CC BY
58сапр проектирование
129
Татьяна КОЛЕСНИКОВА
Работа
с виртуальными приборами
в программной среде NI Circuit Design Suite — Multisim 12.0. Часть 2
Мы продолжаем серию публикаций о работе с виртуальными приборами в программной среде NI Circuit Design Suite — Multisim. В статье рассмотрены особенности работы с такими инструментами, как ваттметр, функциональный генератор, логический преобразователь, двух-канальный осциллограф и амперметр.
При написании этого цикла статей использовалась программная среда Multisim 12.0. Программа позволяет подключать к разработанной в ее среде схеме виртуальные инструменты, которые представляют собой программные модели контрольно-измерительных приборов, соответствующих реальным. Использование виртуальных приборов в Multisim — это простой и понятный метод взаимодействия со схемой, почти не отличающийся от традиционного при тестировании или создании радиоэлектронного устройства. Multisim предоставляет большое количество виртуальных инструментов, которые можно использовать для измерений и исследования поведения разрабатываемых электрических схем.
Принцип работы всех инструментов Multisim (подключение к схеме и использование) идентичен принципу работы реальных аналогов этих приборов. 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. Для того чтобы отобразить лицевую панель прибора, следует дважды щелкнуть левой кнопкой мыши на пиктограмме прибора на схеме. После того как панель откроется, введите необходимые настройки подобно тому, как бы вы это сделали на панели реального прибора. Принцип соединения виртуальных инструментов с элементами схемы такой же, как и для других компонентов схемы.
Рассмотрим подробно работу с каждым из виртуальных инструментов в Multisim.
Ваттметр
Ваттметр является специальным прибором для измерения активной мощности. Результат измерения отображается в ваттах. Помимо этого, ваттметр показывает коэффициент мощности, вычисляемый по сдвигу между напряжением и током и их произведению. Коэффициент мощности равен ко-
синусу фазового угла между напряжением и током.
На рис. 1 представлена лицевая панель ваттметра и его пиктограмма на схеме. В верхней части панели находится окно «Результаты измерений», которое предназначено для просмотра результатов измерений, в частности — средней мощности. Ниже этого окна расположено поле «Коэффициент мощности». (Величина коэффициента лежит в диапазоне от 0 до 1.) В нижнем левом и правом углах ваттметра расположены «Входные клеммы».
| МА
Рис. 1. Лицевая панель ваттметра, его пиктограмма на схеме и пример подключения этого прибора к схеме
Работа с этим прибором проста. Для того чтобы определить мощность на нагрузке, необходимо первые две входные клеммы ваттметра включить параллельно нагрузке, а следующие две — последовательно. Результат отобразится в окне «Результаты измерений». Пример на рис. 1 демонстрирует определение мощности, рассеиваемой на резисторе R8 схемы.
Функциональный генератор
Функциональный генератор представляет собой инструмент для генерации тестовых сигналов синусоидальной, треугольной или прямоугольной формы и может использоваться для подачи этих сигналов в моделируемую схему. Для подключения к схеме функциональный генератор имеет три вывода: положительный, отрицательный, общий (нейтральный). На рис. 2 показаны лицевая панель рассматриваемого прибора и его пиктограмма на схеме, а также пример его подключения к схеме.
Лицевая панель функционального генератора используется для ввода установок прибора. В ее верхней части расположено поле «Форма сигнала», в котором находятся кнопки выбора одного из трех типов сигналов. Кнопки не имеют названий, но их функции интуитивно понятны, так как на каждой
130
проектирование|сапр
Рис. 2. Лицевая панель функционального генератора, его пиктограмма на схеме и пример подключения этого прибора к схеме
кнопке визуально отображена форма генерируемого с ее помощью выходного сигнала.
В поле «Параметры сигнала» можно задать путем ввода с клавиатуры такие значения генерируемого сигнала:
• частоту;
• длительность;
• амплитуду;
• смещение.
При выборе кнопки генерации прямоугольных сигналов в нижней части лицевой панели генератора становится активной кнопка «Фронт/Спад», после нажатия на которую открывается окно «Установка времени фронта/спада» (рис. 3). В этом окне в поле «Время фронта/спада» можно с клавиатуры ввести необходимое значение времени в нс или мкс.
