РАБОТА С ВИРТУАЛЬНЫМИ ПРИБОРАМИ В ПРОГРАММНОЙ СРЕДЕ NI CIRCUIT DESIGN SUITE - MULTISIM 12.0. ЧАСТЬ 1 Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

1581

проектирование

САПР

Работа

с виртуальными приборами

в программной среде NI Circuit Design Suite — Multisim 12.0. Часть 1

Татьяна КОЛЕСНИКОВА

[email protected]

При проектировании современных радиоэлектронных устройств невозможно обойтись без компьютерных методов разработки ввиду сложности и объемности выполняемых работ. Создание радиоэлектронных устройств требует высокой точности и глубокого анализа, в связи с чем возникает необходимость применения на стадии проектирования современных программных средств.

Программа Multisim предназначена для схемотехнического проектирования электронных средств и содержит практически все основные элементы электронных цепей. Удобство применения этого пакета при моделировании электронных устройств заключается в отображении на экране монитора схемы исследуемого устройства и контрольно-измерительных приборов, передние панели которых с органами управления максимально приближены к их промышленным аналогам. Концепция виртуальных приборов — простой и быстрый способ увидеть результат с помощью имитации реальных событий.

Введение

Multisim используется в мире программного обеспечения для проектирования электрических схем, их тестирования и отладки. В комплект продуктов NI Circuit Design Suite входят средства для создания электрических схем, а также для разработки и трассировки печатных плат на профессиональном уровне.

Программа Multisim представляет собой настоящую лабораторию схемотехнического моделирования, которая благодаря простому и удобному интерфейсу позволяет с легкостью моделировать сложные принципиальные схемы и проектировать многослойные печатные платы. В распоряжении пользователей широкий набор библиотечных компонентов, параметры и режимы работы которых можно изменять в широком диапазоне значений. При подготовке данного цикла статей, посвященных описанию приемов работы с виртуальными инструментами, использовалась программная среда Multisim 12.0. В этой версии значительно увеличены объем и качество библиотек компонентов: по отношению к версиям 10.0 и 11.0 были добавлены более чем 1500 компонентов, новые биполярные источники тока и напряжения, жидкокристаллические графические индикаторы.

В пакете присутствуют также источники тока и напряжения с воздействием различной формы, функциональные преобразователи сигналов (перемножители, делители сигналов), устройства на основе операционных усилителей, цифровые элементы, электромеханические и ВЧ-компоненты, которые не всегда есть в других подобных программах, таких как Proteus и Crocodile Technology. Multisim 12.0 устойчиво работает под управлением Windows XP/Vista/7 (32/64 бит).

Рассматриваемая программа позволяет подключать к схеме, разработанной в ее среде, виртуальные приборы — программные модели контрольно-измерительных приборов, которые соответствуют реальным. Использование виртуальных приборов в Multisim (осциллографов, генераторов сигналов, сетевых анализаторов и т. п.) — это простой и понятный метод взаимодействия со схемой, почти не отличающийся от традиционного при тестировании или создании радиоэлектронного устройства. Но все же у данной системы есть и недостаток — небольшой выбор компонентов библиотеки микроконтроллеров, в состав которой входят лишь следующие представители: х8051, х8052, PIC16F84, PIC16F84A. Причем состав этой библиотеки не изменялся начиная с версии 10.

Работа с виртуальными приборами в Multisim

Использование виртуальных инструментов — самый простой способ проверить поведение модели разработанной схемы. В программной среде Multisim виртуальные инструменты представлены в виде пиктограмм, которые подключаются к разрабатываемой схеме, и панелей инструментов, на которых устанавливаются параметры прибора. Окно программы представлено на рис. 1. В Multisim доступны для использования следующие виртуальные инструменты:

• мультиметр;

• функциональный генератор;

• ваттметр;

• осциллограф;

• четырехканальный осциллограф;

• плоттер Боде;

• частотомер;

• генератор слов;

• логический анализатор;

• логический преобразователь;

• характериограф;

• измеритель нелинейных искажений;

• анализатор спектра;

• панорамный анализатор;

• токовый пробник;

сапр i проектирование 1159

Рис. 1. Окно программы Multisim

• функциональный генератор Agilent;

• мультиметр Agilent;

• осциллограф Agilent;

• осциллограф Tektronix;

• измерительный пробник;

• приборы LabVIEW (характериограф, измеритель импеданса, микрофон, динамик, анализатор сигналов, генератор цикла, генератор сигналов).

