Использование программной среды Multisim при изучении дисциплины Электротехника и электроника

Использование программной среды Multisim при изучении дисциплины Электротехника и электроника

Электротехника принадлежит к той области технических наук, в которой процессы познания и развития требуют неразрывной связи теоретического анализа и экспериментальных исследований.

Усилиями многих специалистов персональный компьютер стал основным инструментом в руках человека, который используется для проникновения в тайны природы. Более того, в настоящее время стало очевидно, что дальнейшее изучение электротехники и других наук, возникших на ее основе, практически имеет мало смысла без применения компьютерных технологий.

Изучая дисциплину Основы электротехники для специальности среднего профессионального образования технического профиля 09.02.03 Компьютерные системы и комплексы обучающиеся должны начать осваивать профессиональные компетенции:

ПК 1.1. Выполнять требования технического задания на проектирование цифровых устройств;

ПК 1.2. Разрабатывать схемы цифровых устройств на основе интегральных схем разной степени интеграции;

ПК 1.4. Проводить измерения параметров проектируемых устройств и определять показатели надежности.

Изучение дисциплины Основы электротехники эффективно лишь тогда, когда наряду с овладением основ теории, обучающиеся, в условиях проведения лабораторного эксперимента, знакомятся на практике с работой электрических цепей и устройств, источниками питания, измерительными приборами.

Работа в лаборатории считается одним из важных и обязательных компонентов процесса обучения дисциплине электротехника. Это связано с ее специфическим содержанием, объединившим научные достижения в области изучения физических явлений, главным образом электродинамических, достижения в области математики, измерительной техники, а в современном представлении -  также и информационных технологий.  

Разработка любого электронного устройства сопровождается физическим или математическим моделированием. Физическое моделирование связано с большими материальными затратами, поскольку требуется изготовление макетов и их исследование, которое может быть весьма трудоемким.

Для реализации поставленных технологических целей, таких как разработка и моделирование электрических и электронных цепей, применяются различные технические и программные средства. Наряду с натурными экспериментами в настоящее время широкое распространение получили компьютерное моделирование и анализ схем электронных устройств в программных средах Electronics Workbench, LabVIEW, Multisim, MatLab, Simulink.

Более или менее успешные попытки компьютерного моделирования и проектирования в различных направлениях исследований и разработок предпринимались уже со времени появления вычислительных машин, которые собственно и предназначены для выполнения аналогичных функций. Однако, в известной мере, универсальная и мощная, специализированная применительно к решению задач электротехники и электроники система Electronics Workbench получила распространение только к середине девяностых годов прошедшего столетия. В последующие годы произошло дальнейшее развитие этой плодотворной системы.

Первая версия SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis — симулятор электронных схем общего назначения) была разработана в середине 70-х годов. Она позволяла анализировать линейные и нелинейные цепи во временной области, рассчитывать частотные характеристики линейных цепей. Для анализа линейных резистивных цепей использовался метод узловых напряжений. Библиотека моделей включала модели диода и биполярного транзистора.

Пик исследований по разработке алгоритмов компьютерного анализа  электронных схем пришелся на 70-80 годы XX века. Итогом этих исследований являются современные программы моделирования электронных цепей: PSpice, Micro-CAP, Multisimи многие другие. Большинство из них является модификацией программы схемотехнического моделирования SPICE.

Модели электронных компонентов, разработанные для SPICE, используются в большинстве других программ. Перечисленные программы позволяют рассчитывать режим по постоянному току, переходные процессы при действии входных сигналов различной формы, частотные характеристики, спектральную плотность выходного шума и другие характеристики аналоговых цепей.

Один из лидеров мирового уровня – корпорация National Instruments после присоединения к ней компании Electronics Workbench начала выпуск эффективного программного продукта Multisim, предназначенного для моделирования и разработки электрических и электронных схем, и дополнительных модулей к этому продукту. Данное программное обеспечение может быть успешно использовано, в том числе для обучения студентов электротехнике и электронике, для проектирования электрических и электронных схем, разводки монтажных плат и моделирования микропроцессорных систем.

