Электронная лаборатория
Работая в Московском энергетическом институте, я с грустью наблюдаю за упадком высшего образования. Молодые и талантливые сотрудники уходят в другие структуры, здания постепенно ветшают, лабораторная база не обновляется. Однако, как ни парадоксально, деньги на покупку вычислительной техники все-таки находятся. И немалые. Бухгалтерия и ректорат оснащены неплохими компьютерами, кое-что перепадает факультетам и кафедрам. Два года назад радиотехнический факультет развернул дисплейный класс на i486-х компьютерах, в этом году моя кафедра радиоприемных устройств приобрела уже 10 ПК с процессором Pentium. Если два-три года назад у редкого студента дома был компьютер, то теперь их имеют до 20 - 40%, появились компьютеры и у профессуры. Поэтому поневоле приходится частично переводить лабораторный практикум на компьютеры, заменяя физический эксперимент математическим моделированием.
При этом возникает вопрос: какое ПО выбрать? Такой монстр, как DesignLab на основе программы PSpice, слишком сложен и дорог для этих целей. Более простая программа схемотехнического моделирования Micro-Cap V также не подходит для проведения лабораторных исследований: как и DesignLab, она более приспособлена для проектирования, чем для измерения характеристик и проведения исследований электронной аппаратуры. Имитацию измерительной аппаратуры, вплоть до воспроизведения внешнего вида лицевой панели и органов управления, лучше всего выполнять с помощью виртуальных инструментов - программ типа LabView фирмы National Instruments или HP VEE фирмы Hewlett-Packard. Однако для студенческих лабораторных работ достаточно более простых программ, интерфейс которых весьма выразителен. Это программы Electronics Workbench канадской фирмы Interactive Image Technologies (E-mail: support@interactiv.com, WWW: http://www.interactiv.com) и SystemView фирмы ELANIX (E-mail: systemview@ elanix.com, WWW: http://www.elanix.com).
ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ
Посмотрите на экран программы Electronics Workbench (рис. 1). В отличие от программ схемотехнического моделирования (см. PC Week/RE, №3/96, с. 41), на нем изображаются измерительные приборы с органами управления, максимально приближенными к реальности. Пользователю не надо изучать довольно абстрактные (хотя и не очень сложные) правила составления заданий на моделирование. Достаточно в схему ввести двухканальный осциллограф и генератор сигналов - и программа сама сообразит, что нужно анализировать переходные процессы. Если же на схеме разместить анализатор частотных характеристик, то будет рассчитан режим по постоянному току, выполнена линеаризация нелинейных компонентов и затем проведен расчет характеристик схемы в частотной области. Диапазон анализируемых частот, коэффициент усиления и характер оцифровки данных (в линейном или логарифмическом масштабе) устанавливают на лицевой панели с помощью мыши. Чтобы начать моделирование, достаточно щелкнуть на переключателе, расположенном в верхнем правом углу экрана. После этого на устройствах индикации цифровых вольтметров и амперметров будет зафиксирован режим по постоянному току, на экране измерителя нарисованы частотные характеристики (амплитудно- или фазочастотные), а на экране осциллографа будут непрерывно изображаться эпюры напряжений до тех пор, пока не заполнится буферная память, а затем можно прекратить моделирование или обнулить память и продолжить наблюдения.
Рис.1. Электронная лаборатория Electronics Workbench
Ниже приведены характерные особенности программы Electronics Workbench.
1. Схема изображается в графическом виде привычным образом. Из горизонтально расположенного меню выбирают библиотеку компонентов, состав которой изображается слева от рабочего экрана. Движением мыши символы компонентов переносят на схемы и выполняют электрические соединения. Но в отличие от DesignLab и Micro-Cap достаточно указать начальный и конечный вывод цепи, как цепь будет проложена автоматически (правда, не всегда удачно, так что ее приходится немножко корректировать).
2. Полностью поддерживается текстовый формат программы моделирования SPICE, причем при загрузке текстового файла в формате SPICE на экране будет нарисована принципиальная схема с подключенными измерительными приборами (топология сложных схем синтезируется не вполне удачно, но моделируются такие схемы без ошибок).
3. Предусмотрен вывод списка соединений в формате программы OrCAD PCB (в файлах с расширением имени .NET) для разработки печатных плат.
4. Поддерживается стандартный набор компонентов: резисторы, конденсаторы, индуктивности, управляемые линейные и нелинейные источники, линии задержки без потерь и с потерями, диоды, тиристоры, различные транзисторы, операционные усилители, цифровые интегральные схемы и др., а также светодиоды, цифровые индикаторы, резистивные матрицы, плавкие предохранители, лампочки накаливания и ключи. Имеется механизм создания макромоделей.
5. Предусмотрена возможность изменения параметров компонентов нажатием клавиш. Так, в схеме на рис. 1 имеется потенциометр R1, сопротивление которого можно уменьшить нажатием клавиши R или увеличить нажатием Shift+R. Есть кнопочные переключатели, управляемые с клавиатуры. При этом параметры можно изменять, не прерывая моделирования! Как в реальном эксперименте.
