|
|
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Содержание Лабораторная работа №1 Визуальное моделирование последовательной электрической цепи Лабораторная работа №2 Визуальное моделирование смешанной электрической цепи Лабораторная работа №3 Визуальное моделирование электрической цепи с тремя параллельными ветвями Лабораторная работа №4 Моделирование электрических цепей с синусоидальным источником напряжения Лабораторная работа №5 Моделирование последовательной электрической цепи с синусоидальным источником напряжения Лабораторная работа №6 Моделирование параллельной электрической цепи с синусоидальным источником напряжения Основные положения Для анализа электромагнитных процессов в энергетических системах широко применяются PSpice - технологии, например программа визуального моделирования Micro-Cap V, порядок работы с которой рассмотрен ниже. Запуск управляющей оболочки производится установкой пакета MICRO - CAP V и запуском исполняемого файла MC5.EXE. Для запуска этой программы необходимо войти в меню Пуск - Программы - Micro-Cap V - Micro-Cap V или нажатием ярлыка на рабочем столе. После вызова программы MC5 на экране появится основное окно программы (рисунок 1). |
|
Рисунок 1 |
|
После того как появилось рабочее окно программы, в верхней строке которого мы увидим меню команд (рисунок 1). Ниже расположена панель инструментов. Пространство на белом фоном ниже панели инструментов называется рабочей областью или окно редактора схем. Системное меню или меню команд является главным меню пакета MICRO - CAP V. Оно содержит следующие разделы File, Edit, Component, Windows, Options, Analysis, Help. Системное меню. Первый раздел в меню команд называется File. В этом разделе мы можем сохранить схему, открыть ее, или же создать новую, все это можно сделать, войдя в меню команд File(Файл). Для этого надо подвести курсор мыши к названию раздела File и нажать левую кнопку мыши. После этого появится окно как показано на рисунке 2. Выбор других команд системного меню осуществляется аналогичным образом. Наиболее используемые команды, которые нам потребуются для дальнейшей работы - это New (Новый), Open (Открыть), Save (Сохранить) и Save As…(Сохранить как). |
|
Рисунок 2 |
|
1) Создание новой схемы. Вначале мышкой выбирается режим File. По команде New (Ctrl + N) предлагается сделать выбор (рисунок 3).
Рисунок 3 |
|
Выбираем тип файлов Schematic и нажимаем "кнопку" OK. 2) Загрузка схемы. Для загрузки готовой схемы выбираем команды File - Open (Ctrl +O). В открывшемся окне выбираем каталог C:\MC5\DATA, в котором находятся файлы схем. 3) Сохранение схемы. Для сохранения схемы из активного окна используется команда File - Save (Ctrl + S). Для того чтобы сохранить схему под новым именем, необходимо воспользоваться командой File - Save As… Новое имя схемы должно содержать не более 8 букв и цифр. Имя должно начинаться с буквы. Созданную схему можно редактировать, для этого надо выбрать курсором мыши в меню команд поле Edit (Редактирование) (рисунок 4). После этого в окне появится список команд для редактирования схемы. Для работы нам понадобятся следующие команды: Undo - отменить последнее действие, Cut - вырезать объект, Copy - копировать объект, Paste - вставить последнее копирование, Clear - удалить (очистить). Для выполнения последних четырех команд необходимо предварительно выделить объект, как показано на рисунке 4. Для этого укажите на него курсором и нажмите один раз на левую кнопку мыши. |
|
Рисунок 4 |
|
Для создания схемы необходима библиотека компонентов, с помощью которой выбираются необходимые элементы схемы. Для этого необходимо войти в меню команд и выбрать Component (Компонент), как показано на рисунке 5. В открытом окне представится полный список компонентов, из которых можно выбрать любой необходимый, выбрав его курсором. Затем щелкаем левой кнопкой мыши на выбранный элемент и повторно щелкаем на то место на рабочем столе, куда хотим поместить этот компонент. Более подробное описание компонентов будет рассмотрено ниже. Рисунок 5 |
|
Следующий раздел в командном меню Windows (Окна) позволяет работать с окнами рабочей области. Вид окна Windows показан на рисунке 6.
