Как моделировать силовые цепи в мультисим. Создание схем в программе multisim. Краткие теоретические сведения

Интуитивный редактор схем программы Multisim дает возможность за счет экономии времени на рисовании оставлять больше времени на конструирование. Multisim построен так, что нет необходимости переключаться от режима размещения деталей к режиму разводки, как в других аналогичных программах. Multisim поступает к заказчику с полной базой из 16000 деталей и включает в себя имитационную модель, схематический символ, электрические параметры и макет для разводки. Также имеется бесплатный доступ к центру конструирования (Design Center), в котором имеется более 12 миллионов деталей в поисковой базе данных.

Максимальной точностью и достоверностью обладают классические программы схемотехнического моделирования или SPICE-подобные программы (где SPICE с английского - Имитационная Программа со Встроенным Выражением Цепи), к числу которых и относится Multisim. Принцип их работы основан на машинном составлении системы обыкновенных дифференциальных уравнений электрической цепи и их решении без применения упрощающих предположений. Здесь используются численные методы Рунге - Кутта или метод Гира для интегрирования системы дифференциальных уравнений, метод Ньютона - Рафсона для линеаризации системы нелинейных алгебраических уравнений и метод Гаусса или LU-разложение для решения системы линейных алгебраических уравнений. Модификации этих методов направлены на улучшение сходимости или вычислительной эффективности без упрощения исходной задачи.

В Multisim используются следующие функции SPICE моделирования: SPICE-моделирование индустриального стандарта; XSPICE усиление для расширения Berkeley SPICE3 возможностей; моделирование с подключением VHDL и Verilog; интерактивное моделирование; широкий набор источников, включая DC, синусоидальный, импульсный, пилообразный, случайный, AM, FM; программное моделирование; смешанная аналого-цифровое моделирование; современные алгоритмы для разрешения проблем пересекающихся цепей, расширенные опции для получения компромисса скорость/точность. Функции радиочастотного моделирования: SPICE усиления для высокочастотной имитации; RF инструменты и анализы, RF модели и мастер создания собственных моделей.

Multisim - единственный общецелевой пакет моделирования для использования с частотами свыше 100 MHz, где SPICE обычно становится неработоспособным. Радиочастотный набор программы Multisim включает специальную библиотеку деталей, мастер создания радиочастотных моделей, радиочастотные виртуальные инструменты и радиочастотные анализаторы. VHDL и Verilog функции - простой способ работы для начинающих использовать HDLs, который представляет собой инструмент моделирования сложных цифровых деталей, которые не могут быть смоделированы в SPICE. VHDL и Verilog - возможность моделирования деталей без необходимости понимать HDL синтаксис. VHDL и Verilog - самостоятельный инструмент конструирования с редакторами кодов, менеджерами проектов моделирования, выводом формы колебаний и отладкой, совместным моделированием со SPICE, полным соответствие стандартам.

Multisim позволяет работать группе конструкторов над идентичными схемами в реальном времени через локальную сеть или Интернет. С помощью Multisim можно вводить специальные поля для характеристики деталей, такие как стоимость, время поставки или предпочтительный поставщик.

Совместное использование Multisim и технологии виртуальных приборов, позволяет инженерам-разработчикам печатных плат и преподавателям электротехнических специальностей достичь полной непрерывности цикла проектирования, состоящего из трех этапов: изучение теории, создание принципиальной схемы моделируемой системы, изготовление прототипа и проведение тестовых испытаний.

В Multisim 10.0 и Ultiboard 10.0 реализовано большое количество функции для профессионального проектирования, ориентированных на самые современные средства моделирования, улучшенную компонентную базу данных и расширение пользовательского сообщества. Компонентная база данных включает в себя более 1200 новых элементов и более 500 новых SPICE-моделей от ведущих производителей, таких, как Analog Devices, Linear Technology и Texas Instruments, а также более 100 новых моделей импульсных источников питания.

Помимо этого, в новой версии программного обеспечения появился помощник Convergence Assistant, который автоматически корректирует параметры SPICE, исправляя ошибки моделирования, была добавлена поддержка стандартов BSIM 4, а так же расширены возможности отображения и анализа данных, включая новый пробник для значений тока и обновленные статические пробники для дифференциальных измерений.

Компоненты – это основа любой схемы, это все элементы, из которых она состоит. Multisim оперирует с двумя категориями компонентов: реальными (real) и виртуальными (virtual). Необходимо ясно понимать различия между ними, чтобы в полной мере воспользоваться их преимуществами.

Рис.6 Символы различных компонентов: 7-сегментный дисплей, диод D 1, источник напряжения V 1, логические элементы НЕ-И U 2A , микроконтроллерU 3 и транзистор Q 1.

Есть и другая классификация компонентов: аналоговые, цифровые, смешанные, анимированные, интерактивные, цифровые с мультивыбором, электромеханические и радиочастотные.

