Практические рекомендации по выполнению работы и использованию программного обеспечения

 

Основы работы с пакетом CircuitMaker

Пакет моделирования CircuitMaker PRO это программный продукт моделирования аналоговых и цифровых электрических схем. В панели инструментов CircuitMaker имеются:

- инструмент для выбора и выделения элементов цепи, их перемещения, выбора элементов на панели инструментов и т. д.;

- инструмент для рисования проводников в рабочей области при соединении элементов цепи;

- инструмент для удаления элементов схем и проводников;

- клавиша для инициализации схемы и отказа от предыдущих результатов анализа, например, от полученных с использованием измерительных приборов значений после изменения номиналов пассивных элементов в схеме;

- клавиша служит для запуска режима анализа (моделирования) электрической цепи;

- клавиша служит для остановки режима анализа (моделирования) электрической цепи и возврата к режиму редактирования схемы;

В режиме редактирования схем в левой части рабочего окна CircuitMaker располагается дерево базы данных элементов схем. Вывод дерева на экран осуществляется клавишей в панели инструментов. После выбора необходимого элементы из базы данных его размещение в рабочем поле построения схемы осуществляется нажатием клавиши Place, расположенной над деревом базы данных, и заданием места расположения элемента щелчком левой кнопки мыши.

 

Пример 1. Моделирование участка электрической цепи с
активным сопротивлением

Рассмотрим пример моделирования простейшего участка электрической цепи с активным сопротивлением (см. рис. 2) для которого амплитуда и частота напряжения генератора составляют соответственно 10 В и 10 Гц, а сопротивление R = 2,5 Ом. Модель схемы в CircuitMaker с заданными исходными данными показана на рис. 65.

Важно! Обратите внимание на то, что заданное значение сопротивления R = 2,5 Ом в модели представлено последовательным соединением двух резисторов: 1,5 и 1 Ом соответственно. Вспомогательное сопротивление 1 Ом необходимо для удобства измерения действующего значения тока I – при R2 = 1 Ом напряжение, измеряемое с использованием мультиметра, численно равно току.

Рис. 65

В качестве источника входного напряжения выбираем генератор гармонического сигнала в базе данных элементов Analog / Instruments / Signal Gen. Окно редактирования параметров элемента открывается двойным щелчком. Согласно исходным данным примера задаем значения амплитуды (поле Peak Amplitude) и частоты напряжения генератора (поле Frequency) 10 В и 10 Гц соответственно.

Мультиметры выбираем в базе данных элементов Analog / Instruments / Multimeter и задаем режим измерения напряжения переменного тока, устанавливая в окне редактирования параметров маркеры в полях Voltage и AC RMS.

Резисторы выбираем в базе данных элементов Passive components / Resistors / Resistor:A и задаем значение номиналов в поле Label–Value окна редактирования. Элемент заземления выбираем в базе данных элементов Analog / Power / Ground.

Выбор режимов моделирования осуществляется в диалоговом меню Simulation / Analyses Setup. Для построения осциллограмм сигналов переменного тока следует выбрать режим Transient / Fourier (рис. 29). Нажатие кнопки Transient / Fourier вызывает окно редактирования параметров моделирования (рис. 30). В полях Start Time и Stop Time задается начальное и конечное значение общего времени моделирования соответственно. Начальное время следует задать равным нулю. Согласно заданию в п. 1 хода выполнения работы осциллограммы сигналов следует строить на интервале времени, равном периоду колебаний. В исходных данных к рассматриваемому примеру задана частота 10 Гц, следовательно конечное время моделирования должно составлять 1/10 = 0,1 с = 100 mс. Параметр Step Time задает шаг приращения времени – для приемлемой точности моделирования его значение должно быть во много раз меньше общего времени моделирования (см. рис. 30 – обозначение «us» соответствует микросекундам, т.е. порядку 10^-6). Параметр Max. Step следует задать равным Step Time. Остальные параметры оставляем без изменения.

Рис. 29

Рис. 30

Запуск режима моделирования схемы осуществляется кнопкой Run Analyses в меню Analyses Setup или кнопкой панели инструментов. После запуска на индикаторах мультиметров вместо надписи «NO DATA» отображаются результаты измерения действующих значений напряжений (рис. 31) и открывается изначально пустое окно построения осциллограмм. Выбор на схеме точки снятия осциллограммы осуществляется инструментом , причем при подведении инструмента к узлу, элементу или проводнику схемы на значке инструмента появляется обозначение параметра, доступного для построения осциллограммы в данной точке: обозначение соответствует выбору построения осциллограммы сигнала переменного тока, – напряжения и – мгновенной мощности соответственно. Если необходимо построение нескольких характеристик, то, после задания первой точки, выбор остальных осуществляется при нажатой на клавиатуре клавише Shift. Выбранные точки помечаются буквенными обозначениями в цветных рамках.