Рисунок 6 |
|
С помощью этой команды, окна можно расположить каскадом (Cascade), вертикально (Vertical), горизонтально (Horizontal) и в развернутом виде (Maximize). В этом же разделе меню можно, как увеличивать размер схемы на экране (Zoom-In), так и уменьшать (Zoom-Out). Остальные команды данного раздела не понадобятся, поэтому мы их рассматривать не будем. Раздел под названием Options (опции) (рисунок 7) содержит команды выборов режима редактирования и задания различных параметров программы. Основные команды, находящиеся в данном разделе, которые нам понадобятся для дальнейшей работы, вынесены в строку панель инструментов.
Рисунок 7 |
|
Последний пункт меню Analysis содержит перечень режимов моделирования, как показано на рисунке 8: |
|
Рисунок 8 Из представленного меню нам понадобится только пункт Transient Analysis. Поэтому остальные пункты меню Analysis рассматривать не будем. После перехода в режим анализа переходных процессов программа осуществляет проверку правильности составления схемы. При отсутствии ошибок в схеме программа составляет ее топологическое описание, выполняет подготовку к численному расчету переходных процессов и открывает окно задания параметров моделирования Transient Analysis Limits (рисунок 9). |
|
Рисунок 9 |
|
В окне задания параметров расчета переходных процессов, показанном на рисунке 9, имеются следующие разделы: команды, числовые параметры, выражения и опции. Рассмотрим раздел команды, включающий в себя: |
|
Рисунок 10 |
|
1 - Выбор. Отдельный элемент выбирается щелчком мыши; 2 - Добавление компонентов в схему; 3 - Нанесение на схему текстовых надписей; 4 - Ввод ортогональных проводников; 5 - Ввод цепей под произвольным углом; 6 - Рисование графических объектов; 7 - Ввод маркеров для быстрой навигации на схеме; 8 - Вывод информации о параметрах выбранного щелчком мыши компонента с возможностью редактирования; 9 - Вызов текстовой информации о модели компонента; 10 - Отмена последней команды редактирования; 11 - Удаление выбранного объекта и размещение его в буфер обмена; 12 - Копирование выбранного объекта в буфер обмена; 13 - Копирование содержания буфера обмена в текущее окно, точка привязки указывается курсором и отмечается щелчком мыши; 14 - Удаление выбранного объекта без копирования в буфер обмена; 15 - Каскадное расположение открытых окон; 16 - Последовательное расположение открытых окон по вертикали; 17 - Последовательное расположение окон по горизонтали; 18 - Максимизация выбранного окна схем или его иконки; 19 - Копирование фрагмента схемы указанное количество раз. Копирование производится по горизонтали или по вертикали или в обоих направлениях; 20 - Создание зеркального отображения фрагмента схемы; 21 - Вращение фрагмента схемы на 90° против часовой стрелки; 22 - Зеркальное отображение относительно оси Y, расположенной посредине выбранной области; 23 - Зеркальное отображение относительно оси X, расположенной посредине выбранной области; 24 - Поиск в текущем окне схем или текста разнообразных объектов4 25 - Вызов встроенного калькулятора; 26 - Открытие существующего файла; 27 - Сохранение схемы из активного окна с использованием имени и пути; 28 - Восстановление содержания файла текущего окна с диска; 29 - Размещение в окне текста описания моделей компонентов, которые еще не были помещены в него; 30 - Создание текстового файла в формате SPICE 2G или PSpice; 31 - Открытие диалогового окна для изменения назначения цвета разных объектов, шрифтов и других параметров; 32 - Задание глобальных параметров, определяющих режим моделирования; 33 - Увеличение масштаба изображения; 34 - Уменьшение масштаба изображения; 35 - Текстовые надписи; 36 - Позиционные обозначения компонентов; 37 - Номера узлов схемы; 38 - Узловые потенциалы аналоговых узлов в режиме по постоянному току; 39 - Выводы компонентов; 40 - Команды моделирования, размещаемые на схеме; 41 - Курсор в виде перекрестья во весь экран; 42 - Узлы сетки; 43 - Нанесение рамки на чертеж схемы; 44 - Изображение углового штампа. |
