Program symulacyjny:

Transkrypt

1 2012 Program symulacyjny: Electronic Circuit Simulator J.D.C.J Niniejszy dokument poświęcony jest programowi symulacyjnemu Electronic Circuit Simulator, który w łatwy i prosty sposób pozwala na symulowanie obwodów elektrycznych/elektronicznych. Moim zdaniem jest to pośrednia forma pomiędzy oprogramowaniem Electronics Workbench, a PSpice. Dalsze treści poświęcone będą obsłudze, konfiguracji parametrów i ogólnym jego użytkowaniu.

2 1. Co to jest symulacja? W celu wyjaśnienia pojęcia symulacji, musimy zdefiniować także pojęcie modelu. Model jest to system założeń, pojęć i zależności między nimi pozwalający opisać w dużym stopniu przybliżenia jakiś aspekt rzeczywistości. Modele najczęściej wyrażane są językiem matematyki, językiem ścisłym, który pozwala na doświadczalne jego sprawdzenie. Modelowanie z użyciem komputera nazwalibyśmy Komputerowym wspomaganiem prac inżynierskich. Powróćmy jednak do pojęcia symulacji. Symulacja jest to przybliżone odtworzenie jakiegoś zjawiska lub zachowania danego obiektu za pomocą modelu. Im modelowi bliżej do rzeczywistości, tym symulacja staje się bardziej realna. Pojęcie to jest użyteczne we wszystkich dziedzinach nauki i techniki. Oczywiście, stosowanie symulacji ma swoje plusy i minusy. Musimy potrafić określić, jak bardzo wyniki symulacji mogą różnić się od rzeczywistości. W początkowych etapach nauki elektroniki, jest to rzecz niezastąpiona ratuje życie wielu elementom elektronicznym, a czasami nawet życie samego użytkownika. 2. Wstęp do Electronic Circuit Simulator Program został napisany przez Paula Falstada z użyciem języka Java, jednego z najbardziej przenośnych języków programowania. Pozwala to na jego uruchomienie na każdym komputerze, z dowolnym systemem operacyjnym. Możemy pobrać go ze strony: Klikając na odnośnik Zip archive of this applet rozpoczniemy pobieranie archiwum. Rozpakowujemy je i uruchamiamy program podwójnym kliknięciem na plik circuit.jar. Naszym oczom ukazał się interfejs programu z przykładowym schematem obwodu RLC. Pod paskiem tytułu w rozwijanych menu, znajdujemy kolejno opcje: a) File (Plik) >Import, Eksport, Eksportuj do linku. b) Edit (Edycja) > Opcje edycji wycinanie, wklejanie, kopiowanie. c) Scope (Oscyloskop) > Pokaż/nie pokazuj wykresów wszystkich sond oscyloskopu dostępnych w danym obwodzie d) Options (Opcje) > Estetyka, pokazywanie prądu, napięcia na wykresach, standaryzacja rezystorów, konwencjonalnego przepływu prądu e) Circuits (Obwody) > Dosyć spory wybór przykładowych obwodów opisujących podstawowe zjawiska elektryczne, zachowanie elementów R, L, C, tranzystorów, wzmacniaczy operacyjnych, źródeł oraz układów logicznych W kolumnie po prawej stronie mamy do dyspozycji suwaki ustalające prędkość symulacji oraz prędkość przepływu prądu. Dostrzeżemy również przycisk Reset oraz Stop. Już na pierwszy rzut oka rzuca nam się wyższość nad starym poczciwym Electronics Workbench. Oscyloskop nareszcie pokazuje przebiegi jak powinien, wszystkie dane elementu widzimy po najechaniu na niego myszką, a na wyświetlaczach oscyloskopu możemy zaobserwować także podstawowe parametry otrzymanego przebiegu. Bez problemu zaobserwujemy także działanie układów całkujących, gdzie w Electronics Workbench było to sporym problemem. Dla początkujących elektroników, tudzież