Рис. 31

Для построения согласно заданию п. 1 хода выполнения работы осциллограммы тока i (t) в схеме примера необходимо выбрать точку на незаземленном контакте резистора R2, для снятия напряжения u (t) – произвольную точку в линии подачи напряжения с генератора на R1 и для снятия мгновенной мощности p (t) – точку непосредственно на сигнале генератора (см. соответственно А, В и С на рис. 31).

Результат построения осциллограмм для рассматриваемого примера показан на рис. 32. Как и следовало ожидать, для участка электрической цепи с отсутствием реактивных сопротивлений (индуктивных или емкостных) сдвиг фаз между током и напряжением отсутствует.

Рис. 32

Как видно по рис. 32 график мгновенной мощности p (t) для активной цепи целиком расположен выше оси времени. Следовательно, мощность, отдаваемая источником в цепь, полностью ею потребляется и обратного обмена энергией не происходит, т.е. полная мощность цепи равна активной мощности, а реактивная мощность равна нулю.

Для оптимизации масштабирования осциллограмм в поле построения графиков при необходимости (если, например, графики «обрезаны» кромкой поля построения графиков, или, наоборот, занимают только малую часть поля построения) следует использовать команду Fit Waveforms в пункте меню, вызываемого щелчком правой кнопки мыши по полю построения графиков. Для детализации (увеличения на все поле построения) фрагмента осциллограммы используется выделение ее фрагмента рамкой при нажатой левой клавиши мыши. Возврат к исходному виду также осуществляется с использованием команды Fit Waveforms.

Настройка цветовой схемы поля построения осциллограмм осуществляется в пункте меню Preferences, вызываемого щелчком правой кнопки мыши по полю построения графиков. Цвет поля построения графиков задается в пункте меню Background, цвет подписей осей – в пункте Foreground, цвет координатной сетки – в пункте Grid и цвет активного измерительного курсора – в пункте Selected Cursor. Также для наглядности отображения графиков следует в разделе Options включить режим отображения графиков жирными линиями Bold Waveforms. Выбор цвета линий отображения графиков задается выбором пункта Wave Colour в меню, вызываемом щелчком правой кнопки мыши по подписям параметров вертикальной оси.

Для копирования и вставки в отчет по лабораторной работе схем и графиков, построенных в Circuit Maker, можно использовать экранные копии (скриншеты) или пункт главного меню Edit / Copy to Clipboard.

Определим параметры схемы примера в соответствии с п. 2 хода выполнения работы. Действующие значения напряжения U и тока I после запуска моделирования схемы отображаются на индикаторах мультиметров (см. рис. 31) и составляют, соответственно, U = 7,071 В и I = 2,828 А.

Для определения амплитудных значений напряжения U_m, тока I_m и мгновенной мощности P_m по осциллограммам следует использовать два измерительных курсора – Measurement Cursors, область настройки которых отображается в левой части рабочего окна после запуска режима моделирования. Выбор параметра измерения осуществляется щелчком по кнопке в правой части поля измерительного курсора (рис. 33).

Рис. 33

При перемещении курсора в поле построения осциллограмм его координаты по осям Х и Y отображаются непосредственно под полем соответствующего курсора. Как видно из результатов измерений координат измерительных курсоров по оси Y, показанных на рис. 33, величина амплитудного значения тока I_m составляет приближенно 3,9947 А, а величина P_m – приближенно 39,920 Вт. Аналогично, после смены для любого из курсоров измеряемого параметра на напряжение, получим U_m» 9,9953 В. Заметим, что имеющаяся погрешность в измерении параметров связана с дискретностью перемещения измерительных курсоров: так точная величина U_m для рассматриваемого примера составляет, согласно заданию, 10 В.

 

Пример 2. Моделирование участка электрической цепи с
активно-индуктивным сопротивлением

Рассмотрим пример моделирования простейшего участка электрической цепи с активно-индуктивным сопротивлением (см. рис. 3) для которого амплитуда и частота напряжения генератора составляют соответственно 40 В и 50 Гц, сопротивление R = 4 Ом и индуктивность L = 10 mГ. Модель схемы в CircuitMaker с заданными исходными данными показана на
рис. 34 (индуктивность выбираем в базе данных элементов Passive components / Inductors / Inductor).

Рис. 34

Особенностью моделирования схем с индуктивными и емкостными сопротивлениями является наличие переходного процесса при задании старта моделирования в нулевой момент времени, т.е. синусоидальные сигналы переменного тока достигают установившегося значения амплитуды не сразу, а за некоторый интервал времени. Для получения осциллограмм установившегося режима в этом случае следует использовать 3-ий или 4-ый период синусоидального сигнала. В исходных данных к рассматриваемому примеру задана частота 50 Гц, следовательно конечное время моделирования должно составлять 1/50 = 0,02 с = 20 mс. Зададим параметр Start Time равным 3×20 = 60 mс, а Stop Time, соответственно, 60 + 20 = 80 mс. задается начальное и конечное значение общего времени моделирования соответственно (рис. 35). Параметр Step Time задается по тем же правилам, что и в Примере 1.