Рис. 3. Окно «Установка времени фронта/спада»
Логический преобразователь
Логический преобразователь изменяет представление схемы и цифровых сигналов и используется для анализа цифровых схем. Реального аналога этот прибор не имеет. На рис. 4 представлены лицевая панель этого виртуального прибора и его пиктограмма на схеме, а также пример его подключения к схеме.
Прибор имеет восемь входов и один выход. В левой части панели находится окно таблицы истинности исследуемой схемы. Столбцы таблицы соответствуют входам логического преобразователя (А, B, С, D, E, Б, G, Н). Над каждым столбцом таблицы расположен кружок, который отображается белым цветом в случае, когда вход преобразователя используется, и серым — когда вход свободен. Последний столбец таблицы истинности соответствует выходу логического преобра-
зователя. Значения этого столбца можно изменять для каждого входного условия, для чего необходимо щелкнуть по нему левой кнопкой мыши, переключаясь между тремя возможными установками: «лог. 0», «лог. 1», значение Х.
В нижней части лицевой панели находится строка функций, в которой отображается логическое выражение, соответствующее исследуемой схеме. Логическое выражение в это поле можно ввести и вручную в том случае, когда есть необходимость построить таблицу истинности согласно заданной функции либо произвести синтез схемы, реализующей функцию, описываемую введенным логическим выражением.
В правой части лицевой панели прибора расположено шесть кнопок выбора преобразования:
• «Построение таблицы истинности исследуемой схемы»;
• «Построение логического выражения согласно с таблицей истинности»;
• «Построение логического выражения в упрощенной форме согласно с таблицей истинности»;
• «Построение таблицы истинности согласно с логическим выражением»;
• «Построение схемы на логических вентилях согласно с логическим выражением»;
• «Построение схемы на логических вентилях в базисе И-НЕ согласно с логическим выражением».
Для того чтобы получить таблицу истинности исследуемой схемы, необходимо подключить входы логического преобразователя к входам исследуемой схемы, а выход логического преобразователя соединить с выходом схемы, после чего нажать на кнопку «Построение таблицы истинности исследуемой схемы». В результате окно таблицы истинности будет заполнено значениями логических нулей и единиц.
Для построения логического выражения согласно с таблицей истинности необходимо составить таблицу истинности в соответствующем окне лицевой панели логического преобразователя. Для того чтобы заполнить это окно, нужно воспользоваться кнопками-кружками в верхней части лицевой панели. Так же устанавливаются и выходные значения таблицы истинности. После того как таблица составлена, следует нажать на кнопку «Построение логического выражения согласно с таблицей истинности» или «Построение логического выражения в упрощенной форме согласно с таблицей истинности» в случае, когда необходимо получить выражение в дизъюнктивной нормальной форме.
Построение таблицы истинности согласно с логическим выражением производится путем ввода логического выражения в строку функций и последующего нажатия на соответствующую кнопку.
Ввод выражения производится в соответствии со следующими правилами:
• В выражении могут использоваться только значения букв, совпадающие с названиями входов логического преобразователя (то есть А, В, С, D, Е, Б, G, Н).
• Логическая операция сложения обозначается знаком «+».
• Логическая операция умножения не обозначается.
сапр i проектирование
131
• Инверсия обозначается знаком «'».
• При составлении выражения при необходимости могут использоваться скобки «()».
Построение схемы, которая реализует
логическое выражение, производится путем ввода в строке функций этого выражения и последующего нажатия на кнопку «Построение схемы на логических вентилях согласно с логическим выражением». В результате чего логический преобразователь выведет на рабочее поле программы схему, которая реализует функцию, описывающую введенное в строке функций выражение. Пример данного преобразования представлен на рис. 5.
Построение схемы в базисе И-НЕ, которая реализует заданное логическое выражение, производится путем ввода в строке функций этого выражения и последующего нажатия на кнопку «Построение схемы на логических вентилях в базисе И-НЕ согласно с логическим выражением». В результате чего будет выведена на рабочее поле программы схема, соответствующая условиям заданной функции, реализованная только на вентилях И-НЕ. Пример такого преобразования представлен на рис. 6.
Двухканальный осциллограф
Осциллограф позволяет измерять следующие параметры электрического сигнала: напряжение, ток, частоту, угол сдвига фаз. Этот прибор предоставляет возможность наблюдать за формой сигнала во времени. Двухканальный осциллограф имеет два входа (канал А и В) и может отображать осциллограммы двух сигналов одновременно. Пиктограмма двухканального осциллографа на схеме и его лицевая панель представлены на рис. 7.
