Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Самарский государственный университет путей сообщения

Кафедра «Электроснабжение железнодорожного транспорта»

Методические указания

К выполнению лабораторных работ по дисциплине

«Автоматизация систем электроснабжения» часть 1

«Лабораторный практикум по моделированию базовых устройств систем телемеханики»

для студентов специальности 190401

«Электроснабжение железных дорог»

очной и заочной форм обучения

Составители: А.Н. Митрофанов

С.А. Окладов

О.Н. Козменков

Самара 2007

УДК 621.38 (075.8)

Лабораторный практикум по моделированию базовых устройств систем телемеханики. Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Автоматизация систем электроснабжения», часть 1 для студентов специальности 190401 «Электроснабжение железных дорог» очной и заочной форм обучения [Текст]/ составители: А.Н. Митрофанов, С.А. Окладов, О.Н. Козменков. – Самара: СамГУПС, 2007.- 36 с.

Утверждены на заседании кафедры 22 ноября 2007 г., протокол № 5.

Печатается по решению редакционно-издательского совета университета.

Приведены методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов по рассматриваемой дисциплине.

В методических указаниях содержатся основные сведения о работе с пакетом программ схемотехнического моделирования «Electronics Workbench», теоретические вопросы основ базовых устройств систем телемеханики, а также примеры моделирования электрических схем. Представлены примеры принципиальных схем, приведены контрольные вопросы.

Составители: Митрофанов Александр Николаевич,

Окладов Сергей Анатольевич,

Козменков Олег Николаевич

Рецензенты: к.т.н., профессор СамГУПС Л.С. Лабунский;

к.т.н., начальник службы электрификации и электроснабжения Куйбышевской железной дороги – филиала ОАО РЖД И.А. Крестовников.

Редактор: И.М. Егорова

Компьютерная верстка:

Подписано в печать _______ 2007 г. Формат 60х90 1/16.

Бумага писчая. Печать оперативная. Усл. п.л.

Тираж 300 экз. Заказ №

 Самарский государственный университет путей сообщения, 2007

Основные сведения о работе с программой Electronics Workbench

Существует достаточно большое количество пакетов программ для моделирования электронных схем на экране монитора компьютера. Одним из наиболее простых для пользователя, и в то же время, дающим удовлетворительные результаты, является программный пакет Electronics Workbench (EWB). Его версия 5.12 позволяет очень простыми средствами построить на экране монитора аналоговую или цифровую электронную схему, подключить различные электро- и радиоизмерительные приборы и получить результаты либо в виде цифровых данных на мониторах измерительных приборов, либо в виде осциллограмм на двухлучевом осциллографе или на логическом анализаторе. Сравнение получаемых при этом результатов с расчетными и полученными на реальных приборах очень хорошее.

Рис. 1. Внешний вид экрана компьютера при работе с программой EWB

Приложение Electronics Workbench представляет собой средство программной разработки и имитации электрических цепей (рис.1).

1.2 Основные функциональные компоненты Electronics Workbench

После запуска EWB на экране появляются строка меню и панель компонентов.

Панель компонентов состоит из пиктограмм полей компонентов, а поле компонентов - из условных изображений компонентов.

В меню программы имеется 13 панелей различных компонентов электронных схем (рис 2).

Рис. 2. Панели компонентов электронных схем

Сделаем краткие пояснения к этим панелям:

1. панель источников (sources);

2. панель основных элементов (basic);

3. панель диодов (diodes);

4. панель транзисторов (transistors);

5. панель аналоговых устройств (операционных усилителей) (analog);

6. панель аналого-цифровых схем (ЦАП, АЦП и др.) (mixed);

7. панель цифровых устройств (digital);

8. панель логических элементов (logic gates);

9. панель цифровых устройств (digital);

10. панель индикаторов (indicators);

11. панель реализации функций (controls);

12. набор разных устройств (miscellaneous);

13. панель инструментов (осциллограф и др.) (instruments).

Щелчком мыши на пиктограмме компонентов открывается поле, соответствующее этой пиктограмме.