Все представленные выше инструменты находятся на панели инструментов «Приборы». Также для измерений доступны такие инструменты, как вольтметр и амперметр, которые находятся на панели инструментов «Виртуальные измерительные компоненты».

Опишем принцип работы с виртуальными приборами в Multisim.

Чтобы добавить виртуальный прибор в рабочее поле программы, необходимо нажать на его пиктограмму на панели «Приборы» и перетащить ее с помощью мыши в необходимое место на схеме. Чтобы отобразить лицевую панель прибора, необходимо дважды щелкнуть левой кнопкой мыши на пиктограмме прибора на схеме. Принцип соединения виртуальных инструментов с элементами схемы такой же, как и для других компонентов. В каждой схеме может использоваться много приборов, в том числе и копии одного и того же прибора. Кроме того, у каждого окна схемы может быть свой набор инструментов. Каждая копия прибора настраивается и соединяется отдельно.

Рассмотрим подробно работу с каждым из виртуальных инструментов в Multisim.

Мультиметр

Мультиметр предназначен для измерения переменного или постоянного тока или напряжения, сопротивления или затухания между двумя узлами схемы. Диапазон изме-

рений мультиметра подбирается автоматически. Его внутреннее сопротивление и ток близки к идеальным значениям, но их можно изменить.

На рис. 2 представлена лицевая панель мультиметра и его пиктограмма. Рассмотрим лицевую панель мультиметра более подробно. В верхней части панели находится окно «Результаты измерений». Ниже этого окна расположено четыре кнопки опций измерений, которые используются для выбора типа измерений: «Амперметр», «Вольтметр», «Омметр», «Уровень децибел». Работа с данным прибором достаточно проста. К примеру, для измерения тока, протекающего через цепь в ветке между двумя узлами, необходимо нажать кнопку «Амперметр» и включить мультиметр последовательно с цепью, как и реальный амперметр. Если существует необходимость одновременно измерить ток другого узла цепи, надо включить в нее другой амперметр. Ниже кнопок опций измерений находятся две кнопки режима измерений. Кнопка, на которой отображена прямая линия, используется для измерения постоянного тока и напряжения. Кнопка с синусоидой предназначена для измерений среднеквадратичных напряжений или токов

Рис. 2. Лицевая панель мультиметра и его пиктограмма на схеме

сигналов переменного напряжения. В нижней части лицевой панели мультиметра находится кнопка «Параметры», после нажатия на которую открывается диалоговое окно «Параметры мультиметра» (рис. 3), в котором можно настроить такие параметры, как входные сопротивления амперметра и вольтметра, выходной ток омметра, относительный уровень децибел, индикация перегрузки шкалы амперметра, шкалы вольтметра, шкалы омметра. В нижнем левом и правом углах мультиметра расположены входные клеммы. Для вступления в силу внесенных изменений необходимо нажать на кнопку «Принять», которая находится в нижней части диалогового окна.

Генератор слов

Генератор слов предназначен для генерации 32-разрядных двоичных слов и используется для отправки цифрового слова или битового шаблона в схему при симуляции цифровых схем. На рис. 4 представлена пиктограмма генератора на схеме и его лицевая панель, с помощью которой производятся настройка параметров и просмотр результатов генерации. Левые выводы генератора соответствуют младшей части 16 бит 32-разрядного битового слова, а правые выводы — старшей части. Вывод R — вывод готовности данных (после каждого удачно сгенерированного слова на этот вывод отправляется логическая единица). Вывод R позволяет схеме узнать, что данные из генератора слов готовы. Вывод Т — это вывод внешней синхронизации.

