Применение программного комплекса Electronics Workbench для разработки радиоэлектронных устройств
Аннотация
В дипломной работе рассматривается анализ радиоэлектронных схем, а также возможность их моделирования современными компьютерными методами, а именно при помощи программного комплекса Electronics Workbench. 5.0С.
Electronics Workbench. 5.0С представляет собой программный продукт, позволяющий производить моделирование, тестирование, разработку и отладку электрических цепей.
Для работы программного комплекса необходим IBM – совместимый компьютер с процессором I486 и выше.
Electronics Workbench имеет достаточно простой интерфейс пользователя и прост в обращении.
Еlectronics Workbench содержит в себе достаточно большое количество моделей радиоэлектронных устройств, а также позволяет создавать пользователю свои модели.
В программном комплексе предусмотрена работа не только с «идеальными» элементами, но и с «реальными». Есть возможность имитации различного вида шумов и помех, что позволяет разработчику максимально приблизить модель к реальной.
Также Еlectronics Workbench позволяет проводить анализы электрических цепей, выполнение которых при стандартном подходе является достаточно трудоемким процессом.
Введение
При разработке современного радиоэлектронного оборудования невозможно обойтись без компьютерных методов разработки, ввиду сложности и объемности выполняемых работ.
Разработка радиоэлектронных устройств требует высокой точности и глубокого анализа.
Еlectronics Workbench может применяться как на предприятиях, занимающихся разработкой электрических цепей так и в высших учебных заведениях, занимающихся изучением и разработкой радиоэлектронных устройств.
Еlectronics Workbench применяется в большинстве высших учебных заведений мира.
Еlectronics Workbench может применяться как замена дорогостоящего оборудования.
Еlectronics Workbench может производить большое количество анализов радиоэлектронных устройств, занимающих достаточно много времени при стандартных методах разработки.
Еlectronics Workbench включает в себя большое количество моделей радиоэлектронных устройств наиболее известных производителей, таких как Motorolla.
Еlectronics Workbench прост в обращении и не требует глубоких знаний в компьютерной технике.
Интерфейс Еlectronics Workbench можно освоить буквально за несколько часов работы.
Еlectronics Workbench может работать с большим числом компьютерной переферии, а также имитировать ее работу.
Еlectronics Workbench может на данный момент не имеет себе аналогов по простоте интерфейса и числу выполняемых функций.
1 Анализ и обзор моделей радиоэлектронных устройств на примере автогенераторов
1.1 Автогенераторы
Автогенератор - это источник электромагнитных колебаний, колебания в котором возбуждаются самопроизвольно без внешнего воздействия. Поэтому автогенераторы, в отличие от генераторов с внешним возбуждением (усилителей мощности), часто называют генераторами с самовозбуждением.
В радиопередатчиках автогенераторы применяются в основном в качестве каскадов, задающих несущую частоту колебаний. Такие генераторы входят в состав возбудителя передатчика и называются задающими. Главное требование, предъявляемое к ним, - высокая стабильность частоты. В некоторых типах передатчиков (особенно в диапазоне СВЧ) автогенераторы могут быть выходными каскадами. Требования к таким генераторам аналогичны требованиям к усилителям мощности - обеспечивать высокую выходную мощность и КПД. В настоящей главе основное внимание уделено задающим генераторам; тем не менее изложенные здесь теоретические сведения будут полезны и при изучении мощных генераторов выходных каскадов передатчиков.
1.2 Общие сведения об автогенераторах
Задающие генераторы проектируют таким образом, чтобы в них возбуждались гармонические колебания. Основным элементом генератора гармонических колебаний является резонатор, главное свойство которого - колебательный характер переходного процесса. Простейший резонатор - это колебательный контур. Если в колебательный контур ввести энергию, то при достаточно высокой его добротности (Q >> 1) возникают колебания тока, затухающие со временем. Уменьшение амплитуды колебаний объясняется потерями мощности в контуре /4/. Таким образом, для создания автогенератора гармонических колебаний необходимо использовать резонатор с достаточно высокой добротностью и компенсировать потери.
Для выполнения последнего условия достаточно периодически добавлять в резонатор порции электромагнитной энергии синхронно с возбуждаемыми колебаниями. Источником энергии может служить постоянное электрическое поле; для преобразования его энергии в энергию колебаний требуется активный элемент (АЭ). Структурная схема автогенератора изображена на рисунке 1.1. Обратная связь здесь нужна для синхронизации работы АЭ колебаниями, существующими в резонаторе.
В качестве резонаторов в диапазоне высоких частот применяют LC -контуры, кварцевые пластины; на СВЧ - отрезки линий с распределенными параметрами, диэлектрические шайбы, ферритовые сферы и др. Активными элементами могут быть биполярные и полевые транзисторы, а также генераторные диоды - туннельные, лавиннопролетные, диоды Ганна и др.
Рисунок 1.1 – Структурная схема автогенератора
Механизм работы автогенератора состоит в следующем. При включении источника энергии в резонаторе возникает переходный колебательный процесс, воздействующий на АЭ. Последний преобразует энергию источника в энергию колебаний и передает ее в резонатор. Если мощность, отдаваемая активным элементом, превышает мощность, потребляемую резонатором и нагрузкой, т. е. выполняется условие самовозбуждения, то амплитуда колебаний увеличивается. По мере роста амплитуды проявляется нелинейность АЭ, в результате рост отдаваемой мощности замедляется и при некоторой амплитуде колебаний отдаваемая мощность оказывается равной потребляемой мощности. Если этот энергетический баланс устойчив к малым отклонениям, то в автогенераторе устанавливается стационарный режим колебаний /4/.
Автогенераторы существенно отличаются от других каскадов радиопередатчиков тем, что частота и амплитуда колебаний здесь определяются не внешним источником, а параметрами собственной колебательной системы и активного элемента.
1.3 Транзисторные и диодные автогенераторы
В зависимости от типа АЭ различают транзисторные и диодные автогенераторы. Идея создания транзисторного автогенератора основана на том, чтобы обеспечить режим транзистора приблизительно такой же, как и в усилителе мощности. При этом на вход транзистора подаются колебания не от внешнего источника, а из собственного резонатора через цепь обратной связи.
Диодные автогенераторы обеспечивают стационарные колебания за счет специфических процессов в генераторных диодах, обратная связь здесь осуществляется автоматически без применения специальных элементов.
а) б)
Рисунок 1.2 – Принципиальная электрическая и эквивалентная схемы транзисторного автогенератора
На рисунке 1.2, б показана эквивалентная схема автогенератора, полученная из принципиальной схемы путем замены активного элемента с элементами цепи обратной связи генератором тока, который управляется напряжением на резонаторе. Векторная диаграмма токов, соответствующая схеме на рисунке 1.2, б изображена на рисунке 1.3, а, где IC1, IL1, IR1 - амплитуды первых гармоник токов ветвей эквивалентной схемы резонатора; Iа1, Ua1 - амплитуды первых гармоник выходного тока и напряжения АЭ.
Фазовый угол (ja между колебаниями первых гармоник тока ia(t) и напряжения ua(t) зависит от фазовых сдвигов в АЭ и цепи обратной связи. Если p/2<ja<3p/2, то мощность Р_=0,5 Iа1Ua1*cos(ja) отрицательна; это означает, что АЭ отдает ее в резонатор /4/.
Поделив все компоненты векторной диаграммы, приведенной на рисунке 1.3, a, на общее напряжение Ua1, получим диаграмму проводимостей. В соответствии с рисунком 1.3, a Iа1= I'а1 + I''а1, где I'а1= Iа1*cos(ja) ; I''а1= Iа1*sin(ja) , поэтому
Ya = Iа1/Ua1 = Ga + jBa (1.1)
здесь
Ga = (Ia1/Ua1)*cos(ja) (1.2)
Ba = (Ia1/Ua1)*sin(ja) (1.3)
а) б)
Рисунок 1.3 – Векторная диаграмма токов (а) и проводимостей (б) в автогенераторе
Активный элемент отдает в резонатор максимальную мощность
Р1 = |P_| = 0.5 U2a1|Ga| (при заданной амплитуде Ua1), если Ga отрицательна и максимальна по модулю, т. е. при ja = p. В этом случае колебания первых гармоник Ia(t) и Ua(t) противофазны и Ba = 0.
Динамическая выходная ВАХ автогенератора такая же, как ВАХ усилителя мощности: при ja = p она содержит участок отрицательной крутизны. Таким образом, правильно выбранная положительная обратная связь приводит к появлению участка отрицательной дифференциальной проводимости ga = dia / dua на динамической выходной ВАХ.
1.3.1 Диодные автогенераторы
Пример схемы диодного автогенератора представлен на рисунке 1.4, генераторный диод здесь изображен в обобщенном виде и имеет два электрода: И - исток, К - коллектор. На динамической ВАХ генераторного диода в режиме установившихся колебаний формируется участок отрицательной дифференциальной проводимости. Участок отрицательной крутизны генераторных диодов некоторых типов (например, туннельных диодов) имеется не только на динамической, но и на статической ВАХ.
Рисунок 1.4 – Схема диодного автогенератора
Если мгновенные ток и напряжение АЭ соответствуют участку отрицательной крутизны динамической ВАХ, то колебания первых гармоник ia(t) и ua(t) противофазны, поэтому на частоте генерации диод эквивалентен отрицательной проводимости - |Ga|.При учете временной задержки в АЭ и влияния его реактивных компонентов (межэлектродной емкости, индуктивности выводов) фазовый сдвиг ja между ia(t) и ua(t) отличается от p. В соответствии с (1.3) в этом случае Ba ¹ 0 и генераторный диод может быть заменен комплексной проводимостью Ya = Ga + jBa.
Следовательно, как в транзисторных, так и в диодных автогенераторах АЭ на частоте генерации эквивалентен комплексной выходной проводимости Ya = Ia1/Ua1, где Ia1, Ua1 - Комплексные амплитуды первой гармоники выходного тока и напряжения АЭ. Действительная и мнимая части Ya определяются соотношениями (1.2) и (1.3). Замена АЭ комплексной проводимостью дает возможность применить единый метод анализа автогенераторов обоих типов /4/.
1.3.2 Динамические ВАХ активных элементов
Существуют АЭ с динамическими ВАХ N- и S-типа (рисунок 1.5).
а) б) в)
Рисунок 1.5 – Динамические ВАХ активных элементов N-типа (а) и
S-типа (б, в)
Большинство современных АЭ (транзисторы, диоды Ганна, туннельные диоды) имеют ВАХ N-типа, у некоторых приборов (например, со структурой р-п-р-п) существуют выходные ВАХ S-типа. В последующих
параграфах излагается теория автогенераторов на АЭ, имеющих выходную динамическую ВАХ N-типа. Ее результаты с некоторой модификацией могут быть использованы и для активных элементов с ВАХ S-типа.
1.4 Стационарный режим работы автогенератора
Стационарным называют режим установившихся колебаний. т. е. режим, в котором амплитуда и частота автоколебаний не изменяются во времени. Цель анализа стационарных режимов состоит в отыскании условий их существования, поиске оптимального режима и получении соотношений, связывающих амплитуду и частоту колебаний с параметрами АЭ и резонатора.
1.4.1 Квазилинейный метод анализа стационарного режима
Как и при изучении усилителей мощности и умножителей частоты, применим квазилинейный метод анализа. Нелинейный АЭ заменим усредненной по первой гармонике комплексной выходной проводимостью Ya (1.1). Если изменяется амплитуда колебаний Ua1, то в соответствии с (1.1) изменяется и проводимость Ya, т. е. Ya есть функция амплитуды. Ya(Ua1).
Как известно, применение квазилинейного метода анализа оправдано только в том случае, когда либо ток ia(t), либо напряжение ua(t) - гармоническая функция времени. В схемах автогенераторов, изображенных на рисунках 1.2 и 1.4, гармоническим следует считать напряжение ua(t), так как АЭ подключен параллельно колебательному контуру. Напряжение на контуре имеет гармоническую форму, если его добротность достаточно велика.
Линейную часть схемы (резонатор вместе с нагрузкой) в точках подключения выходных электродов АЭ заменим ее входной проводимостью Yk = Gk + jBk. Таким образом получим эквивалентную схему автогенератора (рисунок 1.6). Проводимость Yk зависит от частоты w. Выходная проводимость АЭ Ya также в некоторой степени зависит от частоты, однако эта зависимость обычно выражена слабее, чем Yk(w), поэтому для простоты анализа ее учитывать не будем /4/.
1.4.2 Условия существования стационарного режима автоколебаний
По первому закону Кирхгофа для схемы рисунка 1.6 Ua1Ya1 + Ua1Yk = 0 или
Yk = -Ya. (1.4)
Соотношение (1.4) может быть записано в виде двух уравнений
Ck(w) = -Ga (Ua1), (1.5)
Bk(w) = -Ba (Ua1). (1.6)
Уравнения (1.5) и (1.6) являются условиями существования стационарного режима автоколебаний. Рассмотрим их физический смысл. В соответствии с рисунком 1.6 выходная мощность АЭ P_= 0.5U2a1Ga (так как Ga < 0, то Р_ < 0), а мощность, потребляемая резонатором (с учетом нагрузки), P+=0.5U2a1Gk. При выполнении условия (1.5) P_= -P+.Таким образом, (1.5) - это условие баланса активных мощностей.
Рисунок 1.6 – Обобщенная эквивалентная схема автогенератора
Соотношение (1.6) может быть записано в виде Bk + Ba = 0. Это условие резонанса в полной колебательной системе автогенератора, образованной резонатором и АЭ. Колебания в автогенераторе происходят на резонансной частоте wр суммарного резонатора.
Следует отметить, что условия (1.5) и (1.6) - необходимые, но не достаточные для существования стационарного режима автоколебаний.
1.4.3 Применение метода годографов для анализа стационарного режима
При анализе стационарных режимов удобно пользоваться годографами выходной проводимости Ya АЭ и входной проводимости Yk колебательной системы. Годограф проводимости Y = G + jB - это линия на комплексной плоскости G, jB, по которой перемещается конец радиусвектора Y при изменении аргумента от 0 до ¥. Направление годографа соответствует возрастанию аргумента. Аргументом Yk является частота w, аргументом Ya – амплитуда колебаний Ua1.
