. Предисловие

Данная книга является методическим пособием к лабораторным работам по электротехнике и электронике. Для моделирования реальных электрических схем и происходящих в них процессов используется программа Multisim 7. Благодаря расширенной, по сравнению с Electronics Workbench 5, библиотеке электронных компонентов, данная программа может применяться для исследования широкого спектра электрических схем (как аналоговых, так и цифровых).

Методическое пособие может использоваться студентами в ходе всего курса изучения данной дисциплины. Каждая глава посвящается выполнению отдельной лабораторной работы. В начале приводятся краткие теоретические сведения, основные определения и формулы. Затем студенту предлагается закрепить полученные знания на практике - в конце каждой главы приводится перечень индивидуальных заданий и контрольных вопросов. В результате выполнения лабораторных работ сту­денты должны приобрести умения и навыки по сбор­ке и исследованию электрических це­пей постоянного и переменного тока, измерениям электрических величин и научиться пользоваться стандартными измерительными приборами. Тема­тика лабораторных работ соответствует содержанию основных разделов курса электротехники, изучаемого в высших технических учебных заведениях (неэлектротехнические специальности).

По убеждению авторов, программное обеспечение, моделирующее работу электрических схем, должно использоваться только для проверки расчетов. Поэтому при выполнении лабораторной работы студенту сначала предлагается задание, которые необходимо рассчитать вручную, а затем смоделировать его в программе Multisim 7 и сравнить результаты (ведь без расчетов вручную невозможно убедиться в правильности моделирования Multisim).

Материал излагается последовательно, начиная с основ электротехники (понятие тока и напряжения, закон Ома и законы Кирхгофа) и заканчивая разработкой и исследованием схем на основе операционных усилителей (инвертирующий и неинвертирующий усилители, фильтры низких и высоких частот, мультивибраторы и т.д.). Авторы придерживаются мнения, что для того, чтобы овладеть знаниями, нужно не просто усвоить определенную сумму теоретических знаний, а необходимо научиться применять их на практике при решении конкретных задач, связанных с выбором того или иного элемента, той или иной схемы. Нужно научиться использовать хотя бы основные формулы и законы электротехники, проводить простейшие измерения и расчеты электрических схем, понять физическую сущность происходящих в них явлений и процессов. Надеемся, что данное методическое пособие поможет Вам в достижении вышеуказанных целей и станет отправным пунктом в увлекательный мир электротехники и электроники.

Введение

Материал данной главы не относится к выполнению какой-то конкретной лабораторной работы. Во введении мы решили рассказать о правилах пользования программой Multisim и о том, какие возможности она представляет. В книге использовано большое количество терминов, связанных с работой операционной системы Windows. Основные из них приведены на рисунке 1.

Рисунок 1 Основные термины Multisim 7

Для запуска программы нужно перевести курсор на ярлык Multisim (показан слева) и дважды щелкнуть на его изображении левой кнопкой мыши. На экране монитора появится окно, показанное на рисунке 1.

Рассмотрим состав и назначение элементов пользовательского окна Multisim.

В верхней части экрана расположена панель ниспадающих меню: Файл (File), Правка (Edit), Вид (View), Вставка (Place), Действие (Simulate), Обмен (Transfer), Инструменты (Tools), Опции (Options), Окно (Window), Помощь (Help). Мы не будем подробно рассматривать назначение каждой из опций вышеуказанных меню, потому что их назначение стандартно для многих Windows-приложений, а остановимся лишь на тех, которые понадобятся при выполнении лабораторных работ.

В выпадающем меню Файл находятся следующие пункты: Новый (New) – позволяет создать новый проект, Открыть (Open) – открывает уже созданный файл, Сохранить как… (Save as…) – сохраняет рабочий проект на жестком диске или другом носителе информации.

Меню Правка содержит такие опции как Отменить действие (Undo - Redo) – позволяет вернуться к предыдущему (кнопка Undo) или к последующему шагу разработки схемы (кнопка Redo), Вырезать (Cut), Копировать (Copy), Вставить (Paste) – позволяет удалять, копировать и вставлять выделенные фрагменты графического кода программы. Важными настройками данного меню являются кнопки изменения пространственного положения объекта (кнопки поворота) – Горизонтальный поворот (Flip Horizontal), Вертикальный поворот (Flip Vertical), Поворот на по часовой стрелке (90Clockwise), Поворот на против часовой стрелки (90CounterCW). Следует отметить, что данные настройки дублируются при вызове контекстного меню объекта (щелчок правой кнопкой мыши на исследуемом элементе). Иллюстрацией к применению последних четырех опций служит таблица 1.

В меню Вид находятся настройки, позволяющие увеличивать и уменьшать рабочее поле проекта (кнопки Zoom), панели инструментов (Toolbars), а также опция «Сетки» (Grid).

Для выполнения лабораторных работ Вам потребуются две опции из меню Вставка – Текст (Text) и Графики (Graphics). Первая предназначена для вывода текстовой информации в рабочее поле проекта Multisim 7, вторая – для выполнения графических работ. Например, с помощью инструментов палитры Графики можно нарисовать какую-нибудь таблицу, а с помощью опции Текст – сделать соответствующие пояснения.

Таблица 1 Применение кнопок поворота

Начальное положение	Flip Horizontal	Flip Vertical	90 Clockwise	90 CounterCW

Меню Действие содержит кнопку Запуск (Run), которая предназначена для включения/выключения моделируемого устройства и выпадающую опцию Инструменты (Instruments), в которой находятся модели доступных измерительных приборов (мультиметр, осциллограф, генератор функций, ваттметр и т.д.).

Под панелью ниспадающих меню располагается Стандартная панель (Standard Toolbar), которая в многом дублирует функциональность панели ниспадающих меню (рисунок 2). На этом же рисунке показаны «быстрые клавиши». Например, чтобы сохранить проект нужно выбрать иконку с соответствующим изображением, а можно нажать комбинацию клавиш Ctrl+S – результат будет одним и тем же.

Рисунок 2 Стандартная панель Multisim

Следующей рассматриваемой нами панелью Multisim будет панель Компоненты (Component toolbar), показанная на рисунке 3. Данная панель является основной при выполнении лабораторных работ, поэтому уделите ее изучению особое внимание.

Рисунок 3 Элементы панели Компоненты

Если щелкнуть левой кнопкой мыши на одной из иконок данной панели (кроме последних четырех), то появится диалоговое окно (рисунок 4).

Рисунок 4 Диалоговое окно панели Компоненты

Рассмотрим назначение каждого элемента данного диалогового окна.

Под именем База данных (Database) находится ниспадающее меню, которое содержит список из двух названий - Настройки Multisim (Multisim master) и Пользовательские настройки (User). Данные настройки позволяют Вам использовать модели электронных компонентов, созданные программистами фирмы-производителя Multisim или выбирать собственные, заранее созданные виртуальные компоненты. Для выполнения лабораторных работ Вам понадобятся устройства первой группы. Следовательно, в данном текстовом поле нужно выбрать Настройки Multisim.

Под именем Группа (Group) содержится вложенный список электронных компонентов, которые можно использовать при создании электрической схемы. Так как данное методическое пособие предназначено для выполнения лабораторных работ по основам электротехники и электроники, то Вам потребуется лишь небольшая часть указанных элементов, каких – будет рассказано позже.

Далее, чтобы облегчить понимание материала рассмотрим следующий пример. Допустим, нам нужно выбрать из базы данных Multisim электронную модель резистора (что это такое мы расскажем позже, а пока следуйте приведенным инструкциям). Для выполнения поставленной задачи необходимо выполнить следующие действия.

В опции База данных (Database) выберите Настройки Multisim (Multisim master). Далее, в списке Группа (Group) выберите Основные компоненты (Basic). В текстовом поле Семейство (Family) появится список с множеством названий. Мы не будем рассматривать назначение каждого имени списка (т.к. это выходит за рамки данного пособия), а лишь укажем, что необходимо выбрать категорию Основные виртуальные элементы (Basic Virtual) (рисунок 5).

Рисунок 5 Выбор компонента электрической схемы

Итак, Вы выбрали опцию Основные виртуальные элементы (Basic Virtual). Справа от колонки Семейство (Family) появился текстовое поле с названием Компонент (Component), в котором располагается выделенный (активный) элемент схемы. Выбирать эти элементы можно в окне, которое находится сразу под полем Компонент (Component). Напомним, что нам нужно выбрать из этого списка обычный резистор. Данный объект обозначен как Виртуальный резистор (Virtual resistor).