Рассмотрим более подробно интерфейс лицевой панели генератора слов. Генерируемые слова отображаются в буфере вывода, окно которого расположено в правой части лицевой панели генератора. Ввод слов в буфер может производиться и вручную. Каждая горизонтальная строка отображает одно слово. Тип числа, которое отображается в буфере вывода, зависит от того, в какую позицию установлен переключатель в поле «Отображение». Число может принимать шестнадцатеричное, десятичное, двоичное или ASCII значение. После запуска генератора сформированная строка бит посылается параллельно на соответствующие выводы прибора (от 0 до 31), а также отображает-

160 проектирование|сапр

Рис. 4. Лицевая панель генератора слов и его пиктограмма на схеме (момент генерации двоичного слова 01001100 в буфере вывода)

ся в нижней части лицевой панели (строка представляет выходные выводы генератора слов). В левой части панели генератора слов находится окно «Управление», в котором размещены следующие кнопки:

• «Циклически» — генерирование слов происходит до тех пор, пока не будет остановлено моделирование;

• «Однократно» — генерируется последовательность слов с начальной до конечной позиции (для создания начальной и конечной позиции слов необходимо в окне буфера вывода выбрать при помощи левой кнопки мыши строку с необходимым значением и вызвать при помощи правой кнопки мыши контекстное меню, в котором выбрать пункт «Установить начальный шаг» или «Установить конечный шаг»);

• «Пошагово» — используется для отправки в схему только одного слова за один раз;

• «Установки...» — после нажатия на данную кнопку открывается одноименное окно свойств буфера вывода (рис. 5). В левой части окна в поле «Конфигурация» посредством установки переключателя можно выбрать одну из следующих опций:

- «Без изменений»;

- «Загрузить» — загружает последовательность слов из файла шаблона, который был сохранен ранее;

- «Сохранить» — сохраняет последовательность слов в файл-шаблон с расширением .Ар;

- «Очистить буфер» — обнуляет содержимое буфера вывода;

- «Вверх» — заполняет буфер последовательностью слов, начиная со значения, указанного в поле «Инициализировать конфигурацию» (каждое следующее сгенерированное значение слова на единицу больше предыдущего);

- «Вниз» — заполняет буфер последовательностью слов, начиная со значения, указанного в поле «Инициализировать конфигурацию» (каждое следующее сгенерированное значение слова на единицу меньше предыдущего);

- «Вправо» — заполняет буфер последовательностью слов, начиная со значения, указанного в поле «Инициализировать конфигурацию» (каждое следующее сгенерированное значение слова сдвигается вправо на один разряд);

- «Влево» — заполняет буфер последовательностью слов, начиная со значения, указанного в поле «Инициализировать конфигурацию» (каждое следующее сгенерированное значение слова сдвигается влево на один разряд).

После того как опция выбрана, необходимо нажать на кнопку «Принять».

Частота генерации слов задается в диапазоне от 1 Гц до 1000 МГц в поле «Частота» окна лицевой панели генератора слов. Запуск генератора может производиться как внутренним, так и внешним сигналом синхронизации (по фронту или по спаду сигнала), выбор которого производится в поле «Запуск» при помощи кнопок «Внутренний», «Внешний».

На рис. 4 запечатлен момент генерации двоичного слова 01001100 в буфере вывода. Сразу же после генерации слово поступило на выводы генератора слов (к выводам для наглядности подключены красные пробники, которые и отображают значение логических сигналов на выходах 0-7 генератора слов). Обратите внимание на то, что значение сгенерированного слова в буфере вывода соответствует снятому при помощи пробников значению выводов генератора. На выводе R в момент генерации слова появился положительный сигнал готовности данных, что также видно из рисунка.

Рис. 5. Окно свойств буфера вывода

Красные пробники также можно отнести к виртуальным инструментам программной среды Ми^т. Принцип их работы таков: при появлении сигнала логической единицы на входе пробник отображается на схеме красным цветом. Если же на входе логический ноль, пробник бесцветен. Красные пробники находятся на панели инструментов «Виртуальные измерительные компоненты».