3 pierwszoklasistów klas elektrycznych czy też elektronicznych czymś wspaniałym jest kierunek przepływającego prądu oraz polaryzacja napięcia. Wszystko to zawiera się w folderze, który waży troszkę ponad jeden megabajt. Oczywiście jednak, oprogramowanie bez wad nie istnieje do działania mamy ograniczony obszar, jednak na całą pierwszą i drugą klasę technikum wystarczy on do analizowania obwodów elektronicznych. Po oswojeniu się z programem, łatwością konstruowania, nic nie stoi na przeszkodzie by spróbować swoich sił z fenomenalnym, ale trudnym w obsłudze oprogramowaniem SPICE, który wymaga ustawień i korekty niemalże wszystkich parametrów danego elementu elektronicznego. W przypadku inżyniera, oczywistym jest, że nie będzie on korzystał z naszego malutkiego symulatora, ale sięgnie po potężne narzędzie, które umożliwi mu uzyskanie pełnowymiarowej analizy czasowej czy też częstotliwościowej danego układu. Chciałbym wskazać tenże program jaką pewną alternatywę dla momentami topornego Electronics Workbench, który to doprowadzał mnie do szewskiej pasji, średnio co drugie uruchomienie, a nie zamiennik kombajnu, który jest jednak nieadekwatny do podstawy programowej technikum. 3. Analizujemy pierwsze układy Najważniejszą pozytywną cechą programu jest jego obrazowość oraz intuicyjność. Z pewnością można by go wplatać w materiał lekcyjny jako obraz dla zjawisk elektrycznych, z których niektóre ciężko opisać, czy chociażby zobrazować na tablicy. Klikając lewym przyciskiem myszki na rozwijane menu Circuits wybierzmy ostatnią propozycje Blank Circuit. Klikając prawym przyciskiem na dowolne miejsce czarnego pola otworzy się nam kolejne rozwijane menu zawierające wykaz dostępnych elementów elektronicznych. Kolejno: a) Wire ścieżka, połączenie między elementami. b) Resistor rezystor. c) Passive components elementy elektroniczne bierne. d) Inputs/outputs źródła oraz wejścia/wyjścia (do sondy oscyloskopu, do próbnika logicznego). e) Active components elementy elektroniczne aktywne. f) Logic gates bramki logiczne. g) Chips układy scalone. h) Other inne (między innymi opis układu). Zajmiemy się, na pierwszy ogień być może trudnym układem dla dopiero co wchodzących do technikum osób, lecz będzie on niesamowicie obrazowy i będzie ukazywał wyższość tegoż miniaturowego programu (oczywiście w zastosowaniach amatorskich, podkreślam po raz kolejny) nad Electronics Workbench. Można by to zrobić chociażby doświadczalnie rozrysować schemat na kartce, komuś kto z elektroniką nie miał wcześniej nic wspólnego zrobić dwuminutowy wstęp do zagadnienia z jakim będzie miał do czynienia a on analitycznie, wręcz intuicyjnie określi co dzieje się w danym obwodzie elektrycznym/elektronicznym.