Если на одной плоскости построить годографы Yk(w) и - Ya(Ua1), то в соответствии с (1.4) их пересечение определяет стационарный режим колебаний (рисунок 1.7). Так как каждая точка годографа Yk(w) соответствует определенной частоте, а каждая точка годографа - Ya(Ua1) - определенной амплитуде колебаний, то пересечение Yk c - Ya позволяет одновременно найти частоту w и амплитуду Uст колебаний в стационарном режиме.
Рисунок 1.7 – Определение Рисунок 1.8 – Определение частоты и
стационарного режима с и амплитуды колебаний при Ba = 0
помощью годографов
Для построения годографов Yk(w) и – Ya(Ua1) необходимо знать зависимости Gk(w), Bk(w), - Ga(Ua1) и –Ba(Ua1).
Функции Gk(w) и Bk(w) легко найти, зная структуру линейной части автогенератора, методами расчета линейных цепей. Для отыскания зависимостей - Ga(Ua1) и –Ba(Ua1) следует рассчитать режим АЭ при разных амплитудах Ua1 найти амплитуду выходного тока активного элемента Ia1 а также фазовый сдвиг jа между ia(t) и ua(t) как функции Ua1 и, наконец, воспользоваться соотношениями (1.2), (1.3).
Расчет частоты и амплитуды колебаний оказывается наиболее простым, если выходная проводимость АЭ не содержит мнимой части, т.е. Ba = 0. В этом случае условие (1.6) принимает вид /4/
Bk(w) = 0, (1.7)
откуда можно найти частоту автоколебаний wр (она равна резонансной частоте колебательной системы, подключенной к АЭ). Зная зависимость Gk(w), легко рассчитать действительную часть проводимости колебательной системы на частоте генерации Gk(wр) и, решая уравнение (1.8), найти амплитуду Uст (рисунок 1.8).
1.5 Устойчивость стационарного режима
Выполнение условия (1.4) указывает на возможность существования стационарного режима колебаний, однако установится ли он на практике, зависит от его устойчивости к малым электрическим возмущениям.
Допустим, амплитуда колебаний изменилась на малую величину DU : U' = Uст + DU, в результате чего нарушились условия (1.5), (1.6.) и возник переходный процесс. В дальнейшем амплитуда может продолжать изменяться с тем же знаком либо останется равной U', либо начнет изменяться с другим знаком и вернется к прежнему значению Uст. Будем считать, что лишь в последнем случае режим устойчив к малым возмущениям.
Переходный процесс, возникающий при отклонении амплитуды от стационарного значения, может быть описан приближенным выражением
Ua(t) » U' e gt cos(wt), (1.8)
относительная скорость изменения амплитуды; g = g(t); w = w(t);
U(t) = U'egt.
Из (1.8) следует, что в случае DU > 0 режим устойчив при g < 0. Если же DU < 0, то для устойчивости режима необходимо, чтобы g > 0. Анализ устойчивости стационарных режимов удобно проводить с помощью обобщенного годографа.
1.5.1 Обобщенный годограф проводимости колебательной системы
По аналогии с гармоническими колебания вида (1.8) могут быть записаны в виде /4/
Ua(t) = Re[U'e (g+jw) t] (1.9)
Если для гармонических колебаний применяется понятие годографа проводимости колебательной системы Yк(w), то для колебаний переходного процесса (1.8) вводится понятие обобщенного годографа проводимости Yк(р), аргументом которого в соответствии с (1.9) является комплексная частота p = w - jg, 0 < w < ¥.
Обобщенный годограф Yк(р) определенным образом связан с годографом Yк(w). В приложении 10 показано, что годограф Yк(р) имеет приблизительно такую же форму, что и годограф Yк(w), и расположен справа от него (если смотреть по направлению возрастания w при g > 0 и слева при g < 0. При изменении g обобщенный годограф перемещается в комплексной плоскости параллельно самому себе. Таким образом, если известен годограф Yк(w), то можно мысленно заполнить его окрестности обобщенными годографами Yк(р) (рисунок 1.9).
Рисунок 1.9 – Обобщенные годографы колебательной системы
1.5.2 Анализ устойчивости стационарного режима автоколебаний методом годографов
На рисунке 1.10 представлены варианты графического решения уравнения (1.4), определяющего стационарные режимы колебаний. Проверим, будет ли устойчив стационарный режим для случая, изображенного на рисунке 1.10. Допустим, в результате случайной флуктуации амплитуда колебаний Ua1 уменьшилась, т. е. рабочая точка переместилась по годографу - Ya влево. Через новую точку проходит обобщенный годограф Yк(р), соответствующий колебаниям вида (1.8) при g > 0. Таким образом, при уменьшении амплитуды колебаний возникает переходный процесс, стремящийся увеличить Ua1 и восстановить стационарный режим. Аналогично, при увеличении Ua1 переходный процесс также восстанавливает прежний режим, поскольку в этом случае g < 0. Итак, стационарный режим для рисунка 1.10, a устойчив.
Рассуждая таким же образом, можно показать, что стационарный режим, соответствующий рисунку 1.10, б, неустойчив. На рисунке 1.10, в изображен годограф входной проводимости двухконтурной колебательной системы; здесь три стационарных режима (точки 1-3), из которых первый и второй устойчивы, а третий неустойчив. Подобным же образом устанавливаем, что режим, представленный на рисунке 1.7 устойчив. Естественно, что неустойчивые режимы на практике не существуют.
1.5.3 Аналитическое условие устойчивости
Из рисунков 1.7 и 1.10 следует что устойчивым стационарным режимам соответствуют следующие пары неравенств:
где производные взяты в точке стационарного режима, т. е. при
Ua1 = Uст, w = wр. При других сочетаниях знаков производных режим неустойчив.
Итак, общее условие устойчивости стационарного режима автогенератора может быть записано в виде
Необходимость выполнения условия (1.10) приводит к важным практическим следствиям. В генераторах гармонических колебаний либо ток, либо напряжение на выходе АЭ имеют синусоидальную временную форму. Если АЭ имеет выходную динамическую ВАХ N-типа, то ток ia -однозначная функция напряжения ua (см. рисунок 1.5, а) и целесообразно применить режим работы АЭ с гармоническим выходным напряжением. В противном случае (при гармонической форме выходного тока) возможны скачкообразные изменения напряжения, спектр колебаний обогащается гармониками, что существенно снижает стабильность частоты.
а) б) в)
Рисунок 1.10 – Примеры определения устойчивости стационарных режимов в автогенераторах
Гармоническая форма напряжения получается при параллельном резонансе в колебательной системе, когда dBk/dw > 0. В соответствии с (1.10) для устойчивости стационарного режима требуется выполнение условия d|Ga| / dUa1 < 0. Следует отметить, что производная dBк/dw вычисляется на резонансной частоте полной колебательной системы, включающей емкости и индуктивности АЭ.
1.6 Возбуждение колебаний
Колебания в автогенераторе возбуждаются самопроизвольно при включении напряжения питания. Условие самовозбуждения можно получить, сравнивая мощность, отдаваемую активным элементом, и мощность, потребляемую резонатором. Так как колебания начинаются с малых амплитуд, то для получения условия самовозбуждения можно пренебречь нелинейностью АЭ и заменить его линейной проводимостью Y0 = G0 + jB0 , где G0 = Ga|Ua1à0; B0 = Ba|Ua1à0. В соответствии с рисунком 1.6 при малых амплитудах мощность активного элемента Р_ = 0,5 , мощность, потребляемая резонатором, P_=0,5U2a1Gк. Амплитуда автоколебаний нарастает, если АЭ отдает мощность в резонатор, т. е. P_<0, причем |P_|>P+. Таким образом, для возбуждения автоколебаний необходимо выполнение условий
G0 < 0, (1.11)
|G0| > Gк (1.12)
где G0 - действительная часть выходной проводимости АЭ в режиме малого сигнала; Gк - действительная часть проводимости колебательной системы в точках подключения выходных электродов АЭ.
1.6.1 Мягкий и жесткий режимы возбуждения колебаний
Рассмотренный режим возбуждения, в котором колебания возникают самопроизвольно, называют мягким. В автогенераторе с мягким возбуждением состояние покоя (т. е. состояние с нулевой амплитудой) неустойчиво. При определенных условиях в автогенераторе может быть осуществлен жесткий режим возбуждения колебаний. Жестким называют такой режим возбуждения, в котором генерация возникает только при наличии внешнего воздействия, создающего колебания с амплитудой, большей некоторого порогового значения. Таким воздействием может быть, например, радиоимпульс, подаваемый на автогенератор от внешнего источника. В автогенераторе с жестким возбуждением состояние покоя устойчиво.
Особенности автогенераторов с мягким и жесткими режимами возбуждения удобно изучать, используя нагрузочную характеристику АЭ, т. е. Зависимость Ua1(R’к), где R’к = 1/Gк. Построим нагрузочную характеристику АЭ в автогенераторе с мягким возбуждением. Предположим для простоты, что Ba = 0, тогда зависимость Ua1(R’к) может быть получена путем решения уравнения (1.5) при различных Gк. На рисунке 1.11, а изображена зависимость |Ga| от Ua1, характерная для мягкого режима возбуждения колебаний, там же показаны графические решения уравнения (1.5). Как видно, стационарный режим существует только при G0 > Gк , что одновременно совпадает с условием самовозбуждения (1.12). На рисунке 1.11, б представлена нагрузочная характеристика АЭ автогенератора с мягким режимом возбуждения колебаний.
Особенности мягкого режима: плавный вид нагрузочной характеристики, отсутствие скачков амплитуды; однозначная связь Ua1 и R’к , монотонный вид зависимости |Ga| (Ua1), при котором обеспечивается возможность получения самых малых амплитуд /4/.
а) б)
Рисунок 1.11 - Зависимости, характерные для мягкого режима возбуждения колебаний
а) б)
Рисунок 1.12 - Зависимости, характерные для жесткого режима возбуждения колебаний
На рисунке 1.12, а изображена зависимость |Ga| (Ua1), характерная для автогенератора, в котором возможен только жесткий режим возбуждения колебаний. Из рисунка видно, что в данном случае условие самовозбуждения (1.12) не выполняется ни при каких Gк, однако при Gк < |Gк max| возможно существование стационарных режимов, некоторые из которых оказываются устойчивыми. Так как к АЭ с характеристикой N-типа необходимо подключить резонатор, для которого на резонансной частоте справедливо соотношение dBк/dw > 0, то в соответствии с (1.10) из двух стационарных режимов (рисунок 1.12), а оказывается устойчивым режим с амплитудой U''ст.
а) б)
Рисунок 1.13 - Зависимости, характерные для автогенератора со скачкообразным возбуждением и срывом колебаний
Для возбуждения колебаний в указанном режиме нужно подвести к автогенератору на короткое время колебания от внешнего источника, амплитуда которых превышает U'ст. Как видно из рисунка 1.12, а, в этом случае |Ga| > Gк и Р_ > Р+ , поэтому амплитуда колебаний в резонаторе будет возрастать до значения U''ст При снятии внешнего воздействия стационарный режим сохраняется, поскольку условия его существования и устойчивости сохраняются, а выполнения условия самовозбуждения уже не требуется. Если теперь изменять Gк , то амплитуда колебаний будет следовать по правой ветви зависимости |Ga| (Ua1). В результате получим нагрузочную характеристику, изображенную на рисунке 1.12, б.
Автогенераторы с жестким возбуждением колебаний применяют лишь в специальных случаях, поэтому, как правило, зависимость |Ga| (Ua1), изображенная на рисунке 1.12, а, неприемлема. Однако эта характеристика часто имеет форму, представленную на рисунке 1.13, а. Легко заметить, что здесь возможно самопроизвольное возбуждение колебаний при Gк < |G0|. Нагрузочная характеристика АЭ для данного случая показана на рисунке 1.13, б. Ее особенности: скачкообразный характер возбуждения и срыва колебаний; наличие диапазона значений R’к (от 1/|Gmax| до 1/|G0|), где колебания могут существовать или отсутствовать в зависимости от начальных условий; невозможность получения малых амплитуд /4/.
Сравнивая рисунки 1.11 и 1.13, замечаем, что предпочтительной является зависимость |Ga| (Ua1), изображенная на рисунке 1.11, а, при которой существует только мягкий режим возбуждения. В большинстве случаев такой режим может быть обеспечен применением комбинированного смещения (фиксированного и автоматического).
Перечисленные условия справедливы для автогенераторов, построенных на АЭ с динамической выходной ВАХ N-типа.
Запишем аналогичные соотношения для АЭ с динамической ВАХ S-типа. Как следует из рисунка 1.5, а, б, проведенный анализ (без учета инерционности АЭ) будет справедлив и для АЭ с ВАХ S-типа, если в полученных соотношениях поменять местами ток и напряжение. Более того, можно показать, что если инерционность процессов в АЭ с ВАХ N-типа приводит к появлению емкостной составляющей выходной проводимости АЭ, то в АЭ с ВАХ S-типа мнимая составляющая проводимости имеет индуктивный характер. Таким образом, можно заключить, что активные элементы, имеющие динамические выходные ВАХ N и S-типа, дуальны, т. е. уравнения относительно тока для одного из них аналогичны уравнениям относительно напряжения для другого.
В результате, заменив проводимости сопротивлениями, амплитуду выходного напряжения Ua1 амплитудой выходного тока Ia1 получим условия возбуждения и существования устойчивых колебаний в автогенераторе на АЭ с динамической выходной ВАХ S-типа:
Здесь АЭ и колебательная система представлены комплексными сопротивлениями Za=Ra + jXа, Zк = Rк + jXк , причем Rа и Xа –функции амплитуды первой гармоники выходного тока Iа1; Rк, Xк – функции частоты w ; R0 = Rа при Iа1à0.
Так как выходное напряжение АЭ, имеющего динамическую ВАХ S-типа, однозначная функция выходного тока, то во избежание возбуждения релаксационных колебаний целесообразно применять режим с гармоническим выходным током.. Это достигается последовательным включением АЭ в высокодобротный колебательный контур. При последовательном резонансе производная dXк/dw положительна и для устойчивости стационарного режима требуется выполнение условия d|Rа|/dIа1 < 0.
