МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГОИСРЕДНЕГОСПЕЦИАЛЬНОГООБРАЗОВАНИЯ
РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН
Ташкентский Государственный Технический Университет
имени АБУ РАЙХАНА БЕРУНИ
Факультет «Электроника и Автоматика »
Кафедра: « Приборостроение »
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
Предмет: «Проектирование и конструирование интегральных схем»
НА ТЕМУ:
«Изучение работы систем Electronics Workbench и Multisim»
Выполнил: студент гр. 111-11
Маливский Р.
Принял: Кадыров Р.
Ташкент 2014
ВВЕДЕНИЕ
Научно-техническое проектирование является основным в развитии науки и техники. Одно из его направлений - компьютерное схемотехническое моделирование электронных устройств. Использование интегрированных программных систем схемотехнического моделирования аналоговых и цифровых радиоэлектронных устройств (Micro-Cap, DesignLab 8.0, Multisim, ElectronicsWorkbench и др.) позволяет создавать модели электронных схем и редактировать их; рассчитывать режимы работы построенной модели; проводить ее оценку и анализ; представлять данные в форме, удобной для дальнейшей работы (например, записывать показания приборов в виде текстового файла); разрабатывать печатные платы; готовить научно-техническую документацию и др.Программа позволяет быстро разрабатывать и наглядно анализировать логические схемы. Она содержит большую библиотеку моделей электрических и электронных компонентов. Особенностью системы является наличие контрольно-измерительных приборов, по внешнему виду и характеристикам приближенных к их промышленным аналогам. Система легко осваивается и удобна в работе.
Запустив интегрированный пакеты ElectronicsWorkbench и Multisim , на экране можно видеть командное меню, стандартную панель инструментов, аналогичную многим Windows-приложениям, окно редактирования и панели инструментов, состоящие из набора радиоэлектронных аналоговых и цифровых деталей, индикаторов, элементов управления и инструментов.
Для выбора компонентов схемы необходимо подвести указатель мыши к одной из пиктограмм библиотеки компонентов или линейке контрольно-измерительных приборов и щелчком по левой кнопке вызвать одну из выбранных групп, а затем, зафиксировав ее, переместить компонент в окно редактирования. После размещения компонентов и установки параметров производится соединение их выводов.
В правом верхнем углу диалогового окна расположена пиктограмма, имитирующая тумблер «Включить/Отключить» (кнопка запуска и приостановки схем): 0 - отключено питание; 1 - включено. После включения питания на контрольно-измерительных приборах регистрируются характеристики и значения собранной модели схемы.
1.КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ МЕНЮ ПРОГРАММЫ ElectronicsWorkbench и Multisim
Окно программы ElectronicsWorkbench содержит строку меню, линейку инструментов, линейку библиотеки компонентов. Все кнопки имеют подсвечиваемые подсказки.
Рассмотрим команды меню программы ElectronicsWorkbench в порядке их следования.
Меню File предназначено для загрузки и записи файлов, получения твёрдой копии выбранных для печати составных частей схемы. А также для импорта/ экспорта файлов в форматах других систем моделирования и программ разработки печатных плат.
- Большинство команд этого меню - это типичные для Windows команды работы с файлами и поэтому пояснений не требуют.
- RewenttoSaved- стирание всех изменений, внесённых в схему, после её последнего сохранения. Необходимо заметить, что в программе не предусмотрена возможность отмены выполненного действия.
- Print… (CTRL+P) - выбор данных для вывода на принтер:
- Scematic - схемы (опция включена по умолчанию);
- Description - описания к схеме;
- Partlist - перечня выводимых на принтер документов;
- Labellist - списка обозначений элементов схемы;
- Modellist - списка имеющихся в схеме компонентов;
- Subcircuits - подсхем (частей схемы, являющихся законченными функциональными узлами и обозначаемых прямоугольниками с названиями внутри);
- Analysisoptions - перечня режимов моделирования;
- Instruments - списка приборов.
В этом же подменю можно выбрать опции печати (кнопка Setup), отправить материал на принтер (кнопка Print), а также изменить масштаб выводимых на принтер данных в пределах от 20 до 500%.
- Install… - установка дополнительных программ.
- Меню Edit
- Большинство команд этого меню - это типичные для Windows команды работы с файлами и поэтому пояснений не требуют.
