Лабораторный практикум в среде Multisim

Схемотехническое моделирование в средеMultisim значительно расширяет творческие границы лабораторных экспериментов на станциях ELVIS, ELVISII.

Большим достоинством программы является виртуальная лабораторная станция Virtual ELVIS. Эта функция, встроенная в среду Multisim, служит для предварительной разработки схем и последующей их реализации на реальной станции.

Для вызова окна редактора виртуальной станции Virtual ELVIS нужно выбрать в главном меню пункты Файл / Новый / Схема ELVIS. В результате откроется окно виртуальной станции (рис. 5.13 слева), а также будет доступно окно с трехмерным ее изображением по следующему пути:Инструментарий / Показать Макет (рис.5.13 справа).

 

 

Рис. 5.13. Окна: виртуальной станции и трехмерного ее изображения

 

Виртуальный ELVIS имеет вид реальной станции NI ELVIS. с соответствующими ее элементами. Органы управления на передней панели виртуальной станции недоступны, а рабочей областью станции является макетная плата.

Исследуемая схема собирается в окне редактора виртуальной станции так же, как в обычном окне редактора Multisim. Затем она подключается к источникам сигналов и тестовым приборам, расположенным слева и справа от рабочей области на виртуальной станции.

Для приобретения навыков монтажа реальной схемы используется трехмерный макет виртуальной станции. Он позволяет разместить электронные компоненты схемы и выполнить соединения на виртуальной макетной плате так же, как на реальной.

Трехмерное макетирование возможно и при сборке схемы в обычном окне редактора Multisim. Но в этом случае при вызове макета появится изображение не виртуальной станции, а виртуальной монтажной панели. На рис. 5.14 показана виртуальная панель с примером монтажной схемы.

 

 

Рис. 5.14. Виртуальная панель с примером монтажной схемы

 

При первом вызове макетной панели на ней представлены два ряда гнезд с одним слотом (щелью) между ними. В случае необходимости изменения числа слотов и рядов гнезд нужно вызвать диалоговое окно настроек панели и задать в нем другие параметры.

Электронные компоненты, размещаемые на монтажной панели, имеют стилизованный вид и выбираются из виртуальной кассеты внизу окна макета с помощью прокрутки левой клавишей мыши за внешние углы кассеты. Нужно отметить, что в кассете имеются только те электронные компоненты, которые находятся в рабочей области окна редактора Multisim, и после установки на панель всех компонентов кассета принимает свернутый вид. Электронные компоненты выбираются и размещаются на виртуальной монтажной панели с помощью левой кнопки мыши. Во время перемещения компонента над панелью ее гнёзда изменяют цвет на красный, обозначая место размещения компонента после отпускания кнопки.

В момент установки компонента на панель он изменяет свой цвет и на принципиальной схеме, в основном окне редактора Multisim. Соединение компонентов в схему виртуальными проводниками на панели выполняется с помощью левой кнопки мыши. Также с помощью последней панель может быть ориентирована в пространстве.

Информация об элементе монтажной схемы отображается в верхнем поле окна макета в момент наведения курсора мыши на данный элемент.

Важной особенностью Multisim является возможность использования трехмерных моделей компонентов вместо их условных обозначений при сборке принципиальных схем. Эта функция программы позволяет сравнить условные обозначения электронных приборов на принципиальной схеме модели с их реальными образами. На рис. 5.15 показано окно редактора с библиотечными трехмерными компонентами.

 

Рис. 5.15. Окно редактора с библиотечными трехмерными компонентами

Другой особенностью программы Multisim являются встроенные в нее модули программы LabVIEW, такие как Микрофон, Динамик, Анализатор сигналов, Генератор сигналов. Эти модули служат для передачи реальных данных, полученных с помощью виртуальных приборов, из программы LabVIEW в программу Multisim для дальнейшего использования.

Программа Multisim наиболее эффективна при моделировании цифровых устройств. Это объясняется полным соответствием модели цифровой схемы работе реального устройства. По сравнению с цифровыми моделями модели аналоговых схем лишь приближенно отражают работу реальных прототипов.

 

5.2.1. Задание на самостоятельную работу (пример выполнения лабораторной работы по изучению цифровых устройств)

 

Целью работы является изучение логических элементов (ЛЭ), приобретение навыков синтеза и анализа цифровых устройств (ЦУ) на ЛЭ, а также изучение работы тестовых и контрольноизмерительных приборов программы Multisim.

Запустите программу Multisim и соберите схемы для исследования ЛЭ типов 2И, 2И-НЕ, 2ИЛИ, 2ИЛИ-НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ. На рис. 5.16 в верхнем ряду расположены отечественные условные обозначения ЛЭ, а в среднем и нижнем рядах – соответствующие им обозначения в программе Multisim в стандартах DIN и ANSI соответственно. При запуске программы выбран стандарт ANSI. Для изменения стандарта в меню Установки нужно выбрать пункт Основные установки и в диалоговом окне задать другой стандарт.

