.

Вопросы к защите

1. Перечислите все возможные типы источников ЭДС, имеющихся в программе Electronic Workbench. Каковы свойства и их условные обозначения?

2. Перечислите все возможные типы источников тока, имеющихся в программе Electronic Workbench. Каковы их свойства и условные обозначения?

3. Чему равно внутреннее сопротивление идеального источника тока и как его определить?

4. Чем отличаются неидеальные источники энергии от идеальных?

5. Как осуществить эквивалентное преобразование неидеального источника тока в неидеальный источник напряжения и обратное преобразование?

Список литературы:

1. Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronic Workbench и ее применение. М.: Солон-Р, 2000. С. 84-103, 134-156.

2. Касаткин А. С., Немцов М. В. Электротехника: учебник. М.: Высш. шк., 2000. С. 37-101.

3. Панфилов Д. И., Иванов В. С., Чепурин И. Н. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях. Практикум на Electronic Workbench. М.: Изд-во «Додэка», 1999. Т 1. С. 69-86.

Лабораторная работа № 2

Эксперимент 1

Рис. 2

1. Собрать схему (рис. 2) на экране.

2. Определить ток I1 методом свёртки.

3. Определить ток I2, используя выражение для делителя тока.

4. Запишите показания амперметров в табл. 1.

5. Провести экспериментальную проверку результатов расчета.

Эксперимент 2

Рис. 3

1. Собрать схему (рис. 3) на экране.

2. Рассчитать показания вольтметров.

3. Запишите показания вольтметра в табл. 1.

4. Провести экспериментальную проверку результатов расчета.

Эксперимент 3

Рис. 4

1. Собрать схему (рис. 4) на экране.

2. Определить ток I1 методом свёртки.

3. Определить ток I2, используя выражение для делителя тока.

4. Запишите показания амперметров в табл.1.

5. Провести экспериментальную проверку результатов расчета.

Эксперимент 4

Рис. 5

1. Собрать схему (рис. 5) на экране.

2. Рассчитать показания вольтметров.

3. Запишите показания вольтметра в табл. 1.

4. Провести экспериментальную проверку результатов расчета.

Вопросы к защите

1. Укажите последовательность стадий расчета по методу эквивалентных преобразований.

2. Укажите признаки параллельного и последовательного соединений. Запишите расчетные соотношения для делителей тока и напряжения.

3. Выведите формулы обобщенного закона Ома для участка цепи, используя второй закон Кирхгофа.

4. Укажите правила составления уравнений по второму закону Кирхгофа.

Список литературы:

1. Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronic Workbench и ее применение. М.: Солон-Р, 2000. С. 134-144.

2. Касаткин А. С., Немцов М. В. Электротехника: учебник. М.: Высш. шк., 2000. С. 4-35.

3. Панфилов Д. И., Иванов В. С., Чепурин И. Н. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях. Практикум на Electronic Workbench. М.: Изд-во «Додэка», 1999. Т1. С. 97-104.

Лабораторная работа № 3

Постоянного тока

Цель работы

Экспериментальная проверка I и II законов Кирхгофа. Замена активного двухполюсника эквивалентным генератором.

Домашнее задание

1. Определить необходимое и достаточное число уравнений для анализа электрической цепи методом уравнений Кирхгофа для одного из вариантов цепей, приведенных на рис. 1, 2 (по указанию преподавателя).

2. На основании п. 1 записать систему уравнений согласно законам Кирхгофа.

3. Записать формулы для определения параметров эквивалентного генератора Еэкв=Uabххи Rэ=Rэabэлектрической цепи, приведенной на рис. 1, 2 (по указанию преподавателя).

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