- CopyasBitmap - команда превращает курсор мыши в крестик, которым по правилу прямоугольника можно выделить нужную часть экрана, после отпускания левой кнопки мыши выделенная часть копируется в буфер обмена, после чего его содержимое может быть импортировано в любое приложение Windows. Копирование всего экрана производится нажатием клавиши PrintScreen. Копирование активной в данный момент части экрана, например, диалогового окна - комбинацией Alt+PrintScreen. Эта команда необходима при подготовке отчётов по моделированию и оформления лабораторных работ.
- ShowClipboard - показать содержимое буфера обмена.
- Меню Circuit
- Rotate (CTRL+R) - поворот выбранного компонента.
- FlipHorizontal - зеркальный разворот компонента по горизонтали.
- FlipVertical - зеркальный разворот компонента по вертикали.
- ComponentProperties… - свойства компонента, команда выполняется также после двойного щелчка левой кнопкой мыши по компоненту.
- CreateSubcircuit… (CTRL+B) - преобразование предварительно выбранной части схемы в подсхему. Выделяемая часть схемы должна быть расположена таким образом, чтобы в выделенную область не попали не относящиеся к ней проводники и компоненты.
- ZoomIn (CTRL++) - масштабирование схемы (увеличение).
- ZoonOut (CTRL+-) - масштабирование схемы (уменьшение).
- SchematicOptions… - выбор элементов оформления и шрифтов схемы, способов соединения элементов схемы и вариантов печати схемы на принтер.
- Меню Analysis
- Activate (CTRL+G) - запуск процесса моделирования.
- Pause (F9) – временная приостановка процесса моделирования.
- Stop (CTRL+T) - остановка процесса моделирования.
- Analysisoptions… (CTRL+Y) - установка параметров:
Global - настройки общего характера (диалоговые окна соответствующих настроек нужно смотреть в программе EWB), в котором параметры имеют следующее назначение:
- ABSTOL - абсолютная ошибка расчета токов;
- GMIN - минимальная проводимость ветви цепи (проводимость ветви, меньшая указанного значения, считается равной нулю).
- PIVREL, PIVTOL - относительная и абсолютная величины элемента строки матрицы узловых проводимостей (например, при расчёте по методу узловых потенциалов), необходимые для выделения в качестве ведущего элемента;
- RELTOL - допустимая относительная ошибка расчёта напряжений и токов;
- TEMP - температура, при которой проводится моделирование;
- VNTOL - допустимая ошибка расчёта напряжений в режиме Transient (анализ переходных процессов);
- CHGTOL - допустимая ошибка расчёта зарядов;
- RAMPTIME - начальная точка отсчёта времени при анализе переходных процессов;
- CONVSTEP - относительный шаг итерации при расчёте режима по постоянному току;
- CONVABSSTEP - абсолютный размер шага итерации при расчёте режима по постоянному току;
- CONVLIMIT - включение или выключение дополнительных средств для обеспечения сходимости итерационного процесса;
- RSHUNT - допустимое сопротивление утечки для всех узлов относительно общей шины (заземления);
- Temporary … - объём дисковой памяти для хранения временных файлов (в Мбайт).
4.2 DC – настройка параметров моделирования для выполнения расчётов режима по постоянному току (статический режим):
- ITL1 – максимальное количество итераций приближённых расчётов;
- GMINSTEPS – размер приращения проводимости в процентах от GMIN (используется при слабой сходимости итерационного процесса);
- SRCSTEPS – размер приращения напряжения питания в процентах от его номинального значения при вариации напряжения питания (используется при слабой сходимости итерационного процесса).
Кнопка ResetDefaults предназначена для установки в этом и других меню параметров, принятых по умолчанию. Используется в том случае, если после редактирования необходимо вернуться к исходным настройкам.