1.7 Стабильность частоты колебаний
Стабильностью частоты колебаний называют постоянство ее во времени. Под действием различных дестабилизирующих факторов частота колебаний с течением времени изменяется сложным образом. Влияние шумов, пульсаций напряжений источников питания, вибраций приводит к быстрым случайным изменениям ее около среднего значения. В то же время среднее значение частоты медленно меняется из-за старения элементов, изменения климатических условий и т.п. Различают кратковременную и долговременную стабильность частоты.
Кратковременная стабильность частоты - это постоянство ее в течение коротких промежутков времени (секунд или долей секунды). Она характеризуется среднеквадратическим отклонением измеренной частоты df от среднего значения f0, вызванным ее быстрыми изменениями. Измерители частоты фиксируют не мгновенное значение f, а некоторую усредненную частоту
где tуср — интервал усреднения. Так как f (t) - случайная функция времени, то fуср также меняется с течением времени.
Для оценки кратковременной стабильности частоты проводят серию измерений fуср в течение некоторого времени tнабл , называемого интервалом наблюдения (tнабл > tуср), и вычисляют среднеквадратическое отклонение
Учитывая случайный характер быстрых изменений частоты, часто их рассматривают как шум и для оценки кратковременной стабильности частоты применяют не величину df, а энергетические параметры, например спектральную плотность мощности.
Долговременной стабильностью называют постоянство частоты в течение длительного времени (минут, часов, суток). Ее оценивают относительной нестабильностью Df/fр, где Df - максимальное отклонение измеренной частоты от заданного значения fр, обусловленное медленными изменениями частоты под действием всех дестабилизирующих факторов.
В настоящем параграфе рассмотрена долговременная стабильность частоты, кратковременная стабильность изучается в пункте 1.8.
1.7.1 Основные причины нестабильности частоты
Частота колебаний автогенератора определяется условием резонанса (1.6) в полной колебательной системе, включающей резонатор с подключенными к нему элементами (нагрузка, монтажные емкости, индуктивности) и активный прибор. Варианты графического решения уравнения (1.6) представлены на рисунке 1.14.
а) б)
Рисунок 1.14 – Нестабильность частоты колебаний автогенератора, обусловленная нестабильностью резонансной частоты резонатора (а) и изменением мнимой части выходной проводимости АЭ (б).
Если мнимая часть выходной проводимости АЭ Bа = 0, то генерируемая частота - это резонансная частота резонатора wр = 2 p fр (рисунок 1.14, а). В этом случае относительная нестабильность частоты обусловлена изменениями параметров элементов, образующих резонатор, под влиянием колебаний температуры, влажности, атмосферного давления, механических и других внешних воздействий. Например, если резонатором является LC-контур, то при изменениях L и C на DL << L, DC << C изменяется и резонансная частота fр = 1/(2pÖLC) , становясь равной
Относительная нестабильность частоты /4/
Df / fр = - 0,5(DL/L+DC/C). (1.13)
Другой причиной нестабильности частоты могут быть изменения емкостей и индуктивностей элементов, подключенных к резонатору. Так, частью резонатора является входная емкость каскада, следующего за автогенератором. Допустим, что к LС-контуру неполностью подключена некоторая шунтирующая емкость Сш, амплитуда напряжения на которой равна Uш1. Пересчитаем ее в эквивалентную емкость Сш, подключенную к контуру полностью. Максимальная электрическая энергия, запасаемая в емкости
WE = C2ш1/2 = C'шU2конт1/2,
где Uконт1 - амплитуда напряжения на контуре, т. е. в точках соединения L и C. Отсюда C'ш=p2Cш, где p = Uш1/ Uконт1 - коэффициент подключения емкости Cш к контуру. При изменениях Cш частота колебаний меняется в соответствии с (1.13): Df / fр = - 0,5 DC'ш / C S, где C S = C + C'ш, или
(1.14)
Еще одной причиной нестабильности частоты колебаний является изменение мнимой части выходной проводимости АЭ Ba (см. рисунок 1.14, б), обусловленной выходной емкостью АЭ, индуктивностью выводов, наличием гармоник основной частоты в выходном токе и напряжении. Она изменяется при колебаниях напряжений источников питания и смещения, температуры и других внешних воздействиях.
При Ba ¹ 0 частота колебаний может быть найдена как точка пересечения линий Bк(w) и -Bа (зависимостью Bа от частоты можно пренебречь). Как видим, частота генерируемых колебаний может изменяться весьма существенно даже при постоянной резонансной частоте резонатора.
1.8 Шумы в автогенераторах
В стационарном режиме амплитуда и частота колебаний совершают случайные флуктуации около средних значений. Случайные быстрые изменения амплитуды называют амплитудными или амплитудно-модулирующими (АМ) шумами. Случайные быстрые изменения частоты колебаний называют частотными или частотно-модулирующими (ЧМ) шумами. Поскольку изменения частоты во времени сопровождаются изменениями мгновенной фазы колебаний, то существование частотных шумов эквивалентно существованию фазовых, или фазомодулирующих (ФМ) шумов.
а) б)
Рисунок 1.15 – Энергетический спектр шума (а) и выходных колебаний автогенератора (б)
Важной характеристикой шума является его энергетический спектр N(f). Как показывают измерения, энергетический спектр шумового тока АЭ Iш(t) в отсутствие стационарных колебаний имеет вид, представленный на рисунке 1.15, а. В результате амплитудной и частотной модуляции стационарных колебаний частоты fр шумовыми флуктуациями спектральная линия выходных колебаний «размывается» (рисунок 1.15, б).
Количественно уровень шума автогенератора оценивают мощностью, содержащейся в некоторой достаточно малой полосе частот Dfш. отстоящей от fр на частоту F (рисунок 1.15, б). Для различных радиотехнических систем важен уровень АМ - либо ЧМ-шумов, поэтому измерения мощности проводят отдельно для каждого вида шума.
1.8.1 Амплитудные шумы
Если колебания автогенератора пропустить через амплитудный детектор, то на его выходе получим амплитудный шум, мощность которого можно измерить с помощью анализатора спектра или селективного микровольтметра. Обычно уровень АМ-шума оценивают величиной (дБ)
где PAM мощность АМ-шума в полосе Dfш = 1 Гц, отстоящей от частоты генерации fр на величину F; PВЫХ - выходная мощности автогенератора. Типичные значения kAM для АЭ, применяемых в генераторах, составляют -100 ... -180 дБ/Гц при отстройке от fр на F = 10 ... 100 кГц.
1.8.2 Частотные шумы
где РЧМ - мощность ЧМ-шума в полосе Dfш = 1 Гц, отстоящей от fр на частоту F. Обычно kЧM = -80 ... -140 дБ/Гц при F =- 10 ... 100 кГц, т. е. уровень частотного шума выше, чем амплитудного.
Мгновенный ток на выходе частотного детектора iдет пропорционален отклонению частоты колебаний от средней fр. Так как мощность PЧМ пропорциональна i2дет, то среднеквадратическое отклонение частоты df пропорционально Ö РЧМ. Иногда уровень ЧМ-шума оценивают величиной df(F) при измерении мощности шума в полосе 1 Гц, отстроенной на F от частоты генерации fр. Можно показать, что обе характеристики ЧМ-шума: РЧМ / Pвых и df (F) - связаны соотношением
PЧМ(F)/PВЫХ = |df (F)/F|2.
1.8.3 Фазовые шумы
Зная частотный шум, легко рассчитать уровень фазового шума, воспользовавшись соотношением между мгновенной частотой w и фазой j колебаний: j (t) = òw(t) dt. Так как мгновенный ток частотного детектора пропорционален отклонению частоты колебаний от среднего значения, то интеграл от него пропорционален отклонению фазы.
Для измерения уровня частотного шума его пропускают через узкополосный фильтр с полосой Dfш, настроенный на частоту F. Ток на выходе узкополосного фильтра может быть представлен в виде i(t) = I(t) cos |Wt + j (t)|, где I(t), j (t) - случайные, медленно меняющиеся функции времени: W = 2pF. Если в первом приближении не учитывать изменения I(t) и j (t), то после интегрирования получим заряд q(t) » (I/W) sin(Wt+j). Так как амплитуда I пропорциональна девиации (максимальному отклонению) частоты, то I/W пропорциональна девиации фазы.
Итак, если известно среднеквадратическое отклонение частоты df (F), то аналогичное отклонение фазы может быть рассчитано по формуле dj(F)= df(F)/F. Величина dj измеряется в радианах (или градусах) и определяет среднеквадратическое значение случайных изменений фазы колебаний автогенератора при измерении фазового шума в полосе 1 Гц, отстроенной от средней частоты на величину F.
1.8.4 Стационарный режим колебаний при наличии шумов
Если представить шумы независимым генератором шумового тока Iш(t), случайную амплитуду и фазу, то эквивалентная схема автогенератора имеет вид рисунка 1.16. По первому закону Кирхгофа Iш(t) = YкUа1 + YаUа1 или Yк = -Yа + Iш/ Uа1. Полученное выражение есть условие существования стационарного режима автоколебаний при наличии шумов.
Найдем амплитуду и частоту колебаний, воспользовавшись методом годографов (рисунок 1.17). Как видим, стационарный режим колебаний соответствует не точке пересечения годографов –Yа(Ua1) и Yк(w), а точкам 1 и 2, одна из которых расположена на годографе - Yа(Ua1) и определяет амплитуду колебаний, а другая Yа(Ua1) и определяет амплитуду колебаний, а другая – на годографе Yк(w) и определяет частоту колебаний. При случайном изменении амплитуды и фазы вектора Iш/Ua1 (штриховые линии на рисунке 1.17) амплитуда и частота колебаний в автогенераторе являются случайными функциями времени.
Рисунок 1.16 - Эквивалентная схема автогенератора при наличии шумов
Рисунок 1.17 - Определение стационарного режима колебаний при наличии шумов
1.9 Транзисторные автогенераторы
Наиболее простой автогенератор, выполненный на транзисторе, содержит один колебательный контур. Схемы одноконтурных автогенераторов различаются способом осуществления внешней обратной связи. На рисунке 1.2 показана схема с трансформаторной обратной связью. Однако наиболее просто реализуются схемы с емкостной (рисунок 1.18) или индуктивной (рисунок 1.19) обратной связью. В схеме изображенной на рисунке 1.18 напряжение обратной связи снимается с емкости C1, а в схеме из рисунка 1.19 - с индуктивности L1. Перекрещивание проводов обеспечивает фазу, необходимую для создания положительной обратной связи.
а) б)
Рисунок 1.18 - Схема автогенератора с емкостной обратной связью (а) и ее более компактное изображение (б)
а) б)
Рисунок 1.19 - Схема автогенератора с индуктивной обратной связью (а) и ее более компактное изображение (б)
Используем методику, изложенную в 1.3 - 1.6, для анализа транзисторных автогенераторов. Введем следующие параметры:
усредненную по первой гармонике переходную крутизну АЭ
S1=Iа1/Uу1, (1.15)
где Iа1, Uу1 — комплексные амплитуды первых гармоник выходного тока и управляющего напряжения АЭ;
коэффициент обратной связи
Kос=Uу1/Ua1, (1.16)
где Ua1 - комплексная амплитуда первой гармоники выходного напряжения АЭ Если для простоты пренебречь шунтирующим влиянием АЭ на колебательный контур, то, как видим из рисунка 1.18, б, Uу1 = Iконт/(j wC1), Uк1=Iконт1/( j wC2), где Iконт1 - комплексная амплитуда первой гармоники контурного тока. Подставив Uу1 и Uк1 в (1.16) получим Kос = - Kос, где
Kос = С2/C1. (1.17)
Аналогично, для схемы из рисунка 1.19
Kос = L1/L2. (1.18)
Как видим, при сделанном допущении Kос не зависит от параметров АЭ.
Подставив в выражение Ya = Iа1 / Ua1 амплитуду тока Iа1 из (1.15) и амплитуду напряжения Ua1 из (1.16), получим
Yа1 = S1Kос. (1.19)
1.9.1 Условия существования стационарного режима колебаний
Учитывая (1.19), условие существования стационарного режима колебаний (1.4) запишем в виде
S1KосZк = -1 (1.20)
где Zк = 1/ Yк - сопротивление колебательного контура в точках подключения выходных электродов АЭ. Сомножители в (1.20) могут быть представлены в показательной форме: S1 = S1e j j s, Kос = Kос e j j ос,
Zк = Zк e j j к В этом случае (1.20) эквивалентно двум уравнениям:
S1KосZк = 1, (1.21)
j s + j ос + j к = p(2m – 1), m = 1, 2, 3, … (1.22)
Уравнение (1.21) обычно называют балансом амплитуд, а (1.22) - балансом фаз.
В 1.7 для увеличения стабильности частоты было рекомендовано применять такие режимы работы АЭ, при которых мнимая часть выходной проводимости Yа1 равна нулю. При этом генерация происходит на резонансной частоте резонатора, когда j к = 0, и (1.22) упрощается: j s + j ос = p(2m – 1). Наиболее просто этот баланс фаз достигается в том случае, когда ik(t) и uy(t) синфазны, т. е. j с = 0 (это можно осуществить, применяя цепь коррекции), а uy(t) и uа(t) противофазны (j ос = p). Тогда Yа = Gа, Bа = 0, где
Gа = -S1Kос (1.23)
Устойчивость стационарного режима обеспечивается выполнением условия (1.10).
1.9.2 Условия самовозбуждения
|G0| = SKос, (1.24)
где Gа = - S1Kос крутизна переходной характеристики АЭ.
Так как S > 0, то условие (1.11) выполняется при правильном выборе фазы коэффициента обратной связи, т. е. j ос = p (положительная обратная связь). Условие (1.12) принимает вид
SKос > Gк (1.25)
Для надежного возбуждения колебаний нужно, чтобы неравенство (1.25) обеспечивалось с запасом:
SKос = (3 ... 5) Gк. (1.26)
1.9.3 Режим транзистора по постоянному току
Режим транзистора по постоянному току определяется напряжениями источников питания Eп и смещения Eсм. Для исключения возбуждения паразитных колебаний в цепи подачи питания в качестве элемента, блокирующего источник Eп от токов высокой частоты, применяют не блокировочные индуктивности, как в усилителе мощности, а блокировочные сопротивления Rбл (рисунок 1.20). В этом случае постоянное напряжение на коллекторе транзистора Uко = Eп – IкоRбл .