Здесь необходимо остановиться и отметить вот какую деталь. Незнакомый с программой, но имеющий некоторые знания в области электроники, читатель мог заметить, что уже в списке Семейство (Family) есть категория с названием Резистор (Resistor). Так зачем же мы находим еще какие-то виртуальные компоненты и выбираем из них виртуальный резистор? Ответ таков. В базе данных электронных компонентов Multisim есть модели как реальных устройств (например, микросхем или тех же самых резисторов), так и идеальных (чтобы не отходить о терминологии принятой в программе, будем называть их виртуальными). Под идеальным компонентом будем понимать устройство, электрические параметры которого, с физической точки зрения, идеальны. То есть они не зависят от температуры окружающей среды, временных задержек и прочих особенностей. В наших лабораторных работах мы будем использовать только идеальные компоненты. Следует также отметить, что реальный аналог какого-либо электрического устройства, помещенный в рабочее поле программы, обозначается синим цветом, а идеальный (т.е. виртуальный) – черным.

Вернемся к нашему заданию. Установив курсор мыши на названии элемента, в верхнем поле Компонент (Component) появилось его название (см. рисунок 5), что свидетельствует о правильности выбора. В соседнем поле Символ ANSI (Symbol ANSI) отображается условное графическое изображение объекта в соответствии со стандартом ANSI. В поле Функция (Function) указываются функциональные свойства элемента.

Чтобы поместить выбранный виртуальный резистор в рабочее поле программы, нужно нажать клавишу «ОК» диалогового окна. После чего курсор мыши будет иметь вид стрелки и пиктограммы объекта. После этого, левым щелчком мыши укажите месторасположения элемента в рабочем поле Multisim. Аналогичным образом можно выбирать и другие компоненты библиотеки Multisim.

Последней панелью инструментов, которую мы рассмотрим, будет панель Виртуальных инструментов (Virtual Toolbar) (рисунок 6).

Рисунок 6 Панель виртуальных инструментов

Иконки, показанные на рисунке 6, предназначены для быстрого доступа к распространенным элементам электрических схем (резисторы, конденсаторы, источники напряжения и тока, операционные усилители и т.д.). Некоторые из них, Вы можете использовать при выполнении лабораторных работ. Только не забывайте о том, что мы применяем идеальные компоненты (черного, а не синего цвета).

Если нажать левой кнопкой мыши на соответствующем изображении (иконке), то появится вложенная библиотека компонентов. На рисунке 6 показаны все вложенные библиотеки панели Виртуальных инструментов.

Среди вложенных библиотек данного меню следует выделить библиотеку 3D компонентов (3D Component Bar). Одним из достоинств данной версии Multisim является возможность 3D-моделирования, что позволяет студенту, так сказать, «увидеть» реальное устройство (рисунок 7).

Рисунок 7 Библиотека 3D-компонентов.

Выше были перечислены и описаны необходимые меню и палитры Multisim 7. При работе с программой возможны ситуации, когда пользователь может по неаккуратности удалить одну или несколько указанных меню. Для того, чтобы исправить ситуацию необходимо выбрать Вид (View) » Панели (Toolbar) и пометить необходимые настройки галочкой. Если это не исправит ситуацию, то обратитесь к преподавателю или справочной системе программы, выбрав меню Помощь (Help).

Будем считать, что вы научились размещать электронные компоненты в рабочем поле программы. Теперь пойдем дальше и научимся строить реальные, работающие схемы. В качестве примера построим модель простейшей электрической цепи, состоящей из источника энергии, двух резисторов и измерительных приборов (рисунок 8).

Рисунок 8 Модель электрической цепи

Как известно, любая электрическая схема не может обходиться без источника электрической энергии. Поэтому построение модели начнем с размещения в рабочем поле источника постоянного напряжения (на рисунке 8 обозначен «V1»). Наведите курсор мыши на изображение панели Компоненты (см. рисунок 3) и найдите иконку с надписью Источник (Source). Нажмите левой кнопкой мыши на соответствующем изображении. На экране монитора появится диалоговое окно выбора компонентов (рисунок 9). Если в текстовом поле Группа (Group) указано название Источники (Sources), то все выполнено правильно и можно продолжить построение схемы. Список Семейство (Family) содержит набор разнообразных источников электрической энергии, в котором следует выбрать пункт Источники энергии (Power Sources). Далее, в списке Компонент (Component) выберите Источник постоянного напряжения (DC_Power) и нажмите кнопку «ОК». После выполнения указанных выше действий курсор мыши примет вид стрелки и графического изображения выбранного компонента (т.е. источника постоянного напряжения). Чтобы разместить данный элемент в рабочем поле Multisim, нажмите левую кнопку мыши на свободном месте экрана монитора.

