symulator układów elektronicznych - opis

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.
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:
http://www.falstad.com/circuit/
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
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)
b)
c)
d)
Wire – ścieżka, połączenie między elementami.
Resistor – rezystor.
Passive components – elementy elektroniczne bierne.
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.
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
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:
http://www.java.com/pl/download/