Напряжение смещения на управляющем электроде транзистора выбирается из условия получения мягкого режима возбуждения колебаний. С этой целью необходимо обеспечить вид зависимости |Gа|(Uа1), как на рисунке 1.11, а. Варианты выбора напряжения смещения показаны на рисунке 1.21. Легко видеть, что для получения мягкого режима возбуждения колебаний следует устанавливать напряжения смещения, соответствующее участку максимальной крутизны переходной ВАХ транзистора (точка 1 на рисунке 1.21, а).
По мере нарастания амплитуды колебаний напряжения Uу1 (и Uа1) ограничивается размах тока iк(t) вследствие нелинейности динамической переходной характеристики iк (uу) (рисунок 1.21). В результате с ростом Uа1 модуль |Gа| уменьшается, причем это уменьшение обусловлено, с одной стороны, уменьшением угла отсечки импульсов iк(wt), а с другой - переходом в перенапряженный режим и появлением провала в импульсах тока. При работе транзистора в недонапряженном режиме Iк1 = g1(q)SUу1 и
| Gа | = (Iк1/ Uу1)Kос = g1(q)SKос
или с учетом (1.23) и (1.24)
S1 = Sg1(q), (1.27)
| Gа | = | G0 |g1(q). (1.28)
Рисунок 1.20 - Схема автогенератора по постоянному току
Если напряжение смещения установлено равным U(0)см (вариант 1 на рисунке 1.21, а, г), то в процессе нарастания амплитуды угол отсечки импульсов iк уменьшается от 180 до 90°. При этом в согласии с рисунком 1.6 коэффициент g1(q) уменьшается от 1 до 0,5. Так же изменяется и | Gа | - штриховая линия на рисунке 1.21, г. Дальнейшее уменьшение | Gа | (рисунок 1.21, г) обусловлено переходом транзистора в перенапряженный режим.
Таким образом, при выполнении условия (1.26) в автогенераторе с фиксированным смещением реализуется перенапряженный режим работы транзистора. Однако для высокостабильных автогенераторов перенапряженный режим недопустим, ибо он связан с существенным возрастанием гармоник в выходном токе транзистора, а следовательно, с резким уменьшением стабильности частоты. Таким образом, в задающих автогенераторах применение фиксированного смещения нецелесообразно.
Можно попытаться применить автоматическое смещение наряду с фиксированным. Для мягкого возбуждения колебаний нужно, как и прежде, установить фиксированное смещение на участке максимальной крутизны зависимости iк(uу). Если выполняется соотношение
I(0)к0 < I(0)к0 (1.29)
Рисунок 1.21 - Выбор напряжения смещения в транзисторном автогенераторе
Итак, в высокостабильных автогенераторах необходимо применять комбинированное смещение - фиксированное и автоматическое. На рисунке 1.20 представлена схема включения транзистора по постоянному току. Фиксированное смещение создается источником питания Eп и делителем напряжения R1R2. Автоматическое смещение обеспечивается частично за счет протекания тока Iу0 через параллельно соединенные сопротивления R1 и R2, а частично за счет падения напряжения на сопротивлении Rсм при протекании тока Iэ0.
1.9.4 Возможность прерывистой генерации
Чтобы резистор автосмещения Rсм не создавал отрицательную обратную связь по высокой частоте, он шунтируется конденсатором Сбл, поэтому скорость нарастания постоянного напряжения автосмещения Uавт на Rсм определяется постоянной времени заряда Сбл. При большом значении Сбл., увеличение |Uавт| отстает от роста амплитуды колебаний Uа1 и Uу1. В результате может получиться следующая ситуация: напряжение автосмещения будет продолжать увеличиваться по модулю, в то время как амплитуда колебаний уже достигнет стационарного значения.
Продолжающееся увеличение |Uавт| смещает рабочую точку в сторону малых значений крутизны S переходной характеристики, при этом в соответствии с (1.27) уменьшается крутизна S1 и, как следует из (1.23), модуль | Gа |. Вследствие этого мощность |P_| = 0,5 U2а1| Gа |, отдаваемая АЭ в колебательный контур, окажется меньше потребляемой мощности P+ = 1/2 U2а1Gк и колебания прекратятся. При разряде емкости Cбл уменьшающееся по модулю напряжение Uавт возвратит рабочую точку на участок крутизны S, где выполняется условие самовозбуждения (1.25) и вновь произойдет возбуждение колебаний. Возбуждение и срыв колебаний могут образовать периодический процесс.
Таким образом, можно отметить, что емкость конденсатора Cбл, шунтирующего Rсм не должна быть слишком большой. Для ее расчета можно рекомендовать соотношение [1]: Rсм Cбл << tр или 1/wрСбл ³ Rсм/Q, где tр = 2Q/wр - постоянная времени резонатора; Q - его добротность.
1.9.5 Задающие автогенераторы на биполярных транзисторах
Наиболее распространенными задающими автогенераторами являются генераторы на биполярных транзисторах. Чаще всего применяют схему с емкостной обратной связью. Рассмотрим особенности транзисторных автогенераторов на примере этой схемы.
1. Уже на относительно низких частотах (f > 0,5 fb) в биполярном транзисторе проявляется инерционность процессов, вызывающая фазовый сдвиг между коллекторным током iк(t) и управляющим напряжением на базе uб(t). При этом крутизна S1 становится величиной комплексной (js ¹ 0) и согласно (1.19) появляется мнимая составляющая Bа выходной проводимости транзистора. Появление Bа обусловлено также существованием барьерной емкости Cк к коллекторного перехода, которая фактически оказывается подключенной параллельно выходной цепи транзистора. Как было отмечено, наличие Bа ¹ 0 снижает стабильность частоты колебаний.
Фазовый сдвиг между iк(t) и uу(t) можно устранить, если в базовую или эмиттерную цепь транзистора включить корректирующую цепочку. Чтобы при этом ослаблялось и влияние Ск, целесообразно использовать не базовую, а эмитерную коррекцию (как правило, применяют упрощенный вариант эмиттерной коррекции).
2. Практика показывает, что стабильность частоты колебаний увеличивается при уменьшении средней температуры транзистора, которая в значительной степени определяется постоянной составляющей коллекторного тока Iк0. Для снижения средней температуры следует применять транзисторы малой мощности (с допустимой мощностью, рассеиваемой на коллекторе, порядка единиц или десятков милливатт).
1.9.6 Схема автогенератора на биполярном транзисторе
На рисунке 1.22 изображена принципиальная электрическая схема транзисторного автогенератора с емкостной обратной связью и дополнительной емкостью Cд в индуктивной ветви (схема Клаппа) /4/. Дополнительная емкость необходима, во первых, для развязки по постоянному току цепей питания и смещения. Во вторых, она обеспечивает еще одну степень свободы для получения оптимального режима транзистора.
Резонатор в схеме изображенной на рисунке 1.22 образован элементами L, C1, C2, C3. Цепочка R’корCкор - корректирующая, Rсм - сопротивление автосмещения, Cбл1 и Cбл2 - блокировочные емкости, Rбл - блокировочное сопротивление. Емкость Cсв обеспечивает оптимальное сопротивление нагрузки на выходных электродах транзистора и препятствует прохождению в нагрузку постоянного тока источника питания. Фиксированное смещение осуществляется путем подачи на базу транзистора части напряжения Eп через резистивный делитель R1, R2.
Рисунок 1.22 - Принципиальная электрическая схема транзисторного автогенератора
Чтобы спроектировать схему автогенератора, следует выбрать транзистор, определить параметры корректирующей цепочки, рассчитать режим транзистора, а также цепи питания и смещения.
2 Интерфейс программного комплекса Electronics Workbench
2.1 Внешний интерфейс пользователя Electronics Workbench
Рисунок 1 – Внешний вид экрана компьютера при работе с программой EWB
Приложение Electronics Workbench представляет собой средство программной разработки и имитации электрических цепей.
Интерфейс пользователя состоит из полоски меню, панели инструментов и рабочей области.
Полоса меню состоит из следующих компонент: меню работы с файлами (File), меню редактирования (Edit), меню работы с цепями (Circut), меню анализа схем (Analysis), меню работы с окнами (Window), меню работы с файлами справок (Help).
Панель инструментов состоит из “быстрых кнопок”, имеющих аналоги в меню, кнопок запуска и приостановки схем, набора радиоэлектронных аналоговых и цифровых деталей, индикаторов, элементов управления и инструментов /2/.
2.2 Меню File
Рисунок 2 – внешний вид меню File
2.2.1 File/New
Операцию также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+N.
Данная операция предназначена для закрытия текущей схемы и создания новой. При этом создается безымянное окно, которое может использоваться для создания схемы. Если перед этим вы проделали какие-либо изменения текущей схемы, вам будет предложено сохранить текущую схему перед ее закрытием. При запуске Electronics workbench операция выполняется автоматически. По умолчанию схема именуется как Default.ewb.
2.2.2 File/Open
Операцию также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+O.
Операция предназначена для открытия уже существующего файла схемы. Отображает стандартное диалоговое окно открытия файла, в котором необходимо выбрать диск и каталог, содержащий файл схемы, который вы хотите открыть. Открывать можно только файлы с расширениями .ca,.сa3, .сd3, .сa4 и .Ewb.
2.2.3 File/Save
Операцию также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+S.
Сохраняет текущий файл схемы. Отображается стандартное диалоговое окно сохранения файла, в котором необходимо выбрать диск и каталог, где вы хотите сохранить схему и название файла. Расширения .Ewb добавляются к имени файла автоматически. Например, схема с именем Mycir, будет сохранена как Mycir.ewb.
2.2.4 File/Save as
Команда аналогична операции Save, но сохраняет текущую схему с новым именем файла, оставляя первоначальную схему неизменной.
Используйте эту команду, чтобы безопасно экспериментировать на копии схемы, без изменения оригинала.
2.2.5 File/Revert to Saved (Revert)
Эта команда восстанавливает схему к виду, который она имела в момент последнего сохранения.
2.2.6 File/Import
Команда преобразует нестандартные файлы схем (расширение .net или .сir) и преобразовывает их к стандартному виду Electronics Workbench.
2.2.7 File/Export
Сохраняет файл схемы с одним из следующих расширений: .net, .scr, .cmp, .cir, .plc.
2.2.8 File/Print
Операцию также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+P.
Команда предназначена для полной или частичной распечатки схемы и/или приборов. Для выполнения операции необходимо выбрать элементы, которые будут напечатаны, в порядке, в котором вы хотите их напечатать.
2.2.9 File/Print Setup (Windows)
Эта операция предназначена для настройки принтера. Отображает стандартное диалоговое окно Print Setup, из которого Вы можете выбрать установленный принтер и определять ориентацию изображения, бумажный размер, бумажный источник и другие параметры. Для схем, которые по ширине больше чем по высоте, используйте альбомную ориентацию. Если схема слишком велика для печати на одном листе, печать будет автоматически производиться на нескольких страницах.
2.2.10 File/Exit
Операцию также можно вызвать одновременным нажатием клавиш ALT+F4.
Операция предназначена для завершения работы с пакетом Electronics Workbench. Если Вы не сохранили изменения в схеме, то будет сделан запрос на сохранение.
2.2.11 File/Install (Windows)
Операция предназначена для установки добавочных компонент Electronics workbench. Для ее выполнения будет запрошен диск, содержащий дополнительные компоненты.
2.3 Меню Edit
Рисунок 3 – Внешний вид меню Edit
2.3.1 Edit/Cut
Операцию также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+X.
Команда используется для удаления выбранных компонент, схем или текста. При этом выбранное помещается в буфер обмена, откуда его можно вставлять в нужное место. Команда не сработает, если выбор включает в себя инструментальные пиктограммы.
2.3.2 Edit/Copy
Операцию также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+C.
Команда предназначена для копирования выбранных компонент, схемы или текста. Копия помещается в буфер обмена. Затем вы можете использовать команду Paste, чтобы вставить копию в нужном месте. Операция также не выполнится, если выбор включает инструментальные пиктограммы.
2.3.3 Edit/Paste
Операцию также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+V.
Команда помещает содержание Буфера обмена в активное окно (содержание остается в Буфере обмена). Для успешного выполнения операции Буфер должен содержать компоненты Electronics Workbench или текст. Содержимое Буфера обмена может вставляться только в окна, способные содержать подобную информацию. Например, Вы не можете вставить компонент электрической схемы в окно описания.
2.3.4 Edit/Delete
Операцию также можно вызвать нажатием клавиши DEL.
Эта команда полностью удаляет выбранные компоненты или текст. Используйте команду Delete с осторожностью. Удаленная информация не может быть восстановлена.
2.3.5 Edit/Select All
Команда выбирает все элементы в активном окне (окно схемы, окно подсхемы или окно описания). Если прибор - часть выбора, команды Edit/Copy и Edit/Paste становятся недоступными. Для того, чтобы выбрать все, кроме нескольких элементов, используйте команду Select All, и затем снимите выделение с лишних элементов, нажимая CTRL с левой кнопкой мыши.
2.3.6 Edit/Copy as Bitmap
Команда предназначена для копирования растрового изображения элементов в Буфер обмена. Вы можете использовать эти изображения в текстовых процессорах или программах обработки изображений.
Чтобы скопировать растровое изображение элементов необходимо:
а) выбрать Edit/Copy as Bitmap (курсор изменится на crosshair),
б) нажать и удерживать кнопку мыши перемещая курсор, чтобы сформировать прямоугольник, включающий необходимые для копирования элементы,
в) отпустить кнопку мыши.
2.3.7 Edit/Show Clipboard
Команда отображает содержание Буфера обмена. Буфер обмена - временное место хранения для компонентов или текста, которые Вы хотите поместить позже в другом месте в схеме. Вы можете также использовать Буфер обмена, чтобы передать информацию от Electronics workbench к другой прикладной программе. Буфер обмена может содержать графику (компоненты или схемы) и текст. Если активное окно не может содержать тип информации, которая находится на Буфере обмена, или если Буфер обмена пуст, команда Edit/Paste будет не доступна. Например, если Буфер обмена содержит компоненты, а текущим является окно описания, команда Paste будет недоступна. Чтобы закрыть Буфер обмена, дважды щелкните меню Control(Windows).