Рисунок 9 Выбор источника напряжения

По умолчанию, источник постоянного напряжения имеет напряжение на своих зажимах, равное двенадцать вольт. Для изменения значения напряжения источника питания необходимо два раза щелкнуть левой кнопкой мыши на его изображении – появится диалоговое окно (рисунок 10). Вообще, чтобы изменить или установить какие-либо параметры практически любого виртуального компонента (с реальными компонентами так не получится), необходимо дважды щелкнуть на его изображении левой кнопкой мыши и в появившемся диалоговом окне выполнить заданные действия.

Например, для того, чтобы установить напряжение источника равным пяти вольтам, необходимо в пункте Значение (Value) » Напряжение (Voltage) изменить значение 12 на 5. В соседнем окне можно изменять порядок значений напряжения (вольт, милливольт, киловольт и т.д.).

Рисунок 10 Диалоговое окно настройки параметров источника постоянного напряжения

Следует отметить, что источник постоянного напряжения можно было вызвать при помощи панели Виртуальных инструментов (см. рисунок 6), что гораздо быстрее. После того, как Вы разместили в рабочем поле источник напряжения необходимо выбрать заземление.

Далее знаком “»” обозначается последовательность действий, которые нужно выполнить, чтобы решить поставленную задачу.

Итак, чтобы выбрать заземление, необходимо выполнить следующие действия: панель Компонент (Component) » Источник (Source) » список Источники энергии (Power Sources) окна Семейство (Family) » список Компонент (Component) » Земля (Ground) » кнопка ОК » указать необходимое местоположение элемента.

Если Вы все сделали правильно, то в рабочем поле Multisim находятся источник постоянного напряжения и заземление. Далее, выполняя аналогичную последовательность действий, расположите в рабочем поле два резистора, амперметр и вольтметр (рисунок 11). При этом, постарайтесь сами изменить сопротивление одного из них с 1кОм на 10кОм (подсказка, щелкните дважды левой кнопкой мыши на его изображении, выберите вкладку Значение (Value) » Сопротивление (Resistance) и введите нужное значение). Таблица 2 поясняет последовательность операций, которые необходимо выполнить, чтобы получить схему, показанную на рисунке 8.

Как видно, рисунок 11 представляет из себя набор электрических компонентов и не имеет какого-либо смысла (за исключением, может быть общеобразовательного – на начальных этапах довольно трудно запомнить, как обозначается тот или иной электронный компонент на электрической схеме).

Рисунок 11 Разработка модели электрической цепи

Чтобы создать модель электрической схемы, показанной на рисунке 8, нужно определенным образом соединить указанные выше компоненты.

Таблица 2 Расположение виртуальных компонентов в рабочем поле Multisim.

Компонент	Изображение	Последовательность действий
Источник постоянного напряжения		панель Компонент (Component)» Источник (Source) » список Источники энергии (Power Sources) окна Семейство (Family) » список Компонент (Component) » ИПН (DC_Power) » кнопка ОК
Земля		панель Компонент (Component) » Источник (Source) » список Источники энергии (Power Sources) окна Семейство (Family) » список Компонент (Component) » Земля (Ground)
Резистор		панель Компонент (Component) » Основные элементы (Basic) » список Основные виртуальные компоненты (Basic_Virtual) окна Семейство (Family) » список Компонент (Component) » Виртуальный резистор (Resistor_Virtual)
Амперметр		панель Компонент (Component) » Индикаторы (Indicators) » список Амперметр (Ammeter) окна Семейство (Family) » список Компонент (Component) » Амперметр горизонтальный (Ammeter_H)
Вольтметр		панель Компонент (Component) » Индикаторы (Indicators) » список Вольтметр (Voltmeter) окна Семейство (Family) » список Компонент (Component) » Вольтметр вертикальный (Voltmeter_V)

Примечание: ИПН – источник постоянного напряжения

Для того, чтобы разместить указанные выше компоненты в рабочем поле программы можно также воспользоваться панелью Виртуальных компонентов.