|
Рисунок 11 |
|
1.6 Общие положения Новая схема создается по команде File-New (рисунок 1). В результате открывается пустой экран, на котором создается новая схема. Первоначально рекомендуется нажатием на пиктограмму (рисунок 10, поз.42) нанести на экран координатную сетку для упрощения построения схемы. Шаг сетки 0,1 дюйма или 2.5 мм. Перед добавлением элемента в схему его нужно выбрать в меню Component, как показано на рисунке 5. Выбранный компонент размещается на схеме щелчком мыши. Нажатую кнопку мыши не нужно отпускать, пока компонент перемещением курсора не будет размещен в нужное место схемы. Компонент поворачивается на 90° нажатием правой кнопки (до отпускания левой кнопки). Фиксация компонента на схеме выполняется отпусканием кнопки мыши. Пассивные компоненты выбираются в меню Component - Passive Components -Resistor, Capacitor, Inductor (Резистор, Конденсатор, Индуктивность). После ввода в схему компонента появляется диалоговое окно атрибутов, как показано на рисунке 12. Простейшие компоненты, такие как резистор, конденсатор, индуктивность, источник постоянного напряжения и т.п., имеют минимальный набор атрибутов, к которым относятся позиционное обозначение PART (например, R1, R2, RC, C1) и номинальное значение параметра VALUE с указанием единиц измерения (например, 2.2к, 100pF, 15u). Ввод номинальных значений осуществляется в строке Value. |
|
Количество атрибутов определяется типом компонента. Каждый атрибут имеет свое имя (Name) и значение (Value).В списке атрибутов курсором выбирается нужный атрибут и в строках Name, Value вводится его имя и значение. С помощью панелей управления Display задается видимость имени и значения атрибута на схеме. Большинство компонентов (за исключением простейших - типа резистора, конденсатора, индуктивности, источника постоянного напряжения и т.п.) имеют атрибут имени модели MODEL, как показано на рисунке 13. Режим ввода соединительных проводников включается щелчком мыши по пиктограмме (рисунок 10, поз.4) или выбором команды Options-Mode-Wire или нажатием комбинации клавиш Ctrl+W. Начало проводника отмечается щелчком мыши на выводе компонента. Не отпуская левую клавишу мыши, наносят проводник на чертеж. Отпускание клавиши фиксирует завершение соединения. |
|
Рисунок 13 |
|
Ввод проводников под произвольным углом выполняется в режиме Options-Mode-WireD или нажатием на пиктограмму (рисунок 10, поз. 5). На схему могут быть нанесены текстовые надписи двух типов. Во-первых, это атрибуты отдельных компонентов. Во-вторых, это имена цепей и описания моделей компонентов, а также любые произвольные текстовые комментарии. Нанесение текстовых надписей второго типа производится в режиме Options-Mode-Text, активизируемом также нажатием комбинации клавиш Ctrl+T или щелчком мыши по пиктограмме (рисунок 10, поз.3). Курсор помещается в точку схемы, где должен начинаться текст и нажимается левая клавиша мыши. Текст заносится в открывающемся окне, завершение его ввода производится клавишей Enter. Высвечивание текстовых надписей выполняется нажатием пиктограммы (рисунок 10, поз.35). Для редактирования схемы и текстовых надписей нужно перейти в режим выбора нажатием пиктограммы (рисунок 10, поз.1) и дважды щелкнуть мышью на выбранном элементе или тексте. В Micro-Cap V приняты следующие обозначения степени: F фемто 1015 P пико 1012 N нано 109 U микро 106 m милли 103 K кило 103 MEG мега 106 G гига 109 T тера 1012 Например, 1 мА = 