Возможности создания эквивалентных электрических и электронных схем в программе Multisim достаточно широки, в первую очередь благодаря более объемной встроенной библиотеке компонентов и существованию возможности пополнения этой библиотеки вновь созданными, в том числе и пользователями, элементами с заданными характеристиками.

Среда Multisim позволяет проводить сложные эксперименты, а также позволяет с небольшими затратами труда осуществлять замену компонентов схем, изменять значения их параметров, прогнозировать и отображать результаты моделирования. Студенты, освоившие программу Multisim, имеют возможность самостоятельно пройти все стадии реализации проектов электротехнических устройств и радиоэлектронной аппаратуры от разработки  их схем согласно техническому заданию до тестирования готовой продукции.

 Проектируемые схемы могут быть частично либо полностью протестированы на любом этапе, на основе чего в них могут быть внесены необходимые изменения. Таким образом, число выявленных неисправностей на физическом уровне изготовления устройств и затраты на их устранение будут минимальными.

Кроме традиционного анализа SPICE, Multisim позволят пользователям подключать к схеме виртуальные приборы.

Программа Multisim подразделения Electronics Workbench Group компании National Instruments является одной из наиболее простых и легко осваиваемых программ, содержащих контрольно-измерительные приборы для логического моделирования электрических, электронных схем и цифровых устройств. Особенность данной программы – это наличие в ней контрольно-измерительных приборов, которые по организации управления, характеристикам и внешнему виду максимально приближены к их промышленным аналогам.

Концепция виртуальных инструментов – это простой и быстрый способ увидеть результат с помощью имитации реальных событий.

В библиотеке программы содержится более 16000 электронных компонентов, сопровождаемых аналитическими моделями, пригодными для быстрого моделирования. Большое количество средств анализа и виртуальных приборов делают данную среду удобным инструментом для визуализации многих процессов и явлений, происходящих в электрических устройствах.

Multisim представляет собой программный продукт, позволяющий производить моделирование, тестирование, разработку и отладку электрических и электронных схем. Для работы программного комплекса необходим современный компьютер с операционной средой Windows и приложением Microsoft Office. Multisim  имеет достаточно понятный интерфейс пользователя и прост в обращении. Multisim  содержит в библиотеке большое количество моделей полупроводниковых элементов и других электромеханических устройств, и также позволяет создавать пользователю свои модели.

Multisim - это уникальная возможность разработки схемы, ее тестирования/эмуляции. У такого подхода есть множество преимуществ. Новичкам в Multisim не нужно беспокоиться о сложном синтаксисе SPICE ( Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis - программа эмуляции со встроенным обработчиком схем) и его командах, а у продвинутых пользователей есть возможность настройки всех параметром SPICE.

Благодаря Multisim описание схемы стало как никогда простым и интуитивно понятным. Представление в виде электронной таблицы позволяет одновременно изменять характеристики любого количества элементов: от схемы печатной платы до модели SPICE. Безрежимное редактирование - это наиболее эффективный способ размещения и соединения компонентов. Работать с аналоговыми и цифровыми элементами интуитивно просто и понятно.

Кроме традиционного анализа SPICE, Multisim позволяет пользователям подключать к схеме виртуальные приборы. Концепция виртуальных инструментов - это простой и быстрый способ увидеть результат с помощью имитации реальных событий.

Также в Multisim есть специальные компоненты под названием «интерактивные элементы» (interactive parts), вы можете изменять их во время эмуляции. К интерактивным элементам относятся переключатели, потенциометры, малейшие изменения элемента сразу отражаются в имитации.

При необходимости более сложного анализа Multisim предлагает более 15 различных функций анализа. Некоторые примеры включают использование переменного тока, анализ наиболее неблагоприятных условий и т.д. В Multisim входит Grapher - мощное средство просмотра и анализа данных эмуляции.

Функции описания и тестирования схемы, представленные в Multisim, помогут любому разработчику схем, сэкономят его время и спасут от ошибок на всем пути разработки схемы.

Multisim также поддерживает взаимодействие с LabVIEW и Signal Express, производства National Instruments, для тесной интеграции средств разработки и тестирования.

Кроме традиционного анализа SPICE, Multisim позволят пользователям подключать к схеме виртуальные приборы. Это простой и быстрый способ увидеть результат с помощью имитации реальных событий.