4.3 Transient – настройка параметров моделирования для выполнения анализа переходных процессов:
- ITL4 – максимальное количество итераций за время анализа переходных процессов;
- MAXORD – максимальный порядок (2-6) метода интегрирования дифференциального уравнения;
- TRTOL – допуск на погрешность вычисления переменной;
- METHOD – метод приближённого интегрирования дифференциального уравнения: TRAPEZOIDAL – метод трапеций, GEAR – метод Гира;
- ACCT – разрешение на вывод статистических сообщений о процессе моделирования;
4.4 Device – выбор параметров МОП- транзисторов:
- DEFAD – площадь диффузионной области стока, м2;
- DEFAS - площадь диффузионной области истока, м2;
- DEFL - длина канала полевого транзистора, м;
- DEFW – ширина канала, м;
- TNOM – номинальная температура компонента;
- BYPASS – включение или выключение нелинейной части модели компонента;
- TRYTOCOMPACT - включение или выключение линейной части модели компонента;
Instruments – настройка параметров контрольно-измерительных приборов:
- Pauseaftereachscreen – пауза (временная остановка моделирования) после заполнения экрана осциллографа по горизонтали;
- Generatetimestepsautomatically – автоматическая установка временного шага (интервала) вывода информации на экран;
- Minimumnumberoftimepoints – минимальное количество отображаемых точек за период наблюдения (регистрации);
- TMAX – промежуток времени от начала до конца моделирования;
- SettoZero – установка в нулевое (исходное) состояние контрольно- измерительных приборов перед началом моделирования;
- User-defined – управление процессом моделирования проводится пользователем (ручной пук и остановка);
- Calculate DC operatingpoint – выполнение расчёта режима по постоянному току;
- Pointspercycle – количество отображаемых точек при выводе амплитудно- частотных и фазо- частотных характеристик;
- Useengineeringnotation – использование инженерной системы обозначений единиц измерения.
- DC OperatingPoint - расчёт режима по постоянному току (в режиме DC из моделируемой схемы исключаются все конденсаторы и закорачиваются все индуктивности).
- DC Sweep… - вариация параметров источников при расчёте режима по постоянному току.
- AC Frequency - расчёт частотных характеристик:
- FSTART, FSTOP – граница частотного диапазона;
- Sweeptype – масштаб по горизонтали: декадный (Decade), линейный (Linear) и октавный (Octave);
- Number of points – числоточек;
- Vertical scale – масштабповертикали: линейный (Linear), логарифмический (Log) ивдецибеллах (Decibel);
- Nodes in circuit – списоквсехузловцепи;
- Nodesforanalysis – номера узлов, для которых рассчитываются характеристики схемы, перечень таких узлов устанавливается кнопками добавить и удалить.
- Simulate – запуск моделирования.
- Transient - расчёт переходных процессов.
- Fourier… - проведение Фурье-анализа (спектрального анализа):
- Outputnode – номер контрольной точки (узла), в которой анализируется спектр сигнала;
- Fundamentalfrequency – основная частота колебания (частота первой гармоники);
- Numberharmonic – число гармоник, подлежащих анализу;
- Vertical scale – масштабпооси Y;
- Advanced – набор опций этого блока предназначен для определения более тонкой структуры анализируемого сигнала путём введения дополнительных выборок (по умолчанию выключены);
- Numberofpointsperharmonic – количество отсчётов (выборок) на одну гармонику;
- Samplingfrequency – частота следования выборок;
- Displayphase – вывод на экран распределения фаз всех гармонических составляющих в виде непрерывной функции (по умолчанию выводится график только амплитуд гармоник);
- Outputaslinegraph – вывод на экран распределения амплитуд всех гармонических составляющих в виде непрерывной функции (по умолчанию - в виде линейчатого спектра).
- Noise… - анализ спектра внутренних шумов:
- Inputnoisereferencesource - место подключения источника входного сигнала (выбирается из списка всех имеющихся источников сигнала, включая источник питания);
- Outputnode - узел (точка) схемы, в которой анализируется выходной сигнал;
- Referencenode - узел схемы, относительно которого измеряется выходной сигнал (по умолчанию - общая шина, т.е. "земля");
- Fstart, Fstop - начальная и конечная частота диапазона анализа;
- Sweeptype - масштаб по оси частот;
- Numberpoints - число отображаемых точек;
- Vertical scale - масштабпооси Y;
- Setpointspersummary - выбор компонента схемы (из списка, где перечислены все компоненты схемы), вклад шумов которого в спектр шума на выходе (Outputnode) будет отображаться отдельно.
- Distortion… - анализ нелинейных искажений.
- ParameterSweep… - многовариантный анализ:
- Component - позиционное обозначение элемента схемы, один из параметров которого будет варьироваться в процессе моделирования;
- Parameter - название параметра компонента, выбранного из списка;
- Startvalue, Endvalue - параметры, задающие диапазон варьируемой величины (минимум, максимум);
- SweepType - тип масштаба варьируемой величины;
- Incrementstepsize - шаг изменения варьируемой величины;
- Outputnode - выходная контрольная точка схемы.
В нижней части диалогового окна перечислены режимы моделирования, для которых может быть проведён многовариантный анализ. В правом нижнем углу находятся кнопки для установки параметров этих режимов, диалоговые окна которых практически не отличаются от рассмотренных выше.
