Элементы Electronics Workbench

ПРОГРАММА ELECTRONICS WORKBENCH

Возможности Electronics Workbench

Программа Electronics Workbench позволяет моделировать аналоговые, цифровые и цифро-аналоговые схемы большой степени сложности. Имеющиеся в программе библиотеки включают в себя большой набор моделей широко распространенных электронных элементов (компонентов). Простые элементы описываются набором параметров, значения которых можно изменять непосредственно с клавиатуры, активные элементы - моделью, представляющей собой совокупность параметров и описывающей конкретный элемент или его идеальное представление. Модель выбирается из списка библиотек элементов, параметры модели также могут быть изменены пользователем.

В библиотеки элементов программы входят модели пассивных элементов, транзисторов, управляемых источников, управляемых ключей, гибридных элементов, индикаторов, логических элементов, триггерных устройств, цифровых и аналоговых элементов, специальных комбинационных и последовательных схем. Возможно также создание своих моделей элементов и добавление их в библиотеки.

В программе используется большой набор приборов для проведения измерений: амперметр, вольтметр, осциллограф, мультиметр, боде-плоттер (графопостроитель частотных характеристик схем), функциональный генератор, генератор слов, логический анализатор и логический преобразователь.

Electronics Workbench позволяет проводить анализ схем на постоянном и переменном токах. При анализе на постоянном токе определяются параметры схемы в установившемся режиме. Анализ на переменном токе может проводиться как во временной, так и в частотной областях. Можно исследовать переходные процессы при воздействии на схемы входных сигналов различной формы.

Операции, выполняемые при анализе:

• выбор элементов и приборов из библиотек,

• перемещение элементов и схем в любое место рабочего поля,

• поворот элементов и групп элементов на углы, кратные 90 градусам,

• копирование, вставка или удаление элементов, групп элементов, фрагментов схем и целых схем,

• изменение цвета проводников,

• выделение цветом контуров схем для более удобного восприятия,

• одновременное подключение нескольких измерительных приборов и наблюдение их показаний на экране монитора,

• присваивание элементу условного обозначения,

• изменение параметров элементов в широком диапазоне.

Все операции производятся при помощи мыши и клавиатуры. Управление только с клавиатуры невозможно. Путем настройки приборов можно:

• изменять шкалы приборов в зависимости от диапазона измерений,

• задавать режим работы прибора,

• задавать вид входных воздействий на схему (постоянные и гармонические токи и напряжения, треугольные и прямоугольные импульсы).

Графические возможности программы позволяют:

• одновременно наблюдать несколько кривых на графике,

• отображать кривые на графиках различными цветами,

• измерять координаты точек на графике,

• импортировать данные в графический редактор, что позволяет произвести необходимые преобразования рисунка и вывод его на принтер.

Electronics Workbench позволяет вставить схему или её фрагмент в текстовый редактор и напечатать в нем пояснения или замечания по работе схемы.

Элементы Electronics Workbench

Для операций с элементами электрических и электронных схем на общем поле Electronics Workbench выделены две области: панель элементов и поле элементов (рис. 1. 1). Панель элементов состоит из пиктограмм полей, а поле элементов -из их условных изображений. Щелчком мыши на одной из тринадцати пиктограмм, расположенных на панели, можно открыть соответствующее поле.

Рис. 1.1

На рис. 1.1 открыто поле источников (Sources). Расположение элементов в полях ориентировано на частоту их использования. Для описания элементов более логичным является разделение их по типам. Все элементы, используемые в программе Electronics Workbench, можно условно разбить на следующие группы: источники, базовые элементы, линейные элементы, ключи, нелинейные элементы, индикаторы, логические элементы, узлы комбинационного типа, узлы последовательного типа, гибридные компоненты. На рис. 1. 2 показаны все имеющиеся в Electronics Workbench поля элементов. Эта картинка получена искусственно, на самом деле при работе может быть открыто только одно поле элементов.

Источники

Все источники в Electronics Workbench идеальные. Внутреннее сопротивление идеального источника напряжения равно нулю, поэтому его выходное напряжение не зависит от нагрузки. При необходимости использовать два параллельно подключенных источника напряжения следует включить последовательно между ними небольшое сопротивление (например, в 1 Ом). Идеальный источник тока имеет бесконечно большое внутреннее сопротивление, поэтому его ток не зависит от сопротивления нагрузки.