При необходимости более сложного анализа Multisim предлагает различные функции анализа. В Multisim входит Grapher – мощное средство просмотра и анализа данных эмуляции.

Возможность изменения цвета проводников позволяет сделать схему более удобной для восприятия. Можно отображать различными цветами и графики, что очень удобно при одновременном исследовании нескольких зависимостей.

Опыт использования программы в лабораторном практикуме показывает, что для проведения лабораторных работ достаточно двух часов предварительного ознакомления с программой.

Multisim  позволяет проводить исследования электрических и электронных цепей, выполнение которых в реальных условиях является трудоемким процессом.

Multisim - электронная лаборатория, позволяет сделать изучение электрических схем более доступным. Ошибки экспериментатора в реальной лаборатории могут привести к большим материальным потерям, в то время как, работая в Multisim, учащийся застрахован от случайного поражения током, а приборы не выйдут из строя из-за неправильно собранной схемы.

Процедура работы с пакетом сводится к следующим действиям:

 – формируется электрическая схема анализируемого устройства с помощью встроенного редактора, для этого необходимые компоненты из окна выбранного раздела копируются в рабочую область и соединяются друг с другом с помощью проводников, устанавливаются расчетные значения параметров компонентов;

 – к схеме подключаются необходимые приборы и инструменты: генератор, осциллограф, логический анализатор, пробник и др.;

 – работа схемы активируется нажатием на виртуальный «выключатель питания I/O»;

– результаты анализа, например, осциллограмма периодического процесса или частотная характеристика устройства могут быть сохранены для документирования (оформления отчёта по лабораторной работе).

Широкий набор приборов позволяет задавать входные воздействия, производить измерения различных величин и строить графики. Все приборы изображаются максимально приближенными к реальным.

На рисунке 1 приведено главное окно программы Multisim.

Интерфейс Multisim состоит из таких базовых элементов, как стандартная инструментальная панель (кнопки для наиболее часто применимых функций), меню (команды для всех функций), инструментальная панель компонентов (выбор компонентов из базы данных программы Multisim для размещения их в схеме), панель разработки (панель для отображения разработанных схем), панель вида (кнопки для увеличения, уменьшения масштаба), панель симуляции (кнопки старта, паузы, остановки и других функций симуляции), основная модель, список используемого, закладка активной схемы (закладка, где расположена текущая схема), панель инструментов (кнопки для каждого инструмента), окно схемы (текущее окно, где разрабатывается схема), вид ячеек (для быстрого обозревания и редактирования таких деталей, как параметры, включая ссылки, атрибуты и прочее), прокрутка влево/вправо.

Рис. 1. Интерфейс программной среды Multisim

Используя программный пакет Multisim, нами разработан лабораторный практикум по электротехнике и электронике.

По электротехнике разработаны виртуальные лабораторные работы на темы: исследование резонансных контуров, исследование переходных процессов в линейных электрических цепях на постоянном токе, исследование переходных процессов в линейных электрических цепях с неидеальным источником синусоидального напряжения, исследование переходных процессов в колебательных контурах. По электронике разработаны виртуальные лабораторные работы на темы: исследование работы емкостного фильтра на выходе выпрямителя, исследование биполярного транзистора, исследование характеристик операционного усилителя, исследование логических функций.

В рамках дисциплины Основы электротехники студенты машиностроительного колледжа могут выполнять самостоятельные работы, в которые входит как изучение и анализ работы отдельных электронных компонентов (полупроводниковые диоды, стабилитроны,  биполярные транзисторы), так и моделирование работы различных электронных устройств.  

Работа с электронной системой моделирования Multisim включает в себя три основных этапа: создание схемы, выбор и подключение измерительных приборов, и, наконец, активация схемы – расчет процессов, протекающих в исследуемом устройстве. В общем случае процесс создания схемы начинается с размещения на рабочем поле компонентов из библиотеки программы. Подразделы библиотеки программы Multisim поочередно могут быть вызваны с помощью иконок, расположенных на панели инструментов.

