Краткое руководство по использованию

 

 

Редактор Г.В. Никитина

Подписано в печать 03.05.2006. Формат 60х84/16. Бумага документная.

Печать офсетная. Усл. печ. л. 3,75. Тираж 300 экз. Заказ № 4

Балтийский государственный технический университет

Типография БГТУ

190005, С.-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1

СИСТЕМА МОДЕЛИРОВАНИЯ И

АНАЛИЗА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ MULTISIM

Методические указания к виртуальной лабораторной работе

по курсу «Теоретические основы электротехники»

для студентов специальности 140211 «Электроснабжение»

Составитель В. Н. Матвеев

 

Рассмотрены и утверждены

на заседании кафедры

Протокол № 4 от 27.12.2007

 

Рекомендованы к печати

учебно-методической комиссией

по специальности 140211

Протокол № 2 от 14.01.2008

 

Электронная копия находится

в библиотеке главного корпуса

ГУ КузГТУ

 

Кемерово 2008

Требования при выполнении лабораторных работ

При подготовке к выполнению лабораторной работы необходимо:

изучить теоретический материал, соответствующий заданной работе;

подготовить бланк отчета на листах формата А4, содержащий название работы, цель лабораторной работы, а также электрические схемы и таблицы;

запомнить порядок выполнения работы;

понять назначение требуемых замеров и опытов.

Каждая работа выполняется бригадой из 1-2 человек. После получения у преподавателя допуска к работе необходимо, включив компьютер и открыв файл с требуемой лабораторной работой, подать напряжение на схему виртуальным тумблером и выполнить необходимые эксперименты. После завершения работы нужно представить опытные данные на проверку преподавателю и снять напряжение со схемы.

Отчет о проделанной работе составляется каждым студентом и должен быть защищен.

 

Изменения в виртуальной схеме,

ее сохранение не допускаются!

 

 

Краткое руководство по использованию

программы Multisim

Программа Multisim,предназначенная для моделирования и анализа электрических схем, содержит набор идеальных и реальных компонентов, из которых при одновременном использовании клавиатуры и мыши на рабочем поле собираются аналоговые, цифровые и цифроаналоговые схемы различной степени сложности. Виртуальные компоненты представляются идеальной моделью, не учитывающей мощностные характеристики.

В основном окне программы расположены поле меню и два поля инструментов с пиктограммами: на горизонтальное поле слева выведены пиктограммы для отдельных классов компонентов, на вертикальное поле справа – пиктограммы приборов.

При построении и редактировании схем выполняются следующие операции:

1) выбор компонента из библиотеки компонентов;

2) выбор прибора;

3) установка значений компонентов;

4) соединение компонентов проводниками.

Рассмотрим перечисленные операции.

1. Щелчком левой кнопки мыши на одной из пиктограмм полей компонентов с условным изображением требуемого компонента открывается соответствующее окно с перечнем элементов, из которого выбирается нужный элемент.

Полей компонентов – 12: источники (sources), базовые элементы (basic), диоды, в том числе диодные выпрямители, стабилитроны, тиристоры (diodes), транзисторы (transistors), аналоговые микросхемы (analog), цифровые микросхемы (TTL и CMOS), процессоры и микросхемы памяти (misc digital), индикаторы (indicators), реле и двигатели (electro mechanical) и др.

В таблице приведены обозначения часто используемых компонентов в программе Miltisim, в том числе отличающиеся от принятых в России обозначений.

В курсе «Теоретические основы электротехники» понадобятся источники постоянной и переменной ЭДС (тока), для которых задаются значения постоянной ЭДС (тока) или действующего значения ЭДС (тока) – root mean square (RMS), а также его частота и начальная фаза. Кроме того, в поле источников имеются источники ЭДС (тока), управляемые напряжением (током), и трехфазные источники. Любая схема с источником обязательно должна иметь заземление – ground.

В поле базовых элементов расположены постоянные и переменные (управляемые клавишами клавиатуры) резисторы (resistor), конденсаторы постоянной и переменной емкости (capasitor), в том числе оксидные, катушки с постоянной и переменной индуктивностями (inductor), трансформаторы (transformer), различные управляемые ключи (switch).

 

Таблица

 

Наименование компонента	Обозначение компонента	Параметры компонента
Идеальный источник постоянной ЭДС V 2		В
Идеальный источник постоянного тока I 2		A
Идеальный источник гармонической ЭДС V 1		В, Гц,
Идеальный источник гармонического тока I 1		A, Гц,
Источник ЭДС, управляемый напряжением (ИНУН) V 6		Коэффициент передачи
Источник ЭДС, управляемый током (ИНУТ) V 5		Коэффициент передачи Ом
Источник тока, управляемый током (ИТУТ) I 3		Коэффициент передачи
Источник тока, управляемый напряжением (ИТУН) I 4		Коэффициент передачи 1/Ом
Генератор тактовых импульсов V 7		В, кГц
Трехфазный генератор, соединенный по схеме «звезда» V 4		В, Гц

 

Продолжение табл.