2.4 Меню Circut
Рисунок 4 – Внешний вид меню Circut
2.4.1 Circuit/Rotate
Операцию также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+R
Команда позволяет вращать выбранные компоненты на 90 градусов по часовой стрелке. Текст, связанный с компонентом (метки, значения и информация о модели), может быть повторно установлен, но при выполнении команды не вращается. В случае необходимости, провода, приложенные к компоненту перенаправляются автоматически. Когда Вы вращаете амперметр и вольтметр, вращаются только их терминалы.
2.4.2 Circuit/Flip Vertical
Команда зеркально отражает выбранную схему по вертикали в окне схемы. Обратите внимание, любые провода, приложенные к зеркально отражаемому компоненту перенаправляются по мере необходимости. Текст, связанный с компонентом (метки, значения и информация о модели), может быть повторно установлен, но не отражается.
2.4.3 Circuit/Flip Horizontal
Команда зеркально отражает выбранную схему по горизонтали в окне схемы. Любые провода, приложенные к зеркально отражаемому компоненту перенаправляются по мере необходимости. Текст, связанный с компонентом (метки, значения и информация о модели), может быть повторно установлен, но не отражается.
2.4.4 Circuit/Component Properties
Команда предназначена для изменения свойств выбранного компонента. Также выводится при двойном нажатии на компоненте. При вызове с помощью всплывающего меню, после нажатия правой кнопкой мыши, назначаются заданные по умолчанию свойства для всех выбранных компонентов, впоследствии используемых в этой схеме. Это не воздействует на уже размещенные компоненты.
При выполнении команды открывается диалоговое окно Circuit/Component Properties, закладки которого зависят от типа выбранного компонента.
Возможны следующие типы закладок:
- Label,
- Value,
- Models,
- Schematic Options,
- Fault,
- Node,
- Display,
- Analysis Setup.
2.4.4.1 Закладка Label (Свойства компонента)
Закладку также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+L.
Используйте эту закладку, чтобы установить или заменить метку компонента и идентификатор (компоненты типа соединителей, заземлений, измерителей не имеют идентификаторов).
Если Вы вращаете или зеркально отражаете компонент, метка может быть установлена повторно. Если, в результате, провод проходит через метку, Вы можете сдвинуть метку направо, добавляя несколько пробелов перед меткой.
Чтобы вставить общую информацию в схему, введите текст в окно описания, доступное из меню Window.
Обратите внимание, идентификаторы назначаются системой уникально идентифицируя компонент. Вы можете изменять их в случае необходимости, но они должны оставаться уникальными. Идентификаторы не могут быть удалены.
2.4.4.2 Value Tab (Свойства компонента)
Закладку также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+U.
Поля на этой закладке различаются в зависимости от компонента.
2.4.4.3 Закладка Models (Свойства компонента)
Закладку также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+М.
Используйте эту закладку, чтобы выбрать модель, используемую для компонента и для редактирования, добавления или удаления моделей или библиотек. Компоненты по умолчанию «идеальны», что для большинства схемотехнических моделирований может быть достаточным. Однако, если вы хотите увеличить точность результатов теста, используйте «реальную» модель.
2.4.4.4 Закладка Schematic Options (Свойства компонента)
Закладка используется, чтобы установить цвет провода.
2.4.4.5 Закладка Fault (Свойства компонента)
Закладку также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+F.
Используйте эту закладку, чтобы назначить неисправность на терминал компонента.
Leakage - помещает значение сопротивления, определенное в смежных полях, параллельно с выбранными терминалами. Это заставляет ток течь мимо терминалов вместо того, чтобы пройти их.
Short - помещает очень низкое сопротивление между двумя терминалами, так что компонент не имеет никакого измеримого эффекта на схеме.
Open - помещает очень высокое сопротивление на терминале, как будто проводное соединение на терминал было разбито.
2.4.4.6 Закладка Node (Свойства компонента)
Закладка используется для изменения свойств узла.
Node ID - назначенное системой имя узла.
Use as Testpoint - определяет, должен ли узел рассматриваться как тестовая точка.
Set Node Color - отменяет набор цветов для отдельных проводов.
2.4.4.6 Закладка Display (Свойства компонента)
Закладка используется для отображения/скрытия тех или иных элементов Electronics Workbench.
Когда выбрано Use Schematic Options используются настройки параметров дисплея из закладки Show/Hide диалогового окна Circuit/Schematic Options.
Show labels, Show models, Show reference ID - когда не выбрано Use Schematic Options, используются параметры дисплея как они были определены.
2.4.4.7 Закладка Setup (Свойства компонента)
Закладка используется для настройки параметров элементов, таких как рабочая температура.
Use global temperature - если выбрано, используется набор температур установленный в Analysis/Analysis Options. Если не выбрано, используются те температуры, которые были определены.
Set initial conditions - устанавливает начальные значения для компонента.
Некоторые компоненты отображают дополнительные параметры на этой закладке, для использования вместе с параметрами, описанными в техническом справочнике Electronics Workbench.
2.4.5 Circuit/Create Subcircuit
Команду также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+B.
Команда объединяет выбранные элементы схемы в подсхему, в действительности создавая интегральную схему.
Подсхема может содержать так много компонентов, как требуется. Любая подача проводов к другим компонентам или соединителям в схеме станет терминалами на пиктограмме подсхемы.
Чтобы создать подсхему:
а) Выберите элементы, которые нужно использовать для подсхемы.
б) Выберите Circuit/Create Subcircuit, и завершите диалог, который появляется:
Copy from Circuit - помещает копию выбранных компонентов в подсхеме. Первоначальные компоненты остаются, поскольку они находятся в окне схемы.
Move from Circuit - удаляет выбранные компоненты из схемы, так что они появляются только в подсхеме.
Replace in Circuit, помещает выбранные компоненты в подсхему и заменяет выбранные компоненты в схеме прямоугольником, помеченным именем подсхемы.
Выбранные компоненты появляются в новом окне, окне подсхемы. Имя новой подсхемы добавляется к списку доступных подсхем, который отображается, когда пиктограмма подсхемы перемещаться из инструментальной панели Favorites. Подсхема доступна только для текущей схемы.
2.4.6 Circuit/Zoom
Команда отображает подменю выбора для увеличения или уменьшения размера дисплея окна схемы.
2.4.7 Circuit/Schematic Options
Команда предназначена для управления всем дисплеем схемы. Изменения относятся только к текущей схеме.
В окне команды выводится следующий набор закладок:
-Grid,
-Show/Hide,
-Display,
-Value.
2.4.7.1 Закладка Grid
Закладка управляет дисплеем и использованием сетки, лежащей в основе окна схемы. Использование сетки упрощает выравнивание элементов в схеме. Вы можете использовать сетку без ее отображения. Отображение сетки осуществляется на заднем плане окна схемы. Сетку удобно использовать при расстановке объектов.
2.4.7.2 Закладка Show/Hide
Закладка управляет дисплеем информации в окне схемы. Ее параметры полезно использовать когда нужно скрыть обьект.
2.4.7.3 Закладка Display
Закладка управляет шрифтом, используемым для меток и ссылок на идентификаторы.
2.4.7.4 Закладка Value
Закладка управляет шрифтом, используемым для значений и моделей.
2.5 Меню Analysis
Меню Analysis позволяет выполнить различные анализы. Внешний вид меню приведен на рисунке 2.5. Перед выполнением каждого из них пользователю будет предложено заполнить параметров анализа. Анализ будет выполнен только в том случае когда это возможно для данной схемы.
Рисунок 5 – Внешний вид меню Analysis
2.5.1 Analysis/Activate
Команду также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+G.
Команда активизирует схему (включает переключатель питания). Активизация схемы начинает последовательность математических операций, чтобы вычислить значения для тестовых точек в схеме.
Переключатель питания остается включенным, пока Вы не останавливаете или не приостанавливаете моделирование.
2.5.2 Analysis/Pause and Analysis/Resume
Команду также можно вызвать нажатием клавиши F9.
Команда временно прерывает или продолжает моделирование (управляется кнопкой Pause/Resume). Приостановка полезна, если вы хотите рассмотреть форму волны (форму кривой, форму сигнала) или сделать изменения в инструментальных настройках. (Имитация простых схем может оказаться слишком быстрой для приостановки.)
2.5.3 Analysis/Stop
Команду также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+T.
Команда вручную останавливает моделирование. Имеет тот же самый эффект как щелчок переключателя питания.
Обратите внимание, что выключение энергии стирает данные и инструментальные следы и сбрасывает все значения к начальным.
2.5.4 Analysis/Analysis Options
Команду также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+Y.
Electronics Workbench позволяет Вам управлять многими аспектами моделирования, типа сброса терпимости ошибки, выбор методов моделирования и просмотра результатов. Эффективность моделирования также зависит от параметров, которые Вы выбираете. Большинство параметров имеет значения по умолчанию.
Чтобы рассмотреть или изменить любые из параметров, выберите Analysis/Analysis Options.
2.5.5 Analysis/DC Operating Point
Команда выполняет анализ DC Operating Point.
2.5.6 Analysis/AC Frequency
Команда выполняет анализ AC Frequency.
2.5.7 Analysis/Transient
Команда выполняет анализ Transient.
2.5.8 Analysis/Fourier
Команда выполняет анализ Fourier.
2.5.9 Analysis/Noise
Команда выполняет анализ Noise.
2.5.10 Analysis//Distortion
Команда выполняет анализ Distortion.
2.5.11 Analysis/Parameter Sweep
Команда выполняет анализ Parameter Sweep.
2.5.12 Analysis/Temperature Sweep
Команда выполняет анализ Temperature Sweep.
2.5.13 Analysis/Pole-Zero
Команда выполняет анализ Pole-Zero.
2.5.14 Analysis/Transfer Function
Команда выполняет анализ Transfer Function.
2.5.15 Analysis/Sensitivity
Команда выполняет анализ Sensitivity.
2.5.16 Analysis/Worst Case
Команда выполняет анализ Worst Case.
2.5.17 Analysis/Monte Carlo
Команда выполняет анализ Monte Carlo.
2.5.18 Analysis/Display Graph
Команда выводит графические результаты анализа.
2.6 Window Menu
Рисунок 6 – Внешний вид меню Window
2.6.1 Window/Arrange
Команду также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+W.
Команда аккуратно расставляет открытые окна.
2.6.2 Window/Circuit
Команда переносит окно схемы на передний план.
2.6.3 Window/Description
Команду также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+D.
Команда открывает окно описания. (Если окно описания уже открыто, переносит его на передний план.) Вы можете напечатать комментарии или указания в окне описания, а также вставить текст из другой прикладной программы или описания схемы.
2.7 Меню Help
Рисунок 7 – Внешний вид меню Help
2.8 Порядок проведения работы для разработки принципиальной электрической схемы
2.8.1 Запустите Electronics Workbench.
2.8.2 Подготовьте новый файл для работы. Для этого необходимо выполнить следующие операции из меню: File/New и File/Save as. При выполнении операции Save as будет необходимо указать имя файла и каталог, в котором будет храниться схема. Рекомендуется называть схему по фамилии исполнителя.
2.8.3 Перенесите необходимые элементы из заданной преподавателем схемы на рабочую область Electronics Workbench. Для этого необходимо выбрать раздел на панели инструментов (Sources, Basic, Diodes, Transistors, Analog Ics, Mixed Ics, Digital Ics, Logic Gates, Digital, Indicators, Controls, Miscellaneous, Instruments), в котором находится нужный вам элемент, затем перенести его на рабочую область.
2.8.4 Соедините контакты элементов и расположите элементы в рабочей области для получения необходимой вам схемы. Для соединения двух контактов необходимо щелкнуть по одному из контактов основной кнопкой мыши и , не отпуская клавишу, довести курсор до второго контакта. В случае необходимости можно добавить дополнительные узлы (разветвления). Нажатием на элементе правой кнопкой мыши можно получить быстрый доступ к простейшим операциям над положением элемента, таким как вращение (rotate), разворот (flip), копирование/вырезание (copy/cut), вставка (paste).
2.8.5 Проставьте необходимые номиналы и свойства каждому элементу. Для этого нужно дважды щелкнуть мышью на элементе.
2.8.6 Когда схема собрана и готова к запуску, нажмите кнопку включения питания на панели инструментов. В случае серьезной ошибки в схеме (замыкание элемента питания накоротко, отсутствие нулевого потенциала в схеме) будет выдано предупреждение.
2.8.7 Произведите анализ схемы, используя инструменты индикации. Вывод терминала осуществляется двойным нажатием клавиши мыши на элементе. В случае надобности можно пользоваться кнопкой Pause.
2.8.8 При необходимости произведите доступные анализы в разделе меню Analysis.
3 Моделирование радиоэлектронных устройств при помощи программного комплекса Electronics Workbench
3.1 Подготовка к работе Electronics Workbench
Для работы с программным комплексом Electronics Workbench V.5.0C необходим IBM - совместимый персональный компьютер с процессором I486 ( рекомендуется Pentium ) и операционной системой Windows 3.1 ( рекомендуется Windows 95 или Windows 98 ).
Для начала работы с программным пакетом необходимо загрузить систему установить Electronics Workbench, если это не было сделано ранее. Затем при помощи «диспетчера файлов» ( для Windows 3.1 ) или «проводника» ( для Windows 95 или Windows 98 ) открыть рабочий каталог, в котором установлен пакет и запустить исполняемый файл WEWB32.EXE. Далее можно произвести настройки интерфейса пользователя, если это необходимо.
3.2 Моделирование интегрирующей RC – цепи
Для начала разработки необходимо загрузить файл-схему в среду Electronics Workbench, если этот файл уже создан и находится на одном из накопителей компьютера. Это делается посредством выполнения команды меню File/Open либо нажатием на соответствующей «горячей кнопке» на панели инструментов и дальнейшим выбором накопителя, каталога, и имени файла. Если же файл еще не создан необходимо создать его посредством выполнения команды File/New и команды File/Save as. При выполнении первой команды будет создан новый файл-схема и в случае если какая либо схема уже загружена в Electronics Workbench, пользователю будет предложено сохранить предидущую схему. Вторая команда предназначена для записи файла на накопитель и установки каталога и имени, под которым будет храниться данная схема /1/.