6. Имеются следующие измерительные приборы: мультиметры (измерения постоянного и переменного напряжения и тока, сопротивления, результаты выводятся в относительных единицах и децибелах); двухлучевые осциллографы (регулируются усиления каналов, частота развертки, смещение лучей по координатам X, Y, имеются открытый и закрытый входы, предусмотрен ввод сигналов синхронизации); измерители частотных характеристик (Bode Plotter); генератор цифровых сигналов (Word Generator); цифровой логический анализатор и логический преобразователь. На схеме можно разместить только по одному из приборов каждого типа. При развертывании изображения лицевой панели прибора на весь экран с помощью двух электронных курсоров проводят точные измерения характеристик.
7. Различные цепи можно окрашивать в разные цвета для улучшения восприятия схемы. При этом временные диаграммы на экране двухлучевого осциллографа и многоканального логического анализатора окрашиваются в те же цвета.
8. Возможен ввод дискретных отсчетов сигналов из файлов.
9. На периферийные устройства можно вывести принципиальную схему, ее текстовое описание, перечень компонентов, параметры математических моделей компонентов, описания макромоделей, параметры задания на моделирование, перечень измерительных инструментов. Для измерительных инструментов рисуется лицевая панель с изображением характеристик и положением органов управления, а для осциллографа изображаются также эпюры напряжений неограниченной длины.
Символы кириллицы в текстовых комментариях к схемам, к сожалению, не допускаются.
Существуют версии Electronics Workbench для DOS, Windows и Macintosh. При установке в среде Windows можно выбрать 16- и 32-разрядную версию. Имеется демонстрационная версия, работающая в режиме просмотра слайдов и в рабочем режиме, но с ограничением сеанса моделирования 30 минутами (за 5 минут до окончания этого срока программа выводит предупреждающее сообщение, затем ее можно запустить вновь). Демонстрационная версия содержит 10 схем, с которыми можно экспериментировать: редактировать и создавать новые, нельзя лишь сохранять их и распечатывать. Кроме того, демонстрационная версия имеет неполную библиотеку компонентов.
ИЗУЧЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ
Программа SystemView представляет собой великолепный конструктор, с помощью которого из стандартных “кубиков” строится функциональная схема (рис. 2). Слева от рабочего окна выбирают библиотеку, щелчком по которой раскрывается ее содержание. В каталоге библиотеки указывают нужный функциональный модуль, который мышью переносят на схему. Синтез параметров этого модуля и измерение характеристик производят после еще одного щелчка мышью (рис. 3). Приведем каталог библиотек функциональных модулей.
Основная библиотека (Main): источники детерминированных и случайных сигналов, макромодели (MetaSystem), сумматоры и перемножители, линейные функциональные преобразователи (задержка сигнала, усиление, расчет спектра и т. п.), синтез аналоговых и цифровых фильтров, нелинейные преобразователи (вычисления синусов, возведение в степень, ограничение сигналов, характеристики с гистерезисом, квантизаторы, модуляторы, мультиплексоры, векторные операции, интерполяция и децимация данных, статистическая обработка и т. п.), устройства измерения и отображения характеристик (Sink Library).
Системы связи (Communications Library): сверточные кодеры и декодеры с коррекцией ошибок, модели каналов связи, модуляторы и демодуляторы, согласованные фильтры для цифровых сигналов, преобразователи параллельных кодов в последовательные и обратные преобразователи, управляемые напряжением генераторы, генераторы псевдослучайных последовательностей, системы фазовой автоподстройки частоты и др.
Цифровая обработка сигналов (DSP Library): быстрые преобразования Фурье и Адамара, арифметические операции с фиксированной и плавающей запятой и т. п.
Цифровые логические устройства (Logic Library): цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи, вентили, триггеры, сдвигающие регистры и др.
Аналоговые высокочастотные устройства (RF Analog) - усилители, регулируемые усилители, балансные смесители, устройства деления и суммирования мощности, ограничители, простейшие фильтры, резонаторы и др.
Библиотеки пользователей (User Code): при поставке SystemView с модулем User Code Option возможно создание своей библиотеки. С помощью шаблона составляют текст программы на языке Си, которая включается в библиотеку.
После соединения всех функциональных модулей и подключения измерительных устройств задают системные параметры (длительность интервала наблюдения, частота дискретизации, параметры БПФ) и выполняет моделирование. Просмотр и обработку результатов производят в окне Analysis (рис. 4). Рассчитываются преобразования Фурье графиков, корреляционные и взаимно корреляционные функции, выполняются арифметические и тригонометрические операции, статистическая обработка данных и многое другое. В текстовых комментариях 32-разрядной версии допускаются символы кириллицы.
Рис. 2. Функциональная схема детектора импульсного сигнала
Рис. 3. Выбор функционального блока из библиотеки и настройка его параметров
Рис. 4. Просмотр и обработка результатов моделирования
Демонстрационная версия SystemView свободно распространяется по электронной почте и обладает всеми свойствами рабочей за исключением невозможности сохранить созданные функциональные схемы и воспользоваться макромоделями. Если весной 1996 г. распространялась 16-разрядная версия, то осенью уже была создана 32-разрядная версия SystemView. 16-разрядная демоверсия работает ровно 30 дней после ее получения по Internet. 32-разрядная демоверсия не имеет ограничения срока действия (во всяком случае у меня она действует уже полгода), но запускается только после того, как в панели управления Windows выбран регион и язык English (United States), - американцы, очевидно, не знают других стран, кроме США. После оплаты стоимости программы фирма сообщает регистрационный код, превращающий демоверсию в рабочую.
Всеволод Разевиг
Со Всеволодом Разевигом можно связаться по адресу: razevig@pcweek.redline.ru.