ЭДС источника постоянного напряжения измеряется в Вольтах и задается производными величинами (от мкВ до кВ). Короткой жирной чертой в изображении батареи обозначается вывод, имеющий отрицательный потенциал по отношению к другому выводу.

Ток источника постоянного тока (direct current) измеряется в Амперах и задается производными величинами (от мкА до кА). Стрелка указывает направление тока (от "+" к "-").

Действующее значение (root-mean-square - RMS) напряжения источника измеряется в Вольтах и задается производными величинами (от мкВ до кВ). Имеется возможность установки частоты и начальной фазы. Действующее значение напряжения V_RMS, вырабатываемое источником, связано с его амплитудным значением V_PEAKследующим соотношением:

Действующее значение тока источника измеряется в Амперах и задается производными величинами (от мкА до кА). Имеется возможность установки частоты и начальной фазы. Действующее значение тока I_RMS связано с его амплитудным значением I_PEAKследующим соотношением:

Генератор вырабатывает последовательность прямоугольных импульсов. Можно регулировать амплитуду импульсов, коэффициент заполнения (скважность) и частоту следования импульсов. Отсчет амплитуды импульсов генератора производится от вывода, противоположного выводу "+".

Выходное напряжение источника напряжения, управляемого напряжением, зависит от входного напряжения, приложенного к управляющим зажимам. Отношение выходного напряжения к входному определяется коэффициентом пропорциональности Е, который задается в мВ/В, В/В и кВ/В:

где Vout - выходное напряжение источника, Vin- входное напряжение источника.

Величина тока источника тока, управляемого напряжением, зависит от входного напряжения, приложенного к управляющим зажимам. Отношение выходного тока к управляющему напряжению - коэффициент G, измеряется в единицах проводимости (1/Ом или сименс):

.

где I_out - выходной ток источника, V_in - напряжение, приложенное к управляющим зажимам источника.

Входной и выходной токи этого источника связаны коэффициентом пропорциональности F. Коэффициент F задается в мА/А, А/А и кА/А.

.

где I_out - выходной ток источника, I_in - входной ток источника.

Величина напряжения источника, управляемого током, зависит от величины входного тока (тока в управляющей ветви). Входной ток и выходное напряжение образуют параметр, называемый передаточным сопротивлением Н, который представляет собой отношение выходного напряжения к управляющему току. Передаточное сопротивление имеет размерность сопротивления и задается в Ом, кОм и мОм

где V_out - выходное напряжение источника, I_in - входной ток источника.

При подключении управляемых источников нужно соблюдать полярность и направление токов в подключаемых цепях. Стрелка указывает направление тока от "+" к "-".

Используя этот источник напряжения, можно устанавливать фиксированный потенциал узла 5 В или уровень логической единицы.

При помощи этого источника устанавливают уровень логической единицы в узле схемы.

Базовые элементы

Узел применяется для соединения проводников и создания контрольных точек. К каждому узлу может подсоединяться не более четырех проводников. После того, как схема собрана, можно вставить дополнительные узлы для подключения приборов.

Компонент "заземление" имеет нулевое напряжение и таким образом обеспечивает исходную точку для отсчета потенциалов. Не все схемы нуждаются в заземлении для моделирования, однако любая схема, содержащая: операционный усилитель, трансформатор, управляемый источник, осциллограф, должна быть обязательно заземлена, иначе приборы не будут производить измерения или их показания окажутся неправильными.

Линейные элементы

Сопротивление резистора измеряется в Омах и задается производными величинами (от Ом до МОм).

Положение движка переменного резистора устанавливается при помощи специального элемента - стрелочки-регулятора. В диалоговом окне можно установить сопротивление, начальное положение движка (в процентах) и шаг приращения (также в процентах). Имеется возможность изменять положение движка при помощи клавиш-ключей.

Используемые клавиши-ключи:

• буквы от А до Z,

• цифры от 0 до 9,

• клавиша Enter на клавиатуре,

• клавиша пробел [Space].