Далее нужно нанести на рабочую область Electronics Workbench модели деталей необходимые для моделирования данной схемы. Это делается посредством нажатия левой кнопкой мыши на нужном наборе деталей, после чего будет выведено дополнительное окно включающее в себя детали набора, выбором соответствующей детали, при этом на кнопке с рисунком элемента нажимается левая кнопка мыши и элемент переносится на рабочую область (кнопку мыши необходимо держать нажатой до выбора места расположения элемента. В данном случае
Рисунок 3.1 – RC-цепь в Electronics Workbench
необходимы: источник импульсов (Function Generator), резистор (Resistor), конденсатор (Capacitor), осциллограф (Oscilloscope) и заземление (Ground). Резистор и конденсатор находятся в наборе Basics, заземление - в наборе Sources, осциллограф и генератор импульсов - в наборе Instruments.
Каждый элемент имеет точки соединения, которые нужно соединить для получения нужной схемы. Это делается выбором контакта левой кнопкой мыши и переносом ее к другому контакту, при этом создается провод, соединяющий их. При необходимости на провод можно нанести узел ( Connector в наборе Basics ). Затем для наглядности можно перенести элементы в необходимые места рабочей области. Это действие также осуществляется нажатием на элементе левой кнопкой мыши и переносом при удержанной в нажатом состоянии кнопке. При этом соединительные провода будут перемещены автоматически. При необходимости провода можно также перемещать. На рисунке 3.1 представлен вид интерфейса Electronics Workbench после сборки RC – цепи.
Когда схема создана и готова к работе для начала имитации процесса работы необходимо выполнить команду меню щелкнуть кнопку включения питания на панели инструментов. Данное действие приведет в рабочее состояние схему и в одном из окон строки состояния будет показываться время работы схемы, которое не соответствует реальному и зависит от скорости процессора и системы персонального компьютера, именно поэтому для разработки сложных схем рекомендуется использовать компьютеры Pentium II c тактовой частотой процессора 266 MГц. Прервать имитацию можно двумя способами. Если вы закончили работу и просмотр результатов имитации можно повторно щелкнуть переключатель питания. Если же нужно временно прервать работу схемы, например для детального рассмотрения осциллограммы, а затем продолжить работу можно воспользоваться кнопкой Pause, которая также расположена на панели инструментов. Возможность приостановки процесса также является большим достоинством по сравнению с традиционным тестированием радиоэлектронных устройств /1/.
Теперь, для произведения анализа имитации можно изменять номиналы элементов, выводить и настраивать терминалы приборов. В данном случае можно просмотреть осциллограмму на выходе RC-цепи. Для этого нужно вывести окно терминала осциллографа двойным нажатием на компоненте Oscilloscope. Вид панели осциллографа представлен на рисунке 3.2.
Рисунок 3.2 – Вид нормальной панели осциллографа Electronics Workbench
При использовании осциллографа в Electronics Workbench есть возможность просмотра сигнала на протяжении всего времени имитации. Для этого можно воспользоваться кнопкой Expand и воспользоваться полосами прокрутки изображения, чтобы перевести панель в нормальный режим используется кнопка Reduce.
Вид расширенной панели осциллографа показан на рисунке 3.3.
Рисунок 3.3 – Расширенная панель осциллографа
Рисунок 3.4 – Панель генератора импульсов
При помощи генератора импульсов можно формировать три вида сигналов: синусоидальный, пилообразный и прямоугольный. В данном случае для анализа нужен прямоугольный импульс. Для перевода генератора в нужный режим требуется нажать соответствующую кнопку на панели. Также можно изменить другие параметры – частоту и амплитуду сигнала.
Перед изменением каких либо параметров следует отключать источники питания схемы, иначе возможно получение неверных результатов.
Выходной сигнал интегрирующей цепи показан на рисунке 3.5.
Рисунок 3.5 – Сигнал на выходе интегрирующей RC – цепи
Для того, чтобы изменить каие-либо параметры элементов схемы нужно дважды щелкнуть левой кнопкой мыши на нужном элементе, при этом будет выведено окно свойств элемента. Пример такого окна приведен на рисунке 3.6.
Рисунок 3.6 Окно параметров резистора
Кроме анализа прямого наблюдения за терминалами инструментов Electronics Workbench позволяет выполнить дополнительные виды анализа. В качестве примера для данной схемы можно привести получение АЧХ и ФЧХ схемы как четырехполюсника. Т.е. при расчете на вход схемы будет подаваться сигнал различной частоты и будет произведен анализ зависимости вида выходного сигнала от входного. При этом нужно будет задать начальную и конечную частоты, на которых будет произведен анализ. Для проведения этого анализа нужно остановить работу цепи , т.е. воспользоваться переключателем питания или кнопкой Pause и выполнить команду меню Analysis / AC Frequency. Перед расчетом будет выведено окно параметров анализа. Вид этого окна приведен на рисунке 3.7. При необходимости можно изменить некоторые из параметров: Start frequency (начальная частота), End frequency (конечная частота), Sweep type (тип горизонтальной оси на конечном графике), Number of points (количество точек анализа). В данном случае удобно установить количество исследуемых точек равным 1000 для получения более гладкого графика, тип горизонтальной оси – логарифмическим и диапазон частот от 1Гц до 100 КГц.
Рисунок 3.7 – Параметры анализа AC Frequency
Для получения графиков АЧХ и ФЧХ нужно нажать кнопку Simulate в окне параметров анализа, после чего будет выведено окно результатов представленное на рисунке 3.8.
Рисунок 3.8 – АЧХ и ФЧХ интегрирующей RC - цепи
3.3 Моделирование дифиренцирующей RC – цепи
Для моделирования дифференцирующей RC – цепи можно воспользоваться уже готовым файлом схемы интегрирующей цепи, описанной в пункте 3.2. Для этого необходимо загрузить в среду Electronics Workbench этот файл, воспользовавшись командой меню File/Open и выбрав соответствующий каталог и файл, и поменять расположение в схеме резистора и конденсатора. При этом будет удобно пользоваться командой Rotate, которая доступна при нажатии правой кнопкой мыши на соответствующем элементе и передвижением элементов и проводов путем выбора и переноса контактов при нажатой левой клавише мыши. Если же файл схемы, описанной в пункте 3.2 отсутствует на накопителях, то можно повторить операции подготовки схемы к работе, описанные в пункте 3.2. Вид созданной схемы приведен на рисунке 3.8.
Рисунок 3.9 – Дифференцирующая RC - цепь
С дифференцирующей RC – цепью можно проделать те же виды анализа, что были описаны в пункте 3.2. На рисунке 3.10 показан сигнал на выходе цепи, а на рисунке 3.11. АЧХ и ФЧХ схемы.
Рисунок 3.10 – Сигнал на выходе дифференцирующей RC - цепи
После внесения изменений или окончания работ схему можно сохранить, воспользовавшись командой меню File/Save, если нужно сохранить в том же файле, либо File/Save As если нужно сохранить схему под другим именем или в другом каталоге.
Рисунок 3.11 – АЧХ и ФЧХ дифференцирующей RC - цепи
3.4 Моделирование транзисторного автогенератора
Для моделирования транзисторного автогенератора необходимо собрать схему, представленную на рисунке 3.12. Для этого нужно нанести все компоненты схемы на рабочую область Electronics Workbench и соединить все контакты проводниками. Модель транзистора находится в наборе деталей Transistors, а источник питания в наборе Sources. После соединения моделей деталей в схему необходимо настроить параметры каждого компонента путем двойного нажатия на нем левой клавишей мыши и заполнением окон параметров. Боле подробно данная схема описана в разделе 1. После настройки параметров можно попытаться включить источник питания путем нажатия клавиши переключения питания и проверить наблюдением за панелью осциллографа, выходит ли генератор в режим генерации. Если же на выходе не появляется сигнал переменного напряжения, то нужно повторить расчет параметров схемы и изменить их соответствующим образом.
Рисунок 3.12 – Модель транзисторного автогенератора
За сигналом на выходе генератора удобно наблюдать, используя расширенное окно терминала осциллографа. На рисунке 3.13 показан момент начала генерации сигнала и момент установки стабильного режима транзисторного автогенератора. Для более детального изучения можно пользуясь полосами прокрутки и изменениями параметров терминала.
Для получения более точной модели можно заменить компоненты реальными моделями существующих, т.е. например заменить идеальный транзистор моделью реально существующего транзистора. Electronics Workbench включает в себя достаточно большое количество реальных моделей деталей широко известных производителей.
Рисунок 3.13 – Сигнал на выходе транзисторного автогенератора
После завершения работы с программным комплексом нужно закрыть программу, предварительно сохранив схему, если это необходимо.
4 Бизнес-план
Целью данного бизнес плана является получение кредита на разработку обучающего пособия по работе с программным пакетом Electronics Workbench.
Программный пакет Electronics Workbench представляет собой систему разработки, имитации и отладки электрических схем. Обучающее руководство предназначено для высших и средних учебных заведений и предприятий, ведущих какие либо разработки или изучающих различные электрические схемы и планирующих использовать программное обеспечение Electronics Workbench и может быть полезным в получении навыков работы с пакетом и в усвоении теоретического материала по различным курсам , связанными с разработкой и изучением электрических схем.
4.1 Компания
Алматинский институт энергетики и связи основан 10 января 1997 года на базе Алматинского Энергетического института. Он занимается подготовкой специалистов различных специальностей: инженеров электроэнергетиков, теплоэнергетиков, экономистов, а также инженеров радиотехников. В данное время в институте занимается 2800 студентов, преподавание ведут 160 докторов и кандидатов наук.
Помимо подготовки специалистов институт занимается научно-исследовательской и конструкторской работами. На базе исследований, выполненных на кафедрах и в лабораториях АИЭС защищено 9 докторских, более 150 кандидатских диссертаций, опубликовано более 420 монографий, учебников и учебных пособий, получено свыше 400 патентов и авторских свидетельств на изобретения.
4.2 Продукция
Программный продукт Electronics Workbench является средством разработки и имитатором электрических цепей и представляет собой программу с несложным интерфейсом и встроенными средствами помощи. Работа с этой программой позволяет инженеру производить изучение, разработку и отладку электрических схем. Разрабатываемое учебное пособие поможет инженеру быстро освоить интерфейс данного программного средства и на примерах позволит изучить особенности программы и принципы разработки и анализа схем. Работая с этой программой инженер составляет схему из компонентов EWB, и задавая и изменяя их параметры производит настройку и диагностику работы той или иной схемы.
Отличительной особенностью данного руководства является его уникальность на Казахстанском рынке, поскольку подобные описания EWB на текущий момент существуют только на английском, французском и немецком языках разработка руководства является достаточно сложной задачей, требующей разработчика владения английским техническим языком, операционной системой Windows и знания принципов работы электрических схем и методик их анализа. Также данная программа может работать на любых IBM-совместимых компьютерах, не требуя при этом мощных вычислительных машин, что в данное время весьма привлекательно, так как не каждая организация имеет мощные ЭВМ.
4.3 Оценка реализационной цены метода, а также затрат на его разработку
При оценке реализационной цены разработки необходимо учитывать затраты на ее выполнение, стоимость человеко-дня, трудоемкость (в чел/днях), лимитную цену продукта, а также цену реализации. Расчет данных показателей приведен выше в пункте экономической части.
Затраты на материалы – 2165 т.,
Фонд оплаты труда – 16411,27 т.,
Отчисления на социальное страхование – 4923,38 т.,
Амортизационные отчисления – 2227,27 т.,
Затраты на электроэнергию – 431,98 т.,
Косвенные расходы – 10443,53 т.,
Общеинститутские расходы – 22379,0 т.,
ИТОГО СОБСТВЕННЫЕ РАСХОДЫ – 58981,43 т.,
Отчисления в фонд занятости – 298,39 т.,
Отчисления в дорожный фонд – 1179,63 т.,
ИТОГО СЕБЕСТОИМОСТЬ РАЗРАБОТКИ – 60459 т.,
Лимитная цена – 84643,23 т ,
Цена рефлизации – 101571,88 т.
4.4 Рынок
В связи со специфичностью программного обеспечения Electronics Workbench рынок распространения продукта - руководства по применению EWB невелик и составляет порядка нескольких десятков заинтересованных институтов и организаций.
На сегодняшний день данная продукция на рынке Казахстана не имеет аналогов, следовательно не имеет конкурентов. Единственной проблемой в настоящее время является нелегальное копирование руководства и примеров схем, “пиратство”, что предполагает потерю примерно 30% потенциальных покупателей, приобретших пиратские копии. Клиенты приобретшие лицензионные копии продукта получают скидку в цене при каждом последующем обновлении и уведомляются о внесении изменений или дополнений в продукт.
4.5 Маркетинг
Конечными потребителями предлагаемого продукта являются предприятия занимающиеся подготовкой специалистов в области радио- электротехнике, так как руководство по EWB позволяет быстро освоить основные принципы и нюансы работы с данным программным продуктом. Также в приобретении руководства будут заинтересованы организации занимающиеся разработкой различного вида электрических схем.
Продажа программы будет осуществляться как непосредственно самим институтом, так и через сеть магазинов, занимающихся реализацией компьютерной продукцией, посредством заключения договоров на реализацию продукции.
Одним из основных способов продвижения программы на рынок будет реклама. Планируется использовать следующие каналы распространения рекламы:
-реклама в средствах массовой информации;
-реклама на упаковке продукции;
-распространение в сети Internet информации о существовании данного продукта;
- рассылка информации о продукте потенциальным заказчикам посредством обычной и электронной почты.
Политика поддержки продукции заключается в информировании потенциальных покупателей о выпуске новых версий и дополнений к продукту, а постоянным клиентам предоставление скидки при его покупке.
4.6 Менеджмент
Для разработки руководства по работе с программным комплексом EWB выделено 70 человеко-дней. Состав исполнителей по теме “Применение программного комплекса Electronics Workbench для моделирования работы радио электрических устройств” определен графиком проведения основных этапов разработки и представлен в таблице 4.1. Персонал занимающийся непосредственной разработкой программы состоит из инженера, руководителя и консультанта.