Каждый канал имеет сигнальный вход и контакт заземления. В программе Multisim осциллограф заземлен по умолчанию, поэтому контакт заземления можно не использовать.
В верхней части лицевой панели расположен графический дисплей, который предназначен 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 при помощи левой кнопки мыши.
В нижней части находится панель управления, предназначенная для настройки отображения измеряемого сигнала. На панели управления размещено четыре окна настроек («Развертка», «Канал А», «Канал В», «Синхронизация»), кнопки «Экран» и «Сохранить», а также окно «Показания курсора», в котором расположено три поля:
• «Т1» (показания курсора Т1);
• «Т2» (показания курсора Т2);
• «Т2-Т1» (временной сдвиг между курсорами/разность напряжений между проверяемыми точками);
• кнопки стрелок, позволяющие изменять значения показаний курсора в большую или в меньшую сторону.
Окно «Показания курсора» находится под графическим дисплеем и предназначено для отображения времени и напряжения в проверяемых точках (точках пересечения курсора с синусоидальной кривой), а также для отображения разности между показаниями курсора Т2 и Т1.
В верхней части окна «Развертка» расположено поле «Шкала», в котором задается величина деления по оси Х. Начальная точка вывода сигнала на оси Х указывается в поле «Задержка Х». Поле может принимать как положительное, так и отрицательное значение. По умолчанию значение этого поля — 0. Отображение сигнала на экране графического дисплея производится слева направо. Ввод положительного значения в это поле сдвигает начальную точку вывода сигнала вправо, соответственно, ввод отрицательного значения сдвигает начальную точку влево. Выбор режима развертки осуществляется посредством нажатия одной из четырех кнопок (Y/T, Add, B/A, A/B), расположенных в нижней части окна «Развертка». В случае выбора режима «Y/T» (сигнал по оси Y/время) на экране графического дисплея по оси Y будут отображаться сигналы каналов А и В, а ось Х будет осью времени. В режиме Add на экране графического дисплея
Рис. 6. Построение схемы в базисе И-НЕ при помощи логического преобразователя
Рис. 7. Пиктограмма двухканального осциллографа на схеме и его лицевая панель
1321
проектированиеiсапр
отображается суммарный сигнал каналов А и В. Режимы В/А и А/В используются для построения передаточной характеристики исследуемой схемы, при этом в режиме В/А отображается сигнал канала В относительно канала А, а в режиме А/В — сигнал канала А относительно канала В.
В верхней части окна «Канал А» расположено поле «Шкала», в котором задается величина деления по оси Y. Начальная точка вывода сигнала на оси Y указывается в поле «Смещение Y». Поле может принимать как положительное, так и отрицательное значение. По умолчанию значение этого поля — 0. (В этом случае начальная точка Y находится на пересечении осей Y и Х.) Ввод положительного значения в это поле сдвигает начальную точку вверх по оси Y, соответственно, ввод отрицательного значения сдвигает начальную точку вниз. (Изменение значения в этом поле на 1 сдвигает исходную точку на одно деление оси Y.)
Выбор режима работы осуществляется посредством нажатия одной из трех кнопок (АС, «0», DC). В режиме АС отображается только переменная составляющая сигнала, а в режиме DC — сумма переменной и постоянной составляющих сигнала. В случае выбора кнопки «0» входной канал замыкается на «землю», а на экране графического дисплея отображается прямая линия в точке исходной установки оси Y. В правой нижней части окна «Канал А» расположен индикатор входного вывода, отображающий наличие подключения канала А к схеме.
Окно «Канал В» имеет аналогичные параметры настроек, за исключением кнопки «-», которой нет в окне «Канал А». С помощью этой кнопки можно задать инверсный режим работы осциллографа, в котором сигнал инвертируется относительно положения нуля. Этот режим применяется только для канала В.
В нижней правой части панели управления осциллографа размещено окно «Синхронизация». В верхней части этого окна находится поле «Запуск», в котором расположены пять кнопок. Первые две кнопки позволяют осуществить выбор запуска сигнала синхронизации — по фронту или по срезу. Следующие три кнопки служат для выбора источника синхронизации: «А» (канал А), «В» (канал В), «Внеш» (внешняя синхронизация). При помощи поля «Уровень» путем ввода значения с клавиатуры можно регулировать уровень, при превышении которого происходит запуск осциллограммы.