- TemperatureSweep… - температурные испытания моделируемой схемы.
- Pole-Zero… - расчёт карты нулей и полюсов передаточной характеристики моделируемой схемы:
- GainAnalysis - расчёт коэффициента передачи по напряжению;
- ImpedanceAnalysis - расчёт коэффициента передачи напряжение- ток;
- InputImpedance, OutputImpedance - расчёт входного и выходного импедансов (комплексных сопротивлений);
- Nodes - контрольные точки для входного и выходного сигналов;
- PoleAnalysis - расчёт полюсов коэффициента передачи;
- ZeroAnalysis - расчёт нулей коэффициента передачи.
- TransferFunction… - расчёт передаточных функций:
- Voltage - расчёт коэффициента передачи по напряжению;
- Outputnode - выбор выходной контрольной точки;
- Outputreference - контрольная точка, относительно которой измеряется напряжение выходного сигнала;
- Current - расчёт коэффициента передачи по току;
- Outputvariable - выбор выходной величины при расчёте коэффициента передачи по току;
- Inputsource - выбор источника входного сигнала.
- Sensitivity… - расчёт относительной чувствительности характеристик схемы к изменениям параметров выбранного компонента при частотном анализе (АС) или при расчёте статического режима (DC).
- Worstcase… - расчёт значений параметров компонентов схемы в режиме DC или АС при параллельных отклонениях её характеристик:
- Collatingfunction - характеристики схемы (выбираются из предлагаемого списка);
- Globaltolerance - отклонение параметров резисторов, конденсаторов, индуктивностей, источников переменного и постоянного тока и напряжения;
- Outputnode - выбор выходной точки схемы.
- MonteCarlo… - статистический анализ по методу Монте-Карло:
- Numberofruns - количество статистических испытаний;
- Tolerance - отклонения параметров резисторов, конденсаторов, индуктивностей, источников переменного тока и напряжения;
- Seed - начальное значение случайной величины (этот параметр определяет начальное значение датчика случайных чисел и может изменяться от 1 до 32767);
- Distributiontype - закон распределения случайных чисел: Uniform - равновероятностное распределение на отрезке (-1, +1) и Gaussian - гауссовское распределение на отрезке (-1, +1) с нулевым средним значением и среднеквадратическим отклонением 0,25.
- Остальные параметры аналогичны описанным для команды WorstCase.
- DisplayGraphs - этой командой вызываются на экран графики результатов выполнения одной из команд моделирования. Если в процессе моделирования используется несколько команд этого меню, то результаты их выполнения накапливаются и в соответствующем окне отображаются в виде закладок с наименованиями команд, которые могут перемещаться кнопками, расположенными в правом верхнем углу окна. Это позволяет оперативно просматривать результаты моделирования без повторного проведения.
- Меню Window
Меню Window содержит следующие команды:
- Arrange (CTRL+W) - обновление информации в рабочем окне ElectronicsWorkbench, при этом исправляются искажения изображений компонентов и соединительных проводников.
- Circuit и Description (CTRL+D) - эти команды обозначают название открытых в программе ElectronicsWorkbench окон и позволяют выводить соответствующее окно на передний план.
- Меню Help
Меню Help построено стандартным для Windows способом. Оно содержит краткие сведения по всем рассмотренным выше командам, библиотечным компонентам и измерительным приборам, а также сведения о самой программе.
При работе с программой необходимо обязательно обращать внимание на способ и место подключения электроизмерительных приборов, а также на их параметры . Всё это может иметь достаточно большое значение при проведении экспериментов и моделировании схем.
2.ГИБРИДНЫЕ КОМПОНЕНТЫ
1.Цифро – аналоговый преобразователь
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) осуществляет преобразование цифрового сигнала в аналоговый. Описываемый ЦАП имеет 8 цифровых входов и 2 входа (1+1 и 1-1) для подачи опорного тока Ion. ЦАП формирует на выходе ток Iвых который пропорционален входному числу NBX-Выходной ток определяется по формуле :
где Ion - опорный ток, определяемый последовательно подключенными ко входу Uon+ или Uоп- источником напряжения Uon и сопротивлением R:
Второй выход является дополнением первого. Его ток определяется из выражения:
В ElectronicsWorkbench также имеется ЦАП, который осуществляет преобразование цифрового сигнала в напряжение на выходе. Выходное напряжение определяется по формуле:
где Uon ~ опорное напряжение.