Горячая клавиша по умолчанию для размещения компонента – Ctrl+W или двойной щелчок мыши по панели Реальные компоненты / Аналоговые устройства .

У реальных компонентов, в отличие от виртуальных есть определенное, неизменяемое значение и свое соответствие на печатной плате.

Виртуальные компоненты нужны только для эмуляции, пользователь может назначить им произвольные параметры. Например, сопротивление виртуального резистора может быть произвольным. Виртуальные компоненты помогают разработчикам при проверке с помощью схем с известными значениями компонентов. Виртуальные компоненты также могут не соответствовать реальным, например, как 4-х контактный элемент отображения 16-тиричных цифр.

В Multisim есть базы данных трех уровней:

Из Главной базы данных (Master Database) можно только считывать информацию, в ней находятся все компоненты;

Пользовательская база данных (User Database) соответствует текущему пользователю компьютера. Она предназначена для хранения компонентов, которые нежелательно предоставлять в общий доступ;

Корпоративная база данных (Corporate Database). Предназначена для тех компонентов, которые должны быть доступны другим пользователям по сети.

Средства управления базами данных позволяют перемещать компоненты, объединять две базы в одну и редактировать их. Все базы данных разделяются на группы, а они, в свою очередь, на семейства. Когда пользователь выбирает компонент и помещает его в схему, создается новая копия. Все изменения с ней никак не затрагивают информацию, хранящуюся в базе данных.

База данных Master Database разделена на группы:

1. Sources содержит все источники напряжения и тока, заземления. Например, power sources (источники постоянного, переменного напряжения, заземление, беспроводные соединения - VCC, VDD, VSS, VEE), signal voltage sources (источники прямоугольных импульсов, источник сигнала через определенные промежутки времени), signal current sourses (постоянные, переменные источники тока, источники прямоугольных импульсов)

2. Basic содержит основные элементы схемотехники: резисторы, индуктивные элементы, емкостные элементы, ключи, трансформаторы,реле, коннекторы и т.д.

3. Diodes содержит различные виды диодов: фотодиоды, диоды Шоттки, светодиоды и т.д.

4. Transistors содержит различные виды транзисторов: pnp-, npn-транзисторы, биполярные транзисоры, МОП-транзисторы, КМОП-транзисторы и т.д.

5. Analog содержит все виды усилителей: операционные, дифференциальные, инвертирующие и т.д.

6. TTL содержит элементы транзисторно-транзисторной логики.

7. CMOS. Содержит элементы КМОП-логики.

8. MCU Module – управляющий модуль многопунктовой связи (от англ. multipoint control unit)

9. Advanced_Peripherals содержит подключаемые внешние устройства (дисплеи, терминалы, клавишные поля).

10. Misc Digital содержит различные цифровые устройства.

11. Mixed содержит комбинированные компоненты

12. Indicators содержит измерительные приборы (вольтметры амперметры), лампы и т.д.

3.1. Источники сигналов(вкладки Power Source Components и Signal Source Components).

Рис.7 Семейства компонента источники.

Под источниками сигналов подразумеваются не только источники питания, но и управляемые источники (таблица 8).

Таблица 8.

3.2. Пассивные элементы(вкладка Basic) – библиотека, в которой собраны все пассивные компоненты, а также коммуникационные устройства.

Рис. 8. Семейства компонента пассивные компоненты.

Рис. 9. Семейства компонента диоды.

Рис. 10 Семейства компонента транзисторы.

Таблица 9.

Изображение источника	Функция
	Резистор (сопротивление).
	Катушка индуктивности (индуктивность).
	Реле (находится только в библиотеке элементов).
	Переключатель, управляемый нажатием заданной клавиши (по умолчанию – пробел).
	Потенциометр (реостат). Параметр «Key» определяет символ клавиши клавиатуры (по умолчанию A), при нажатии на которую сопротивление уменьшается на заданную в процентах величину (параметр «Increment», по умолчанию 5%) или увеличивается на такую же величину при нажатии клавиш Shift+«Key». Параметр «Setting» задает начальную установку сопротивления в процентах (по умолчанию – 50%), параметр «Resistance» задает номинальное значение сопротивления.
	Конденсатор и катушка индуктивности переменной емкости. Действуют аналогично потенциометру.
	Конденсатор (емкость).
	Трансформатор.
	Полупроводниковый диод (тип).
	Стабилитрон (тип).
	Светодиод (тип).
	Выпрямительный мост (тип).
	Диод Шокли (тип).
	Тиристор или динистор (тип).
	Симметричный динистор или диак (тип).
	Симметричный тринистор или триак (тип).
	Биполярные n-p-n и p-n-p транзисторы, соответственно (тип).
	Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом (тип).
	n - канальные с обогащенной подложкой и p -канальные с обедненной подложкой), с раздельными или соединенными выводами подложки и истока (тип).
	Полевые МОП-транзисторы с изолированным затвором (n - канальные с обогащенным затвором и p -канальные с обедненным затвором), с раздельными или соединенными выводами подложки и истока (тип).

