Войти в мой кабинет
Регистрация
ГОТОВЫЕ РАБОТЫ / ДИПЛОМНАЯ РАБОТА, РАДИОФИЗИКА

Разработка лабораторного стенда для изучения устройств генерирования и формирования сигналов

cool_lady 1375 руб. КУПИТЬ ЭТУ РАБОТУ
Страниц: 56 Заказ написания работы может стоить дешевле
Оригинальность: неизвестно После покупки вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100% с помощью сервиса
Размещено: 10.04.2021
Выпускная квалификационная работа 55 с., 37 рис., 11 источников. УСТРОЙСТВА ГЕНЕРИРОВАНИЯ И ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ, ВИРТУАЛЬНЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД, ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ, КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, MULTISIM, СИСТЕМЫ СХЕМОТЕХНИЧЕС¬КОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Объектом разработки данной работы является виртуальный лабораторный стенд для изучения устройств генерирования и формирования сигналов. Целью работы является разработка виртуального лабораторного стенда для изучения устройств генерирования и формирования сигналов для дисциплины «Устройства генерирования и формирования сигналов». В результате выполнения выпускной квалификационной работы проведен сравнительный анализ программ компьютерного моделирования электрических цепей и электронных устройств, который показал, что наиболее удобной для учебных целей является программа Multisim; разработаны описания пяти лабораторных работ по изучению устройств генерирования и формирования сигналов: - «Введение в Multisim»; - «Моделирование транзисторного автогенератора»; - «Исследование операционных усилителей»; - «Исследование автогенератора с частотной модуляцией»; - «Исследование активного регулятора тембра».
Введение

При разработке радиотехнических устройств обычно выполняется ма-тематическое и физическое моделирование разрабатываемого устройства. Физическое моделирование может быть затратным как в материальном плане, так и во временном, а при большой сложности устройства, или если нельзя достать его отдельные компоненты, часто бывает затруднено. Из та-кой ситуации можно выйти, если использовать схемотехническое компью-терное моделирование устройства. Лабораторные работы по техническим дисциплинам в ВУЗах прово-дятся с помощью различных лабораторных стендов, измерительных прибо-ров. Компьютерные системы проектирования и анализа электронных схем используют, чтобы улучшить качества учебного процесса. Эти системы об-ладают возможностью моделирования электронных схем и позволяют сту-дентам изучать их работу без использования аппаратных средств. Целью данной работы является разработка виртуального лабораторного стенда для изучения устройств генерирования и формирования сигналов для дисциплины «Устройства генерирования и формирования сигналов». Для этого необходимо решить следующие задачи: - изучить методическую литературу по проведению лабораторных практикумов по дисциплине «Устройства генерирования и формирования сигналов»; - проанализировать имеющийся в Кубанском государственном университете лабораторный практикум по дисциплине «Устройства генерирования и формирования сигналов» с целью выявления недостатков, устаревшего материала в представленном лабораторном практикуме и модернизировать его с учетом выявленных недостатков предоставленного учебного пособия; - изучить возможности программ для схемотехнического моделирова-ния радиоэлектронных устройств; - провести сравнительный анализ различных программ для схемотех-нического моделирования радиоэлектронных устройств и выбрать наилуч-шую для учебных целей; - изучить структуру выбранной программы, ее настройки, этапы создания принципиальных схем и их моделирования; - разработать описания лабораторных работ по изучению устройств генерирования и формирования сигналов.
Содержание

Обозначения и сокращения 4 Введение 5 1 Анализ учебно-методической документации по дисциплине «Устройства генерирования и формирования сигналов» 7 2 Программы для схемотехнического моделирования радиоэлектронных устройств 10 3 Описание программы Multisim 14 3.1 Создание схемы 14 3.2 Контрольно–измерительные приборы 18 3.3 Моделирование электронных схем 20 4 Разработка лабораторного стенда для изучения устройств генерирования и формирования сигналов на персональном компьютере 24 4.1 Лабораторная работа № 1. Введение в Multisim. 24 4.2 Лабораторная работа № 2. Моделирование транзисторного автогенератора 35 4.3 Лабораторная работа № 3. Исследование операционныех усилителей 41 4.4 Лабораторная работа № 4. Исследование автогенератора с частотной модуляцией 46 4.5 Лабораторная работа № 5. Исследование активного регулятора тембра 51 Заключение 54 Список использованных источников 55
Список литературы

1 Тамаров П.Г. Устройства генерирования и формирования сигналов: [Лабораторный практикум] / П. Г. Тамаров, О. А. Дулов. – Ульяновск, 2010. – 83 с. 2 Тамаров П.Г. Теория генерирования и формирования сигналов. Исследование основных каскадов устройств генерирования и формирования сигналов в среде MULTISIM: [Лабораторный практикум] / П. Г. Тамаров, Р. О. Коваленко. – Ульяновск, 2016. – 96 с. 3 Шаповалов Ю.В Микросхемотехника вычислительных машин: [Лабораторный практикум] / Ю. В. Шаповалов. – М.: Издательство МАИ, 2009. 4 Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств Design Lab 8.0 / В. Д. Разевиг. – М.: Солон, 1999. 5 Самоучитель по OrCAD. – (Рус.). – URL: http://lib.qrz.ru/book/export/ html/6918. [10 мая 2019]. 6 Амелина М. А. Программа схемотехнического моделирования Mi-cro-Cap 8 / М. А. Амелина, С. А. Амелин. – М.: Горячая линия-Телеком, 2007. 7 Официальный сайт разработчика программы MicroCAP. – (Engl.). – URL: http://www.spectrum-soft.com/index.shtm. [12 мая 2019]. 8 Руководство пользователя системы NI Multisim. Версия 13.0. 2014. 9 Моделирование схем в программе Multisim. – (Рус.). – URL: http://www.sxemotehnika.ru/zhurnal/modelirovanie-skhem-v-programme-multisim.html. [13 мая 2019]. 10 Попов В. П. Основы теории цепей: учебник для бакалавров / В.П. Попов. — 7-е изд., перераб. и доп. — М.: Юрайт, 2015. — 696 с. 11 Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств / [отв. ред. Р. Г. Алексанян]. – 2-е изд., испр. – М.: Додэка-XXI, 2007. – 528 с.
Отрывок из работы

1 Анализ учебно-методической документации по дисциплине «Устройства генерирования и формирования сигналов» Для того, чтобы разработать лабораторный стенд, необходимо проанализировать учебно-методической документации по теме исследования. После проведения анализа методической литературы по проведению лабораторных работ по дисциплине «Устройства генерирования и формирования сигналов» было выделено два основных типа стендов с точки зрения материальной базы: 1 Лабораторные стенды, построенные на аппаратной базе, которые включают в себя лабораторные установки и позволяют собирать электриче-ские схемы из «реальных» электронных компонентов и изучать их параметры и характеристики с помощью «реальных» измерительных приборов. 2 Лабораторные стенды, построенные на программной базе, включаю-щей программы для схемотехнического моделирования радиоэлектронных устройств, позволяющие «собирать» электрические схемы из «виртуальных» электронных компонентов и исследовать их параметры и характеристики с помощью «виртуальных» измерительных приборов. Лабораторный стенд первого типа описан, например, в учебном посо-бии П. Г. Тамарова «Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Устройства генерирования и формирования сигналов»» [1]. Данное учебное пособие было разработано для студентов дневной формы обучения специальности «Радиотехника». В нем имеются краткие теоретические сведения о работе радиотехнических устройств генерации и формирования аналоговых сигналов, а также математические соотношения, с помощью которых выполняются расчеты. Лабораторный практикум включает в себя следующий перечень лабо-раторных работ: 1 Исследование автогенератора с частотной модуляцией. 2 Исследование транзисторных автогенераторов. 3 Исследование режимов работы транзисторного генератора с внешним возбуждением. 4 Исследование транзисторного генератора с простой и сложной схе-мами выхода. 5 Исследование транзисторных умножителей частоты. 6 Исследование генератора с базовой, эмиттерной и коллекторной ам-плитудной модуляцией. 7 Ключевые режимы транзисторных усилителей мощности. 8 Исследование УКВ радиостанции. 9 Модель транзисторного СВЧ усилителя мощности. В описаниях лабораторных работ приводятся краткие пояснения по работе схемы, цель работы, порядок выполнения работы, содержание отчета, контрольные вопросы. В связи со стремительным развитием технологий и увеличением мощ-ности ЭВМ лабораторные стенды второго типа в последнее время получают всё большее распространение. Учебно-методическое пособие Тамарова П.Г. «Теория генерирования и формирования сигналов. Исследование основных каскадов устройств генерирования и формирования сигналов в среде MULTISIM» [2] предназначено для студентов, обучающихся по специальности «Радиотехника», и в котором «приводятся общие правила выполнения лабораторных работ, требования по технике безопасности, порядок оформления отчета, в описании каждой работы указывается цель, даются необходимые пояснения к схемам, формулируются на расчет и выполнение исследований в среде Multisim, а в конце описаний приведены контрольные вопросы для самостоятельной проверки знаний студентов»[2]. Лабораторный практикум включает в себя следующий список лабора-торных работ: 1 Ознакомление с программой схемотехнического моделирования Multisim. 2 Исследование генератора с базовой, эмиттерной и коллекторной ам-плитудной модуляцией. 3 Исследование транзисторных автогенераторов. 4 Исследование автогенератора с частотной модуляцией. 5 Исследование умножителя частоты. 6 Исследование режимов работы транзисторного генератора с внеш-ним возбуждением. 7 Ключевые режимы транзисторных усилителей мощности. ? 2 Программы для схемотехнического моделирования радиоэлектронных устройств При помощи программных обеспечений, которые были разработаны корпорациями Mentor Graphics, Cadence и др., и установлены на специализированных рабочих станциях, можно в полной мере решить задачи моделирования радиотехнических устройств. Но из-за большой стоимости такого программного обеспечения практически нереально использовать для учебных целей [3]. Для решения отдельных задач в этой области на платформе персональных компьютеров существует множество программ. Среди них можно выделить профессиональные системы, обеспечивающие сквозное проектирование радиотехнической техники — система DesignLab корпорации MicroSim [4], система OrCAD фирмы Cadence [5] и др. С помощью данных программ можно моделировать электрофизические процессы, происходящие в электрических цепях радиоэлектронных устройств. С помощью программ схемотехнического проектирования можно рассчитывать стационарные режимы работы цепи по постоянному и переменному току, её частотные, переходные и шумовые характеристики, анализировать влияние на них температуры элементов электрической цепи. Элементы электрических схем замещения отображают электрофизиче-ские характеристики используемых при моделировании схемы компонентов: «резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, полупроводниковых диодов, биполярных и полевых транзисторов, трансформаторов, операционных усилителей, линий задержки сигнала и других аналоговых и цифровых элементов» [3]. Элементами схем замещения являются схемные модели электрических свойств компонентов реальной электрической цепи. Для типовых компонентов радиоэлектронных устройств используются модели этих элементов, включающие в себя их электрофизические свойства и имеющие со-ответствующие настройки. На данный момент программы схемотехнического проектирования в основном содержат довольно удобный интерфейс, с помощью которого можно быстро «собрать» и редактировать моделируемое устройство и параметры его элементов, а также настраивать параметры моделирования. В то же время профессиональные программы моделирования слишком сложны, чтобы использовать их в учебных заведениях в качестве виртуальных лабораторных стендов. Среди множества систем схемотехнического моделирования радиотехнических устройств для использования в учебных целях можно выделить две: 1 Пакет программ схемотехнического анализа MicroCAP. 2 Система моделирования и анализа электрических схем Multisim. Проанализировав эти две системы, можно найти подходящую для со-здания виртуального лабораторного стенда по дисциплине «Устройства генерирования и формирования сигналов». Пакет программ схемотехнического анализа MicroCAP — универ-сальный пакет программ для схемотехнического анализа аналоговых и циф-ровых устройств, с помощью которого можно решать широкий круг задач. В связи с тем, что графический интерфейс данного пакета очень удобен, его можно использовать для обучения студентов. MicroCAP близок по своим возможностям к профессиональным средствам анализа и проектирования электронных устройств DESIGNLAB, ORCAD, PCAD [6], требующих значительных аппаратных ресурсов и сложных в использовании. Возможности пакета программ MicroCAP позволяют довольно просто и удобно моделировать электронные устройства средней степени сложности. Удобство интерфейса, нетребовательность к аппаратным ресурсам и возможность моделировать схемы с достаточно большим количеством компонентов позволяют использовать этот пакет для учебных целей [7]. Система моделирования и анализа электрических схем Multisim. Для учебных целей главными достоинствами при выборе систем моделирования являются время, которое студент тратит на освоение программы, и простота и наглядность. Такими достоинствами обладают программы, в которых используются виртуальных приборы, которые имеют такой же внешний вид, как и их реальный прототип. К таким программам относится Multisim фирмы National Instruments [8]. Главным преимуществом данной программы является тот факт, что, в отличие от большинства, в том числе, профессиональных программ, для освоение которых необходимо большое количество времени, для освоения Multisim требуется всего два вводных занятия. Работа с программой заключается в следующем: - «собирается» принципиальная электрическая схема моделируемого устройства; - к схеме подключаются необходимые измерительные приборы; - запускается работа схемы; - результаты анализа отображаются на измерительных приборах и их можно сохранить, чтобы в дальнейшем использовать, например, для расчетов в другой программе или для составления отчета. Программа Multisim позволяет моделировать аналоговые, цифровые и цифро-аналоговые схемы высокой степени сложности. Большинство элек-тронных элементов содержатся в интегрированных в программу библиоте-ках, а также имеется возможность создавать новые библиотеки. Параметры компонентов можно изменять. Активные элементы, такие как транзисторы, описываются моделями, отражающими их электрофизические характеристики. Параметры модели могут быть изменены пользователем. С помощью огромного выбора измерительных приборов можно производить измерения различных величин, задавать входные сигналы, строить зависимости. Все приборы имеют внешний вид органов управления, имитирующий свой прототип, именно поэтому в данной программе очень просто и удобно работать. Результаты моделирования можно распечатать или сохранить в текстовый или графический файл для их дальнейшего использования. Программа Multisim совместима с программой P-SPICE и позволяет экспортировать и импортировать схемы и результаты измерений. Multisim является самой эффективной программой для моделирования из-за простоты интерфейса и количеству выполняемых функций. Существует два варианта Multisim: 1 Multisim for Designers (Multisim для разработки), который предоставляет инженерам инструменты моделирования, анализа и проектирования печатных плат с поддержкой SPICE. Они позволяют быстро проводить циклы проектирования и повышать производительность прототипов. 2 Multisim for Education (Multisim для обучения) - прикладное про-граммное обеспечение для обучения схемотехнике, предназначенное для курсов обучения аналоговой, цифровой и силовой электронике, а также ла-бораторий. При выборе системы для создания виртуального лабораторного стенда по дисциплине «Устройства генерирования и формирования сигналов» предпочтение было отдано системе Multisim. Данный выбор был основан на том, что вид виртуальных измерительных приборов имитирует внешний вид реальных приборов, что сказывается на удобстве работы с ними. Для данной работы был выбран вариант Multisim for Education версии 13.0 из-за своих возможностей и системных требований, с помощью которых можно достичь поставленной цели. ? 3 Описание программы Multisim 3.1 Создание схемы Создание схем начинается с того, что на рабочую область размещают необходимые элементы, которые содержаться в библиотеках программы. В программе Multisim имеются следующие группы элементов [8]: 1 Sources – источники сигналов; 2 Basic – пассивные компоненты и коммутационные устройства; 3 Diodes – диоды; 4 Transistors – транзисторы; 5 Analog IСs – аналоговые микросхемы; 6 Mixed ICs – микросхемы смешанного типа; 7 Digital ICs – цифровые микросхемы; 8 Logic Gates – логические элементы; 9 Digital – цифровые схемы; 10 Indicators – индикаторные устройства; 11 Controls – аналоговые вычислительные устройства; 12 Miscellaneous – компоненты смешанного типа; 13 Instruments – контрольно-измерительные приборы. Чтобы создать схему, необходимо выбрать компонент с помощью па-нелей компонентов Component или Virtual, показанных на рисунке 1. При помощи курсора мыши на панели выбирается необходимая группа элемен-тов, например, Basic. Далее появляется диалоговое окно Select a Component, изображенное на рисунке 2, в котором выбирается из соответствующего списка нужное семейство Family и его компонент Component [8]. Рисунок 1 — Кнопки выбора групп компонентов Рисунок 2 — Окно выбора компонентов Для выбора необходимого компонента нужно нажать ОК и при помощи курсора мыши разместить компонент на нужном месте на схеме. Для размещения необходимо нажать левую клавишу мыши. После того, как вся цепь будет собрана, окно программы будет иметь вид, показанный на рисунке 3. Параметры компонентов можно редактировать. Чтобы вызвать окно изменения свойст Component Properties необходим двойной щелчок мыши по нужному компоненту. После этого откроется диалоговое окно, которое содержит несколько вкладок, с помощью которых можно задавать параметры компонентов. Разные типы компонентов имеют разные вкладки [8]. В поле Label (метка) указывается имя компонента на схеме. В поле Reference ID указывается порядковый номер компонента, который можно применять для исполнения команд меню Analysis. На вкладке Value (величина) указывается номинал компонента. Рисунок 3 — Размещение необходимых компонентов на рабочем поле С помощью вкладки Fault (неисправность) можно моделировать воз-можные неисправности компонетов [8]: – Open (обрыв); – Leakage – утечка; – Short – короткое замыкание; – None – неисправности отсутствуют. При помощи вкладки Display можно выбрать, какие параметры обозначений компонента будут отображаться на экране. Опция Use Schematic Options global setting [8] настраивает параметры отображения, использующиеся во всей схеме, в противном случае отображение условного обозначения, номинального значения и порядкового номера для каждого компонента настраивается отдельно. Вкладка Analysis Setup (настройки анализа) позволяет настраивать температуру каждого компонента индивидуально или установить глобальное значение (Use global temperature) [8]. Для активных компонентов имеется вкладка Models, на которой можно выбрать библиотеку компонентов (Library) и тип компонента (Model). Параметры выбранного компонента могут быть изменены с помощью кнопки Edit, компонент может быть переименован (Rename). С помощью кнопки New Library можно создать новую библиотеку компонентов [8]. После того, как все компоненты были размещены на рабочее поле, и им были заданы необходимые параметры, в соответствии со схемой они соединяются с помощью проводников. Для этого необходимо курсор мыши подвести к выводу компонента и после того, как появится черная точка, щелкнуть левой кнопкой. После этого проводник необходимо «протянуть» к нужному выводу другого компонента и при появлении на нем такой же черной точки ещё раз щелкнуть кнопкой мыши. К данному узлу возможно подключение ещё двух проводников. Для разрыва соединения необходимо одним щелчком мыши выбрать ненужный проводник и нажать клавишу Delete [9]. При необходимости подключения вывода компонента к уже протяну-тому на схеме проводнику проводник от вывода компонента с помощью мыши протягивают к данному проводнику и соединяют его с помощью клика мыши по появившейся точке соединения. Соединительные провода прокладываются автоматически, при этом все препятствия, например, компоненты, так же огибаются автоматически, хотя имеется возможность проложить их вручную [9]. Чтобы переместить отдельный отрезок проводника, необходимо выделить его кликом левой кнопки мыши, и после появления двойного курсора переместить отрезок в нужное место. Для открытия окна Net, в котором можно редактировать параметры узловых точек схемы, необходимо дважды щелкнуть на проводник. При помощи меню имеется возможность изменять внешний вид проводников, например, их цвет, что удобно использовать при соединении с измерительными приборами из-за того, что цвет графика прибора соответствует цвету проводника. 3.2 Контрольно–измерительные приборы Группа Indicators – индикаторные устройства (кнопка ) включает в себя простейшие измерительные приборы например, вольтметр и амперметр. Меню выбора показано на рисунке 4 [8]. Рисунок 4 — Меню выбора элементов индикации При необходимости использования более сложных измерительных приборов, нужно использовать панель «Приборы», которая изображена на рисунке 5. На ней имеются мультиметр, генератор сигналов, осциллограф, измеритель АЧХ и ФЧХ (Боде-плоттер), генератор двоичных кодов, логический анализатор, логический преобразователь и др. [8]. Рисунок 5 — Панель выбора измерительных приборов Мультиметр используется, чтобы определять величину переменного или постоянного напряжения, или тока, или сопротивления между двумя точками в схеме. Генератор способен генерировать сигналы различной формы [9], например, прямоугольной. Осциллограф. С помощью осциллографа можно наблюдать форму и амплитуду колебаний. Измеритель АЧХ и ФЧХ используется для анализа амплитудно-частот¬ных и фазо-частотных характеристик и имеет логарифмическую и ли-нейную шкалы. Как и в случае с компонентами, иконка прибора курсором перетаскивается на рабочее поле и с помощью проводников подключается к точкам схемы. После двойного щелчка по прибору открывается его передняя панель, приведенная на рисунке 6. Рисунок 6 — Обозначение измерительных приборов на рабочем поле 3.3 Моделирование электронных схем С помощью программы Multisim можно не только собрать схему, но и моделировать работу собранной схемы. Меню Моделирование включает в себя команды запуска (Пуск), остановки (Стоп) и прерывания (Пауза) моделирования. Эти же команды можно активировать с помощью кнопок , которые находятся на панели инструментов [8]. В меню Моделирование находятся команды, с помощью которых можно задать параметры моделирования, а также подменю Вид анализа, в котором находятся команды для установки параметров и запуска анализа, что показано на рисунке 7. Рассмотрим самые необходимые виды анализа. Команда Рабочая точка DC... запускает анализ режима моделируемой схемы по постоянному току (из схемы исключаются все емкости и закорачиваются все индуктивности). Данная команда открывает окно Рабочая точка на DC, которое показано на рисунке 8 [8].
Не смогли найти подходящую работу?
Вы можете заказать учебную работу от 100 рублей у наших авторов.
Оформите заказ и авторы начнут откликаться уже через 5 мин!
Похожие работы
Дипломная работа, Радиофизика, 59 страниц
1475 руб.
Служба поддержки сервиса
+7(499)346-70-08
Принимаем к оплате
Способы оплаты
© «Препод24»

Все права защищены

Разработка движка сайта

/slider/1.jpg /slider/2.jpg /slider/3.jpg /slider/4.jpg /slider/5.jpg