Рис. 35

Результаты моделирования схемы рассматриваемого примера, полученные так же, как и для Примера 1, приведены на рис. 36.

Рис. 36

Как видно по рис. 36 график мгновенной мощности p (t) для активно-индуктивной цепи имеет фрагменты, расположенные ниже оси времени. Это значит, что не вся мощность, отдаваемая источником в цепь, потребляется ею: происходит и обратный переход энергии из цепи к источнику, т.е. реактивная мощность для активно-индуктивной цепи не равна нулю. Также видно, что i (t) отстает от u (t) по времени на некоторую величину t, что легко проследить, например, по смещению друг относительно друга во времени нулевых или максимальных значений тока и напряжения. Сдвиг фаз j, выражаемый в радианах, с задержкой по времени t связан соотношением:

,

следовательно, для расчета j необходимо измерить t. Выполним это измерение с использованием измерительных курсоров, приближенно установленных в точках, соответствующих нулевым значениям тока и напряжения. Для удобства измерения предварительно перестроим осциллограммы без p (t) и воспользуемся командой Fit Waveforms в пункте меню, вызываемого щелчком правой кнопки мыши по полю построения графиков. Обратите внимание на то, что под нижним полем в графическом меню Measurement Cursors отображается разница между значениями координат Х и Y измерительных курсоров 1 и 2 (рис. 37), т.е. величина t» 2,1 mс, а величина сдвига фаз составляет:

0,66 рад.

Рис. 37

Важно! Не забывайте, что сдвиг фаз считается положительным, если ток отстает от напряжения, т.е. синусоидальный сигнал тока достигает максимума или нулевого значения позже по времени, чем сигнал напряжения. Такая ситуация имеет место в примере на рис. 37: сигнал напряжения достигает нулевого значения в момент времени 69,999 mс (см. Measurement Cursor 1), а сигнал тока – в момент времени 72,111 mс (см. Measurement Cursor 2), т.е. задержка по времени тока относительно напряжения положительна, как и соответствующий сдвиг фаз. Аналогично, задержка по времени тока относительно напряжения и сдвиг фаз считается отрицательным, если ток опережает напряжение.

Определение всех прочих параметров схемы по п. 2 хода выполнения работы для данной схемы выполняется также, как и для Примера 1. Результаты выполнения п. 2 хода работы для двух примеров приведены в табл. 4.

Таблица 4
Схема	U, В	I, А	Um, В	Im, А	Pm, Вт	t, с	j, рад
№1	7,071	2,828	» 9,9953	» 3,9947	» 39,920
№2	28,490	5,571	» 39,95	» 7,8591	» 279,84	0,0021	0,66

 

Типичные ошибки моделирования и способы их исправления

Если текст сообщения в специальном окне Circuit Maker XSPISE For Windows выглядит, как показано на рис. 38, это значит, что получена сингулярная (некорректная) матрица коэффициентов системы уравнений схемы, составляемой по законам токов и напряжений Кирхгофа, и используемой для моделирования всех характеристик схемы.

Рис. 38

Способ исправления: увеличить в параметрах моделирования Analyses Setup / Analog Options значение сопротивления в цепи заземления (RSHUNT – самый последний пункт списка) до величины 150 – 500 Ом. Значение вводится в окне ввода Option Value, после чего для подтверждения изменений нужно нажать кнопку Enter в правом верхнем углу окна Analog Options.

Если текст сообщения об ошибкевыглядит как на рис. 39, это значит, что моделирование схемы прервано, так как значение максимального шага приращения времени задано меньше нуля или больше, чем заданный интервал времени моделирования.

Рис. 39

Способ исправления: изменить необходимым образом величину максимального шага приращения времени в поле Max.Step в параметрах моделирования Analyses Setup / TransientFourier.

Если текст сообщения в специальном окне Circuit Maker XSPISE For Windows выглядит как на рис. 40, это значит, что моделирование схемы прервано, так как шаг приращения времени слишком мал.

Рис. 40

Способ исправления: увеличить шаг приращения времени, изменив значения в полях Step Time / Max.Step в параметрах моделирования Analyses Setup / TransientFourier.

 

 

Варианты индивидуальных заданий

 

1.

Схема 1: из Примера 2; R = 10 Ом; L = 50 mГ; параметры генератора: 20 В, 40 Гц.

Схема 2:

2.