Таблица 4.1 - График основных этапов проведения разработки
|
Наименование работ |
Исполнитель |
Трудоем., Чел/дни |
|
1 Выдача задания. |
Руководитель |
1 |
|
2 Составление плана проведения работ. |
Инженер |
1 |
|
3 Обзор научно - технической литературы. |
Инженер |
10 |
|
4 Постановка задачи разработки руководства пользователя. |
Консультант |
5 |
|
5 Подготовка документации к EWB. |
Инженер |
3 |
|
6 Перевод документации EWB “Интерфейс пользователя” |
Инженер |
5 |
Продолжение таблицы 4.1
|
Наименование работ |
Исполнитель |
Трудоем., Чел/дни |
|
7 Перевод документации EWB “Элементы схем EWB и их параметры” |
Инженер |
5 |
|
8 Перевод документации EWB “Интерфейс пользователя” |
Инженер |
5 |
|
9 Задание электрических цепей и параметров для примеров. |
Руководитель |
1 |
|
10 Составление схем примеров в EWB. |
Инженер |
1 |
|
11 Анализ полученных результатов. |
Консультант |
1 |
|
12 Отладка схем примеров. |
Инженер |
5 |
|
13 Составление руководства по использованию интерфейса EWB. |
Инженер |
5 |
|
14 Составление руководства “EWB в примерах” |
Инженер |
5 |
|
15 Формирование библиотеки примеров в файловом виде. |
Инженер |
1 |
|
16 Анализ полученных результатов. |
Консультант |
2 |
|
17 Разработка технико-экономической части. |
Инженер |
3 |
|
18 Оформление необходимой документации. |
Инженер |
4 |
|
19 Подведение итогов проделанной работы. |
Инженер Консультант |
2 2 |
|
20 Защита работы. |
Инженер Руководитель |
1 1 |
|
Итого: |
70 |
4.7 Оценка риска и страхование
Шансы на успех можно оценить как очень высокие вследствие наличия малого количества конкурентов и их местонахождения. Виды риска, которым может быть подвергнута данная разработка заключается в изменении налоговой политики, колебаниях валютного курса и сужении потребительского рынка.
Организационные меры по профилактике рисков и меры по сокращению потерь:
а) установка системы сигнализации помещений и приобретение сейфов и несгораемых шкафов,
б) организация службы наемной охраны,
в) страхование имущества,
г) обязательное резервное копирование и защита от несанкционированного доступа.
4.8 Финансирование
Полные затраты на выполнение разработки складываются из следующих компонентов /6/:
- Зм - затраты на материалы;
- Зз.п. - затраты на зарплату;
- За - затраты на амортизацию оборудования;
- Зэ - затраты на электроэнергию;
- Зпр. - прочие затраты и отчисления;
т.е.
З = Зм + Зз.п. + За + Зэ + Зпр.
Затраты на материалы определяются исходя из норм расхода и из стоимости требуемых материалов.
Составим таблицу расхода материалов (таблица 4.2)
Таблица 4.2 - Затраты на материалы
Наименование |
Единица измерения |
Количе- ство |
Цена за Единицу |
Стои- мость |
|
1 Бумага писчая |
упаковка |
3 |
200 |
600 |
|
2 Бумага для принтера |
упаковка |
1 |
500 |
500 |
|
3 Ручки шариковые |
шт. |
10 |
30 |
300 |
|
4 Карандаши |
шт. |
4 |
25 |
100 |
|
5 Картридж |
проценты |
10 |
6650 |
665 |
|
ИТОГО: |
2165 |
Труд исполнителей разработки руководства оплачивается согласно штатно-окладной системе: месячный оклад руководителя 6000 тенге, инженера 4000 тенге, консультанта 4500 тенге. Для определения стоимости человеко-дня, месячный должностной оклад делится на среднемесячное количество рабочих дней - 25,4 дня. Оплата труда исполнителя определяется как произведение трудозатрат на стоимость человеко-дня. Оплата труда исполнителей представлена в таблице.
Таблица 4.3 - Оплата труда исполнителей
|
Исполнитель |
Месячный оклад, тенге |
Стоимость чел/дня, тенге |
Оплата труда, тенге |
|
1 Руководитель |
6000 |
236,22 |
708,66 |
|
2 Инженер |
4000 |
157,48 |
8818,88 |
|
3 Консультант |
4500 |
177,17 |
1948,87 |
Основная заработная плата определяется как сумма оплаты труда всех исполнителей и премии в размере 30% /6/:
Зосн = (708,66 + 8818,88 +1948,87)*(1 + 0,3) = 14919,33 тенге.
Фонд оплаты труда (ФОТ) - как сумма основной заработной платы и дополнительной заработной платы. Дополнительная заработная плата берется в размере 10% от основной заработной платы:
ФОТ = Зосн + 0,1* Зосн (4.1)
ФОТ =1,1* 14919,33 = 16411,27 тенге.
Отчисления в фонд специального страхования берутся в размере 30% от ФОТ /6/:
Офсс = 0,3* ФОТ (4.2)
Офсс = 0,3* 16411,27 = 4923,38 тенге.
Амортизационные отчисления берутся исходя из того, что стоимость ПЭВМ, на которой выполнялась разработка (PENTIUM 166), составляла 94000 тенге на момент проведения работ, а стоимость принтера LJ-4L равнялась 53000 тенге. С учетом норм амортизации на компьютер - 8%, а на принтер - 20%, амортизационные отчисления за 70 рабочих дней составляют:
А = (94000* 0,08* 50+ 53000* 0,2* 20) / 264 = 2227,27 тенге.
Затраты на электроэнергию рассчитываются по формуле:
ЗЭ = W * T * S, (4.3)
где W - потребляемая мощность;
T - количество часов работы оборудования;
S - стоимость киловатт-часа электроэнергии.
Для компьютера: W = 0,5кВт, Т = 180 ч.
Для принтера: W= 0,05кВт, Т = 50 ч.
Стоимость киловатт-часа электроэнергии на 01.03.98 года составляла 4,5 тенге.
ЗЭ = ((0,5* 180) + (0,05* 50))* 4,5 = 372,78 тенге.
Косвенные расходы рассчитываются как 70% от Зосн:
Зкосв. = 0,70* 14919,33 = 10443,53 тенге
Общеинститутские расходы рассчитываются как 150% от Зосн:
Зои = 1,5* 14919,33 = 22379,0 тенге.
Собственные затраты составляют:
Зсуммар. = 58922023 тенге.
Отчисления в на медицинское страхование берутся как 1% от Зосн:
Одф = 0,02* З (4.4)
Одф = 0,01* 14919,33 = 149,19 тенге.
Отчисления в фонд занятости составляют 2% от Зосн:
Офз = 0,02* Зосн (4.5)
Офз = 0,02* 14919,33 = 298,39 тенге.
Таким образом, себестоимость (общая сумма затрат) разработки определяется как сумма всех затрат, включая накладные расходные и отчисления в дорожный фонд и фонд занятости.
С = 58922,23 + 298,39 + 298,39 = 59519,0 тенге.
Сводная смета затрат на проведение разработки на тему “Применение программного комплекса Electronics Workbench для моделирования работы радио электрических устройств” приведена в таблице.
Таблица 4.4 - Сводная смета затрат на проведение разработки
Наименование статей затрат |
Сумма, тенге |
|
1. Затраты на материалы |
2165 |
|
2. Фонд оплаты труда |
16411,27 |
|
3. Отчисления на социальное страхование |
4923,38 |
|
4. Отчисления на медицинское страхование |
149,19 |
|
5. Отчисления в фонд занятости |
298,39 |
|
6. Амортизационные отчисления |
2227,27 |
|
7. Затраты на электроэнергию |
372,78 |
|
8. Косвенные расходы |
10443,53 |
|
9. Общеинститутские расходы |
22379,0 |
|
ИТОГО СЕБЕСТОИМОСТЬ РАЗРАБОТКИ: |
59370,32 |
Лимитная цена разработки складывается из себестоимости научно-исследовательской продукции и прибыли:
Цл = С + П (4.6)
Прибыль рассчитывается как 40% от себестоимости разработки:
П = 0,4* С (4.7)
П = 0,4* 59370,32= 23748,13тенге.
Цл = 59370,32+ 23748,13= 83118,45 тенге.
Цена реализации, с учетом налога на добавленную стоимость (НДС), в размере 20% от стоимости продукции, вычисляется по формуле:
Цр = Цл + НДС = Цл + Цл* 0,2 (4.8)
Цр = 1,2* 83118,45 = 99742,14 тенге.
В условиях рыночных отношений цена реализации научно-исследовательской продукции будет изменяться по многим причинам, в частности, с ростом инфляции. Рыночная стоимость разработки напрямую зависит от состояния рынка и спроса на научно-исследовательскую продукцию и популярности программного продукта на текущий момент.
Для финансирования разработки предлагается взять кредит в Национальном Банке Казахстана 10% годовых на 6 месяцев. Предлагаемый размер кредита 60000.
График возврата кредита представлен в таблице 4.5.
Таблица 4.5 – График возврата кредита
|
Месяц |
Кредит |
Затраты |
% по кредиту |
Долг по кредиту |
Доход |
Баланс |
|
1 |
60000 |
25444 |
500 |
60500 |
- |
Отр. |
|
2 |
- |
25444 |
500 |
61000 |
- |
Отр. |
|
3 |
- |
8481 |
500 |
61500 |
99742 |
Отр. |
|
4 |
- |
- |
500 |
62000 |
- |
Полож. |
|
5 |
- |
- |
500 |
62500 |
- |
Полож. |
|
6 |
- |
- |
500 |
63000 |
- |
Полож. |
Т.е. в случае успешной разработки и продаже продукта возврат кредита возможен через 3 месяца но учитывая специфичность разработки предлагается запланировать срок возврата 6 мес.
Продукт полностью окупается при продаже даже одного комплекта. Изготовление последующих комплектов практически не требует затрат.
Таблица 4.6 – График получения прибыли
|
Время |
Долг по кредиту |
Доход |
Баланс |
|
1 мес |
60500 |
- |
Отр. |
|
1 мес |
61000 |
- |
Отр. |
|
1 мес |
61500 |
99742 |
Полож |
|
1 мес |
62000 |
- |
Полож |
|
1 мес |
62500 |
- |
Полож |
|
1 мес |
63000 |
- |
Полож |
|
Продажа 2-го пакета |
- |
99742 |
Полож |
|
Продажа 5-ти пакетов |
- |
498710 |
Полож |
|
Продажа 10-ти пакетов |
- |
997420 |
Полож |
Рисунок 4.1 – График продажи продукта
При продаже большего числа пакетов рекомендуется снизить стоимость продукта для расширения рынка продажи.
5 Безопасность жизнедеятельности
5.1 Безопасность труда при работе с дисплеем
Работа с программным пакетом Electronics Workbench представляет собой работу за компьютером. Для организации работы необходимы : персональные компьютеры с соответствующей периферией. При работе на ЭВМ оператор выполняет следующие функции: ввод данных и их обработку, запрос и приём информации.
При работе на оператора оператора воздействуют следующие факторы: радиация монитора, шум и вибрация работы вентиляторов блока питания и принтеров, мерцание монитора (50-120Гц), монотонность работы, длительное нахождение в сидячем положении и постоянное напряжение зрительной системы.
Ввод данных может осуществляться множеством способов: ввод данных с помощью клавиатуры, считывание с различных накопителей (CD-ROMов, флоппи-дисков, магнитооптических дисков, и др.), с помощью сканеров и другого оборудования. Наиболее важным и распространённым является ввод данных посредством клавиатуры, но он является и самым утомительным. Если оператор не обладает навыками печати вслепую десятипальцевым методом, то большой объём вводимой информации является довольно тяжёлой и сложной задачей. При этом усталость появляется уже через короткий промежуток времени. И на протяжении длительного периода это может привести к неблагоприятным последствиям, изменениям в костной ткани, болезням суставов.
Кроме ввода данных, оператор осуществляет запрос и приём информации. Приём информации может осуществляться как в письменной форме, так и в электронной. В письменной – информация поставляется на бумаге, в электронной – информация поставляется с помощью компьютерных сетей и различных накопителей (дискет). Скорость обработки поступающей информации во многом зависит от профессиональной подготовленности оператора и его индивидуальных качеств. Для приёма и обработки информации оператор кроме аппаратных средств использует и программное обеспечение, которое требует профессиональной подготовки и умственного напряжения для работы с самой программой обработки информации (базы данных, текстовые редакторы и др.). С учётом изложенного, на эту работу требуется профессионально подготовленный оператор.
При работе с дисплеем оператор подвергается воздействию некоторых вредных факторов: радиации, излучаемой электронно-лучевой трубкой, монотонностью выполняемой работы, длительному пребыванию в сидячем положении и постоянной нагрузке на зрительную систему. Кроме этого, оператор подвергается шумовому воздействию, которое возникает вследствие работы вентиляторов, установленных внутри корпуса системного блока компьютера, работы принтеров (особенно матричных), работы кондиционеров и т.д.
Для уменьшения воздействия радиации, излучаемой электронно-лучевой трубкой дисплея, применяют стеклянные или сеточные фильтры, уменьшающие мерцание, повышающие контрастность и чёткость изображения, или используют современные мониторы со спецификацией “low radiation”, которые можно использовать без защитных экранов, так как они покрыты специальным антибликовым составом для лучшего восприятия изображения и для уменьшения отражения внешнего освещения.
Кроме утомления зрительной системы, идёт утомление шеи и спины. Для уменьшения воздействия этих факторов следует придерживаться следующего режима работы:
1) периодически делать короткие перерывы для отдыха (через 30 минут работы)
2) периодически делать разминку. Выполнить несколько простых физкультурных упражнений для неработающих мышц.
Размещение технических средств и кресла оператора в рабочей зоне должно обеспечивать удобный доступ к основным функциональным узлам и блокам аппаратуры для проведения технической диагностики, профилактического осмотра и ремонта; возможность быстро занимать и покидать рабочую зону; исключение случайного приведения в действие средств управления и ввода информации; удобную рабочую позу и позу отдыха /9/.