0,001 А = 1 m. 1.7 Методические рекомендации В первую очередь необходимо установить элементы схемы на рабочем поле. Для этого с помощью курсора мыши входим в меню Component - Wave-form sources - V, выбираем источник постоянного напряжения V1 и устанавливаем в рабочее окно. Записываем в него требуемое номинальное значение. Аналогичным образом выбираются активные сопротивления R1 и R2. Для этого входим в меню Component - Analog Primitives - Passive Components - Resistor, выбираем его и также устанавливаем на рабочем поле. Задайте первоначальное значение сопротивления R2 равным 1Ом. После чего необходимо соединить все элементы в одну последовательную цепь. Это выполняется так как описано в разделе Общие положения. Необходимым условием работы любой схемы, созданной в данном пакете, является наличие заземления. Заземление устанавливается с помощью команды меню Component - Analog Primitives - Connectors - Ground. Чтобы выполнить указанные выше задания необходимо воспользоваться функцией анализа переходных процессов. Выбираем в командном меню Analysis - Transient Analysis (рисунок 9). В открывшемся окне Transient Analysis Limits вводим следующие параметры: а) V2 - падение напряжения на сопротивлении R2; б) I(R2) - ток через сопротивление R2; в) V(R2)*I(R2) - выделяемая мощность на сопротивлении R2; Нажимаем кнопку Run. Для того чтобы мы могли одновременно увидеть окно схемы и окно построенного графика необходимо нажать на пиктограмму (рисунок 10, поз16). На экране появится окно, показанное на Рисунке 14. Для определения значения сопротивления R2, при котором выделяемая на нем мощность будет максимальной, необходимо воспользоваться командой Stepping в окне Transient Analysis Limits. Данная команда позволяет задавать диапазон изменения номинального значения соответствующего параметра, т.е. строятся кривые переходных процессов при различных номинальных значениях. |
|
Рисунок 14 |
|
При выборе команды Stepping появляется новое окно, показанное на рисунке 15.
Рисунок 15 |
|
В появившемся на экране окне появятся следующие поля: Для повторного входа в режим задания параметров элемента необходимо войти в меню Transient - Stepping. После того как задали все поля, нажимаем кнопку OK и запускаем рабочую
программу нажатием на кнопку |
|
Рисунок 16 |
|
Данная схема состоит из последовательно соединенных источников питания, постоянной ЭДС Е = 1В и активных сопротивлений R3 и R1. Параллельно R1 подключено сопротивление R2. При этом сопротивление R3 = 0,1 Ом и R1 = 100 Ом не изменяются в процессе моделирования. 2.3.2 Определите: Список допустимых номиналов включает в себя диапазон изменения сопротивления от 40 до 60 Ом. Шаг изменения сопротивления 10 Ом. Графики зависимостей токов построить на одном графике, а выделяемые мощности на сопротивлениях на другом. Ввод параметров в окне Transient Analysis Limits и окне Transient - Stepping выполняется также как в примере описанном выше. 2.4 Требования к отчету Отчет должен содержать: 2.5 Контрольные вопросы 2.5.1 По какой команде осуществляется создание новой схемы? 2.5.2 С помощью какой команды окна можно расположить каскадом? 2.5.3 Как выполняется анализ переходных процессов? 2.5.4 Какая команда в меню или пиктограмма на панели инструментов строит ортогональные линии? 2.5.5 Чему равен шаг координатной сетки? |
|
Рисунок 17 |
|