Схема 1: из Примера 1; R = 40 Ом; параметры генератора: 80 В, 80 Гц.

Схема 2:

3.

Схема 1: из Примера 2; R = 20 Ом; L = 70 mГ; параметры генератора: 70 В, 60 Гц.

Схема 2:

4.

Схема 1: из Примера 1; R = 16 Ом; параметры генератора: 120 В, 60 Гц.

Схема 2:

5.

Схема 1: из Примера 2; R = 24 Ом; L = 25 mГ; параметры генератора: 40 В, 20 Гц.

Схема 2:

6.

Схема 1: из Примера 1; R = 12 Ом; параметры генератора: 30 В, 40 Гц.

Схема 2:

7.

Схема 1: из Примера 2; R = 6 Ом; L = 6 mГ; параметры генератора: 45 В, 55 Гц.

Схема 2:

8.

Схема 1: из Примера 1; R = 100 Ом; параметры генератора: 220 В, 60 Гц.

Схема 2:

9.

Схема 1: из Примера 2; R = 20 Ом; L = 10 mГ; параметры генератора: 60 В, 100 Гц.

Схема 2:

10.

Схема 1: из Примера 1; R = 32 Ом; параметры генератора: 65 В, 60 Гц.

Схема 2:

11.

Схема 1: из Примера 2; R = 42 Ом; L = 75 mГ; параметры генератора: 60 В, 15 Гц.

Схема 2:

12.

Схема 1: из Примера 1; R = 42 Ом; параметры генератора: 120 В, 60 Гц.

Схема 2:

13.

Схема 1: из Примера 2; R = 8 Ом; L = 7 mГ; параметры генератора: 16 В, 50 Гц.

Схема 2:

14.

Схема 1: из Примера 1; R = 220 Ом; параметры генератора: 220 В, 70 Гц.

Схема 2:

15.

Схема 1: из Примера 2; R = 16 Ом; L = 22 mГ; параметры генератора: 85 В, 34 Гц.

Схема 2:

16.

Схема 1: из Примера 1; R = 60 Ом; параметры генератора: 75 В, 80 Гц.

Схема 2:

17.

Схема 1: из Примера 2; R = 72 Ом; L = 24 mГ; параметры генератора: 58 В, 100 Гц.

Схема 2:

18.

Схема 1: из Примера 1; R = 64 Ом; параметры генератора: 18 В, 28 Гц.

Схема 2:

19.

Схема 1: из Примера 2; R = 6 Ом; L = 15 mГ; параметры генератора: 38 В, 70 Гц.

Схема 2:

20.

Схема 1: из Примера 1; R = 62 Ом; параметры генератора: 240 В, 15 Гц.

Схема 2:

21.

Схема 1: из Примера 2; R = 94 Ом; L = 12 mГ; параметры генератора: 45 В, 35 Гц.

Схема 2:

22.

Схема 1: из Примера 1; R = 72 Ом; параметры генератора: 26 В, 60 Гц.

Схема 2:

23.

Схема 1: из Примера 2; R = 4 Ом; L = 6 mГ; параметры генератора: 15 В, 60 Гц.

Схема 2:

24.

Схема 1: из Примера 1; R = 90 Ом; параметры генератора: 56 В, 30 Гц.

Схема 2:

25.

Схема 1: из Примера 2; R = 22 Ом; L = 10 mГ; параметры генератора: 56 В, 80 Гц.

Схема 2:

26.

Схема 1: из Примера 1; R = 140 Ом; параметры генератора: 60 В, 50 Гц.

Схема 2:

27.

Схема 1: из Примера 2; R = 16 Ом; L = 75 mГ; параметры генератора: 240 В, 50 Гц.

Схема 2:

28.

Схема 1: из Примера 1; R = 8 Ом; параметры генератора: 6 В, 40 Гц.

Схема 2:

 

Задания на защиту работы

 

Целью защиты лабораторной работы является проверка самостоятельности ее выполнения и понимания полученных результатов. В процессе защиты работы студент должен по заданию преподавателя продемонстрировать умения:

- вносить изменения в модели схем в CircuitMaker: добавлять и/или удалять элементы, изменять узлы подключения элементов и мультиметров, редактировать параметры элементов и генератора;

- настраивать режим моделирования схем по начальному и конечному времени моделирования, а также по шагу приращения времени;

- изменять точки снятия осциллограмм сигналов переменного тока, выполнять масштабирование и детализацию осциллограмм;

- анализировать полученные результаты моделирования на предмет определения величины и знака сдвига фаз;

- выполнять сравнительный анализ результатов моделирования, полученных в процессе защиты, и результатов выполненной работы по индивидуальному варианту на предмет изменения величины и знака сдвига фаз, изменения величины активной и реактивной мощности;

- использовать измерительные курсоры для измерения заданных параметров схемы и разностей параметров.