4 a) Przykład 1 - Wzmacniacz sumujący (zakładka Op-amps > Amplifiers > Summing amplifier). Do wejścia odwracającego wzmacniacza podłączono dwa generatory sygnałów, jeden z nich generuje sygnał prostokątny o częstotliwości 20Hz (napięcie międzyszczytowe 2V), a drugi generuje sygnał sinusoidalny o częstotliwości 200Hz (napięcie międzyszczytowe 5V). Wejście to sprzężone jest z wyjściem poprzez rezystor 1kΩ. Wejście nieodwracające połączone jest z masą. Jak z pewnością nietrudno się domyślić, na wyjściu otrzymamy sumę tych napięć, jednakże obarczoną pewnym błędem ze względu na rzeczywiste parametry wzmacniacza operacyjnego. b) Przykład 2 - Detektor napięcia międzyszczytowego (zakładka Op-amps > Peak detector). Na wejście nieodwracające pierwszego wzmacniacza operacyjnego podano dwa sygnały sinusoidalne o częstotliwości 40Hz i 110Hz, nie przesunięte w fazie, jeden o napięciu międzyszczytowym 3V, a drugi o napięciu międzyszczytowym 5V. Jak łatwo się domyślić napięcie międzyszczytowe obu sygnałów wyniesie 8V, a na wyjściu ostatniego wzmacniacza operacyjnego, który wejście odwracające ma sprzężone z wyjściem otrzymamy właśnie nasz wynik, jednak który występuje w funkcji czasu jako prosta prostopadła do osi iksów, czyli napięcie stałe. Do czego możemy to wykorzystać? Do określenia napięcia międzyszczytowego sygnału, mając do dyspozycji sygnał wzorcowy o znanym napięciu międzyszczytowym, w przypadku ewentualnego braku lub uszkodzenia oscyloskopu. Oczywiście, rzeczywiste wzmacniacze nie mają nieograniczenie dobrych parametrów pracy, stąd istotne błędy pomiarowe oraz szereg innych niedogodności które pozwolę sobie w tym przypadku przemilczeć. c) Przykład 3 - Dynamiczna pamięć RAM (zakładka Sequential Logic > Dynamic RAM). Wejścia oznaczone nazwą row select są wejściami adresowymi i oznaczają lokacje komórki pamięci, a wejścia: Write umożliwia zapis, Data jest wejściem danych, a Refresh odświeża komórki pamięci, które ze względu na upływność kondensatora tracą zapisane w nich dane. Prostymi bramkami logicznymi sterujemy docelowe tranzystory MOSFET, które sterują przepływem prądu do kondensatorów. d) Przykład 4 - krzywe Lissajous (zakładka Other Passive Circuits > Lissajous figures). Krzywe Lissajous opisują między innymi zależności pomiędzy częstotliwościami obu sygnałów. Do sondy oscyloskopowej podłączono kilka generatorów o różnych częstotliwościach oraz ustawiono w nich tryb Plot X/Y. Jeśli częstotliwości generatorów są równe, a generatory są zsynchronizowane oraz przesunięcie fazowe wynosi, na ekranie oscyloskopu otrzymamy okrąg. W innych wypadkach będą to właśnie krzywe Lissajous. e) Przykład 5 Wzmacniacz całkujący (zakładka Op-amps > Integrator). Do wejść różnicowych wzmacniacza podłączono dwa generatory przebiegu prostokątnego o częstotliwościach 40Hz, 80Hz. Wejścia sprzężono z wyjściem poprzez kondensator 5,8uF. Na wyjściu otrzymujemy scałkowany sygnał wejściowy dwóch generatorów prostokątnych o napięciu międzyszczytowym równym 10,77V. Odpowiednich wzorów, które służą do rozliczania pewnych wartości, takich jak napięcie wyjściowe wzmacniacza operacyjnego, czy chociażby stosunek krzywych Lissajous oraz kąt przesunięcia fazowego można zasięgnąć w literaturze fachowej, z pewnością nie mam zamiaru ich tutaj przytaczać, ponieważ praca miała traktować o symulatorze obwodów. Proszę mi w takim razie, postarać się na szybko zrobić któryś z przykładów w standardowym symulatorze Electronics Workbench. Postawię konia z kopytami, temu kto zrobi to tak szybko w tymże symulatorze, a tuzin

5 takich koni temu, kto zrobi coś takiego w PSpice oczywiście bez wcześniejszego kontaktu z programem ad hoc. Tutaj nasz symulator jest górą na jego korzyść przemawia przede wszystkim intuicyjna obsługa oraz mała waga moim skromnym zdaniem zawiera on wszystko co potrzeba do symulacji podstawowych obwodów (wzorcowych) z elektrotechniki/elektroniki. Przypominam także o tym, że ostatnią wersję oprogramowania Java pobierzemy ze strony: