Э.А. Бесперстов
Исследование
логических схем
с использованием
программного
комплекса Multisim
Министерство образования и науки Российской Федерации
Балтийский государственный технический университет «Военмех»
Э.А. Бесперстов
Исследование
логических схем
с использованием
программного комплекса Multisim
Лабораторный практикум
Санкт-Петербург
2006
УДК 004.312:004.42(076)
Б53
Бесперстов,Э.А.
Исследование логических схем с использованием программного комплекса Multisim: лабораторный практикум / Э.А. Бесперстов; Балт. гос. техн. ун-т. – СПб., 2006. – 64 с.
ISBN 5-85546-194-7
Приведен комплекс лабораторных работ по исследованию логических схем на ЭВМ с помощью пакета программ Multisim. Для облегчения работы с пакетом дано краткое описание программного комплекса Multisim.
Предназначен для студентов, обучающихся по специальностям “Системы управления летательными аппаратами”, “Автоматизированные системы обработки информации и управления”, “Информационные системы и технологии” и другим инженерным специальностям.
Б53
УДК 004.312:004.42(076)
Р е ц е н з е н т канд. техн. наук, ст. науч. сотр. А.Л. Князев
Утверждено
редакционно-издательским
советом университета
ISBN 5-85546-194-7 © Э.А. Бесперстов, 2006
© БГТУ, 2006
Краткое описание пакета Multisim
1. Описание окна программы Multisim
Разработка любого радиоэлектронного устройства включает физическое или математическое моделирование. Физическое моделирование связано с большими материальными затратами, так как требует изготовление макетов и их трудоемкое исследование. Иногда чисто физическое моделирование просто невозможно из-за сложности устройства. В этом случае прибегают к математическому моделированию с использованием средств и методов вычислительной техники.
Наиболее простой и легко осваиваемой программой, содержащей блок логического моделирования цифровых устройств, является программа Electronics Workbench (EWB) канадской компании Interactive Image Technologies. Особенность программы – наличие в ней контрольно-измерительных приборов, по внешнему виду, органам управления и характеристикам максимально приближенных к их промышленным аналогам. Опыт использования программы в лабораторном практикуме по ряду предметов показывает, что для проведения лабораторных работ достаточно двух часов предварительного ознакомления с программой. Ниже приведено краткое описание программы.
Окно программы Multisim 2001 (версия 6.20) (рис. 1) содержит шкалу меню (вторая строка окна): File, Edit, View, Place, Simulate, Transfer, Tools, Options, Help. Дальше описаны некоторые из них.
Меню Simulate содержит команды:
Run – запуск моделирования;
Pause – временный останов моделирования;
Default Instrument Setting – установка по умолчанию режима работы контрольно-измерительных приборов;
Default Simulation Setting – выбор идеального (при использовании компонентов типа Virtual) или реального режимов работы моделирования;
Instruments – список контрольно-измерительных приборов (линейка этих приборов расположена слева в окне);
Analyses – список команд моделирования.
Рис. 1. Окно схемного редактора программы Multisim
Меню Options – (настройка программы), содержит команды:
Preferences – пользовательские настройки (назначение команд описаны ниже);
Modify Title Block – внесение данных в разделы штампа;
Global Restrictions – установка общего пароля;
Circuit Restrictions – установка атрибутов только Read-only.
Третья строка окна содержит:
1) восемь мнемонических кнопок общесистемного характера (System);
2) две кнопки, с помощью которых можно увеличить или уменьшить масштаб изображения (Zoom);
3) девять специальных кнопок, дублирующих наиболее часто используемые команды (Design);
4) выпадающий список использованных в текущей схеме компонентов (In Use List);
5) кнопку, временно приостанавливающую процесс моделирования;
6) переключатель, запускающий и останавливающий процесс моделирования.
Слева в окне расположена вертикальная панель библиотек компонентов (базы данных Component Bars) , справа – вертикальная панель контрольно-измерительных приборов (Instru-ments).
Кнопки можно сделать видимыми или невидимыми, если вызвать команду View>Toolbars и во всплывающем меню установить (или нет) соответствующие флажки: System, Zoom, Design,
In Use List. Здесь и далее в данном тексте на первом месте указывается меню из строки меню окна редактора схем, на втором месте – команда из выпадающего меню, появляющегося при выборе кнопки конкретного меню.
Панель библиотек компонентов можно сделать видимой или невидимой, если вызвать команду View>Component Bars и во всплывающем меню установить или нет флажок Multisim Database.
