Основні теоретичні відомості

Запорізький національний технічний університет

 

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до виконання лабораторної роботи

“Вивчення лінійних кіл постійного струму”

із застосуванням прикладних пакетів

MathCAD та Electronics Workbench

 

для студентів спеціальностей:

8.090.701 радіотехніка,

7.160103 системи захисту від несанкціонованого доступу,

7.160105 захист інформації в комп’ютерних мережах,

7.093402 телекомунікації

 

всіх форм навчання

 

 

2004

 

Методичні вказівки до виконання лабораторної роботи “Вивчення лінійних кіл постійного струму” із застосуванням прикладних пакетів MathCAD та Electronics Workbench  для студентів спеціальностей: 8.090.701 радіотехніка, 7.160103 системи захисту від несанкціонованого доступу, 7.160105 захист інформації в комп’ютерних мережах, 7.093402 телекомунікації всії форм навчання/ Укладачі: В.О.Костенко, Г.М.Романіченко, Т.І.Бугрова — Запоріжжя: ЗНТУ, 2004 – 31 с.

 

 

Укладачі: В.О.Костенко, доцент, канд. техн. наук,

Г.М.Романіченко, асистент,

Т.І.Бугрова, ст. викладач.

 

 

Рецензент: Б.М.Бондарєв, доцент, канд. техн. наук.

 

Відповідальний

за випуск  Б.М.Бондарєв, доцент, канд. техн. наук.

 

Експерт:                М.М.Касьян, доцент, канд. техн. наук.

 

ЗАТВЕРДЖЕНО

на засіданні кафедри

Радіотехніки

Протокол №10 від 2004.06.15

 

ЗМІСТ

ПЕРЕДМОВА…………………………………………………………….5

1 ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ……………………………6

Теорія графів.......................................................................... 6

1.2. Математичний пакет MathCAD...................................... 7

1.3 Прикладний пакет Electronics Workbench.......................... 8

Методи розрахунку електричних кіл постійного струму 10

Способи перевірки вірності розв’язку рівнянь................ 19

2 Аналіз та моделювання Електронних схем за допомогою Electronics Workbench……………………. 21

4 Лабораторне завдання………………………………………22

5 ЗМІСТ ЗВІТУ………………………………………………………….23

6 КОНТОРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ…………………………………….24

7 РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА…………………………...25

Додаток А – Правила виконання лабораторної роботи…………………………………………………………………26

Додаток Б - Схеми………………………………………………..27

Додаток В – Додаткові вхідні параметри……………..32

 

ПЕРЕДМОВА

 

Методичні вказівки містять у собі короткі теоретичні поняття, перелік основних методів розрахунку а також завдання до лабораторної роботи з дисципліни теорії електричних кіл та основ теорії кіл. Вони призначені для кращої підготовки студентів з ТЕК та ОТК, раціонального використовування часу, що відведено для лабораторних робіт, застосування новітніх інформаційних технологій при виконанні робіт та оформленні звітів. Для цього призначені математичний пакет MathCAD та пакет прикладного моделювання лінійних та нелінійних кіл Electronics Workbench (далі EWB).

Поширене практичне застосування цих двох пакетів комп’ютерних програм пов’язано з тим, що мова MathCAD дуже нагадує загальноприйняту мову математичних та науково–технічних розрахунків, а прикладний пакет EWB є фактично віртуальною електронною лабораторією, де можна моделювати роботу будь-яких електричних кіл на персональному комп’ютері.

Завдання до лабораторної роботи обирають відповідно до номера варіанту, що є номером студента в списку журналу академічної групи, складеному на початок семестру. Номер схеми відповідає номеру варіанта, вхідні параметри надані у Додатку В. Додаткові коефіцієнти у вхідних даних, що позначені числами d, h (від 0 до 99). Для кожної академічної групи їх задає викладач.

Лабораторну роботу необхідно оформити на білих аркушах стандарту А4 згідно вимогам СТП 15-96. На титульному листі обов’язково повинні бути: тема лабораторної роботи, прізвище виконавця, номер академічної групи, номер варіанту.