3.3. Аналоговые элементы(вкладка Analog) – библиотека, в которой собраны все усилители.

Для примера рассмотрим усилительный каскад на биполярном транзисторе - включенным в схему с обшим эмиттером. Построим графики зависимости выходного и входного напряжений от времени, передаточную характеристику, амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики.

1) Соберем исследуемую схему в среде Multisim
Примечание:
-двойное нажатие левой кнопкой мыши на элемент позволяет изменить его параметры
-для удобства при работе можно изменять цвет проводов (выделяем провод правой кнопкой мыши и в появившемся контекстном меню выбираем Change Color)

2) Запускаем схему, осциллограф автоматически строит графики зависимости входного и выходного напряжений от времени (для того, чтобы их посмотреть, достаточно нажать левой кнопкой мыши на осциллографе).

В активном окне Oscilloscope-XSC1 можно увеличивать и уменьшать масштаб, сдвигать графики по осям ординат и абсцисс, с помощью курсора смотреть параметры в каждой точке графика (здесь- значение напряжения), с помощью кнопки Save можно сохранить данные осциллографа в виде таблице в текстовом файле.

3) Построение аналогичных графиков с помощью Transient Analysis.
С помощью кнопки плоттера отображение курсоров и данных можно посмотреть значение напряжений в любой точке. При анализе графики для удобства отображаются разными цветами.

В окне Transient Analysis на вкладке Output выбираем необходимые для анализа величины, а на вкладке Analysis Parameters можно установить начальное и конечное время анализа (такие же действия производятся в любом виде анализа).

4) Построение передаточной характеристики (зависимость выходного напряжения от входного) с помощью DC-Sweep Analysis. Работа в плоттере (Grapher View) с графиком осуществляется аналогично.

5) Построение АЧХ и ФЧХ (с помощью AC-Analysis).

Этой статьей начинаю освещать одну из интереснейших тем это тема компьютерного, еще говорят, схемотехнического моделирования схем различных электронных устройств .

Вообще термин моделирование электронных схем имеет много синонимов, это и эмуляция электронных схем, симуляция электронных схем и т. д. Я буду придерживаться термина «компьютерное моделирование» или моделирование схем на компьютере, не суть важно.

Итак, поехали.

На сегодняшний день существуем множество компьютерных программ, которые предназначены в первую очередь для разработки различных электронных устройств и в таких программах существует одна из важных функций – эмуляция электрических схем.

Перечислю только самые известные из них:

LTSpice и множестов других программ.

Сегодня я хочу вас познакомить с программой компании National Instruments – это эмулятор схем Multisim.

Бесплатную программу Multisim с ограничениями на 50 элементов в схеме можно скачать с сайта производителя по ссылке https://lumen.ni.com/nicif/confirmation.xhtml, там же на сайте можно найти версию для учебных заведений, более расширенную по сравнению с предидущей, но тоже имеющую свои ограничения https://lumen.ni.com/nicif/us/academicevalmultisim/content.xhtml

Начнем с изучения интерфейса программы.

Основные функциональные панели программы показаны на следующем рисунке.

Отдельный интерес представляет панель компонентов. С помощью панели компонентов осуществляется доступ к базе компонентов. При нажатии на любую из выбранных пиктограмм компонентов схем открывается окно Выбор компонента . В левой части окна осуществляется выбор необходимого компонента.

Вся база данных компонентов разделена на разделы (пассивные элементы, диоды, транзисторы, микросхемы и т. д.), а разделы на семейства (например, для диодов – это сами диоды, стабилитроны, светодиоды, тиристоры и т. д.). Надеюсь идея понятна.

Так же в окне выбора компонента можно посмотреть обозначение выбранного компонента, описание его функции, выбрать тип корпуса.

Моделирование схем в программе Multisim.

Теперь переходим непосредственно к практике. Давайте соберем простую схему в программе Multisim и заставим ее работать!

Я скачал из интернета схему мультивибратора на двух транзисторах, где в качестве нагрузки используются светодиоды.

Можем воспользоваться измерительными приборами, например виртуальным осциллографом и посмотреть сигналы в различных точках схемы.

Мы убедились, что схема работает, на этом знакомство с программой Multisim заканчиваю, если вас заинтересовала тема моделирования схем, пишите свои вопросы в комментариях, отвечу с удовольствием.

Ну и на последок, по традиции представляю вам подробное видео по моделированию схем в программе Multisim.

Если вы еще не подписались на новые выпуски интернет журнала «Электрон», то заполняйте форму внизу страницы и получайте новые выпуски на электронную почту в формате PDF.