Схемотехническое моделирование и процессы в генераторах гармонических сигналов

ВВЕДЕНИЕ

Сейчас трудно указать  область человеческой деятельности, где не применялось бы моделирование. Разработаны, например, модели производства автомобилей, выращивания пшеницы, функционирования отдельных органов  человека, жизнедеятельности Азовского  моря, последствий атомной войны. В перспективе для каждой системы  могут быть созданы свои модели, перед реализацией каждого технического или организационного проекта должно проводиться моделирование.

Данная тема является наиболее актуальной на сегодняшний день, так  как, компьютерное моделирование все  чаще применяется в современном  мире, которое является альтернативой  экспериментальным исследованиям.

Компьютерное моделирование  имеет ряд преимуществ:

- возможно масштабирование  реального времени протекания  процесса;

- стоимость моделирования  на компьютере значительно ниже  стоимости экспериментального исследования.

Цель – изучить схемотехническое моделирование и исследовать  процессы в генераторах гармонических  сигналов.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

- изучить схемотехническое моделирование в программе  Electronics Workbench;

- исследовать процессы  в генераторах гармонических  сигналов.

Объектом исследования выступают  процессы в генераторах гармонических  сигналов.

 

 

 

 

 

1 СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

1. Моделирование

Моделирование — исследование объектов познания на их моделях;  построение и изучение моделей реально существующих объектов, процессов или явлений с целью получения объяснений этих явлений, а также для предсказания явлений, интересующих исследователя.

Процесс моделирования включает три элемента:

- субъект (исследователь);

- объект исследования;

- модель, определяющую (отражающую) отношения познающего субъекта и познаваемого объекта.

Первый этап построения модели предполагает наличие некоторых  знаний об объекте-оригинале. Познавательные возможности модели обусловливаются  тем, что модель отображает (воспроизводит, имитирует) какие-либо существенные черты  объекта-оригинала. Вопрос о необходимой  и достаточной мере сходства оригинала  и модели требует конкретного  анализа. Очевидно, модель утрачивает свой смысл как в случае тождества  с оригиналом (тогда она перестает  быть моделью), так и в случае чрезмерного  во всех существенных отношениях отличия  от оригинала. Таким образом, изучение одних сторон моделируемого объекта  осуществляется ценой отказа от исследования других сторон. Поэтому любая модель замещает оригинал лишь в строго ограниченном смысле. Из этого следует, что для  одного объекта может быть построено  несколько «специализированных» моделей, концентрирующих внимание на определенных сторонах исследуемого объекта или же характеризующих объект с разной степенью детализации.

На втором этапе модель выступает как самостоятельный  объект исследования. Одной из форм такого исследования является проведение «модельных» экспериментов, при которых сознательно изменяются условия функционирования модели и систематизируются данные о её «поведении». Конечным результатом этого этапа является множество (совокупность) знаний о модели.

На третьем этапе осуществляется перенос знаний с модели на оригинал — формирование множества знаний. Одновременно происходит переход с «языка» модели на «язык» оригинала. Процесс переноса знаний проводится по определенным правилам. Знания о модели должны быть скорректированы с учетом тех свойств объекта-оригинала, которые не нашли отражения или были изменены при построении модели.

Четвёртый этап — практическая проверка получаемых с помощью моделей знаний и их использование для построения обобщающей теории объекта, его преобразования или управления им.

Моделирование — циклический процесс. Это означает, что за первым четырёхэтапным циклом может последовать второй, третий и т. д. При этом знания об исследуемом объекте расширяются и уточняются, а исходная модель постепенно совершенствуется. Недостатки, обнаруженные после первого цикла моделирования, обусловленные малым знанием объекта или ошибками в построении модели, можно исправить в последующих циклах.

Сейчас трудно указать  область человеческой деятельности, где не применялось бы моделирование. Разработаны, например, модели производства автомобилей, выращивания пшеницы, функционирования отдельных органов  человека, жизнедеятельности Азовского  моря, последствий атомной войны. В перспективе для каждой системы  могут быть созданы свои модели, перед реализацией каждого технического или организационного проекта должно проводиться моделирование.

В силу многозначности понятия  «модель» в науке и технике  не существует единой классификации  видов моделирования: классификацию  можно проводить по характеру  моделей, по характеру моделируемых объектов, по сферам приложения моделирования (в технике, физических науках, кибернетике  и т. д.). Например, можно выделить следующие виды моделирования:

- информационное моделирование;

- компьютерное моделирование;

- математическое моделирование;

- математико-картографическое моделирование;

- молекулярное моделирование;

- цифровое моделирование;

- логическое моделирование;

- педагогическое моделирование;

- психологическое моделирование;

- статистическое моделирование;

- структурное моделирование;

- физическое моделирование;

- экономико-математическое моделирование;

- имитационное моделирование;

- эволюционное моделирование;

- графическое и геометрическое моделирование;

- схемотехническое моделирование

и  т.д.

Схемотехническое моделирование  – моделирование электрических  процессов в электронных устройствах.

Схемотехническое моделирование  преимущественно используется при  моделировании аналоговых вычислительных устройств, учитывает реальные физические ограничения в электрических  процессах, то есть законы сохранения, к которым можно отнести законы сохранения заряда и работы.

Схемотехническое моделирование  электрических процессов учитывает в отличие от идеализированного моделирования информационных процессов реальные физические ограничения в электрических процессах - так называемые законы сохранения. Такими ограничениями являются первый и второй законы Кирхгофа. Они вытекают из законов сохранения заряда и работы и называются обычно законами электрического равновесия. Необходимость выполнения этих законов в каждой расчетной точке требует решения соответствующих уравнений электрического равновесия, что составляет наиболее существенное отличие схемотехнического моделирования  от функционального, логического и других видов информационного моделирования, не требующего решения уравнений равновесия.