Концепция электронной лаборатории с виртуальными измерительными приборами, заложенная в систему моделирования EWB, существенно облегчает проведение самого сложного этапа – расчета процессов, протекающих в электронном устройстве. После составления схемы и подключения к схеме измерительных приборов для начала анализа цепи достаточно нажать кнопку Activate/Stop, находящуюся в левом углу панели инструментов. Рассчитанные значения токов, напряжений или сопротивлений показываются на экранах измерительных приборов. Аналогичный порядок работы имеет место в реальной лаборатории с реальными измерительными приборами.

Исследование работы электронных компонентов и схем электронных устройств студенты проводят с помощью виртуальных приборов: мультиметра, осциллографа, логического анализатора и т.д. Так же используются средства визуализации и индикации (например: столбиковый индикатор). Так же в работе можно использовать звуковые сигналы (зуммер).

Анализ во временной области применяется для того,  чтобы отображать диаграммы во времени. Программа Multisim  предлагает два метода выполнения анализа во временной области: моделирование с помощью прибора Оscilloscope (Осциллограф) и стандартный анализ переходных процессов – SpiseTransiendAnalysis.  Благодаря  этим функциям временные диаграммы отображаются на экране так же, как если бы их просматривали на экране осциллографа. Работая с осциллографом Multisim с диаграммами можно работать так же, как с настоящим осциллографом.

В программе Multisim доступны 3 разных осциллографа – стандартный 2-канальный, 4-канальный и  Agilent 54622D.

Двух- и четырехканальные осциллографы работают практически одинаково и отличаются только количеством каналов. Осциллограф Agilent имеет свою специфику и может быть полезен только в том случае, если используется обычный лабораторный осциллограф.

Настройки виртуальных осциллографов напоминают настройки обычного лабораторного. Основные параметры – время по горизонтальной оси; напряжение в вольтах по вертикальной оси и синхронизация. Во всех режимах осциллограф может использовать опцию ChannelA,Bили опцию ExternalTrigger(внешняя синхронизация). Источник синхронизации выбирают с помощью кнопок выбора запуска.

При выполнении виртуальных лабораторных работ студенты выполняют следующие виды анализа:

1. DC - Анализ резистивных цепей постоянного тока (расчет узловых напряжений, токов и напряжений ветвей);

2. AC - Расчет частотных характеристик линейных цепей (режим малого сигнала, анализируется линейная цепь);

3. Transient – расчет переходных процессов в нелинейных цепях при действии сигналов произвольной формы;

4. Fourier Analysis – анализ спектров сигналов, полученных в режиме Transient;

5. Parametric Sweep – режим вариации параметров цепи.

Студенты исследуют работу полупроводникового диода, находят рабочую точку транзистора, строят передаточные кривые ограничителя на стабилитроне, собирают схемы, содержащие аналоговые и цифровые модели, изучают работу моделей, собранных на основе операционного усилителя. Воплощение данных электронных схем в реальном моделировании представляет некоторые сложности.

В дальнейшем, студенты используют схемотехническое моделирование на смежных дисциплинах и при выполнении внеаудиторной самостоятельной работы. На втором курсе обучения в колледже, на лабораторном практикуме по дисциплине Прикладная электроника, используется программный продукт группы Electronics Workbench - Multisim для интерактивного создания принципиальных электрических схем и моделирования их режимов работы.Использование программы схемотехнического моделирования Multisim 7 активизирует работу студентов на уроке,  большое количество экспериментов, которые можно выполнить в виртуальной области, хорошая база измерительных приборов расширяют круг познания. Он дает возможность студентам получить всесторонний практический опыт на всем протяжении полного цикла проектирования электронного оборудования.

Использование информационных технологий позволяет активизировать самостоятельную работу обучающихся, а также научить студентов применять компьютер для самообучения, исследовательской и аналитической работы, закрепить на практике знания, полученные при изучении радиоэлектроники, электротехники, физики, информатики и английского языка.

Описание программы

Ниже приведен пример виртуальной лабораторной работы по электротехнике на тему «Исследование переходных процессов в RCL цепи при ее отключении от источника постоянного напряжения».