 

Трехфазный генератор, соединенный по схеме «треугольник» V 3		В, Гц
Резистор R 1		Активное сопротивление кОм
Переменный резистор R 2 регулируемый клавишей А (английский язык)		Максимальное активное сопротивление кОм
Конденсатор переменной емкости С 1, регулируемой клавишей А (английский язык)		Максимальная емкость С = 1 мкФ
Оксидный конденсатор постоянной емкости С 2		Емкость С = 0,1 мкФ (реальный компонент)
Катушка переменной индуктивности L 1		Максимальная индуктивность L =1 мГн
Воздушный трансформатор Т 1		Параметры обмоток задаются в диалоговом окне
Логический инвертор U 1 A		Микросхема 74 LS 05 D (реальный компонент)
Умножитель А 2 входных сигналов X и Y		Передаточный коэффициент равен 1
Ключ J 1, управляемый током		Замыкание контактов происходит при токе 1 mA
Ключ J 2, управляемый напряжением		Замыкание контактов происходит при напряжении 1 мВ
Ключ S 1		Замыкание и размыкание контактов происходит при нажатии клавиши Space

Продолжение табл.

 

Ключ S 2		Размыкание и замыкание контактов происходит при нажатии клавиши Space
Ключ S 3		Переключение контактов происходит при нажатии клавиши Space
Предохранитель U 1		Максимальный ток 1 А
Трехфазный асинхронный двигатель S 6		__
Двигатель постоянного тока S 7		__

 

Управление величиной одного из параметров базовых элементов производится нажатием выбранной клавиши, например, Space: увеличение величины параметра - при нажатии Space, уменьшение при одновременном нажатии Shift и Space.

2. Простейшими приборами являются амперметр (ammeter) и вольтметр (voltmeter), расположенные в поле индикаторов.

Они не нуждаются в настройке и автоматически изменяют диапазон измерений. Для простейших приборов указывается лишь вид измеряемого напряжения или тока и внутреннее сопротивление.

Кроме этого на панели приборов имеется ряд приборов с многочисленными режимами работы: мультиметр, ваттметр, осциллограф, Боде-плоттер (графопостроитель), функциональный генератор и др.

Мультиметр ( Multimeter ) используется для измерения постоянного и переменного напряжения (тока), сопротивления, уровня напряжения в децибелах. При двойном щелчке по уменьшенному изображению открывается изображение передней панели мультиметра с кнопками управления, позволяющими изменять род работы прибора.

Ваттметр ( Wattmeter ), показанный на рис. 1, измеряет активную мощность и коэффициент мощности.

Данный прибор не нуждается в настройке и автоматически изменяет предел измерения.

Осциллограф ( Oscilloscope ), лицевая панель которого и пример схемы включения показаны на рис. 2, представляет собой программу, имитирующую двухлучевой запоминающий осциллограф.

 

 

Рис. 1

 

 

Рис. 2

 

На схеме осциллографа имеются четыре зажима:

верхний правый вывод – общий;

нижний правый вывод – вход синхронизации;

левый нижний вывод – вход канала А;

правый нижний вывод - вход канала В.

При двойном щелчке по уменьшенному изображению открывается изображение передней панели осциллографа с кнопками управления и экраном.

Панель управления разделена на четыре поля управления:

поле управления горизонтальной разверткой (масштабом времени) - поле Timebase;

поле управления каналом А;

поле управления каналом В;

поле управления синхронизацией (запуском).

Временной масштаб задается в с/дел., мс/дел., мкс/дел., нс/дел. (s/Div, ms/Div, us/Div, ns/Div). При нажатии на кнопку Y/T по вертикальной оси откладывается напряжение, по горизонтальной оси – время. При нажатии на кнопку A/B по вертикальной оси откладывается напряжение на входе А, по горизонтальной оси – напряжение канала В, при нажатии на кнопку В/А - наоборот.

В режиме Add сигналы по обоим каналам суммируются.

Поля управления каналами содержат регуляторы масштаба напряжения, регуляторы сдвига оси Х по вертикальной оси. При нажатии на кнопку АС на вход не пропускается постоянная составляющая сигнала, при нажатии на кнопку DC на вход пропускаются как постоянная, так и переменная составляющие, при нажатии на кнопку «0» вход осциллографа соединяется с его общим выводом (для определения положения нулевой отметки по оси Y).

Панель Trigger в поле управления синхронизацией определяет момент начала отображения осциллограммы. Кнопки в строке Edge задают момент запуска осциллограммы по фронту или по срезу импульса на входе синхронизации. Поле Level позволяет задать уровень, при превышении которого происходит запуск осциллографа.

В режиме Auto запуск осциллографа производится автоматически при включении схемы, в режимах запуска по входу А или В запускающим является сигнал, поступающий на соответствующий вход. В режиме Ext сигналом запуска является внешний сигнал, подаваемый на вход синхронизации.

На экране осциллографа расположены два курсора, имеющие управляющие точки в виде треугольников разного цвета в их верхней части. Курсоры можно перемещать по горизонтальной оси мышью или с помощью кнопок Т 1 и Т 2. Для измерения мгновенных значений напряжений в любых точках осциллограммы необходимо переместить курсоры в требуемые положения.