Панель контрольно-измерительных приборов можно сделать видимой или невидимой, если вызвать команду View>Toolbars и во всплывающем меню установить или нет флажок Instruments.
Панель библиотек компонентов (базы данных Component Bars) содержит:
источники (Sources);
пассивные компоненты и коммутационные устройства (Basic);
диоды (Diodes);
транзисторы (Transistors);
аналоговые микросхемы (Analog);
цифровые микросхемы TTL серии (TTL);
цифровые микросхемы КМОП серии (CMOS);
одиночные цифровые схемы, АЛУ, регистры, счетчики, мультиплексоры, дешифраторы, ОЗУ и т.п. (Misc Digital);
микросхемы смешанного типа (Mixed);
индикаторные устройства (Indicators);
компоненты смешанного типа (Misc (ellaneous));
аналоговые вычислительные устройства (Controls);
радиочастотные компоненты (RF);
электромеханические элементы (Electro_Mechanical).
Панель контрольно-измерительных приборов (Instruments) содержит:
цифровой мультиметр (Multimeter);
функциональный генератор (Function Generator);
измеритель активной мощности и коэффициента мощности (Wattmeter);
осциллограф (Oscilloscope);
измеритель АЧХ и ФЧХ (Bode Plotter);
генератор слова (Word Generator);
логический анализатор (Logic Analyzer);
логический преобразователь (Logic Converter);
измеритель нелинейных искажений в диапазоне частот от 20 до 200000 Гц (Distortion Analyzer);
спектральный анализатор (Sperctrum Analyzer);
прибор для анализа электрических цепей в обобщенном виде – в виде четырехполюсников, имеющих два входа и два выхода (четыре полюса) (Network Analyzer).
Последние три прибора недоступны.
2. Редактор схем
Окно редактора схем предназначено для создания и редак-тирования принципиальных схем устройства. По умолчанию
цвет фона окна черный. Изменить установки по умолчанию можно, выбрав команду Options>Preferencеs. После выбора дан-
ной команды открывается диалоговое окно Preferencеs (рис. 2). Оно содержит шесть вкладок, на которых можно установить
необходимые опции. При выводе этого окна активной явля-
ется вкладка Circuit, на которой имеются две панели Show и Color.
Панель Show содержит окно просмотра, в котором можно увидеть установленные опции, и шесть флажков, с помощью которых устанавливаются необходимые опции.
С помощью флажка Show component labels выбирают видимость или невидимость позиционного обозначения компонента на схеме. Для того чтобы установить видимость позиционного обозначения компонента на схеме, нужно щелкнуть левой клавишей мыши по белому квадрату, расположенному слева от имени флажка, Если флажок выбран, то в белом квадрате появляется галочка.
Рис. 2. Диалоговое окно Preferencеs с вкладкой Circuit
Следующими флажками устанавливают видимость на схеме:
Show component reference IDs – порядкового номера компонента;
Show node names – имени узла;
Show component values – номинала компонента;
Show component attribute – таблицы свойств компонента.
Флажок Adjust component identifiers позволяет при упорядочивании схемы изменять идентификационные номера однотипных компонентов, присвоенных программой автоматически в порядке их установки.
Панель Color содержит выпадающий список с именами команд, устанавливающих цвет фона, надписей и компонентов, окно просмотра, в котором можно просмотреть выбранный режим установки цвета, и пять кнопок, окрашенных в различные цвета, с помощью которых можно установить цвет для фона (Background), проводника (Wire), компонента, имеющего математическую модель (Component with model), компонента, не имеющего математическую модель (Component without model), и виртуального компонента (Virtual component).
На вкладке Workspaсe (рис. 3) определяются настройки текущего окна.
Рис. 3. Диалоговое окно Preferencеs с вкладкой Worcspase
На панели Show в окне, расположенном слева, отображаются результаты установки опций с помощью флажков, находящихся справа. Самый верхний флажок – показывать (или нет) сетку (Show grid), второй сверху флажок – показывать или нет границы страницы (Show page bounds), третий флажок – показывать или нет штамп страницы (Show title block).
На панели Sheet size (размер страницы схемы) в выпадающем списке выбирают формат страницы (А3, А4…). На панели Orientation устанавливают ориентацию страницы: портрет или альбомная (Landscape); на панели Custom size – ширину и высоту страницы в дюймах или сантиметрах; на панели Zoom level – масштаб изображения.
На вкладке Wiring (рис. 4) устанавливают ширину проводников и степень автоматизации разводки проводников; на панели Wire width (drawing option) – ширину линии. Результат отображается в окне.
На панели Autowire устанавливается (или нет) автоматическое соединение проводников (флажок Autowise on connection) и автоматическое движение (флажок Autowise on move) проводников.
Рис. 4. Диалоговое окно Preferencеs с вкладкой Wiring
На вкладке Component Bin (рис. 5) на панели Symbol standard устанавливается стандарт изображения компонентов ANCI (США) или DIN (Европа).
Рис. 5. Диалоговое окно Preferencеs с вкладкой Component Bin
На панели Component toolbar functionality указывают, изменять или нет цвет изображения компонента при его выборе.
На панели Place component mode выбирают режим размещения компонентов: единственный компонент (Place single component), непрерывное размещение многосекционного компонента (Continuous placement for multi-section part only), непрерывное размещение (Continuous).
На вкладке Font (шрифт) (рис. 6) выбирают шрифт и его атрибуты для выбранных компонентов схемы.
Рис. 6. Диалоговое окно Preferencеs с вкладкой Font
На вкладке Miscellaneous (разное) (рис. 7) устанавливают режим автосохранения данных, пути к рабочему каталогу, идеальный или реальный режим моделирования (переключатели Ideal и Real на панели Digital Simulation Setting) цифровых схем, соединить или рассоединить аналоговое и цифровое заземление (флажок Connect digital ground to analog ground на панели PCB Ground Option).
Кроме того, окно Preferencеs содержит пять кнопок.
Для того чтобы записать выбранные опции для текущей схемы, нужно щелкнуть левой клавишей мыши по кнопке OK.
Для того чтобы записать выбранные опции, как устанавливаемые по умолчанию, нужно щелкнуть левой клавишей мыши по кнопке Set as Default, затем по кнопке OK.
Для того чтобы вернутся к предыдущим опциям, установленным по умолчанию, нужно щелкнуть по кнопке Restore
Default. Затем можно продолжить устанавливать новые опции.
Рис. 7. Диалоговое окно Preferencеs с вкладкой Miscellaneous
Чтобы остановить изменения и закрыть диалоговое окно, нужно щелкнуть по кнопке Cancel.
3. Создание новой схемы
Создание новой схемы рассмотрим на примере схемы, исследующей логическую схему «И» (рис. 8).
Прежде чем начать создание схемы, нужно запустить программу Multisim. Для этого в окне Windows нажать на кнопку Пуск, в открывшемся меню выбрать команду Программы. В новом открывшемся меню выбрать строку Multisim. Автоматически откроется окно программы, в котором будет расположена страница новой схемы. На этой странице и будет создана схема исследования логической схемы «И».
Рис. 8. Схема исследования логической схемы «И»
3.1. Размещение компонентов на странице схемы
Для размещения компонентов служат кнопки панели инструментов, расположенной вертикально на левой стороне окна. По умолчанию эта панель видима. Если она не видима, то надо нажать кнопку Components на строке инструментов Design Bar. Компоненты, необходимые для создания схемы, сгруппированы в логические разделы (Parts Bin). Каждому логическому разделу соответствует кнопка на шкале инструментов. При нажатии на одну из этих кнопок открывается соответствующая панель (Parts Bin), содержащая кнопки для каждого компонента, входящего в семейство компонентов. Разместить компоненты можно также с помощью команды Place>Place Component.
Разместите на странице схемы компонент источника постоянного напряжения +5 В. Для этого необходимо:
1. Нажать на кнопку Sources. Откроется панель, содержащая источники напряжения или тока (рис. 9). Удерживая курсор на кнопке, не щелкая по ней, можно увидеть название кнопки.
2. Щелкнуть по кнопке Vcc. Курсор примет форму выбранного компонента. Поместить выбранный компонент на схему и щелкнуть левой клавишей мыши по точке схемы, в которой должен быть расположен компонент, изображение компонента появится на схеме.
3. Если необходимо изменить свойства компонента (порядковый номер, имя и величину значения), то дважды щелкнуть по изображению компонента. Откроется диалоговое окно Digital Power (рис. 10). Название окна зависит от назначения компонента. Это окно содержит четыре вкладки. По умолчанию открыта вкладка Value, на которой расположены текстовая строка и выпадающий список.
По умолчанию значение напряжения источника равно 12 В. Напряжение питания микросхем серии 74ххХХ равно 5 В. Поэтому нужно в текстовой строке вкладки вместо цифры 12 ввести 5, затем щелкнуть по кнопке OK.
В выпадающем списке указаны единицы измерения.
На вкладке Lable (рис. 11) в текстовой строке Reference ID указывается название компонента.
Рис. 11. Диалоговое окно Digital Power с вкладкой Label
На вкладке Display имеется пять флажков (рис. 12), устанавливающих видимость:
Use Schematic Option global setting – всех надписей компонента;
Show labels – ярлыка компонента;
Show values – величины значения компонента;
Show reference ID – порядкового номера компонента;
Show Attributes – таблицы свойств.
Если установлен флажок Use Schematic Option global setting, то остальные флажки имеют серый цвет и не доступны.
Рис. 12. Диалоговое окно Digital Power с вкладкой Display
На вкладке Fault (погрешность) (рис. 13) устанавливают границы погрешности.
Рис. 13. Диалоговое окно Digital Power с вкладкой Fault
Чтобы разместить на схеме изображения четырех компонентов «НЕ» и одного компонента «И», необходимо:
1
Рис.14. Панель инструментов Misс Digital
. Нажать кнопку Misс Digital. Откроется панель с соответствующими компонентами (рис. 14).
2. Нажать на кнопку с изображением логического элемента. Откроется диалоговое окно Component Browser (рис. 15), в котором имеется окно просмотра Component Name List, содержащее список цифровых компонентов. Во втором окне Symbol появляется изображение выбранного компонента в формате ANSI (США) или DIN (Европа).
3. В списке компонентов выбрать компонент 2И (AND2) и поместить его на схему, щелкнув по кнопке OK. Ускорить поиск компонента можно, если ввести несколько первых символов имени компонента в строку Component Nave.
4. В списке компонентов выбрать компонент НЕ (NOT) и расположить четыре образца этого компонента на схеме.
Рис. 15. Диалоговое окно Component Browser
Поместить на схему несколько копий одного и того же компонента можно двумя способами:
повторить несколько раз действия, описанные в п. 3;
воспользоваться списком компонентов, размещенных на схеме ранее. Для этого открыть список In Use List, в строке System toolbar, нажав на черный треугольник, расположенный в окне списка справа. Выбрать в этом списке нужный компонент и поместить его на схему.
Р
Рис. 16. Панель
инструментов Electro
азместить на схеме два переключателя на два положения. Для этого необходимо:
Нажать кнопку Electro. Откроется панель с соответствующими компонентами (рис. 16).
Выбрать кнопку SUPPLEMENTARY_CONTACTS. Откроется диалоговое окно Component Browser (рис. 17).
В окне просмотра (рис. 17) Component Name List выбрать компонент SPDT_SB и поместить два образца этого компонента на схему (как описано выше).
Рис. 17. Диалоговое окно Component Browser
-
При необходимости повернуть эти образцы компонента на нужный угол по горизонтали или по вертикали, или на 90° вправо или влево. Чтобы сделать это, необходимо:
щелкнуть правой клавишей мыши по компоненту. Откроется всплывающее меню (рис. 18);
в этом меню выбрать нужную строчку и щелкнуть левой клавишей мыши по этой строке.
Разместить на схеме три светодиода. Для этого необходимо:
Нажать кнопку Indicator. Откроется панель инструментов Indicator (рис. 19).
Щелкнуть по кнопке с изображением светодиода и поместить три образца этого компонента на схему.
При необходимости повернуть эти образцы компонента на нужный угол (как описано выше).
Схема, содержащая цифровые компоненты, должна включать источник напряжения VCC и символ «цифровая земля» (Digital ground), которые Multisim использует для подачи питания на цифровые компоненты.
Разместить на схеме изображение символ «земля». Для этого необходимо:
Нажать на кнопку Sources. Откроется панель, содержащая источники напряжения или тока (рис. 9) и символы «земля».
Поместить на схему символы «земля» и «цифровая земля», нажав кнопки Ground и Didgital_Gnd соответственно.
Разместить на схеме изображение вольтметра. Для этого необходимо:
Нажать кнопку Indicator. Откроется панель инструментов Indicator (рис. 19).
Поместить на схему вольтметр, нажав на кнопку Voltmeter.
В результате страница схемы будет выглядеть как показано на рис. 20.
Рис. 20. Страница схемы с размещенными на ней компонентами
Используя команду File>Save, записать страницу схемы с размещенными на ней компонентами.