Данная схема состоит из, последовательно соединенных, постоянной ЭДС Е = 1В и активных сопротивлений R4 и R1. Параллельно R1 подключены сопротивления R2 и R3. При этом сопротивление R4 = 0,1 Ом, R1 = 100 Ом и R3 = 70 Ом не изменяются в процессе моделирования 3.3.2 Определите: Список допустимых номиналов включает в себя диапазон изменения сопротивления от 40 до 60 Ом. Шаг изменения сопротивления 10 Ом. График напряжения на сопротивлении R2 построить на одном графике, графики зависимостей токов построить на втором графике, а выделяемую мощность на сопротивлении на третьем. 3.4 Требования к отчету Отчет должен содержать: 3.5 Контрольные вопросы 3.5.1 По какой команде осуществляется загрузка созданной схемы? 3.5.2 С помощью какой команды окна можно расположить вертикально? 3.5.3 Как выполняется анализ частотных характеристик? 3.5.4 Какая команда в меню или пиктограмма на панели инструментов осуществляет ввод цепей под произвольным углом? 3.5.5 По какой команде в меню осуществляется выбор источника постоянного напряжения? 3.5.6 Какая команда в меню или пиктограмма на панели инструментов уменьшает масштаб изображения? |
|
а) |
|
б) |
|
в) Рисунок 18 |
|
Для задания частоты и амплитуды источника синусоидального напряжения выбираем команду меню Windows - View Text/Drawing Areas. В рабочем поле появится текстовое окно с моделью синусоидального источника. В скобках заданы частота напряжения F и амплитуда напряжения A. 4.3.3 Для схемы представленной на рисунке 17, а) определите: Постройте на одном графике напряжение на конденсаторе С1, на втором графике ток на конденсаторе С1, на третьем выделяемую мощность на нем. Диапазон изменения емкости конденсатора С1: 5u - 15u с шагом 5u. 4.3.4 Для схемы представленной на рисунке 17, б) определите: Постройте на одном графике напряжение на индуктивности L1, на втором графике ток на индуктивности L1, на третьем выделяемую мощность на нем. Диапазон изменения индуктивности L1: 5u - 15u с шагом 5u. 4.3.5 Для схемы представленной на рисунке 17, в) определите: Постройте на одном графике напряжение на сопротивлении R1, на втором графике ток на сопротивлении, на третьем выделяемую мощность на нем. Диапазон изменения сопротивления R1: 90 - 100 Ом с шагом 10Ом. 4.4 Требования к отчету Отчет должен содержать: 4.5 Контрольные вопросы 4.5.1 По какой команде осуществляется сохранение схемы? 4.5.2 С помощью какой команды окна можно расположить горизонтально? 4.5.3 Как выполняется анализ передаточных характеристик? 4.5.4 Какая команда в меню или пиктограмма на панели инструментов осуществляет нанесение на схему текстовых надписей? 4.5.5 Как осуществляется вращение выбранного элемента? |
|
Рисунок 19 |
|
Данная схема состоит из последовательно включенных источника синусоидальной ЭДС с амплитудой сигналаравной 5 В и частотой 50 Гц, резистора, катушки индуктивности и конденсатора. Начальные значения: Определите влияние параметров пассивных элементов на угол сдвига фаз между напряжением и током. Для определения влияния параметров пассивных элементов на угол сдвига фаз необходимо воспользоваться командой Stepping. Диапазон изменения активного сопротивления R1: 5 - 15 с шагом 5. Диапазон изменения индуктивности L1: 90m - 110m с шагом 10m. Диапазон изменения емкости конденсатора С1: 0.5m - 1.5m с шагом 0.5m. Постройте на одном графике напряжение на сопротивлении R1 и ток на R1, на втором графике ток на сопротивлении R1 и напряжение на индуктивности L1, на третьем ток на сопротивлении R1 и напряжение на емкости C1. 5.4 Требования к отчету Отчет должен содержать: 5.5 Контрольные вопросы 5.5.1 По какой команде осуществляется сохранение схемы? 5.5.2 С помощью какой команды окна можно представить в развернутом виде? 5.5.3 По какой команде в меню осуществляется выбор активного сопротивления? 5.5.4 Какая команда в меню или пиктограмма на панели инструментов осуществляет выбор встроенного калькулятора? 5.5.5 По какой команде в меню осуществляется выбор источника синусоидального напряжения? |
|
Рисунок 20 |
|
|
на панели
инструментов или клавишу F2. На графиках покажется семейство кривых при различных значениях параметра.
