Приложение А - Измерительные приборы Multisim 7

Для измерения силы тока применяют амперметры, миллиамперметры или микроамперметры в зависимости от того, каков порядок измеряемой величины.

Измерение напряжения производится при помощи вольтметров и милливольтметров.

Чтобы измерить силу тока в цепи, нужно пропустить через измерительный прибор весь ток, поэтому амперметр включается в цепь последовательно. Сопротивление амперметра должно быть очень незначительным. Если бы амперметр имел большое сопротивление, то включение его в электрическую цепь повлекло бы за собой уменьшение силы тока в этой цепи (рисунок А) и, как следствие, неправильные показания прибора.

Рисунок А Измерение электрического тока при помощи амперметра

 

Вольтметры включаются параллельно той части цепи, где необходимо определить напряжение. Для того, чтобы вольтметр не повлиял на распределение токов и падение напряжений в отдельных участках измеряемой цепи, его сопротивление должно быть значительно больше, чем сопротивление измеряемой цепи (рисунок Б).

Рисунок Б Измерение напряжение при помощи вольтметра.

Последнее замечание вытекает из правила определения эквивалентного сопротивления двух параллельно соединенных резисторов. Если бы сопротивление вольтметра было равно сопротивлению, на котором измеряется падение напряжения, то общее эквивалентное сопротивление равнялось бы

. (А)

Последнее равенство показывает, что включение вольтметра параллельно сопротивлению равносильно уменьшению величины этого сопротивления вдвое. А так как величина сопротивления изменилась, то, соответственно, изменится и величина падения напряжения на нем. Следовательно, чтобы вольтметр не вносил погрешность в измерения, его сопротивление должно быть гораздо выше сопротивления, на котором измеряется падение напряжения. На рисунке Б, например, = 1 МОм, а = 1 кОм. Подставьте значения этих сопротивлений в формулу А и найдите величину эквивалентного сопротивления. Как видите, оно не сильно отличается от 1 кОм.

В Multisim 7 имеется панель виртуальных измерительных приборов (рисунок В).

Рисунок В Панель виртуальных измерительных приборов

 

Как видно из рисунка В, данная панель состоит аж из четырех видов амперметров и вольтметров. Они различаются полярностью подключения и расположением внешних выводов. На рисунке Г показаны правильные варианты включения этих приборов в электрическую цепь. Если, например, амперметр показывает отрицательную величину, то это значит, что ток течет в противоположном направлении и следует изменить полярность включения прибора на противоположную (напомним, что электрический ток течет от плюсового вывода источника питания к минусовому). Из рисунка Га видно, что электрический ток течет по ходу часовой стрелки. Поэтому и амперметр включен в цепь так, что ток входит в «плюсовой» вывод и выходит из «минусового» (что соответствует направлению движения электрических зарядов в проводнике).

Рисунок Г Включение вольтметров и амперметров в электрическую цепь

 

Вольтметр включается в электрическую цепь аналогичным образом. На рисунке Гб он подключен «минусовым» выводом к выводу резистору, который имеет отрицательный потенциал, а «плюсовым» выводом к выводу резистора, который имеет положительный потенциал.

Следует отметить то, что амперметры и вольтметры могут измерять как постоянные токи и напряжения, так и переменные. Для того, чтобы выбрать вид измерения прибора необходимо два раза щелкнуть левой кнопкой мыши на его изображении. Появится диалоговое окно, показанное на рисунке Д. В выпадающем списке Режим (Mode) можно выбрать измерение постоянного напряжения (пункт DC) или переменного напряжения (пункт AC). Как видно из рисунка Д, в этом же диалоговом окне можно установить величину внутреннего сопротивления вольтметра. Помните о том, что его величина должна быть гораздо больше номинала того сопротивления, на котором измеряется падение напряжения.

В панели виртуальных измерительных приборов нам осталось изучить только Пробный индикатор (Probe). Этот измерительный прибор представляет из себя лампочку, которая начинает светиться если к ней приложено напряжение 2,5 В и более (рисунок Е). Его можно использовать в качестве прибора, который будет «отслеживать» величину меняющегося напряжения. Если оно превысит 2,5 В, лампочка загорится, если нет, то лампочка гореть не будет. Т.е. этот прибор не предназначен для отображения точного значения измеряемого напряжения, а лишь регистрирует определенный уровень. Кстати, величину напряжения, при котором пробник начинает светиться, можно изменить. Для этого нужно дважды щелкнуть на его изображении левой кнопкой мыши и изменить значение в пункте Пороговое напряжение (Threshold Voltage).

Рисунок Д Диалоговое окно настройки вольтметра

 

Рисунок Е Использование пробного индикатора для отслеживания величины напряжения

Кроме панели виртуальных измерительных приборов в Multisim имеется широкий спектр других, более функциональных, измерительных приборов. Все они находятся на панели Инструментов (Instruments Toolbar), показанной на рисунке Ж. Мы не будем изучать принцип работы и назначение всех приборов данной панели, а остановимся лишь на тех, которые могут понадобиться Вам при выполнении лабораторных работ.

Рисунок Ж Панель Инструментов (Instruments Toolbar)

 

1. Мультиметр (Multimeter) является универсальным измерительным прибором, который объединяет в себе функции амперметра, вольтметра и омметра (рисунок З).

Рисунок З Электрическая схема с мультиметром.

 

Чтобы использовать мультиметр, например, в режиме амперметр, измеряющего постоянный ток, необходимо в его настройках нажать кнопку А и выбрать режим «Постоянного тока».

Кроме вышесказанного, при помощи мультиметра можно сравнивать величины напряжений. При этом на дисплее будет показан результат в дБ (дециБелл). Формула, по которой производится сравнение, приведена ниже.