Для
уменьшения воздействия нагрузки на зрительную систему и для уменьшения
воздействия монотонности работы дисплей размещаем на столе или подставке так,
чтобы расстояние от глаз до экрана не превышало 700 мм (оптимальное расстояние 460-
Документ (бланк) для ввода данных располагаем на расстоянии 450-500мм от глаз оператора, преимущественно слева, при этом угол между экраном дисплея и документом в горизонтальной плоскости должен составлять 30-400. Угол наклона клавиатуры устанавливается равным 150 .
Экран дисплея, документы и клавиатуру располагаем так, чтобы перепад яркостей поверхностей, зависящий от их расположения относительно источника света, не превышал 1:10 (рекомендуемое значение 1:3). При номинальных значениях яркостей изображения на экране 50-100 кд.м3 освещённость документа должна составлять 300-500 лк.
Устройства документирования и другие, нечасто используемые технические средства, располагаем справа от оператора в зоне максимальной досягаемости, а средства связи слева, чтобы освободить правую руку для записей.
Рабочий стол и клавиатуру освещаем сбоку настольной лампой накаливания, при этом оставим общее освещение включенным для уменьшения резкости.
Произведём расчёт общего искусственного освещения, необходимого для данной работы.
Светильники в помещении располагаем в соответствии с правилами пожарной безопасности. для данной работы (работа с программным комплексом Electronics Workbench) используем помещение, длина которого составляет 6м, ширина 5м, высота 4м, с побеленным потолком и светлыми стенами. Расчёт ведём на основании методических указаний по расчёту производственного освещения /10/. Разряд зрительной работы определяем с учётом того, что наименьший размер объекта равен 1-5мм. По таблице 1.2 /10/ находим, что в данном случае разряд зрительной работы VI. По этой же таблице определяем нормируемую освещённость, которая равна 150 лк.
Коэффициенты
отражения потолка, стен, пола из таблицы 2.4 /10/ соответственно 70%, 50% и
30%. Рабочая поверхность находится на высоте
Рассчитаем расстояние от светильника до рабочего места:
h=4-1-0,7=2,3 м.
Необходимый световой поток каждого светильника рассчитывается по формуле:
Ф=(E*KЗ*S*Z)/(N*h), (5.1)
где E - заданная минимальная освещённость;
КЗ- коэффициент запаса;
S - освещаемая площадь, м2;
Z - коэффициент неравномерности освещения, равный 1,1-1,2;
N - число светильников (намеченное до расчёта);
h - коэффициент использования.
Для нахождения h рассчитаем индекс помещения I по формуле:
I=A*B/(h*(А+B)), (5.2)
где А - длина помещения, м ;
В - ширина помещения, м ;
h - расчетная высота, м.
Тогда I=6*5/(2,3*11)=1,2 и h=0,5 из таблицы 2.5 /10/.
Коэффициент запаса находим по таблице 1.10 /10/ КЗ=1,5; Z принимаем равным 1,2. Число светильников определяем по формуле N=S/L2 , где S - площадь помещения, м2; L=l*h, l выбирается в пределах от 1,2 до 1,4; h - расчётная высота от светильника до рабочего места.
Тогда N=30/(1,2*2,3)2»4 (светильника).
По вышеприведённой формуле рассчитаем необходимый световой поток каждого светильника:
Ф=(E*KЗ*S*Z)/(N*h)=(150*1,5*30*1,2)/(4*0,5)=397 лм. (5.3)
На основании этого из таблицы 2.2 /10/ выбираем лампу ЛДЦ мощностью 15 Вт с номинальным световым потоком 500 лм.
С
учётом того, что длина лампы примерно
Рисунок 5.1 - Схема расположения светильников в помещении.
При работе оператора на него действуют различные шумы, создаваемые работающими принтерами (в основном матричными), вентиляторами, установленными в системном блоке компьютера, звуковыми платами или динамиками, встроенными в компьютер, кондиционерами и прочим оборудованием. Для уменьшения воздействия шума на организм оператора следует применять более современное оборудование (замена матричных принтеров на лазерные), а также производить своевременную профилактику оборудования.
Микроклимат помещения оказывает значительное влияние на оператора. Отклонение отдельных параметров микроклимата от рекомендованных значений снижают работоспособность, ухудшают самочувствие и могут привести к профессиональным заболеваниям.
В зависимости от энергозатрат организма ГОСТ 12.1.005-88 ССБТ ”Воздух рабочей зоны, общие санитарно-гигиенические требования” предусматривает три категории работ. В соответствии с ГОСТ, работа оператора ЭВМ может быть отнесена к лёгкой физической работе категории 1б с энергозатратами организма 138-172 Дж/с или 120-150 ккал/час. Следует помнить, что в тёплый период года среднесуточная температура наружного воздуха составляет выше +100С, в холодный период года среднесуточная температура наружного воздуха составляет -100С и ниже. Оптимальная относительная влажность колеблется в пределах 40-60%.
Оптимальные нормы параметров микроклимата с учётом категории данной работы следующие: в холодный период года температура воздуха 21-230С, скорость движения воздуха не более 0,1 м/c; в тёплый период года температура воздуха должна составлять 22-240С, скорость движения воздуха не более 0,2м/с. Допустимые значения относительной влажности в холодный период года 75% и 60% в тёплый период года при температуре 270С. Для обеспечения данных условий микроклимата в холодное время года применяют систему центрального отопления, а в тёплое время года кондиционеры.
5.2 Электробезопасность
Помещение, в котором осуществляется работа над программой, по степени электроопасности относятся к помещениям без повышенной опасности - помещения сухие, с нормальной температурой, изолированными полами, беспыльные, имеющие малое количество заземлённых предметов. Компьютер питается от однофазной сети переменного тока промышленной частоты с заземлённой нейтралью, напряжением 220В.
Системный блок компьютера имеет напряжения сигналов ТТЛ уровней (-1,+4 В), цифровые и аналоговые микросхемы запитываются постоянными напряжениями ±5 и ±12 В, которые получаются путем преобразования переменного напряжения 220В в блоке питания. Блок питания содержит в себе схемы преобразования напряжения, схемы стабилизации и схему защитного отключения при коротком замыкании. Так как корпус компьютера выполнен из металла, то существует опасность пробоя фазы на корпус. Мониторы современных компьютеров практически всегда изготовляются из пластика, поэтому несмотря на большое напряжение, присутствующее в мониторе, поражение током человека практически исключено.
Поскольку попадание человека под воздействие высокого напряжения в данном устройстве возможно только по причине аварии (пробой изоляции), то рассчитаем возможный ток через тело человека (Ih) при касании частей схемы, находящихся под напряжением 220В /9/.
; (5.4)
(5.5)
где U-напряжение токоведущих элементов, В,
Rh=1000 Ом- сопротивление тела человека.
Полученное значение выше смертельного порога (0.1А для переменного тока), значит необходимо предусмотреть меры по защите человека от поражения электрическим током.
1) Поскольку сетевое напряжение преобразуется в отдельном блоке (блоке питания), то необходимо выполнить его в закрытом металлическом корпусе и электрически соединить его с корпусом всего устройства в целом;
2) Заземлить корпус всего компьютера, посредством заземляющего вывода в сетевом шнуре или отдельным заземляющим проводом;
3) Применить сетевой шнур с двойной изоляцией.
Произведём расчёт защитного заземления компьютеров в ВЦ.
Для защиты от опасного напряжения прикосновения необходимо использовать защитное заземление. Наиболее эффективным является использование контурного заземлителя, размещённого по периметру здания ВЦ.
Требуемое сопротивление защитного заземляющего устройства для данного случая должно быть не более 4 Ом, т.е.
Rз< 4 Ом.
С учётом плана здания и его размеров строим предварительную схему заземлителя (рисунок 5.2).
Рисунок 5.2 - Схема контурного заземлителя
При этом вертикальные электроды размещаются на расстоянии а=5 м один от другого. Расчёт производим для однородной земли, где грунтом является суглинок, с удельным сопротивлением грунта р=100 Ом /м.
Заземлитель
выполняется из вертикальных стержневых электродов длиной lв =
L = 2 ´ A + 2 ´ B ; (5.6)
L = 2 ´ 20 + 2 ´ 15 =
и
сечением 25´4 мм.
Горизонтальные электроды уложены на глубину
t0 =
Расчётные сопротивления растеканию тока электродов - вертикального Rв и горизонтального Rг определяются по соотношениям /8/ :
где t=t0+lB / 2 =
Ом (5.9)
где b =25 мм; (5.10)
Ом. (5.11)
Так как заземлитель контурный и n = 14 шт., то отношение
. (5.12)
По справочным данным /8/ определяем коэффициенты использования электродов заземлителя - вертикальных и горизонтальных
hв =0,66
hг = 0,36
Сопротивление растеканию тока группового заземлителя рассчитывается по формуле :
Ом. (5.13)
Это сопротивление меньше допустимого сопротивления заземления ( 4 Ом ), что повышает безопасность эксплуатации оборудования.
В целях профилактики рекомендуется один раз в год определять сопротивление грунта.
5.3 Противопожарные мероприятия
Здания, где установлены компьютеры, можно отнести к категории Д пожарной опасности с третьей степенью огнестойкости - здания с несущими и ограждающими конструкциями из естественных или искусственных материалов, бетона или железобетона.
Пожары на вычислительных центрах представляют особую опасность, т.к. сопряжены с большими материальными потерями. Как известно, пожар может возникнуть при взаимодействии горючих веществ, окислителя и источника зажигания. В помещениях вычислительных центров присутствуют все три фактора, необходимые для возникновения пожара.
Возникновение пожара в рассматриваемом помещении наиболее вероятно по причинам неисправности электрооборудования, к которым относятся: искрение в местах соединения электропроводки, короткие замыкания в цепи, перегрузки проводов и обмоток трансформаторов, перегрев источников бесперебойного питания и другие факторы. Поэтому подключение компьютеров к сети необходимо производить через распределительные щиты, позволяющие производить автоматическое отключение нагрузки при аварии.
Особенностью современных ЭВМ является очень высокая плотность расположения элементов электронных схем, высокая рабочая температура процессора и микросхем памяти. Следовательно, вентиляция и система охлаждения, предусмотренные в системном блоке компьютера должны быть постоянно в исправном состоянии, т.к. в противном случае возможен перегрев элементов, не исключающий их воспламенение.
Надёжная работа отдельных элементов и электронных схем в целом обеспечивается только в определённых интервалах температуры, влажности и при заданных электрических параметрах. При отклонении реальных условий эксплуатации от расчётных, также могут возникнуть пожароопасные ситуации.
Серьёзную опасность представляют различные электроизоляционные материалы. Широко применяемые компаунды на основе эпоксидных смол состоят из горючих смол, выделяющих при горении удушающие газы. Материнские платы электронных устройств, а также платы всех дополнительных устройств ЭВМ изготавливают из гетинакса или стеклотекстолита. Пожарная опасность этих изоляционных материалов невелика, они относятся к группе трудно горючих, и могут воспламениться только при длительном воздействии огня и высокой температуры /9/.
Поскольку в рассматриваемом случае при возгораниях электроустройства могут находиться под напряжением, то использовать воду и пену для тушения пожара недопустимо, поскольку это может привести к электрическим травмам. Другой причиной, по которой нежелательно использование воды, является то, что на некоторые элементы ЭВМ недопустимо попадание влаги. Поэтому для тушения пожаров в рассматриваемом помещении можно использовать либо порошковые составы, либо установки углекислотного тушения. Но поскольку последние предназначены только для тушения небольших очагов возгорания, то область их применения ограничена. Поэтому для тушения пожаров в данном случае применяются порошковые составы, так как они обладают следующими свойствами: диэлектрики, практически не токсичны, не оказывают коррозийного воздействия на металлы, не разрушают диэлектрические лаки.
Установки порошкового пожаротушения могут быть как переносными, так и стационарными, причем стационарные могут быть с ручным, дистанционным и автоматическим включением.
Автоматическая установка и установка с механическим включением отличается только средствами открытия запорного крана. В автоматических установках используются различные датчики обнаружения пожара (по дыму, тепловому и световому излучению), а в механических специальные тросовые системы с легкоплавкими замками. В настоящее время освоены модульные порошковые установки ОПА-50, ОПА-100, УАПП /9/.
Для обеспечения тушения пожара в рассматриваемом помещении применяется автоматическая стационарная установка порошкового пожаротушения УПС-500. Установка порошкового тушения состоит из сосуда для хранения порошка, баллонов со сжатым газом, редуктора, запорной аппаратуры, трубопроводов и порошковых оросителей.
В рассматриваемом помещении применим извещатели типа ИП 104, которые срабатывают при превышении температуры в помещении +60 0С. И извещатели типа ИП 212, которые срабатывают при скоплении дыма в помещении.
Для профилактики пожарной безопасности организуем обучение производственного персонала (обязательный инструктаж по правилам пожарной безопасности не реже одного раза в год), издание необходимых инструкций с доведением их до каждого работника учреждения, выпуск и вывеска плакатов с правилами пожарной безопасности и правилами поведения при пожаре. Также необходимо наличие плакатов, информирующих людей о расположении аварийных выходов из здания в случае возникновения пожара, плана эвакуации людей в аварийных ситуациях.
План эвакуации людей в случае пожара должен быть составлен таким образом, чтобы за кратчайшее время люди могли покинуть здание, не создавая пробки во время движения. Путь от дверей каждого помещения до выхода из здания должен быть по возможности минимальным. Для этого необходимо учесть расположение комнат и всех выходов из здания, включая аварийные. На рисунке 5.3 приведен план эваукации людей при пожаре в вычислительном центре.
Рисунок 5.3 - План эваккуации при пожаре
На данном плане показаны кратчайшие пути выхода из здания, включая аварийный выход. При этом не создаются пробки в коридорах и в дверных проходах, что позволяет покинуть помещение в кратчайшее время.
Заключение
В дипломной работе была продемонстрирована работа и простота интерфейса пользователя комплекса Electronics Workbench.
На примерах было рассказано о возможностях анализа радиоэлектронных устройств.
Electronics Workbench является мощным средством разработки моделирования и отладки радиоэлектронных устройств и может быть рекомендован к использованию в высших учебных заведениях , школах и на предприятиях , занимающихся разработкой.