Після виконання й оформлення робота проходить рецензію у викладача та підлягає захисту перед викладачем у термін, що встановлено учбовим планом.

 

Мета роботи: вивчення методів розрахунку складних електричних кіл постійного струму, набуття навичок практичного розрахунку за допомогою програмного середовища MathCad та моделювання у пакеті Electronics Work Bench.

 

ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Теорія графів

 

1.1.1 При вивченні методів розрахунку електричних кіл доцільно застосовувати деякі топологічні поняття, до числа яких відносяться спрямовані і не спрямовані графи. Графом називають геометричний образ схеми електричного кола у вигляді сукупностей точок (вершин графа), сполучених лініями (дугами графа). Дуга графа - це відрізок спрямованої неперервної лінії, що в загальному випадку виходить з однієї вершини і входить в іншу. Напрямок дуги вказується стрілкою. Такий граф називають орієнтованим (спрямованим). Геометричні образи, що відбивають тільки структуру кола, називають топологічними графами. У теорії графів мають значення поняття під графи, контур, вузол, дерево, зв'язки (хорди), перетини.

1.1.2 Контуром називають замкнутий шлях обходу кола, у якому один із вузлів є початковим і кінцевим вузлом шляху.

1.1.3 Деревом графа називають під граф, що проходить через усі вузли кола і не має жодного замкнутого контуру.

1.1.4 Гілки, що доповнюють дерево графа до повного графа, називають зв'язками або хордами. На рисунку 2.1.а представлена електрична схема, а на рисунку 2.1.б – граф цієї схеми. Гілки дерева зображені жирними лініями, гілки зв'язку (хорди) - тонкими.

1.1.5 Незалежним (головним) називають контур, що складається з гілок дерева і тільки однієї гілки зв'язку (хорди). Незалежні контури не містять джерел струму. Незалежних контурів стільки, скільки хорд має граф схеми.

1.1.6 Найпростішим контуром називають контур, внутрішня область якого не перетинається жодною віткою графа.

1.1.7 Перетином графа (схеми) називають безліч гілок, видалення яких поділяє граф на два ізольовані підграфи, один із яких в окремому випадку може бути ізольованим вузлом. Перетин можна зобразити у вигляді сліду деякої замкнутої поверхні, що розсікає відповідні гілки. Головними називають перетини, кожний з яких розсікає кілька гілок зв'язку і тільки одну вітку обраного дерева.

1.2. Математичний пакет MathCAD

 

Пакет MathCAD має дружній інтерфейс; три поля записів (робоче, графічне та текстове); арифметичний і символьний процесори; зручну та розгалужену довідкову систему.

Алфавіт MathCAD містить у собі:

– великі та маленькі літери латині та грецької абетки;

– великі та маленькі літери української та російської абетки;

– арабські цифри;

– системні змінні;

– вбудовані функції;

– оператори та оператори–функції.

Записи у робочому та графічному полях MathCAD повинні бути вичерпно повними та абсолютно точними. Текстове поле призначено для запису коментарів.

Системні змінні призначені для організації математичного процесу:

π = 3.1415926536 - число π [Ctrl-P];

е = 2.71828182 - основа натурального логарифму;

∞ - нескінченність [Ctrl-Z];

% - відсотки;

i; j - уявна одиниця;

TOL = 10^-3 - припустима похибка;

CTOL = 10^-3 – встановлює точність обмежень у розрахунках;

ORIGIN = 0 - визначає індекс першого елемента векторів та матриць;

FRAME = 0 - лічильник для побудови анімацій;

PRN PRECISION = 4 - кількість значущих цифр;

PRN COLWIDTH = 8 - кількість позицій для числа.

Символьний процесор MathCAD  призначено для розв’язку дуже широкого кола математичних, науково–технічних та інженерних задач.