Логический анализатор

Логический анализатор предназначен для отслеживания состояния логических элементов цифровых электронных устройств при разработке больших систем, а также для выявления неисправностей. Для съема сигналов с исследуемой схемы логический анализатор имеет 16 выводов. Помимо этого данный виртуальный прибор оснащен тремя входами запуска:

• С (внешняя синхронизация);

• Q (избирательный вход запуска);

• Т (маскированный вход запуска). Внешний вид логического анализатора

и его лицевая панель представлены на рис. 6. Рассмотрим лицевую панель более подробно. Шестнадцать переключателей в левой части панели соответствуют шестнадцати каналам съема сигналов. Переключатели становятся активными в том случае, если выводы анализатора подключены к узлам цифровой схемы; в противном случае, когда каналы анализатора свободны, переключатели не активны. В следующей колонке отображены имена узлов схемы, соответствующие подключенным к ним каналам анализатора. После запуска симуляции схемы логический анализатор снимает входные значения со своих выводов и отображает полученные данные в виде прямоугольных импульсов на часовой диаграмме во временной области лицевой панели. Вывод значений начинается с канала 1. В нижней части временной области отображаются сигналы, полученные со входов запуска анализатора. Также прибор оснащен двумя курсорами, предназначенными для проведения измерений во временной области. В нижней части лицевой панели рассматриваемого прибора расположена панель управления, в левой части которой находятся три кнопки:

• «Стоп» (остановить анализ);

• «Сброс» (очистить экран временной области);

• «Экран» (инвертировать цвет экрана временной области).

В центральной части панели управления находится окно показаний курсора, в котором расположены три поля:

• «Т1» (показания курсора Т1);

• «Т2» (показания курсора Т2);

• «Т2-Т1» (временной сдвиг между курсорами).

Кнопки стрелок позволяют изменять значения показаний курсора в большую или в меньшую сторону. Код позиции курсора

сапр i проектирование 1161

Рис. 6. Внешний вид логического анализатора и его лицевая панель

U1ÜM'4C.'I[

□ IM

Дтчэегмшиш

опт. хя

"L = • г Vf.* . aas

WWl м 1

Рис. 7. Окно установки синхронизации

отображается в поле, которое расположено за полем показаний курсора.

В правой части панели управления находится окно «Параметры запуска», в котором в поле «Время/Дел» можно задать число тактов часовой диаграммы на деление. Настройку параметров тактирования входных сигналов можно произвести при помощи кнопки «Установка», которая расположена в группе «Развертка» окна «Параметры запуска». После нажатия на эту кнопку откроется окно «Установки синхронизации» (рис. 7), в котором настраиваются следующие параметры:

• источник синхроимпульсов (внешний или внутренний) — параметр задается при помощи установки переключателя в нужную позицию;

• тактовая частота — устанавливается путем ввода значения с клавиатуры в данное поле;

• определитель — задается активный уровень сигнала синхронизации (0 или 1);

• дискретизация — задаются параметры выборки сигналов до порога, после порога, а также пороговая величина. Настройка дополнительных условий запуска анализатора производится в окне «Установки запуска» (рис. 8), которое можно вызвать из окна «Параметры запуска» при помощи кнопки «Установка», которая на-

lih^^Md | а— j

(Ш( ........

Рис. 8. Окно установки запуска

ходится в группе «Уровень». В окне настраивается маска, по которой осуществляется фильтрация логических уровней и синхронизация входных сигналов. Для вступления в силу внесенных изменений необходимо нажать на кнопку «Принять».

Заключение

Программная среда Multisim предоставляет большое количество виртуальных инструментов, которые можно использовать для измерений и исследования поведения раз-

рабатываемых электрических схем. Принцип работы всех инструментов Multisim (подключение к схеме, использование) идентичен принципу работы реальных аналогов этих приборов. При всей своей простоте в использовании данный программный продукт является надежным помощником по схемотехнике для автоматического создания цепей и узлов, в состав которого входят более 16 000 компонентов, сопровождаемых аналитическими моделями, с возможностью изменения параметров «на лету» и полный набор средств анализа. Необходимо отметить, что программная среда Multisim полностью соответствует стандартам IEEE. ■

Литература

1. NI Circuit Design Suite — Getting Started with NI Circuit Design Suite. National Instruments. January 2012.

2. Технология виртуальных приборов компании National Instruments. National Instruments. 2013.

3. NI Multisim — Fundamentals. National Instruments. January 2012.

4. Professional edition release notes NI Circuit Design Suite Version 12.0.1. National Instruments. 2012.