Для изменения положения движка необходимо нажать клавишу-ключ. Для перемещения движка в большую сторону необходимо одновременно нажать [Shift] и клавишу-ключ, в меньшую - только клавишу-ключ.

Пример: Движок установлен в положении 45%, шаг приращения — 5%, клавиша-ключ -пробел [Space]. Нажатием, клавиши [Space] смещаем движок в положение 40%. При каждом последующем нажатии на клавишу [Space] значение уменьшается на 5%. Если нажать [Space]+ [Shift], то положение движка потенциометра увеличится на 5%.

Ёмкость конденсатора измеряется в Фарадах и задается производными величинами (от пФ до Ф).

Переменный конденсатор допускает возможность изменения величины емкости. Величину ёмкости устанавливают, используя её начальное значение и значение коэффициента пропорциональности следующим образом: С = (начальное значение/100) • коэффициент пропорциональности. Значение емкости может устанавливаться с помощью клавиш- ключей так же, как и положение движка переменного резистора.

Индуктивность катушки (дросселя) измеряется в Генри и задается производными величинами (от мкГн до Гн).

Величину индуктивности этой катушки устанавливают, используя её начальное значение и значение коэффициента пропорциональности следующим образом: L = (начальное значение /100) • коэффициент. Значение индуктивности может устанавливаться с помощью клавиш-ключей так же, как и положение движка переменного резистора.

Трансформатор используется для преобразования напряжения VI в напряжение V2. Коэффициент трансформации n равен отношению напряжения VI на первичной обмотке к напряжению V2 на вторичной обмотке. Параметр n может быть установлен в диалоговом окне свойств модели трансформатора. Трансформатор может быть выполнен с отводом средней точки.

Схема, содержащая трансформатор, должна быть заземлена.

Ключи

Ключи имеют два состояния: выключенное (разомкнутое) и включенное (замкнутое). В выключенном состоянии они представляют собой бесконечно большое сопротивление, во включенном состоянии их сопротивление равно нулю. Ключи могут управляться:

• клавишей,

• таймером,

• напряжением,

• током.

Так как замкнутые ключи в Electronics Workbench имеют сопротивление равное нулю, то при параллельном соединении с другим ключом или с источником напряжения рекомендуется последовательно ввести в цепь резистор с сопротивлением 1 Ом.

Электромагнитное реле может иметь нормально замкнутые или нормально разомкнутые контакты. Оно срабатывает, когда ток в управляющей обмотке превышает значение тока срабатывания I_on. Во время срабатывания происходит переключение пары нормально замкнутых контактов S2, S3 реле на пару нормально разомкнутых контактов S2, S1. Реле остается в состоянии срабатывания до тех пор, пока ток в управляющей обмотке превышает удерживающий ток I_hd. Значение тока I_hd должно быть меньше, чем I_on.

Ключи могут быть замкнуты или разомкнуты при помощи управляющих клавиш на клавиатуре. Имя управляющей клавиши можно ввести с клавиатуры в диалоговом окне, появляющемся после двойного щелчка мышью на изображении ключа.

Пример: Если необходимо, чтобы состояние ключа изменялось клавишей 'пробел' [Space], то следует ввести слово «Space» в диалоговое окно и нажать ОК.

Используемые клавиши-ключи: буквы от А до Z, цифры от 0 до 9, • клавиша Enter на клавиатуре, клавиша пробел [Space].

Реле времени представляет собой ключ, который размыкается в момент времени T_off и замыкается в момент времени T_on. T_on и T_off должны быть больше 0. Если T_on < T_off, то в начальный момент времени, когда t = 0, ключ находится в разомкнутом состоянии. Замыкание ключа происходит в момент времени t = T_on, а размыкание - в момент времени t = T_off. Если T_on > T_off, то в начальный момент времени, когда t = 0, ключ находится в замкнутом состоянии. Размыкание ключа происходит в момент времени t = T_off, а замыкание - в момент времени t = T_on. T_on не может равняться T_off.

Ключ, управляемый напряжением, имеет два управляющих параметра: включающее (V_on) и выключающее (V_off) напряжения. Он замыкается, когда управляющее напряжение больше или равно включающему напряжению V_on, и размыкается, когда оно равно или меньше, чем выключающее напряжение V_off.