 

1.3 Прикладний пакет Electronics Workbench

 

Комп’ютерна система моделювання та аналізу електронних схем Electronics Workbench (далі просто - пакет EWВ) дозволяє моделювати аналогові, цифрові та цифро-аналогові електронні схеми, аналізувати їх роботу при зміні будь-яких параметрів. Пакет має простий та зручний інтерфейс, велику бібліотеку поширено відомих електронних компонентів та приладів, зручну та розгалужену довідкову систему.

1.3.1 Інтерфейс пакета EWB складається з таких частин:

- головне меню;

- панель інструментів;

- панель компонентів;

- поле компонентів;

- вмикач, який підключає у роботу складену схему (розташовано у правому верхньому куті панелі компонентів.);

- клавіша F9 – на клавіатурі (пауза/ кінець паузи у роботі).

1.3.2 Бібліотеки елементів мають у своєму складі широкий вибір пасивних R,L,C –елементів, транзисторів, тригерів, джерел енергії, логічні, цифрові, гібридні елементи, спеціальні комбіновані схеми та інше.

1.3.3 Бібліотека індикаторів для вимірювань має у своєму складі амперметр, вольтметр, мультіметр, осцилограф, графічний плоттер, функціональний генератор слів, логічний аналізатор та логічний перетворювач.

1.3.4 Аналіз роботи електронних схем в пакеті EWВ  складається із таких операцій:

- вибір елементів та приладів із відповідних бібліотек;

- переміщення маніпулятором „миша” обраних елементів у належне місце на робочому полі (вставка, видалення, поворот на кут 90^о для зручного їх розташування);

- з’єднання усіх елементів у робочу схему;

- виділення контурів різними кольорами для кращого сприйняття схеми;

- зміна параметрів кожного елементу (приладу) у широкому діапазоні;

- отримання результатів аналізу та їх інтерпретація.

1.3.5 Прилади для проведення вимірів розташовано у полі індикаторів (Indicators), яке відображене відповідним значком.

У кожній схемі можна застосувати кілька приладів одночасно. Це дозволяє знаходити струми та напруги (потенціали) на всіх ділянках схеми. Сторона прямокутника амперметра або вольтметра, яку зображено жирною лінією відповідає клемі „мінус” вимірювального приладу.

1.3.6 Джерела енергії усіх різновидів розташовано у бібліотеці джерел (Sources), перші три з яких (Ground, Battery, DC Current Sources) застосовують при аналізі кіл постійного струму. Усі джерела в пакеті EWB  - це ідеальні джерела.

Компонент заземлення (Ground) має нульовий потенціал і таким чином забезпечує вихідну точку для відліку потенціалів. Заземлення обов’язково необхідно застосувати для моделювання схем із операційними підсилювачами, мультіметром, трансформаторами, керованими джерелами енергії, осцилографом.

Внутрішній опір ідеального джерела е.р.с. (Battery) дорівнює нулеві, тому напруга на його виході не залежить від струму, що тече через нього. Короткою жирною рискою на батареї позначається зажим, який має від’ємний потенціал відносно іншого зажиму.

Ідеальне джерело струму (DC Current Sources) має нескінченно великий внутрішній опір, тому струм, який воно виробляє не залежить від опору навантаження. Стрілка вказує напрям протікання виробленого струму.

1.3.7 Споживачі електричної енергії розташовано на панелі компонентів (Basic). Для простих схем достатньо застосувати чотири зі запропонованих компонентів (Connector, Resistor, Potentiometer, Resistor Pack).Вузол (Connector) застосовують для з’єднання між проводами та створення контрольних точок, куди можна підключати вимірювальні прилади. До кожного вузла можна підключити не більше ніж 4 провідника.

1.3.8 Мультіметр – універсальний прилад для вимірювань струму, напруги, опору – розташовано на панелі Instruments першим з ліва. На його застосування є деякі обмеження. У схемі можна використати тільки один такий інструмент. До того ж один з вузлів схеми треба обов’язково підключити до „землі” (Ground із бібліотеки Sources).