В нижней части окна «Синхронизация» находятся кнопки выбора режима синхронизации:
• «Одн» (однократный) — режим ожидания сигнала синхронизации. Он используется для регистрации однократного сигнала.
• «Норм» (Обычный) — в этом режиме осциллограф обновляет изображение на экране графического дисплея каждый раз при достижении уровня переключения.
I; ^ ' I "Ж* 1
VI»
гФЬ
Л
^ГРгС
Vi umiot iflh *
Рис. 8. Пример подключения двух амперметров к схеме и окно настроек амперметра
• «Авто» (автоматический) — сигнал синхронизации создается автоматически. Этот режим используется в том случае, когда невозможно создать сигнал запуска в однократном или обычном режиме. Запуск осциллограммы производится автоматически при подключении осциллографа к схеме или при включении эмуляции схемы.
• «Нет» (синхронизация отсутствует) — этот режим может быть использован при измерении напряжения постоянного тока.
В верхней правой части панели управления осциллографа расположены две кнопки: «Экран» и «Сохранить». Кнопка «Экран» используется для инверсии цвета фона экрана графического дисплея осциллографа: с ее помощью производится переключение между белым и черным цветом фона. Сохранить результаты измерений, полученные при помощи осциллографа, на диск вашего компьютера можно в формате ^ср (осциллограмма), .¡ут (текстовый файл), .tdm (двоичный файл) при помощи кнопки «Сохранить».
Амперметр
Амперметр — это измерительный прибор для определения силы постоянного и переменного тока в электрической цепи. Показания амперметра зависят от величины протекающего через него тока, в связи с чем сопротивление амперметра по сравнению с сопротивлением нагрузки должно быть как можно меньше.
В Ми1&т использовать амперметр для измерения протекающего в схеме тока удобнее, чем мультиметр, по причине того, что амперметр занимает меньше места на схеме. Виртуальный амперметр находится на панели инструментов «Виртуальные измерительные компоненты». Эту панель можно добавить в проект при помощи команды меню «Вид/Панель инструментов».
По умолчанию сопротивление амперметра равно 1 мОм, но при необходимости этот параметр можно изменять. Сделать это можно следующим образом. Дважды щелкните левой кнопкой мыши по пиктограмме рассматриваемого прибора и в открывшемся окне «Амперметр» на вкладке «Параметры» в поле «Внутреннее сопротивление» введите нужное значение и единицы измерения (пОм, нОм...).
В этом же окне есть возможность задать режим работы амперметра. По умолчанию установлен режим DC, при котором измеряется только постоянная составляющая сигнала. Если возникает необходимость измерять среднеквадратичное значение сигнала, установите в поле «Режим» режим работы АС. Для вступления в силу внесенных изменений необходимо нажать на кнопку «ОК», которая находится в нижней части диалогового окна.
Работа с прибором проста. К примеру, для измерения тока, протекающего через цепь в ветке между двумя узлами, необходимо включить виртуальный амперметр последовательно с цепью, как и реальный амперметр. Если есть необходимость одновременно измерить ток другого узла цепи, включите в цепь второй амперметр.
Результаты измерений отображаются в окне результатов на пиктограмме амперметра.
На рис. 8 представлен пример подключения двух амперметров к схеме, а также окно настроек этого виртуального инструмента.
Программа Multisim предоставляет широкий набор виртуальных инструментов, которые позволяют производить измерения различных величин, задавать входные воздействия, строить графики. Как вы уже могли убедиться, все приборы изображаются в виде, который максимально приближен к реальному, поэтому работать с ними просто и удобно. ■
Литература
1. Колесникова Т. Работа с виртуальными приборами в программной среде NI Circuit Design Suite — Multisim 12.0. Ч. 1 // Компоненты и технологии. 2014. № 1.
2. NI Circuit Design Suite — Getting Started with NI Circuit Design Suite. National Instruments. Jan. 2012.
3. Технология виртуальных приборов компании National Instruments. National Instruments, 2013.
4. NI Multisim — Fundamentals. National Instruments. Jan. 2012.
5. Professional Edition Release Notes NI Circuit Design Suite Version 12.0.1. National Instruments, 2012.