Цель работы: Исследовать переходный процесс в RCL цепи при ее отключении от источника постоянного напряжения. Оборудование: IВМ-совместимый компьютер с модификацией процессора не ниже 486, Pentium III и выше. Задание: собрать схему, показанную на рисунке 2; задать параметры время и напряжение на канале А и В; получить осциллограмму переходного процесса; измерить величины амплитуд U0 и U1 и периода Т; вычислить период колебания Т и коэффициент затухания β; сравнить полученные теоретические и практические данные; сделать вывод.

В среде моделирования электронных схем Multisim выполнена сборка и отладка электрической схемы [4], представленной на рисунке 2. Схема содержит генератор постоянного тока V1, переключатель J1, катушку индуктивности L1, резистор R1 и конденсатор C1. Используя окно свойств для каждого элемента, были заданы параметры: генератор постоянного тока с напряжением 200 В, катушка с индуктивностью 1 Гн, резистор с сопротивлением 20Ом, конденсатор с емкостью 300 мкФ.

Сочетание лабораторного практикума на традиционных лабораторных стендах с виртуальными лабораторными работами позволяет глубже осваивать изучаемый материал. Следует отметить, что при использовании виртуальных лабораторных работ возможно изучение процессов, протекающих в течение короткого промежутка времени, в частности переходных процессов в электрических и электронных схемах. Исследование таких процессов с использованием традиционных лабораторных стендов представляет значительные трудности.

Программная среда National Instruments Multisim позволяет объединить процессы разработки электронных устройств и их тестирования на основе технологии виртуальных приборов для учебных и производственных целей. Данная платформа связывает процессы тестирования и проектирования, предоставляя разработчику электронного оборудования гибкие возможности технологии виртуальных приборов.

Использование виртуальных лабораторных работ совместно с традиционными работами, выполняемыми на лабораторных стендах, позволяет показать эффективность в применении виртуального лабораторного практикума, высокую точность получаемых результатов и быстроту выполнения лабораторных работ. Организация учебного процесса на основе использования возможностей программы Multisim позволила повысить уровень познавательной активности студентов при выполнении самостоятельных заданий, осуществить индивидуальный подход при планировании образовательной траектории каждого студента в зависимости от его возможностей, дифференцировать количество информации и уровень сложности заданий по данному предмету без потери качества усвоения материала каждым отдельным студентом.

При помощи этой платформы студенты могут с легкостью перейти от теории к практике, создавая опытные образцы и углубляя свои знания в основах проектирования схем.

Применение программного обеспечения National Instruments Multisim, позволило улучшить уровень проведения лабораторных работ, увеличить интерес студентов в приобретении практических навыков создания функциональных узлов и повысить качество успеваемости у студентов. 

Для проведения лабораторных работ была выбрана программа Multisim 10 версии.

NI Multisim 10.0 позволяет объединить процессы разработки электронных устройств и тестирования на основе технологии виртуальных приборов для учебных и производственных целей.

Multisim – это уникальная возможность разработки схем и ее тестирования/эмуляции из одной среды разработки. 

Студентам предлагается смоделировать по готовой методической разработке схемы и произвести необходимое манипуляции с исходными схемами.

Совместное использование Multisim и технологии виртуальных приборов достичь полной непрерывности цикла проектирования, состоящего из трех этапов: изучение теории, создание принципиальной схемы моделируемой системы, изготовление прототипа и проведение тестовых испытаний.

Эта платформа связывает процессы тестирования и проектирования, предоставляя разработчику электронного оборудования гибкие возможности технологии виртуальных приборов.

Можно использовать Multisim 10.0 для интерактивного создания принципиальных электрических схем и моделирования их режимов работы.

2. Используемое оборудование и программное обеспечение

Для проведения лабораторных работ была выбрана программа Multisim 12 версии.

3. Описание работы

Студентам предлагается смоделировать про готовой методической разработке схемы и произвести необходимое манипуляции с исходными схемами.

Методическая разработка включается в себя пять схем диодных ограничителей:

·         диодный ограничитель сверху при U_оп=0;

·         диодный ограничитель снизу при U_оп=0;

·         диодный ограничитель сверху при U_оп=5В;

·         диодный ограничитель снизу при U_оп=5В;

·         диодный ограничитель ограничителя при U_оп=0.

После моделирования, предлагается, изменять параметры нагрузки, дать объяснение изменения сигнала при наличии и отсутствии порогового напряжения, определить максимальный размах входного сигнала и другое.

