Лаботаторная работа №2. Моделирование схем на основе логических элементов

Лаботаторная работа №2

Моделирование схем на основе логических элементов

Моделирование электрически схем производится с помощью среды «Multisim».

Multisim является одним из самых известных пакетов схематического моделирования цифровых, аналоговых и аналогово-цифровых электронных схем от компании National Instruments. Продукт является идейным наследником широко распространённой среды моделирования Electronics Workbench.

Библиотеки содержат огромный набор моделей радиоэлектронных устройств от самых известных иностранных производителей с широким диапазоном значений параметров. Кроме этого, есть возможность создания собственных компонентов. Активные элементы могут быть представлены как идеальными, так и реальными моделями. Всевозможные измерительные приборы (мультиметры, осциллографы, частотные графопостроители, логические анализаторы, и т. д.) позволяют делать измерения любых величин, строить графики. Multisim может проводить анализ цепи как по постоянному, так и переменному току, исследовать переходные процессы при любом внешнем воздействии.

Для добавления элемента на схему используется команда component из раздела главного меню place (см. рис.1),либо соответствующая кнопка на панели инструментов. В открывшемся окне выбрать требуемый компонент, в нужной группе (см. рис.1).

Рисунок 1. Добавление компонента на схему

Для поворота компонента используйте сочетание клавиш ctrl+R. Для соединения компонентов проводником, просто кликните левой кнопкой мыши по выводу одного из соединяемых компонентов. После этого кликните левой кнопкой мыши по выводу второго компонента. Также можно воспользоваться командой Place→Wire (ctrl+Q). Для добавления измерительных и функциональных приборов (мультиметры, осциллографы, генераторы сигналов и т.п.), используется команда SIMULATE→INSTRUMENTS, либо инструментальная панель расположенная вертикально справа. На схеме можно, также, располагать надписи с помощью команды Place→Text (ctrl+T). После сборки схемы для запуска симуляции схемы используется команда SIMULATE→ Run(F5), для остановки процесса симуляции – SIMULATE→ Stop (F5), либо соответствующие кнопки на дополнительных панелях (см. рис.2).

Рисунок 2. Запуск симуляции

Задания

1. Управление неиндуктивной нагрузкой с помощью реле. Соберите схему изображенную на рисунке 3. После добавления шины питания VCC, щелкнув правой кнопкой на нее и нажав properties, во вкладке Value измените значение на 30В. Подключите осциллограф к лампочке. Для добавления осциллографа используйте команду SIMULATE→INSTRUMENTS→OSCILLOSCOPE. Изменяя положение ключа J1, наблюдайте за состоянием лампочки и показаниями осциллографа, зафиксируйте их. Для включения отображения экрана осциллографа, щёлкните правой кнопкой мыши по его значку

В схеме используются следующие компоненты:

- ключ J1 (группа BASIC→SWITCH→SPDT);

- реле K1 (группа BASIC→RELAY→ERD);

- шина плюса 5В питания VDD (группа SOURCES →VDD);

- шина плюса 30В питания VСС (группа SOURCES→ VСС);

- шина земли GND (группа SOURCES →GND).

Рисунок 3. Задание №1

2. Вместо лампочки подключите электромотор постоянного тока (индуктивная нагрузка) с токоограничивающим резистором. Понаблюдайте за напряжением на моторе с помощью осциллографа при переключении ключа. Объясните явление, учитывая, что в симуляции не учитывается затухание, поэтому получаются такие большие значения напряжения. Предложите вариант решения проблемы. Параллельно электродвигателю подключите встречновключенный диод (анодом к земле, катодом к плюсу). Понаблюдайте за показаниями осциллографа.

В схеме на ряду с ранее использованными компонентами используются следующие:

- электродвигатель S1 (группа Electro_mechanical→OUTPUT_DRVICES→ MOTOR);

- диод D1 (группа Diodes→DIODE →BAS32L).

3. Для управления с помощь цифровых сигналов, предыдущих схем будет недостаточно, так как сила тока выходного сигнала цифрового элемента слишком мала, чтобы сработало реле. Поэтому в схему добавляется транзистор, управляющий реле (рисунок 4). В качестве цифрового элемента используется инвертор. Подключите мультиметр командой SIMULATE→INSTRUMENTS→MULTIMETER, зафиксируйте его показания.

В схеме на ряду с ранее использованными компонентами используются следующие:

- транзистор Q1 (группа Transistors→BJT_NPN→2N2219);

- инвертор U2 (группа TTL→74STD →7404N).

Рисунок 4. Задание №3

4. Для управления скоростью вращения двигателя, необходимо менять напряжение на двигателе. Можно это делать неэффективным способом, когда лишнее напряжение рассеивается резистором. Однако сейчас широко распространён способ намного энергоэффективнее – это ШИМ (широтно-импульсная модуляция). Суть этого метода, в том, что напряжение на нагрузку подаётся импульсами, скважность (соотношение длительности импульса с периодом следования импульсов) которых меняется. Если нагрузка достаточно инерционная, например лампочка накаливания, электродвигатель, то импульсы сгладятся, и мы получим на нагрузке плавно изменяющееся действующее напряжение (рисунок 5).

Рисунок 5. Суть метода ШИМ

К предыдущей схеме на вход инвертора подключите генератор сигналов (SIMULATE→INSTRUMENTS→Function Generator) и осциллограф. Мультиметр настройте на измерение переменного напряжения. На экране генератора включите генерацию прямоугольных импульсов, амплитуду (amplitude) сигнала установите 5V, частоту (frequency) 1000 Hz (рисунок 6). Меняя скважность сигнала(duty cycle) наблюдайте за изменениями формы сигнала, а также напряжения на электродвигателе.

5. Повторите первые два упражнения используя для управления нагрузкой весто реле транзистор и тиристор.

Рисунок 6. Задание №4