Ключ, управляемый током, работает аналогично ключу, управляемому напряжением. Когда ток через управляющие выводы превышает ток включения I_on, ключ замыкается; когда ток падает ниже тока выключения I_off - ключ размыкается.

Нелинейные элементы

Лампа накаливания - элемент резистивного типа, преобразующий электроэнергию в световую энергию. Она характеризуется двумя параметрами: максимальной мощностью Р_мах и максимальным напряжением V_max. Максимальная мощность может иметь величину в диапазоне от мВт до кВт, максимальное напряжение - в диапазоне от мВ до кВ. При напряжении на лампе большем V_max (в этот момент мощность, выделяющаяся в лампе, превышает Р_mах) она перегорает. При этом изменяется изображение лампы (обрывается нить) и проводимость ее становится равной нулю.

Предохранитель разрывает цепь, если ток в ней превышает максимальный ток I_max. Значение I_max может иметь величину в диапазоне от мА до кА. В схемах, где используются источники переменного тока, I_max является максимальным мгновенным, а не действующим значением тока.

Ток через диод может протекать только в одном направлении - от анода А к катоду К. Состояние диода (проводящее или непроводящее) определяется полярностью приложенного к диоду напряжения.

Для стабилитрона (диода Зенера) рабочим является отрицательное напряжение. Обычно этот элемент используют для стабилизации напряжения.

Светодиод излучает видимый свет, когда проходящий через него ток превышает пороговую величину.

Мостовой выпрямитель предназначен для выпрямления переменного напряжения. При подаче на выпрямитель синусоидального напряжения среднее значение выпрямленного напряжения V_dc можно приблизительно вычислить по формуле:

,

где V_p – амплитудное значение синусоидального напряжения.

Диод Шоттки находится в отключенном состоянии до тех пор, пока напряжение на нем не превысит фиксированного уровня порогового напряжения.

У тиристора помимо анодного и катодного выводов имеется дополнительный вывод управляющего электрода. Он позволяет управлять моментом перехода прибора в проводящее состояние. Вентиль отпирается, когда ток управляющего электрода превысит пороговое значение, а к анодному выводу приложено положительное напряжение. Тиристор остается в открытом состоянии, пока к анодному выводу не будет приложено отрицательное напряжение.

Симистор способен проводить ток в двух направлениях. Он запирается при изменении полярности протекающего через него тока и отпирается при подаче следующего управляющего импульса.

Динистор - управляемый анодным напряжением двунаправленный переключатель. Динистор не проводит ток в до тех пор, пока напряжение на нем не. Когда напряжение, приложенное к динистору, превысит напряжение переключения, последний переходит в проводящее состояние и его сопротивление становится равным нулю.

Операционный усилитель (ОУ) - усилитель, предназначенный для работы с обратной связью. Он обычно имеет очень высокий коэффициент усиления по напряжению, высокое входное и низкое выходное сопротивление. Вход "+" является прямым, а вход "-" - инвертирующим. Модель операционного усилителя позволяет задавать параметры: коэффициент усиления, напряжение смещения, входные токи, входное и выходное сопротивления. Входные и выходные сигналы ОУ должны быть заданы относительно земли.

ОУ с пятью выводами имеет два дополнительных вывода (положительный и отрицательный) для подключения питания. Для моделирования этого усилителя используется модель Буля-Коха-Педерсона. В ней учитываются эффекты второго порядка, ограничение выходного напряжения и тока.

Умножитель перемножает два входных напряжения V_x и V_y. Выходное напряжение V_out рассчитывается по формуле:

.

где k - константа умножения, которая может устанавливаться пользователем.

Биполярные транзисторы.

Биполярные транзисторы являются усилительными устройствами, управляемыми током. Они бывают двух типов: p-n-p и n-p-n. Буквы означают тип проводимости полупроводникового материала, из которого изготовлен транзистор. В транзисторах обоих типов стрелкой отмечается эмиттер, направление стрелки указывает направление протекания тока.

Транзистор n-p-n имеет две области n-типа (коллектор к и эмиттер э) и одну область р-типа (база б).