4. Результаты моделирования

Результат работ представлен на рисунках ниже.

5. Вывод

Список литературы:

1.             Марченко, А. Л., Освальд С. В. Лабораторный практикум по электротехнике и электронике в среде Multisim: учебное пособие для вузов. – М.: ДМК пресс, 2010. – 448 с.

Пожалуйста, не забудьте правильно оформить цитату:
Бочаев Р.М. ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММНОГО ПАКЕТА MULTISIM ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ // Научное сообщество студентов: МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ: сб. ст. по мат. XVIII междунар. студ. науч.-практ. конф. № 7(18). URL: https://sibac.info/archive/meghdis/7(18).pdf (дата обращения: 20.11.2019)

1.            
Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник. – М.: Высш. Школа., 2000. – 462 с.

2.            
Worldwide Technical Support and Product Information. NI Circuit Design Suite.

6. Список литературы

[3]. http://www.ni.com/pxi/ – раздел на сайте National Instruments

1.             Быковский Н.А., Успенская Н.Н. ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММНОГО ПАКЕТА MULTISIM В ЛАБОРАТОРНОМ ПРАКТИКУМЕ ПО ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ И ЭЛЕКТРОНИКЕ // Современные проблемы науки и образования. – 2017. – № 5.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=26735 (дата обращения: 20.11.2019

 Егоров Е.Н., Ремпен И.С. Применение программного прикладного пакета

Multisim для моделирования радиофизических схем, 2008, 24с. - URL:

http://www.sgu.ru/files/nodes/30844/MULTISIM.pdf

Список использованных источников

1.             1. Лабораторный практикум по электротехнике и электронике в среде Multisim. Учебное пособие для вузов. – М.:ДМК Пресс, 2010. – 448 с.:ил.

2.             2. Matlab & Simulink. Проектирование мехатронных систем на ПК. – СПб.: КОРОНА-Век, 2008. – 368 с.

3.             3. Multisim 7: Современная система компьютерного моделирования и анализа схем электронных устройств. (Пер. с анл.)/Пер. с англ. Осипов А. И. – М.: Издательский дом ДМК-пресс, 2006. – 488 с.: ил.

1 Терехин В.Б. Лабораторные работы по прикладной электронике: Руководство для студентов. – Северск: СГТИ, 2003. – 80 с. 2 Терехин В.Б., Соловьев Ю.А. Моделирование электронных схем в программе Electronics Workbench. Ч. 1. Создание схем. Ч.2. Элементная база: лабораторный практикум. – Северск: СТИ ТПУ, 2000. – 244 с. 3 Руководство по Multisim. Электронный ресурс. 4 Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. 2 - е изд., испр. – Челябинск: Металлургия, Челябинское отд., 1989.- 352 с.

Выполнение лабораторных работы в среде программы Multisim

Для проведения лабораторных работ была выбрана программа Multisim 10 версии.

NI Multisim 10.0 позволяет объединить процессы разработки электронных устройств и тестирования на основе технологии виртуальных приборов для учебных и производственных целей.

Multisim – это уникальная возможность разработки схем и ее тестирования/эмуляции из одной среды разработки. 

Студентам предлагается смоделировать по готовой методической разработке схемы и произвести необходимое манипуляции с исходными схемами.

Совместное использование Multisim и технологии виртуальных приборов достичь полной непрерывности цикла проектирования, состоящего из трех этапов: изучение теории, создание принципиальной схемы моделируемой системы, изготовление прототипа и проведение тестовых испытаний.

Эта платформа связывает процессы тестирования и проектирования, предоставляя разработчику электронного оборудования гибкие возможности технологии виртуальных приборов.

Можно использовать Multisim 10.0 для интерактивного создания принципиальных электрических схем и моделирования их режимов работы.

При помощи этой платформы студенты могут с легкостью перейти от теории к практике, создавая опытные образцы и углубляя свои знания в основах проектирования схем.

Применение программного обеспечения National Instruments Multisim, позволило улучшить уровень проведения лабораторных работ, увеличить интерес студентов в приобретении практических навыков создания функциональных узлов и повысить качество успеваемости у студентов.