2.Аналого – цифровой преобразователь
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) производит преобразование аналогового напряжения в число. Представленный АЦП переводит аналоговое напряжение Uвх на входе в 8-разрядное двоичное число Nвых по формуле:
где [] - целая часть, Ufs = Uon+ - Uon- - разница напряжений на опорных входах.
Перевод аналогового сигнала в цифровой выполняется специальными устройствами - аналогово-цифровыми преобразователями (АЦП). Основными параметрами АЦП являются частота дискретизации f и разрядность АЦП (количество двоичных разрядов, в которых хранится значение сигнала x, число возможных значений квантованного сигнала равно 2N, где N - число разрядов). Чем выше разрядность АЦП, с тем большей точностью можно хранить сигнал, но тем медленнее он работает.
Устройство, производящее обратную операцию (чтобы передать оцифрованный сигнал на какое-нибудь воспроизводящее устройство (динамик, телевизор, приводной мотор и т.д.)) называется цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП).
Принцип работы ЦАП состоит в суммировании аналоговых сигналов, пропорциональных весам разрядов входного цифрового кода, с коэффициентами, равными нулю или единице в зависимости от значения соответствующего разряда кода.
Существует несколько подходов к классификации типов аналого-цифровых преобразователей. Например, по методам преобразования различают следующие АЦП:
- последовательного счета (развертывающие АЦП);
- разрядного уравновешивания;
- следящего уравновешивания;
- параллельного преобразования;
- двойного интегрирования и др.
При классификации по временному процессу преобразования аналоговой величины в цифровую различают:
- параллельные;
- параллельно-последовательные;
- последовательные.
Можно классифицировать АЦП по способу представления данных на выходе:
- преобразователи напряжения – цифровой код;
- преобразователи напряжения – частота;
- преобразователи напряжения – время;
К основным параметрам АЦП следует отнести:
- разрядность – количество линий данных, предназначенных для представления результата преобразования;
- диапазон входных напряжений – верхнее и нижнее значение преобразовываемого сигнала;
- время преобразования – промежуток времени с момента запуска преобразования, до установления результата на выходе.
При моделировании электронных схем средствами программы Workbench, имеется возможность использовать библиотечный модуль АЦП, условное графическое обозначение которого представлено на рисунке ниже.
Рис. Условное графическое обозначение модуля АЦП
Данный модуль представляет собой 8-разрядый преобразователь с динамическим диапазоном входных напряжений. Назначение внешних выводов следующее:
Uin – входной аналоговый сигнал;
Uref+ - верхнее опорное напряжение преобразователя;
Uref- - нижнее опорное напряжение;
SOC – вход, предназначенный для запуска процесса преобразования;
OE – вход, разрешающий работу выходных схем модуля;
D0-D7 – 8 цифровых линий, на которых выставляется результат преобразования;
EOC – дополнительная цифровая линия, высокий уровень которой свидетельствует о завершении процесса аналого-цифрового преобразования и наличии результата на линиях D0-D7.
ЦАП преобразует цифровой двоичный код Q4Q3Q2Q1 в аналоговую величину, обычно напряжение Uвых.. Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) предназначены для преобразования цифровых сигналов в аналоговые. Такое преобразование необходимо, например, при восстановлении аналогового сигнала, предварительно преобразованного в цифровой код для передачи по цифровым каналам связи или хранения. Другой пример использования такого преобразования – воспроизведение сигнала, полученного при реализации математических моделей тех или иных процессов.
К основным параметрам ЦАП относят разрешающую способность, время установления, погрешность нелинейности и др. Разрешающая способность – величина обратная максимальному числу шагов квантования выходного сигнала. Время установления – интервал времени от подачи кода на вход до момента, когда выходной сигнал войдет в заданные пределы, определяемые погрешностью. Погрешность нелинейности – максимальное отклонение графика зависимостивыходного напряжения, задаваемого цифровым сигналом, по отношению к идеальной прямой во всем диапазоне преобразования.
При проектировании электронных схем средствами программы Workвench имеется возможность использования библиотечного модуля ЦАП, графическое обозначение которого представлено на рисунке 2.
Рис. Графическое обозначение модуля ЦАП
Данный модуль содержит два входа опорного напряжения, подключаемого слева от устройства (Uref+ и Uref-), 8 цифровых линий D0…D7, и выход аналогового напряжения.
- Таймер 555
Таймер - элемент, имеющий цифровой вход и выход. Он характеризуется временем задержки Тd. Изменение состояния на его выходе происходит через время, определяемое временем задержки Тd. 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-це
Скачать: