Применение пакета программ Multisim 10 в учебном процессе

2008

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Студенческая наука

№ 137

УДК 681.3.06

ПРИМЕНЕНИЕ ПАКЕТА ПРОГРАММ MULTISIM 10 В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ

А.А. МАЛЫШЕВ

Статья представлена доктором технических наук, профессором Соломенцевым В.В.

Статья подготовлена под руководством кандидата технических наук, доцента Резникова Б.Л.

В данной статье рассматривается применение системы моделирования Multisim 10 в учебном процессе при изучении общетехнических и специальных дисциплин на кафедре «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети». Приведен пример моделирования цифровой схемы.

Введение

Как известно, в настоящее время при разработке и отладке электронных устройств широко используется автоматизированное проектирование и компьютерное моделирование. Автоматизированное проектирование позволяет создавать более качественные устройства за короткие сроки, т. к. специальное программное обеспечение дает возможность без больших затрат времени и средств отрабатывать сразу несколько вариантов схем и выбирать из них наилучший.

Компьютерное моделирование широко используется в учебном процессе. Так, в [1] изложен опыт работы преподавателей и студентов на кафедре с использованием пакетов программ Electronics Workbench 5.12, DesignLab 8 и Micro-CapV. Как показал анализ результатов применения этих программ, компьютерное моделирование позволяет повысить эффективность процесса обучения, исключить из процесса обучения специальное дорогостоящее оборудование, дает навыки работы с программами схемотехнического моделирования.

В настоящее время вышла новая версия пакета программ Electronics Workbench - Multisim 10. Лицензионная копия этого пакета программ установлена на кафедре «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети». Эта система широко используется на предприятиях, занимающихся разработкой электронной аппаратуры. В связи с этим целесообразно дать навыки работы с этим пакетом программ студентам специальности 230101.

Система моделирования MULTISIM 10

Система предназначена для моделирования цифровых и аналоговых устройств и включает все этапы разработки электронного устройства - от создания электрической схемы до разработки печатной платы. Моделирование осуществляется с помощью программы Multisim, а разработка печатной платы - с помощью Ultiboard и Ultiroute. Окно программы приведено на рис. 1.

Программа Multisim 10 предоставляет следующие возможности моделирования:

• Расчет режимов по постоянному току (DC).

• Анализ на переменном токе (AC analysis).

• Расчет переходных процессов (Transient).

• Фурье-анализ (Fourier).

• Анализ нелинейных и интермодуляционных искажений (Distortion analysis).

• Температурные испытания схемы (Temperature sweep).

• Расчет карты нулей и полюсов передаточной характеристики (Pole-Zero).

• Расчет передаточных функций (Transfer function).

• Расчет относительной чувствительности характеристик схемы к изменениям параметров выбранного компонента при частотном анализе или при расчете статического режима (Sensitivity).

• Расчет значений параметров компонентов схемы в режиме DC или AC при предельных отклонениях ее характеристик (Worst case).

• Статистический анализ по методу Монте-Карло (Monte Carlo).

• Анализ шумовых характеристик схемы (Noise figure analysis).

• Выполнение команд моделирования по программе пользователя, написанной в формате Spice (User defined analysis).

Программа также позволяет просматривать осциллограммы в любой точке схемы, измерять ее электрические параметры, синтезировать комбинационные схемы.

Рис. 1. Multisim 10 Моделирование электронных схем

Предлагается к рассмотрению применение Multisim 10 на примере моделирования работы клавиатуры с динамическим опросом клавиш. Такая клавиатура часто входит в состав цифровых устройств и является неотъемлемой частью вычислительных устройств (компьютеров, калькуляторов и т. д.).

Структурная схема динамической клавиатуры приведена на рис. 2.

Импульсы с тактового генератора поступают на распределитель импульсов, собранный на двоичном счетчике и дешифраторе. С выхода дешифратора сигнал подается на горизонтальные линии матрицы из т*п кнопок без фиксации. Другие контакты кнопок (вертикальные линии) соединены с шифратором. Дешифратор последовательно опрашивает горизонтальные ряды кнопок. При этом если одна из кнопок нажата, то сигнал с соответствующего выхода дешифратора поступает на один из входов шифратора. Шифратор генерирует часть двоичного кода нажатой клавиши и разрешает запись в выходной регистр. Старшие разряды слова форми-

руются счетчиком. Таким образом, при нажатии какой-либо кнопки и приходе импульса с выхода дешифратора на соответствующую горизонтальную линию в выходной регистр, записывается код нажатой клавиши. После отпускания нажатой клавиши, код сохраняется в регистре до нажатия следующей клавиши.

5

3

Рис. 2. Структурная схема динамической клавиатуры

В дальнейшем проводится моделирование данной схемы. Для создания модели располагаем на рабочем поле программы все необходимые компоненты и устанавливаем между ними связи. В результате получаем принципиальную схему устройства (рис. 3).

ОСО_НЕХ_СРЕЕМ

Рис. 3. Принципиальная схема динамической клавиатуры в Multisim 10

Г енератор собран по стандартной схеме на трех инверторах. Частота импульсов определяется емкостью конденсатора С1 и сопротивлением резистора И2. Необходимая частота генера-

тора зависит от количества строк клавиатуры п и максимальном частоты нажатии клавиш

0,7

Ун: ^=пЛ- Частота генератора определяется по известной формуле F = —-— . Допустим, у нас

максимальное число нажатий клавиш в секунду Ун=15, а число строк - 4, тогда частота генератора уг=4-15=60 Гц. Установим частоту генератора с запасом - 100 Гц. Тогда С 1=0,1 мкф, а Я2=70 кОм ~ 75 кОм (выбираем стандартный номинал).

Счетчик собран на двух Б-триггерах, работающих в режиме счетных триггеров.

Поскольку в схеме используются шифратор и дешифратор с инверсными входами и выходами, логическая единица на входах шифратора при отжатых кнопках обеспечивается резисторами Я4 - Я7, подключенными к плюсу источника питания.

Цепь Я9 С2 обеспечивает задержку разрешения записи в регистр до установки на его входах необходимых уровней.

Работоспособность схемы проверяется с помощью логического анализатора. Для этого не-

обходимо на рабочем поле разместить Logic Analyzer ~ . и подключить его к контрольным точкам схемы:

Generator - сигнал тактового генератора;

CounterO, Counterl - сигналы на соответствующих выходах счетчика;

Decoder_Y0 - Decoder_Y3 - сигналы на выходах Y0 - Y3 дешифратора;

Coder DO - Coder D3 - сигналы на входах D0 - D3 шифратора;

Y0, Y1 - младшие разряды кода нажатой клавиши;

Term15, Term16 - старшие разряды кода нажатой клавиши.

В результате моделирования получим временную диаграмму работы схемы (рис. 4).

Двумя вертикальными линейками выделен момент опроса нажатой клавиши «5». В этот момент в регистр выдается код этой клавиши.

Как видим, схема функционирует правильно.

Рис. 4. Временная диаграмма работы клавиатуры

Таким образом, систему МиШвт можно рекомендовать для выполнения лабораторных работ и курсового проектирования по общетехническим и специальным дисциплинам.

Выводы

В статье были рассмотрены возможности проектирования и анализа цифровых схем с помощью пакета прикладных программ МиШБт 10. Выявлено хорошее соответствие результатов компьютерного моделирования традиционным расчетам, в связи с чем пакет прикладных программ МиШБт 10 можно рекомендовать для использования в учебном процессе студентам специальности 230101.

ЛИТЕРАТУРА

1. Резников Б. Л. Виртуальные методы исследования в учебном процессе // Научный Вестник МГТУ ГА серия Информатика. Прикладная математика, №55, 2002.- С. 115-118.

2. Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. Т. 1. Моделирование элементов аналоговых систем. - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2006.

3. Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. Т. 2. Моделирование элементов телекоммуникационных и цифровых систем. - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2006.

USING PROGRAM PACKAGE MULTISIM 10 AT THE EDUCATIONAL PROCESS

Malyshev A. A.

This article is a usage example of automated modeling system Multisim 10 on faculty «Computers, complexes, systems and networks». The example of circuit scheme is provided.

Сведения об авторе

Малышев Алексей Александрович, 1987 г.р., студент 5 курса факультета прикладной математики и вычислительной техники МГТУ ГА, область научных интересов — схемотехническое моделирование.