&

&

=

=

 

Рис. 5.16. Условные обозначения ЛЭ

На рис. 5.17 показан пример схемы для исследования ЛЭ типа 2И.

 

И

ИНДИКАТОР_ВХОДА_А

ИНДИКАТОР_ВХОДА_В

GND

VCC

B

A

ИНДИКАТОР_ВЫХОДА

 

Рис. 5.17. Пример схемы для исследования ЛЭ типа 2И

 

В схеме используется источник питания +Vcc для задания уровня логической единицы, два двухпозиционных переключателя А и В для подачи на входы ЛЭ логических сигналов и три индикатора (пробника), подключенных к входам и выходу ЛЭ.

Подайте на входы ЛЭ все возможные комбинации логических сигналов. Контролируя состояния входов и выхода ЛЭ с помощью пробников, составьте таблицы истинности данных ЛЭ.

Исследуйте логические схемы с помощью генератора слов. Для этого соберите схему, изображенную на рис. 5.18. В ней используется интегральная микросхема (ИС) 74 серии, содержащая 4 ЛЭ типа 2ИНЕ. Для выбора этой ИС откройте окно компонентов, выберите группу TTL, а в ней – семейство 74LS_IC. В открывшемся окне выберите ИС 74LS00D.

На условном обозначении этой ИС входы первого ЛЭ обозначены 1А и 1В, а выход – 1Y.

К входам этого ЛЭ подключите источник цифровых сигналов – генератор слов (Word Generator), расположенный в библиотеке инструментов. Используя справку, изучите назначение и работу генератора.

Разверните панель генератора и запрограммируйте его так, чтобы на его выходе получать поочередные последовательности комбинаций 00, 01, 10, 11. Переведите генератор в режим пошаговой работы нажатием кнопки «Step» и включите схему. Нажимая кнопку «Step», подавайте на микросхему комбинации из заданной последовательности. По состоянию пробника на выходе ЛЭ сравните результат с таблицей истинности ранее исследованного элемента 2И-НЕ.

Рис. 5.18. Исследование логических схем с помощью генератора слов

 

Для синтеза схемы, реализующей функцию с числом переменных не более 8-ми, можно воспользоваться логическим преобразователем (Logic Converter) из библиотеки инструментов. Используя справку, изучите назначение и работу этого прибора.

Разверните панель преобразователя и введите с клавиатуры в нижнее окно панели логическое выражение, например AB + B’C, что

соответствует выражению функции abbc (операции ИЛИ соответствует знак +, инверсия обозначается апострофом).

Для реализации схемы в булевом базисе (на ЛЭ типа 2И, 2ИЛИ, НЕ) нажмите клавишу . В результате в рабочей области окна редактора появится схема, соответствующая введённому выражению (на рис. 5.19 слева). Для реализации схемы в базисе И-НЕнажмите клавишу В результате появится схема, соответствующая введённому выражению и состоящая только из ЛЭ типа 2И-НЕ (на рис. 5.19 справа).

 

A

B

C

A

B

C

 

Рис. 5.19. Примеры реализации схем в булевом базисе

Подключите к входам схем генераторы слов, а к выходу - логические пробники. Протестируйте схемы, составьте таблицы истинности и сравните их между собой.

 

5.2.2. Контрольные вопросы

1. Понятие, назначение, условные обозначения логических операций И, ИЛИ, НЕ.

2. Условные обозначение, таблицы истинности, аналитические выражения ЛЭ типов 2И, 2ИЛИ, НЕ, 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ.

3. Назначение и порядок использования генератора слов.

4. Назначение и порядок использования логического преобразователя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотренный в данном учебном пособии аппаратно-программный комплекс является компактным и эффективным средством для передачи базовых знаний, развития технического творчества в области основ электроники.

Интеграция в учебной лаборатории таких средств, как станция ELVIS, среда графического программирования LabVIEW и среда схемотехнического моделирования Multisim, позволяет выполнять лабораторные исследования с достаточным качеством, а также с меньшими материальными и временными затратами по сравнению с традиционным лабораторным оборудованием.

Эти три составляющие учебной лаборатории значительно расширяют творческие возможности как преподавателей, так и студентов. Использование этих средств в различных комбинациях и в комплексе позволит оптимизировать практическое изучение основ электроники. Рассмотрим пример организации лабораторных исследований в такой учебной лаборатории.

На первом этапе исследуемая схема собирается на макетной плате настольной лабораторной станции NI ELVIS или ELVISII, а затем анализируется с помощью виртуальных контрольно-измерительных и тестовых приборов станции.

На втором этапе исследуемая схема моделируется в Multisim и результаты ее анализа сравниваются с результатами первого этапа. Затем для развития и закрепления навыков монтажа схемы последняя собирается на виртуальной макетной панели программы Multisim.