На панели источников можно выделить символ заземления или общий провод схемы (обязательный элемент практически во всех схемах), источник постоянного напряжения, источник синусоидального напряженияи источник импульсного напряжения. Всего на этой панели 23 компонента. Напряжение всех источников можно менять от единиц милливольт до многих киловольт. Частота источников переменного напряжения может быть установлена от единиц герц до мегагерц. Для источника синусоидального напряжения может быть установлена начальная фаза. Используя три таких источника с разными начальными фазами, можно моделировать трехфазные цепи. У импульсного источника можно менять скважность. Количество этих элементов на экране может быть неограниченно большим (как, впрочем, и большинства элементов других панелей за исключением только панели инструментов).

На панели “Basic” имеется 20 компонентов. Вот некоторые из них:

● – элемент соединения двух проводников на схеме;

–резистор;

–конденсатор;

–катушка индуктивности;

–переключатель.

Параметры пассивных элементов можно менять в широких пределах, например, емкость конденсаторов может варьироваться от одной пикофарады до многих фарад, что в реальной практике недостижимо.

Количество этих элементов на схемах может быть сколь угодно большим, что позволяет подробно изучить поведение исследуемой схемы. В реальном эксперименте такое не всегда возможно.

Важную функцию при моделировании выполняет панель инструментов, на которой расположены приборы, необходимые для выполнения лабораторных работ (рис. 3).

Рис. 3. Компоненты панели инструментов

Двухканальный осциллограф (рис. 3,б и 4) является практически полным аналогом реального осциллографа (например, типа С1–93).

Диапазон изменения переключателя «время/деление» (Time base) – от 0,5 с/дел. до 0,1 нс/дел. (существенно шире, чем у реального осциллографа). Диапазон изменения переключателей «Вольт/деление» простирается от 10 мкВ/дел. до 5 кВ/дел., что также намного шире, чем у «железного» осциллографа. При нажатии на кнопку «Expand» «экран» осциллографа увеличивается и появляются два указателя, с помощью которых, перемещая их, можно измерить мгновенные значения напряжения для двух произвольных точек осциллограммы и значения времени в этих точках. Вычисляется период и разность напряжений для двух сигналов. Переключатели «AC–0–DC» позволяют переключать входы каналов на режим «открытого входа» – положение DC, режим «закрытого входа» – AC и вовсе выключить канал – положение 0. Имеется возможность запускать развертку от входного сигнала или осуществлять внешнюю синхронизацию. Зависимые переключатели «Y/T–B/A–A/B» позволяют просматривать или временные зависимости (положение «Y/T»), или фигуры Лиссажу (положения «B/A–A/B»). Осциллограммы можно двигать по горизонтали (x–position) и по вертикали (y–position).

Рис. 4. Двухканальный осциллограф программы Electronics Workbench

Изменение параметров осциллографа

Параметры осциллографа можно изменять во время работы схемы. Если моделирование остается корректным, вы можете переключать выводы осциллографа на другие точки схемы. В обоих случаях осциллограф перерисовывает изображение автоматически.

Если необходим выбор параметра «время» для анализа форм сигнала на осциллографе, то установите флажок на команде Pause after each screen (Остановка после каждого экрана) в диалоговом окне Analysis Options (Параметры анализа).

Подсказка. Если вы не видите форму сигнала на осциллографе, переключите триггер в режим Auto (Автоматический).

Указание осей осциллографа

Оси осциллографа могут быть переключены из режима отображения амплитуды от времени (Y/T) в режим отображения амплитуды одного из каналов от амплитуды другого (A/B или B/A).

В режиме Y/T ось X отображает время, а ось Y - количество вольт на деление. В режимах A/B и B/A обе оси показывают количество вольт на деление. Например, если вы сравниваете вход канала A с каналом B (A/B), шкала оси X определяется количеством вольт на деление (V/Div.), установленным для канала B, и наоборот.

Развертка по времени

Установка развертки по времени управляет шкалой горизонтальной оси (оси X) осциллографа, когда отображается амплитуда сигналов во времени (Y/T). Значение каждого деления горизонтальной шкалы может изменяться в диапазоне от 0.1 нс (наносекунды) до 0.5 с.

Чтобы получить легко читаемое изображение на экране осциллографа, устанавливайте развертку по времени обратно пропорционально установкам функционального генератора. Например, если вы хотите увидеть один период сигнала с частотой 1 кГц, установите развертку по времени равной 0.1 мс (миллисекунды). Один период сигнала с частотой 10 кГц требует развертки по времени, равной 0.01 мс.

Установка вольт/деление (V/Div.)

Установка вольт/деление (V/Div.) определяет шкалу по оси Y. Она также управляет шкалой оси X, когда сравниваются сигналы каналов A и B (A/B или B/A). Вы можете изменять значение вольт/деление от 0.01 мВ/дел до 5.0 кВ/дел. Каждый канал может быть установлен отдельно.

Для получения легко читаемого изображения установите шкалу в зависимости от ожидаемого напряжения на канале. Переменный входной сигнал амплитудой 3В заполняет экран осциллографа по вертикали если ось Y установлена в 1 В/дел.

Установка позиции оси X

Установка позиции оси X (X POS) определяет начальную точку на оси X.

Когда позиция оси X = 0, сигнал начинает отображаться от левой границы экрана осциллографа. Положительное значение сдвигает начальную точку вправо, отрицательное - влево.

Установка позиции оси Y

Установка позиции оси Y (Y POS) определяет начальную точку на оси Y. Когда позиция оси Y = 0, начальная точка находится на оси X. Значение позиции оси Y может изменяться от -3.00 до 3.00. Значение 1.50, например, перемещает начальную точку на середину между осью X и верхней границей экрана осциллографа.

Если вы хотите отделить друг от друга формы сигнала каналов A и B для сравнения или детального рассмотрения их, установите значение Y POS для одного или обоих каналов.

Кнопки AC, 0 или DC

Вы можете указать различное сопряжение осциллографа по входу каждого канала, используя кнопки AC, 0 или DC (закрытый вход, выключен, открытый вход). Для просмотра только переменной составляющей сигнала переключите вход в закрытый режим (кнопка AC). Для просмотра полного сигнала (и переменной и постоянной составляющей) переключите вход в открытый режим (кнопка DC). Установка 0 приводит к отображению прямой линии на уровне начальной точки канала Y (Y POS).

Примечание. Не включайте последовательно с измерительными входами осциллографа разделительные конденсаторы. Осциллограф не сможет проследить путь тока, и анализ покажет неправильное включение конденсатора. Используйте вместо этого закрытый режим входов.

Защелкивание

Установка защелки (trigger) определяет, когда сигнал будет отображаться. Если вы не видите сигнал, попытайтесь установить защелку в автоматический режим (Auto).

Клавиши установки границ определяют, будет отображение сигнала начинаться по фронту импульса или по его спаду.

Уровень срабатывания защелки - это точка на оси Y осциллографа, которую должен пересечь сигнал защелки для начала отображения основных сигналов.

Кнопки Auto, A, B и EXT (автоматический режим, канал A, канал B, внешний сигнал) определяют сигнал, который будет являться сигналом защелки. Используйте автоматический режим (Auto), если вы хотите получить изображение сигнала как можно быстрее, или если вы ожидаете прямолинейный сигнал. Нажмите кнопки A или B для использования сигнала на этом канале в качестве сигнала защелки. Кнопка EXT использует внешний сигнал для сигнала защелки (если вы используете внешний сигнал защелки, подключите его к выводу trigger на иконке осциллографа).

Заземление

Точка отсчета для осциллографа в обычном режиме присоединена к заземлению (общему проводу схемы).

Вам нет необходимости заземлять осциллограф для получения точных результатов. Однако, когда вы пользуетесь осциллографом, сама схема должна быть заземлена.

Подсказка. Если использовать точку отсчета, отличную от земли (общего провода схемы), присоедините источник (или другие элементы) к выводу заземления осциллографа.

Увеличение экрана осциллографа

Кнопка Zoom (Увеличить) расширяет графический экран осциллографа и перемещает органы управления в низ окна (рис. 5). Вы можете получить конкретные значения линии сигнала перемещением маркеров в желаемую позицию. Окна под экраном показывают время и изменение сигнала в позициях первого и второго маркеров, а также разницу между этими точками.

Рис. 5. Увеличенный экран осциллографа

Если вы хотите напечатать изображение на экране осциллографа после его увеличения, выберите “X-Y Plot” (Печать области экрана) из диалогового окна Print (Печать). Заметим, что на распечатке смещение для каждого канала равно:

.