Под экраном осциллографа расположены три информационных табло, на которые выводятся результаты измерений. Непосредственно под экраном находится линейка прокрутки, позволяющая наблюдать любой временной отрезок процесса от момента включения до момента выключения.

На табло выводятся временная отметка с соответствующими координатами пересечения первого и второго курсоров с осциллограммами, а также значения разности между координатами первого и второго курсоров.

Результаты измерений можно записать в файл, для чего необходимо нажать кнопку Save и в диалоговом окне ввести имя файла.

Боде-плоттер ( Bode-Plotter ), пример включения которого показан на рис. 3, используется для получения амплитудно-частотных (АЧХ) и фазочастотных (ФЧХ) характеристик схемы, т.е. измеряет отношение амплитуд сигналов в двух точках схемы и фазовый сдвиг между ними.

Прибор имеет два входных (in) и два выходных (out) зажима.

Для измерения отношения амплитуд или фазового сдвига нужно подключить положительные выводы входов in и out (левые выводы) к исследуемым точкам, а два других вывода заземлить. Для получения АЧХ следует нажать кнопку Magnitude, для получения ФЧХ – кнопку Phase.

По осям величины можно откладывать либо в логарифмическом масштабе (Log), либо в линейном (Lin).

 

 

 

Рис. 3

 

Функциональный генератор ( Function Generator ) является идеальным источником напряжения, вырабатывающим сигналы синусоидальной, прямоугольной или треугольной форм.

Генератор имеет три выходных вывода: общий, положительной и отрицательной полярности.

Для генератора задаются: частота выходного напряжения, скважность, амплитуда и постоянная составляющая выходного напряжения.

 

3. Установка значений параметров виртуальных компонентов производится в диалоговом окне свойств компонента, которое открывается при двойном щелчке мыши на изображении компонента.

Расширенное изображение прибора появляется на рабочем поле после двойного щелчка мыши по его уменьшенному изображению.

4. Для соединения выводов компонентов проводниками необходимо подвести курсор к выводу одного из компонентов. Нажав и не отпуская левую кнопку мыши, переместите курсор к выводу компонента, с которым необходимо соединиться.

Для подключения прибора к схеме следует вывести его на рабочее поле, щелкнув мышью на пиктограмме и «вытянув» прибор. Затем прибор включается в схему как обычный компонент.

Для вставки в схему дополнительных компонентов его следует переместить мышью на проводник и отпустить кнопку мыши. При этом компонент будет вставлен в цепь.

Для включения схемы необходимо нажать кнопку Run (F 5), для отключения схемы произвести повторное нажатие на эту кнопку. При нажатии на кнопку F 6 происходит остановка процесса с сохранением всех данных, полученных на момент прерывания. Повторное нажатие на кнопку F 6 приводит к возобновлению процесса в цепи.

3. Порядок выполнения работы

1. Откройте общее поле программы Multisim щелчком левой кнопки мыши на пиктограмме данной программы.

2. Последовательно открывая поля компонентов, ознакомьтесь с условными изображениями компонентов и операциями с ними.

3. Ознакомьтесь с приборами, расположенными на панели приборов.

4. Произведите сборку произвольной схемы, подключив к ней приборы и выполнив измерения без записи в отчете по лабораторной работе.

5. Откройте файл 1.1 со схемой, приведенной на рис. 4, и произведите замеры при изменении сопротивлений цепи.

6. Откройте файл 1.2 со схемой, приведенной на рис. 5, и произведите замеры при изменении сопротивлений цепи.

 

Рис. 4 Рис. 5

 

7. Откройте файл 1.3 со схемой, приведенной на рис. 6, и, включив амперметры в цепь, произведите три замера при изменении сопротивлений цепи.

 

 

 

Рис. 6

Контрольные вопросы

1. Перечислите все известные Вам типы источников энергии, имеющиеся в программе Multisim.

2. Чему равно внутреннее сопротивление реального источника ЭДС и как его определить?

3. Чему равно внутреннее сопротивление реального источника тока и как его определить?

4.Чем отличаются реальные источники энергии от идеальных?

5. Как осуществить эквивалентное преобразование реального источника ЭДС в реальный источник тока и обратное преобразование?

6. Изобразите внешние характеристики источников энергии.

7. Перечислите все известные Вам типы приемников энергии, имеющиеся в программе Multisim.

8. Перечислите все известные Вам приборы, имеющиеся в программе Multisim.

9. Как собираются электрические схемы в программе Multisim?

Список рекомендуемой литературы

1. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях/ под ред. Д. И. Панфилова. Т. 1. – Москва: Изд-во МЭИ, 2004.– 302 с.

2. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. – М.: Гардарики, 2000.- 638 с.

3. Курехин В. В., Матвеев В. Н. Лекции по теоретическим основам электротехники: Учебник. Ч.1. / Кузбас. гос. техн. ун-т. – Кемерово, 2000. – 132 с.

 

Составитель

 

Виктор Николаевич Матвеев