Рассмотрим процесс соединения электронных компонентов на примере резистора 10кОм и вольтметра. Для того, чтобы соединить между собой два элемента схемы и повернуть какой-либо объект схемы относительно другого, необходимо выполнить следующие действия (рисунок 12).

1. Поместить компоненты в рабочее поле Multisim (рисунок 12а). Для выполнения этой задачи необходимо выполнить действия, указанные в таблице 2.

2. Повернуть резистор на угол по часовой стрелке. Для этого необходимо вызвать контекстное меню резистора, нажав правую кнопку мыши на изображении элемента, и выбрать пункт Поворот на по часовой стрелке (90 Clockwise). Если все сделано правильно, фрагмент схемы примет вид, показанный на рисунке 12б.

3. Соединить резистор и вольтметр между собой. Для этого необходимо указать курсором на один из выводов резистора (рисунок 12в). Курсор мыши примет вид черной точки. После этого, нажмите левую кнопку мыши, перетащите курсор к плюсовому входу вольтметра и еще раз нажмите эту же кнопку. В результате Multisim соединит вышеуказанные компоненты проводником (на рисунке проводник показан красным цветом).

а)
б)
в)

Рисунок 12 Соединение и изменение положения компонентов схемы

Часто бывает необходимо изменить пространственное положение элемента (например, для того, чтобы сделать схему более наглядной и удобочитаемой). Предположим, нам необходимо немного передвинуть вольтметр вниз и вправо. Выделите вольтметр, щелкнув на его изображении левой кнопкой мыши. После чего, с помощью кнопок клавиатуры можно указать направление перемещения.

Соедините все компоненты схемы так, как описано выше. Чтобы запустить модель необходимо нажать кнопку F5 или иконку - Запустить/Остановить процесс (Run/Stop Simulation) - .

При помощи панели инструментов Графика (Graphic Annotation Toolbar) в рабочем поле программы можно сделать текстовые пояснения, нарисовать таблицу или разместить какой-либо рисунок.

В заключении изучения правил пользования программой Multisim 7 рассмотрим назначение некоторых опций контекстного меню. Напомним, что для того, чтобы вызвать контекстное меню необходимо щелкнуть правой кнопкой мыши либо на компоненте схемы, если Вы хотите воспользоваться опциями контекстного меню компонента, либо на свободном месте рабочего поля, если Вы хотите применить настройки «общего» контекстного меню.

Вначале рассмотрим опции контекстного меню компонента, например, уже знакомого нам вольтметра.

Назначение первых шести пунктов должно быть Вам известно по предыдущему материалу. Пункт Цвет… (Color…) позволяет вызвать диалоговое окно, в котором можно изменить цвет электронного компонента. Вообще, если после названия пункта стоит многоточие, то это означает, что с его помощью можно вызвать вложенное диалоговое окно. Пункт Шрифт… (Font…) также содержит вложенное меню, в котором можно указать вид, стиль и размер шрифта, применяемого при описании компонента.

Рассмотрим назначение пунктов «общего» контекстного меню Multisim.

Если из списка контекстного меню выбрать Поместить компонент (Place Component), то появится диалоговое окно панели Компоненты, которое было рассмотрено ранее.

Пункт Поместить соединение (Place Junction) позволяет разместить в рабочем поле программы соединение или «точку» -. Точки применяются для соединения элементов схемы.

Пункт Поместить текст (Place Text) дублирует назначение иконку панели Графика. Т.е. с его помощью в рабочее поле программы можно вставить текстовую информацию.

При помощи остальных пунктов можно настроить внешний вид, установить цветовые характеристики рабочего поля и т.д. Следует отметить, что для быстрого вызова вышеперечисленных опций можно воспользоваться «горячими кнопками», которые указаны справа от названия соответствующего пункта. Вот в принципе и все, что Вам необходимо знать о правилах работы в программе Multisim. Но, это только основа. Далее, при рассмотрении конкретных электрических схем, Вы познакомитесь с более мощными средствами электротехнического моделирования.