2. Схемотехническое моделирование с использованием программы Electronics Workbench

Разработка любого радиоэлектронного  устройства сопровождается физическим или математическим моделированием. Физическое моделирование связано  с большими материальными затратами, поскольку требуется изготовление макетов и их трудоемкое исследование. Часто физическое моделирование  просто невозможно из-за чрезвычайной сложности устройства, например, при  разработке больших и сверхбольших интегральных микросхем. В этом случае прибегают к математическому  моделированию с использованием средств и методов вычислительной техники.

Наряду с другими программами, позволяющими осуществлять схемотехническое моделирование, очень часто используется программа Electronics Workbench.

Программа Electronics Workbench позволяет  моделировать аналоговые, цифровые и  цифро-аналоговые схемы большой  степени сложности. Имеющиеся в  программе библиотеки включают в  себя большой набор широко распространенных электронных компонентов. Есть возможность  подключения и создания новых  библиотек компонентов.

Параметры компонентов можно  изменять в широком диапазоне  значений. Простые компоненты описываются  набором параметров, значения которых  можно изменять непосредственно  с клавиатуры, активные элементы - моделью, представляющей собой совокупность параметров и описывающей конкретный элемент или его идеальное представление.

Модель выбирается из списка библиотек компонентов, параметры  модели также могут быть изменены пользователем. Широкий набор приборов позволяет производить измерения  различных величин, задавать входные  воздействия, строить графики. Все  приборы изображаются в виде, максимально  приближенном к реальному, поэтому  работать с ними просто и удобно.

Результаты моделирования  можно вывести на принтер или  импортировать в текстовый или  графический редактор для их дальнейшей обработки.

Основные достоинства  программы.

Экономия времени.

 Работа в реальной  лаборатории требует больших  временных затрат на подготовку  эксперимента. Теперь, с появлением Electronics Workbench, электронная лаборатория  всегда будет под рукой, что  позволяет сделать изучение электрических схем более доступным.

Достоверность измерений.

В природе не существует двух совершенно одинаковых элементов, то есть все реальные элементы имеют  большой разброс значений, что  приводит к погрешностям в ходе проведения эксперимента. В Electronics Workbench все элементы описываются строго установленными параметрам, поэтому каждый раз в  ходе эксперимента будет повторяться  результат, определяемый только параметрами  элементов и алгоритмом расчета. 
Удобство проведения измерений.

 Учеба невозможна без  ошибок, а ошибки в реальной  лаборатории порой очень дорого  обходятся экспериментатору. Работая  с Electronics Workbench, экспериментатор застрахован  от случайного поражения током,  а приборы не выйдут из строя  из-за неправильно собранной схемы.  Благодаря этой программе в  распоряжении пользователя имеется  такой широкий набор приборов, который вряд ли будет доступен в реальной жизни.

Таким образом, имеется уникальная возможность для планирования и проведения широкого спектра исследований электронных схем при минимальных затратах времени. Графические возможности Сложные схемы занимают достаточно много места, изображение при этом стараются сделать более плотным, что часто приводит к ошибкам в подключении проводников к элементам цепи. Electronics Workbench позволяет разместить схему таким образом, чтобы были чётко видны все соединения элементов и одновременно вся схема целиком.

Интуитивность и простота интерфейса делают программу доступной  любому, кто знаком с основами использования Windows.

Компоненты и проведение экспериментов.

В библиотеки компонентов  программы входят пассивные элементы, транзисторы, управляемые источники, управляемые ключи, гибридные элементы, индикаторы, логические элементы, триггерные устройства, цифровые и аналоговые элементы, специальные комбинационные и последовательные схемы.

Активные элементы могут  быть представлены моделями как идеальных, так и реальных элементов. Возможно также создание своих моделей  элементов и добавление их в библиотеки элементов. В программе используется большой набор приборов для проведения измерений: амперметр, вольтметр, осциллограф, мультиметр, Боде-плоттер (графопостроитель частотных характеристик схем), функциональный генератор, генератор слов, логический анализатор и логический преобразователь.

Анализ схем Electronics Workbench может проводить анализ схем на постоянном и переменном токах. При анализе  на постоянном токе определяется рабочая  точка схемы в установившемся режиме работы. Результаты этого анализа  не отражаются на приборах, они используются для дальнейшего анализа схемы. Анализ на переменном токе использует результаты анализа на постоянном токе для получения линеаризованных  моделей нелинейных компонентов.

Анализ схем в режиме АС может проводиться как во временной, так и в частотной областях. Программа также позволяет производить  анализ цифро-аналоговых и цифровых схем. В Electronics Workbench можно исследовать переходные процессы при воздействии на схемы входных сигналов различной формы.

Electronics Workbench позволяет строить  схемы различной степени сложности  при помощи следующих операций:

- выбор элементов и приборов из библиотек;

- перемещение элементов  и схем в любое место рабочего поля;

- поворот элементов и  групп элементов на углы, кратные 90 градусам;

- копирование, вставка  или удаление элементов, групп  элементов, фрагментов схем и целых схем;

- изменение цвета проводников;

- выделение цветом контуров  схем для более удобного восприятия;

- одновременное подключение  нескольких измерительных приборов  и наблюдение их показаний на экране монитора;

- присваивание элементу  условного обозначения;

- изменение параметров  элементов в широком диапазоне. 

Все операции производятся при помощи мыши и клавиатуры. Управление только с клавиатуры невозможно.