На третьем этапе в среде LabVIEW создается оригинальный виртуальный прибор для экспериментов с исследуемой схемой.

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника: Учебник для вузов. – М.: Высш. шк., 2004.

2. Миловзоров О.В. Электроника: Учебник для вузов. – М.: Высш. шк., 2005.

3. Новожилов О.П. Основы цифровой техники: Учеб. пособие для вузов. – М.: ИП «Радиософт», 2004.

4. Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций. – СПб.: Корона, 2004.

5. NI Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite (NI ELVIS). Hardware User Manual.  2003–2006. National Instruments Corporation. All rights reserved (техническая документация на лабораторную станцию ELVIS).

6. Тревис Дж. LabVIEW для всех / Пер. с англ. Н.А. Клушина. –

М.: ДМК Пресс; Прибор Комплект, 2005. – 544 с.: ил.

7. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе LabVIEW 7 / Под ред. П.А. Бутырина. – М.: ДМК Пресс, 2005. –

204 с.: ил.

8. Пейч Л.И., Точилин Д.А., Поллак Б.П. LabVIEW для новичков и специалистов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2004. – 384 с.: ил.

9. Батоврин В.К., Бессонов А.С., Мошкин В.В. LabVlEW. Практикум по аналоговой и цифровой электронике: Лабораторный практикум. – М.: Моск. гос. ун-т радиотехники, автоматики и электроники, 2007. – 132 с.

10. Кардашев Г.А. Виртуальная электроника. Компьютерное моделирование аналоговых устройств. – М.: Горячая линия – Телеком, 2002. – 260 с.: ил.

11. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее приложения. – М.: Солон Р, 2000. – 506 с.: ил.

12. Хернитер Марк Е. Multisim 7: Современная система компьютерного моделирования и анализа схем электронных устройств / Пер. с англ. А.И. Осипова. – М.: Издательский дом ДМК-пресс, 2006. – 488 с.: ил.

13. Лысенко О.В. Схемотехника цифровых устройств: Лаб. практикум. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2005. – 90 с.

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ.. 2

ВВЕДЕНИЕ.. 3

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АППАРАТНО-ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ NI ELVIS, NI ELVISII 5

1.1.1. 1.1. Контрольные вопросы.. 15

2. ВИРТУАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ КОМПЛЕКСОВ ELVIS, ELVISII 17

2.1. Общие сведения о виртуальных приборах. 17

2.2. Цифровой мультиметр. 19

2.3. Осциллограф.. 22

2.4. Функциональный генератор. 24

2.5. Регулируемые источники питания. 26

2.6. Анализатор частотных характеристик (АЧХ и ФЧХ) 28

2.7. Анализатор спектра (анализатор динамических сигналов) 30

2.8. Генератор сигналов произвольной формы.. 32

2.9. Виртуальный прибор чтения цифровых сигналов. 33

2.10. Виртуальный прибор записи цифровых сигналов. 34

2.11. Анализатор полного сопротивления. 35

2.12. Двухпроводный вольтамперный анализатор. 36

2.13. Трехпроводный вольтамперный анализатор. 38

2.14. Контрольные вопросы.. 39

3. ПРИМЕНЕНИЕ ВИРТУАЛЬНЫХ ПРИБОРОВ КОМПЛЕКСОВ ELVIS, ELVISII В ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ.. 40

3.1. Применение виртуальных приборов при изучении полупроводниковых приборов. 40

3.1.1. Задание на самостоятельную работу. 41

3.1.2. Контрольные вопросы.. 43

3.2. Применение виртуальных приборов при изучении принципов построения и анализа электронных усилителей. 43

3.2.1. Задание на самостоятельную работу. 45

3.2.2. Контрольные вопросы.. 51

4. ВЫПОЛНЕНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В СРЕДЕ LABVIEW 52

4.1. Введение в программу LabVIEW... 52

4.1.1. Задание на самостоятельную работу (создание ВП в среде LabVIEW) 55

4.1.2. Контрольные вопросы.. 58

4.2. Лабораторный практикум на станциях ELVIS, ELVISII в среде LabVIEW 58

4.2.1. Задание на самостоятельную работу (пример выполнения лабораторной работы практикума) 60

5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ В ПРОГРАММЕ MULTISIM 63

5.1. Введение в среду Multisim.. 63

5.1.1. Задание на самостоятельную работу (изучение системы виртуального моделирования Multisim) 67

5.1.2. Контрольные вопросы.. 67

5.2. Лабораторный практикум в среде Multisim.. 68

5.2.1. Задание на самостоятельную работу (пример выполнения лабораторной работы по изучению цифровых устройств) 71

5.2.2. Контрольные вопросы.. 74

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.. 75

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.. 76

СОДЕРЖАНИЕ.. 78