Полевые транзисторы (FET)

Полевые транзисторы управляются напряжением на затворе, то есть ток, протекающий через транзистор, зависит от напряжения на затворе. Полевой транзистор включает в себя протяженную область полупроводника n-типа или р-типа, называемую каналом. Канал снабжен двумя электродами, которые называются истоком и стоком. Кроме канала n-или р-типа, полевой транзистор включает в себя область с противоположным каналу типом проводимости. Электрод, соединенный с этой областью, называют затвором. Для полевых транзисторов в Electronics Workbench выделено специальное поле компонентов FET. В программе имеются модели полевых транзисторов трех типов: транзисторов с управляющим р-n переходом (JFET) и двух типов транзисторов на основе металлооксидной пленки (МОП-транзисторы или MOSFET): МОП-транзисторы с встроенным каналом (Depletion MOSFETs) и МОП-транзисторы с индуцированным каналом (Enhancement MOSFETs).

Полевые транзисторы с управляющим р-n переходом (JFET)

Полевой транзистор с управляющим р-n переходом (JFET) – это униполярный транзистор, управляемый напряжением, в котором для управления током используется наведенное электрическое поле, зависящее от напряжения затвора. Для n-канального полевого транзистора с управляющим р-n переходом ток увеличивается с увеличением напряжения. В поле компонентов имеется два типа таких транзисторов: n-канальный и p-канальный.

Полевые транзисторы на основе металлооксидной пленки

Управление током, протекающим через полевой транзистор на основе металлооксидной пленки (МОП-транзистор или MOSFET), также осуществляется с помощью электрического поля, прикладываемого к затвору. Обычно подложка контактирует с наиболее отрицательно смещенным выводом транзистора, подключенным к истоку. В трехвыводных транзисторах подложка внутренне соединена с истоком. N-канальный транзистор имеет следующее обозначение: стрелка направлена внутрь значка; р-канальный транзистор имеет исходящую из значка стрелку. N-канальный и р-канальный МОП-транзисторы имеют различную полярность управляющих напряжений. В Electronics Workbench имеется 8 типов МОП-транзисторов: 4 типа МОП-транзисторов со встроенным каналом, 4 типа МОП-транзисторов с индуцированным каналом.

МОП-транзистор со встроенным каналом (Depletion MOSFETs)

Подобно полевым транзисторам с управляющим р-n переходом (JFET), МОП-транзистор со встроенным каналом состоит из протяженной области полупроводника, называемой каналом. Для р-канального транзистора эта область является полупроводником р-типа, для n-канального транзистора - n-типа. Металлический затвор МОП-транзистора изолирован от канала тонким слоем двуокиси кремния так, что ток затвора во время работы пренебрежимо мал. Ток стока n-канального транзистора определяется напряжением затвор-исток. С увеличением этого напряжения ток увеличивается, с уменьшением напряжения – уменьшается. При значении напряжения затвор-исток Vgs (off) канал полностью обеднен, и ток от истока к стоку прекращается. Напряжение Vgs (off) называется напряжением отсечки. С другой стороны, чем более положительно напряжение затвор-исток, тем больше размер канала, что приводит к увеличению тока. Р-канальный транзистор работает аналогично, но при противоположных полярностях напряжения.

МОП-транзисторы с индуцированным каналом

Эти МОП-транзисторы не имеют физического канала между истоком и стоком, как МОП-транзисторы со встроенным каналом. Вместо этого область проводимости может расширяться на весь слой двуокиси кремния. МОП-транзистор с индуцированным каналом работает только при положительном напряжении исток-затвор. Положительное напряжение исток-затвор, превышающее минимальное пороговое значение (Vto), создает инверсионный слой в области проводимости, смежной со слоем двуокиси кремния. Проводимость этого индуцированного канала увеличивается при увеличении положительного напряжения затвор-исток. МОП-транзисторы с индуцированным каналом используются преимущественно в цифровых схемах и схемах с высокой степенью интеграции (БИС).

Цифровые элементы

Цифровые элементы программы представлены следующими группами: индикаторы, логические элементы, узлы комбинационного типа, узлы последовательностного типа, гибридные элементы.