Соединение компонентов проводниками
После того как компоненты размещены на схеме, их необходимо соединить проводниками. Все компоненты имеют выводы, которые используются для этих целей. Соединить компоненты проводниками можно двумя способами: автоматически и вручную. При автоматическом соединении программа выбирает наилучший путь между двумя соединяемыми выводами компонентов, т.е. программа избегает размещения проводников через другие компоненты или частичного перекрывания проводников. При ручном соединении компонентов пользователь должен сам контролировать путь проводника на схеме. При разводке одного проводника можно комбинировать эти два метода, например, начать разводку проводника вручную и затем позволить программе закончить ее.
Для автоматического соединения двух компонентов необходимо:
Щелкнуть по выводу первого компонента, например «земля». Изображение курсора измениться на крест, показывая, что программа находится в режиме разводки.
Щелкнуть по первому выводу второго компонента логической схемы «НЕ» (U4), к которому необходимо присоединить проводник. Соединение выводов первого и второго компонентов произойдет автоматически. Затем изображение курсора примет первоначальный вид и можно выполнять очередные команды.
Повторять эти шаги до тех пор, пока все выводы всех компонентов не будут соединены нужным образом.
Соединить первый вывод компонента U2 и первый вывод компонента U1.
Чтобы удалить проводник, соединяющий два вывода, нужно щелкнуть по проводнику правой клавишей мыши и из всплывающего меню выбрать команду Delete или нажать клавишу Delete.
Для более точного определения пути проводника, соединяющего два вывода, используется ручная разводка. Программа предотвращает присоединение двух проводников к одному выводу, что исключает возможные ошибки соединения. Поэтому в этом случае начинать разводку проводника нужно не на выводах компонентов, а в какой-нибудь точке проводника, соединяющего эти выводы. Для этого нужно добавить точку соединения (junction) к данной точке, т.е. необходимо:
1) выбрать команду Place>Place Junction. В точке проводника, на которой остановлен курсор, появится легкое изображение точки;
2) передвинуть изображение точки в нужное место проводника и щелкнуть левой клавишей мыши. На проводнике появится точка.
Соединять выводы компонентов проводниками вручную удобнее, если в редакторе схемы видна сетка. Для того чтобы сделать сетку видимой, если она не видима, нужно щелкнуть правой клавишей мыши в какой-нибудь точке редактора схемы и из всплывающего меню выбрать команду Show Grid.
Для того чтобы выполнить соединение двух выводов вручную, необходимо:
Щелкнуть по точке соединения, только что размещенной на проводнике. Изображение курсора изменится на крест, показывая, что программа находится в режиме разводки проводников.
Перетащить курсор к выводу другого компонента и щелкнуть левой клавишей мыши. Это фиксирует проводник на его месте.
Если нужно изменить направление перемещения проводника, то щелкнуть левой клавишей мыши в точке изменения направления движения. Маленькие черные квадраты показывают точки изменения направления движения.
Если необходимо переместить проводник на другое место, нужно щелкнуть в любой точке проводника и передвинуть этот сегмент проводника.
4. Режим моделирования схемы
После создания принципиальной схемы исследуемого устройства необходимо запустить процесс моделирования, чтобы исследовать поведение устройства.
Для того чтобы запустить процесс моделирования, нужно щелкнуть по кнопке Simulate  и из всплывающего меню выбрать команду Run. Слева от команды Run появится галочка, означающая, что процесс моделирования начался.
Для того чтобы приостановить на время процесс моделирования, нужно щелкнуть по кнопке Simulate и из всплывающего меню выбрать команду Pause. Для возобновления процесса моделирования нужно щелкнуть по кнопке Simulate и из всплывающего меню снова выбрать команду Pause. Процесс моделирования возобновиться с того момента, когда он был остановлен.
Для того чтобы остановить процесс моделирования, следует щелкнуть по кнопке Simulate и из всплывающего меню выбрать команду Run. Галочка слева от команды Run исчезнет, показывая, что процесс моделирования остановлен. Если после остановки процесса моделирования запустить его снова, то, в отличие от действия команды Pause, процесс моделирования начнется из начальной точки.
Процесс моделирования можно запустить или приостановить с помощью команд Simulation>Run и Simulation>Pause соответственно.
Процесс моделирования можно запускать и останавливать с помощью переключателя, который можно сделать видимым или невидимым с помощью команды View>Show Simulation Switch.
Лабораторная работа №1
|