. (Б)

Рисунок И Сравнение напряжений с помощью мультиметра

 

При этом величина задается в настройках мультиметра (рисунок Й), а значение получаем измерением. В нашем случае - это величина падения напряжения на резисторе . Чтобы открыть диалоговое окно настроек мультиметра необходимо нажать на кнопку Установка… (Set…).

Рисунок Й Диалоговое окно настроек мультиметра

 

Как видно из рисунка Й, в данном диалоговом окне можно также указать величину внутреннего сопротивления амперметра, вольтметра и другие настройки, которые для нас несущественны.

Итак, что же показывает наш мультиметр в режиме сравнения? Величина равна 1 В, а найдем применив закон Ома (рисунок И). Мы не будем расписывать здесь процесс нахождения значения , так как он достаточно тривиален, а лишь укажем, что =10 В. Подставив найденные значения в формулу Б, найдем выходную величину в дБ.

дБ.

Как видите, результат полностью совпадает с тем, что показывает мультиметр. В Multisim есть еще один вид мультиметра – виртуальный 3D-мультиметр фирмы Agilent (рисунок К). Принцип его работы такой же как и у вышерассмотренной модели. А отличие в том, что он является моделью реального измерительного прибора и поэтому имеет некоторые дополнительные функциональные возможности. Впрочем для выполнения лабораторных работ они Вам не понадобятся и рассматриваться здесь не будут.

Рисунок К Виртуальный 3D-мультиметр фирмы Agilent

 

2. Осциллограф (Oscilloscope) используется для визуального наблюдения, измерения и регистрации формы и параметров электрических сигналов в широком диапазоне частот. В библиотеке Multisim есть три вида осциллографов: 2х и 4х канальный осциллограф и виртуальный осциллограф фирмы Agilent (рисунок К). Последний прибор может работать как с аналоговыми (непрерывными), так и с цифровыми сигналами. Кроме того, виртуальный 3D-осциллограф позволяет сохранять исследуемый сигнал в файл. Если Вам интересно узнать все о данном приборе, то советуем Вам обратиться к файлу помощи, а лучше в Интернет. Мы же остановимся на том, что из себя представляет обычный двухканальный осциллограф.

Рисунок К Виртуальный осциллограф фирмы Agilent

 

Итак, виртуальный двухканальный осциллограф является аналогом двухканального запоминающего электронно-лучевого осциллографа и позволяет исследовать и непосредственно наблюдать процессы изменения исследуемой величины на экране монитора. Как и у всех измерительных приборов Multisim настройки двухканального осциллографа задаются при помощи диалогового окна прибора (рисунок Л).

 

Рисунок Л Двухканальный осциллограф

Как мы уже говорили, данный осциллограф имеет два канала, которые обозначены А и В (на рисунке они отмечены надписью «Сигнал»). На лицевой панели прибора находятся еще два внешних разъема: G (ground) – земля, который, при проведении исследований, необходимо заземлить, и Т (trigger) – внешняя синхронизация. Если при выполнении лабораторных работ Вы будете использовать осциллограф, то вывод внешней синхронизации можно оставить не подключенным.

Управление масштабом времени осуществляется с помощью поля Временные настройки (Timebase) на лицевой панели в нижнем левом углу диалогового окна. Если щелкнуть по белому полю Масштаб (Scale) (на рисунке Л в нем установлено значение 10 ms/Div – миллисекунд на деление), то в его правой части появляются две клавиши, которые позволяют установить любую градацию времени в с/Дел (s/Div), мс/Дел (ms/Div), нс/Дел (ns/Div). При этом цена одного деления шкалы време­ни будет изменяться от одной секунды до одной десятой наносекунды (нс). Окно Координата Х (X position) позволяет перемещать начало координат осцил­лограммы вдоль горизонтальной оси.

Управление входами А и Восуществляется с помощью опций Канал А (Channel А) и Канал В (Channel В), соответственно. На рисунке Л, например, цена деления канала А равна 5 В/Дел (V/Div). Окно Координата Y (Y position), аналогично опции Координата Х, позволяет перемещать начало координат для заданного входа вдоль оси Y.

Клавиши АС и DC в этих блоках определяют режимы входов каналов. При нажатой клавише АС на вход не пропускается постоянная составляющая сигнала, а проходит переменная. При нажатии на клавишу DC на вход осциллографа пропускается как постоянная, так и переменная составляющие сигнала.

Наконец, блок Синхронизация (Trigger) предназначен для синхронизации входного сигнала с внутренним или внешним сигналом. Другими словами, определяет момент начала разворачивания осциллограммы на экране прибора. Существует четыре режима синхронизации: Авто (Auto), режим А, режим В и внешняя синхронизация (Ext).

При включении клавиш А или B запускающим является соответствующий сигнал. При включении внешней синхронизации Extзапускающим является сигнал, подаваемый на вход синхронизации T. Клавиша Sign обеспечивает однократную развертку осциллограммы с фиксированием значений величин на курсорах1 и 2, клавиша Nor — повторную развертку после некоторой вы­держки времени. Клавиши Edge обеспечивают разворачивание осциллограммы по переднему или по заднему фронту сигнала. Клавиша Level позволяет задавать уровень, после превышения которого начинается запуск осциллограммы. Наконец, клавиша Reverse позволяет получить черный экран и белые линии. Клавиша Save обеспечивает сохранение (запоминание) той или иной осциллограммы.

Пример электрической схемы, содержащей двухканальный осциллограф, показан на рисунке М.

Рисунок М Электрическая схема с осциллографом