Индикаторы

Каждый из семи выводов индикатора управляет соответствующим сегментом, от а до g. В таблице функционирования приведены комбинации логических уровней, которые нужно установить на входе индикатора, чтобы на его дисплее получить изображения шестнадцатиричных цифр от 0 до F.

Обозначение сегментов семисегментного индикатора и таблица функционирования приведены ниже:

Таблица функционирования

Дешифрирующий семисегментный индикатор служит для отображения на своем дисплее шестнадцатеричных чисел от 0 до F, задаваемых состоянием на входе индикатора. Соответствие состояний на выводах изображаемому символу приведено в таблице функционирования.

Таблица функционирования

Пробник определяет логический уровень (0 или 1) в конкретной точке схемы. Если исследуемая точка имеет уровень логической 1, индикатор загорается красным цветом. Уровень логического нуля свечением не отмечается. С помощью команды Value в меню Circuit можно изменить цвет свечения пробника.

Зуммер применяется для звуковой сигнализации о превышении подводимого к нему напряжения. Встроенный в компьютер динамик издает звук заданной частоты, если напряжение превышает пороговое значение. С помощью команды Value в меню Circuit можно задать пороговое напряжение и частоту звукового сигнала.

Логические элементы

Electronics Workbench содержит полный набор логических элементов и позволяет задавать их основные характеристики, в том числе тип элемента: ТТЛ или КМОП. Число входов логических элементов схем можно установить в пределах от 2 до 8, но выход элемента может быть только один.

Элемент логическое НЕ или инвертор изменяет состояние входного сигнала на противоположное. Уровень логической 1 появляется на его выходе, когда на входе 0.

Таблица истинности

Выражения Булевой алгебры:

Элемент И реализует функцию логического умножения. Уровень логической 1 на его выходе появляется в случае, когда на один и на другой вход подается уровень логической единицы .

Таблица истинности

Выражения Булевой алгебры:

Элемент ИЛИ реализует функцию логического сложения. Уровень логической 1 на его выходе появляется в случае, когда на один или на другой вход подается уровень логической единицы.

Таблица истинности

Выражения Булевой алгебры:

Двоичное число на выходе элемента исключающее ИЛИ является младшим разрядом суммы двоичных чисел на его входах.

Таблица истинности

Выражения Булевой алгебры:

Элемент И-НЕ реализует функцию логического умножения с последующей инверсией результата. Он представляется моделью из последовательно включенных элементов И и НЕ. Таблица истинности элемента получается из таблицы истинности элемента И путем инверсии результата.
Таблица истинности

Выражения Булевой алгебры:

Элемент ИЛИ-НЕ реализует функцию логического сложения с последующей инверсией результата. Он представляется моделью из последовательно включенных элементов ИЛИ и НЕ. Его таблица истинности получается из таблицы истинности элемента ИЛИ путем инверсии результата.

Таблица истинности

Выражения Булевой алгебры:

Данный элемент реализует функцию "исключающее ИЛИ" с последующей инверсией результата. Он представляется моделью из двух последовательно соединенных элементов: исключающее ИЛИ и НЕ.
Таблица истинности

Выражения Булевой алгебры:

Буфер служит для подачи больших токов в нагрузку. Данный буфер является неинвертирующим.

Таблица истинности

Установку типа буфера можно произвести с помощью команды Model в меню Circuit (CTRL+ M). При использовании ТТЛ элемента в качестве буфера необходимо выбрать модель буфера LS-BUF или LS-OC-BUF (Open Collector - открытый коллектор). Если в качестве буфера применяется КМОП элемент, следует выбрать модель HC-BUF, либо HC-OD-BUF (Open Drain -открытый сток). Если тип буфера не выбран, то буфер ведет себя как обычный цифровой элемент с малой нагрузочной способностью.

Буфер с тремя состояниями имеет дополнительный разрешающий вход (enable input). Если на разрешающем входе высокий потенциал, то элемент функционирует по таблице истинности обыкновенного буфера, если низкий, то независимо от сигнала на входе выход перейдет в состояние с высоким импедансом. В этом состоянии буфер не пропускает сигналы, поступающие на вход.

Установка режима работы производится так же, как и для обычного буфера.

Поиск по сайту: