ВВЕДЕНИЕ  В ИСПОЛЬЗОВАНИЕ  ПРОГРАММЫ 
ELECTRONICS WORKBENCH

     Разработка  любого электронного устройства сопровождается физическим или математическим моделированием. Физическое моделирование связано с большими материальными затратами, поскольку требуется изготовление макетов и их трудоёмкое исследование. Часто физическое моделирование просто невозможно из-за чрезвычайной сложности устройства, например, при разработке больших и сверхбольших интегральных микросхем. В этом случае прибегают к математическому моделированию с использованием средств и методов вычислительной техники. Например, известный пакет P-CAD содержит блок логического моделирования цифровых устройств, однако для начинающих, в том числе и для студентов, он представляет значительные трудности в освоении. Не меньшие трудности встречаются и при использовании системы DesignLab.

     Electronics Workbench - разработка фирмы Interactive Image Technologies (www.interactive.com). Особенностью программы является наличие контрольно-измерительных приборов, по внешнему виду и характеристикам приближённых к их промышленным аналогам. Программа легка в освоении и достаточно удобна в работе. После составления схемы и её упрощения путём оформления подсхем моделирование начинается щелчком обычного выключателя. 
 
 

Редакция  файла от октября 2002г. Не закончен!

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ  МЕНЮ ПРОГРАММЫ

     Окно  программы Electronics Workbench¹ содержит строку меню, линейку инструментов, линейку библиотеки компонентов. Все кнопки имеют подсвечиваемые подсказки.

     Рассмотрим  команды меню программы Electronics Workbench в порядке их следования.

1. Меню  File

     Меню  File предназначено для загрузки и записи файлов, получения твёрдой копии выбранных для печати составных частей схемы. А также для импорта/ экспорта файлов в форматах других систем моделирования и программ разработки печатных плат.

1. Большинство команд этого меню - это типичные для Windows команды работы с файлами и поэтому пояснений не требуют.

2. Rewent to Saved…² - стирание всех изменений, внесённых в схему, после её последнего сохранения. Необходимо заметить, что в программе не предусмотрена возможность отмены выполненного действия.

3. Print… (CTRL+P) - выбор данных для вывода на  принтер:

• Scematic - схемы  (опция включена по умолчанию);
• Description - описания к схеме;
• Part list - перечня выводимых на принтер документов;
• Label list - списка обозначений элементов схемы;
• Model list - списка имеющихся в схеме компонентов;
• Subcircuits - подсхем (частей схемы, являющихся законченными функциональными узлами и обозначаемых прямоугольниками с названиями внутри);
• Analysis options - перечня режимов моделирования;
• Instruments - списка приборов.

     В этом же подменю можно выбрать  опции печати (кнопка Setup), отправить материал на принтер (кнопка Print), а также изменить масштаб выводимых на принтер данных в пределах от 20 до 500%.

4. Install…  - установка дополнительных программ.

2. Меню  Edit

1. Большинство команд этого меню - это типичные для Windows команды работы с файлами и поэтому пояснений не требуют.

2. Copy as Bitmap - команда превращает курсор мыши в крестик, которым по правилу прямоугольника можно выделить нужную часть экрана, после отпускания левой кнопки мыши выделенная часть копируется в буфер обмена, после чего его содержимое может быть импортировано в любое приложение Windows. Копирование всего экрана производится нажатием клавиши Print Screen. Копирование активной в данный момент части экрана, например, диалогового окна - комбинацией Alt+Print Screen. Эта команда необходима при подготовке отчётов по моделированию и оформления лабораторных работ.

3. Show Clipboard - показать содержимое буфера обмена.

3. Меню  Circuit

1. Rotate (CTRL+R) - поворот выбранного компонента.

2. Flip Horizontal - зеркальный разворот компонента по горизонтали.

3. Flip Vertical - зеркальный разворот компонента по вертикали.

4. Component Properties… - свойства компонента, команда выполняется также после двойного щелчка левой кнопкой мыши по компоненту.

5. Create Subcircuit… (CTRL+B) - преобразование предварительно выбранной части схемы в подсхему. Выделяемая часть схемы должна быть расположена таким образом, чтобы в выделенную область не попали не относящиеся к ней проводники и компоненты.

6. Zoom In (CTRL++) - масштабирование схемы (увеличение).

7. Zoon Out (CTRL+-) - масштабирование схемы (уменьшение).

8. Schematic Options… - выбор элементов оформления и шрифтов схемы, способов соединения элементов схемы и вариантов печати схемы на принтер.

4. Меню Analysis

1. Activate (CTRL+G) - запуск процесса моделирования.

2. Pause (F9) – временная приостановка процесса моделирования.

3. Stop (CTRL+T) - остановка процесса моделирования.

4. Analysis options… (CTRL+Y) - установка параметров:

4.1 Global - настройки общего характера (диалоговые окна соответствующих настроек нужно смотреть в программе EWB), в котором параметры имеют следующее назначение:

• ABSTOL - абсолютная ошибка расчета токов;
• GMIN - минимальная проводимость ветви цепи (проводимость ветви, меньшая указанного значения, считается равной нулю).
• PIVREL, PIVTOL - относительная и абсолютная величины элемента строки матрицы узловых проводимостей (например, при расчёте по методу узловых потенциалов), необходимые для выделения в качестве ведущего элемента;
• RELTOL - допустимая относительная ошибка расчёта напряжений и токов;
• TEMP - температура, при которой проводится моделирование;
• VNTOL - допустимая ошибка расчёта напряжений в режиме Transient (анализ переходных процессов);
• CHGTOL - допустимая ошибка расчёта зарядов;
• RAMPTIME - начальная точка отсчёта времени при анализе переходных процессов;
• CONVSTEP - относительный шаг итерации при расчёте режима по постоянному току;
• CONVABSSTEP - абсолютный размер шага итерации при расчёте режима по постоянному току;
• CONVLIMIT - включение или выключение дополнительных средств для обеспечения сходимости итерационного процесса;
• RSHUNT - допустимое сопротивление утечки для всех узлов относительно общей шины (заземления);
• Temporary … - объём дисковой памяти для хранения временных файлов (в Мбайт).

4.2 DC – настройка параметров моделирования для выполнения расчётов режима по постоянному току (статический режим):

• ITL1 – максимальное количество итераций приближённых расчётов;
• GMINSTEPS – размер приращения проводимости в процентах от GMIN (используется при слабой сходимости итерационного процесса);
• SRCSTEPS – размер приращения напряжения питания в процентах от его номинального значения при вариации напряжения питания (используется при слабой сходимости итерационного процесса).

     Кнопка Reset Defaults предназначена для установки  в этом и других меню параметров, принятых по умолчанию. Используется в  том случае, если после редактирования необходимо вернуться к исходным настройкам.

4.3 Transient – настройка параметров моделирования для выполнения анализа переходных процессов:

• ITL4 – максимальное  количество итераций за время  анализа переходных процессов;
• MAXORD – максимальный порядок (2-6) метода интегрирования дифференциального уравнения;
• TRTOL – допуск на погрешность вычисления переменной;
• METHOD – метод приближённого интегрирования дифференциального уравнения: TRAPEZOIDAL – метод трапеций, GEAR – метод Гира;
• ACCT – разрешение на вывод статистических сообщений о процессе моделирования;

4.4 Device – выбор параметров МОП- транзисторов:

• DEFAD – площадь  диффузионной области стока, м2;
• DEFAS - площадь диффузионной области истока, м2;
• DEFL - длина канала полевого транзистора, м;
• DEFW – ширина канала, м;
• TNOM – номинальная температура компонента;
• BYPASS – включение или выключение нелинейной части модели компонента;
• TRYTOCOMPACT - включение или выключение линейной части модели компонента;

4.5 Instruments – настройка параметров контрольно-измерительных приборов:

• Pause after each screen – пауза (временная остановка  моделирования) после заполнения экрана осциллографа по горизонтали;
• Generate time steps automatically – автоматическая установка временного шага (интервала) вывода информации на экран;
• Minimum number of time points – минимальное количество отображаемых точек за период наблюдения (регистрации);
• TMAX – промежуток времени от начала до конца моделирования;
• Set to Zero – установка в нулевое (исходное) состояние контрольно- измерительных приборов перед началом моделирования;
• User-defined – управление процессом моделирования проводится пользователем (ручной пук и остановка);
• Calculate DC operating point – выполнение расчёта режима по постоянному току;
• Points per cycle – количество отображаемых точек при выводе амплитудно- частотных и фазо- частотных характеристик;
• Use engineering notation – использование инженерной системы обозначений единиц измерения.

5. DC Operating Point - расчёт режима по постоянному току (в режиме DC из моделируемой схемы исключаются все конденсаторы и закорачиваются все индуктивности).

6. DC Sweep… - вариация параметров источников при расчёте режима по постоянному току.

7. AC Frequency - расчёт частотных характеристик:

• FSTART, FSTOP –  граница частотного диапазона;
• Sweep type – масштаб по горизонтали: декадный (Decade), линейный (Linear) и октавный (Octave);
• Number of points – число точек;
• Vertical scale – масштаб по вертикали: линейный (Linear), логарифмический (Log) и в децибеллах (Decibel);
• Nodes in circuit – список всех узлов цепи;
• Nodes for analysis – номера узлов, для которых рассчитываются характеристики схемы, перечень таких узлов устанавливается кнопками добавить и удалить.
• Simulate – запуск моделирования.

8. Transient - расчёт переходных процессов.

9. Fourier… - проведение Фурье-анализа (спектрального анализа):

• Output node –  номер контрольной точки (узла), в которой анализируется спектр сигнала;
• Fundamental frequency – основная частота колебания (частота первой гармоники);
• Number harmonic – число гармоник, подлежащих анализу;
• Vertical scale – масштаб по оси Y;
• Advanced – набор опций этого блока предназначен для определения более тонкой структуры анализируемого сигнала путём введения дополнительных выборок (по умолчанию выключены);
• Number of points per harmonic – количество отсчётов (выборок) на одну гармонику;
• Sampling frequency – частота следования выборок;
• Display phase – вывод на экран распределения фаз всех гармонических составляющих в виде непрерывной функции (по умолчанию выводится график только амплитуд гармоник);
• Output as line graph – вывод на экран распределения амплитуд всех гармонических составляющих в виде непрерывной функции (по умолчанию - в виде линейчатого спектра).

10. Noise… - анализ спектра внутренних шумов:

• Input noise reference source - место подключения источника  входного сигнала (выбирается из списка всех имеющихся источников сигнала, включая источник питания);
• Output node - узел (точка) схемы, в которой анализируется выходной сигнал;
• Reference node - узел схемы, относительно которого измеряется выходной сигнал (по умолчанию - общая шина, т.е. "земля");
• Fstart, Fstop - начальная и конечная частота диапазона анализа;
• Sweep type - масштаб по оси частот;
• Number points - число отображаемых точек;
• Vertical scale - масштаб по оси Y;
• Set points per summary - выбор компонента схемы (из списка, где перечислены все компоненты схемы), вклад шумов которого в спектр шума на выходе (Output node) будет отображаться отдельно.

11. Distortion… - анализ нелинейных искажений.

12. Parameter Sweep… - многовариантный анализ:

• Component - позиционное  обозначение элемента схемы, один из параметров которого будет варьироваться в процессе моделирования;
• Parameter - название параметра компонента, выбранного из списка;
• Start value, End value - параметры, задающие диапазон варьируемой величины (минимум, максимум);
• Sweep Type - тип масштаба варьируемой величины;
• Increment step size - шаг изменения варьируемой величины;
• Output node - выходная контрольная точка схемы.

     В нижней части диалогового окна перечислены  режимы моделирования, для которых может быть проведён многовариантный анализ. В правом нижнем углу находятся кнопки для установки параметров этих режимов, диалоговые окна которых практически не отличаются от рассмотренных выше.

13. Temperature Sweep… - температурные испытания моделируемой схемы.

14. Pole-Zero… - расчёт карты нулей и полюсов передаточной характеристики моделируемой схемы:

• Gain Analysis - расчёт коэффициента передачи  по напряжению;
• Impedance Analysis - расчёт коэффициента передачи напряжение- ток;
• Input Impedance, Output Impedance - расчёт входного и выходного импедансов (комплексных сопротивлений);
• Nodes - контрольные точки для входного и выходного сигналов;
• Pole Analysis - расчёт полюсов коэффициента передачи;
• Zero Analysis - расчёт нулей коэффициента передачи.

15. Transfer Function… - расчёт передаточных функций:

• Voltage - расчёт  коэффициента передачи по напряжению;
• Output node - выбор выходной контрольной точки;
• Output reference - контрольная точка, относительно которой измеряется напряжение выходного сигнала;
• Current - расчёт коэффициента передачи по току;
• Output variable - выбор выходной величины при расчёте коэффициента передачи по току;
• Input source - выбор источника входного сигнала.

16. Sensitivity… - расчёт относительной чувствительности характеристик схемы к изменениям параметров выбранного компонента при частотном анализе (АС) или при расчёте статического режима (DC).

17. Worst case… - расчёт значений параметров компонентов схемы в режиме DC или АС при параллельных отклонениях её характеристик:

• Collating function - характеристики схемы (выбираются  из предлагаемого списка);
• Global tolerance - отклонение параметров резисторов, конденсаторов, индуктивностей, источников переменного и постоянного тока и напряжения;
• Output node - выбор выходной точки схемы.

18. Monte Carlo… - статистический анализ по методу Монте-Карло:

• Number of runs - количество статистических испытаний;
• Tolerance - отклонения параметров резисторов, конденсаторов, индуктивностей, источников переменного тока и напряжения;
• Seed - начальное значение случайной величины (этот параметр определяет начальное значение датчика случайных чисел и может изменяться от 1 до 32767);
• Distribution type - закон распределения случайных чисел: Uniform - равновероятностное распределение на отрезке (-1, +1) и Gaussian - гауссовское распределение на отрезке (-1, +1) с нулевым средним значением и среднеквадратическим отклонением 0,25.
• Остальные параметры аналогичны описанным для команды Worst Case.

19. Display Graphs - этой командой вызываются на экран графики результатов выполнения одной из команд моделирования. Если в процессе моделирования используется несколько команд этого меню, то результаты их выполнения накапливаются и в соответствующем окне отображаются в виде закладок с наименованиями команд, которые могут перемещаться кнопками, расположенными в правом верхнем углу окна. Это позволяет оперативно просматривать результаты моделирования без повторного проведения.

5. Меню Window

     Меню  Window содержит следующие команды:

1. Arrange (CTRL+W) - обновление информации в рабочем окне Electronics Workbench, при этом исправляются искажения изображений компонентов и соединительных проводников.

2. Circuit и Description (CTRL+D) - эти команды обозначают название открытых в программе Electronics Workbench окон и позволяют выводить соответствующее окно на передний план.

6. Меню  Help

     Меню  Help построено стандартным для Windows способом. Оно содержит краткие сведения по всем рассмотренным выше командам, библиотечным компонентам и измерительным приборам, а также сведения о самой программе. 

     При работе с программой необходимо обязательно  обращать внимание на способ и место подключения электроизмерительных приборов, а также на их параметры. Всё это может иметь достаточно большое значение при проведении экспериментов и моделировании схем.

ПРИБОРЫ И КОМПОНЕНТЫ ПРОГРАММЫ

1. Мультиметр

     На  лицевой панели мультиметра (рисунок 1) расположен дисплей для отображения результатов измерения, клеммы для подключения к схеме и кнопки управления:

• выбор режима измерения тока, напряжения, сопротивления и ослабления (затухания);

Рисунок 1 - Мультиметр

• выбор режима измерения переменного или постоянного тока;
• режим установки параметров мультиметра (Ammeter resistance - внутреннее сопротивление амперметра, Voltmeter resistance - входное сопротивление вольтметра, Ohmmeter current - ток через контролируемый объект, Decibel standart - установка эталонного напряжения V1 при измерении ослабления или усиления в децибелах).

2. Группа  компонентов Basic

Рисунок 2 - Группа компонентов Basic

1. Точка соединения проводников (узел). Используется также для введения на схему надписей длиной не более 14 символов. Этот компонент может объединить 4 различных проводника (с четырёх сторон). Узлы появляются на схеме автоматически, когда конец одного проводника подводится к другому проводнику так, что они касаются друг друга.

2. Резистор (сопротивление). Сопротивление может  варьироваться в диапазоне от Ом до МОм. В программе сопротивление  резисторов рассчитывается по формуле: R=R₀*(1+TC1*(T-T₀)+TС2*(T-T₀)²). Где R - сопротивление резистора, R₀ - сопротивление при температуре T₀, T₀ - нормальная температура (27⁰С), ТС1 и ТС2 – температурные коэффициенты, Т – температура резистора. Все переменные могут быть изменены, за исключением Т₀ (это константа), при этом в диалоговом окне резистора указывается значение R₀, но не R, которое вычисляется позже. Идеальные резисторы имеют нулевые температурные коэффициенты.

3. Конденсатор (ёмкость). Ёмкость измеряется в Ф (фарадах) и может изменяться в  диапазоне от пФ до Ф.

4. Катушка (индуктивность). Индуктивность измеряется в Гн (генри) и может изменяться в диапазоне от мГн до Гн.

5. Трансформатор с возможностью редактирования:

• коэффициента трансформации (primary-to-secondary turns ratio n);
• индуктивности рассеяния (Leakage inductance Le, Гн);
• индуктивности первичной обмотки (Magnetizing inductance Lm, Гн);
• сопротивления первичной обмотки (Primary winding resistance Rp, Ом);
• сопротивление вторичной обмотки (Secondary winding resistance Rp, Ом).

    Трансформатор может повышать или понижать входное  напряжение V1, связь с вторичным напряжением V2 задаётся с помощью соотношения n=V1/V2. параметр n можно изменять, редактируя значение в диалоговом окне. Для правильного моделирования трансформатора, лучше если обе обмотки будут иметь общую точку, относительно которой ведётся измерение (например, земля).

6. Реле с  перекидным контактом (ток срабатывания и отпускания, индуктивность обмотки).

7. Переключатель, управляемый нажатием задаваемой клавиши  клавиатуры (по умолчанию клавиша пробел).

8. Переключатель, автоматически срабатывающий через заданное время на замыкание (T_ON) и размыкание (T_OFF). Переключатель имеет бесконечно большое сопротивление в разомкнутом состоянии и бесконечно малое в замкнутом состоянии. Время включения не может быть равно времени отключения и оба значения должны быть больше нуля.

9. Аналоговый  переключатель, управляемый напряжением. Выполняет такую же функцию, что и механическое реле. Когда управляющее напряжение ниже заданного уровня, переключатель находится в состоянии выключено. Для него необходимо задать напряжение замыкания (V_ON) и напряжение размыкания (V_OFF). В настройках можно задать сопротивление замкнутого контакта (R_ON) и сопротивление разомкнутого контакта (R_OFF).

10. Аналоговый  переключатель, управляемый током. Этот элемент похож на аналоговый переключатель управляемый напряжением. Когда ток достигает значения I_ON контакт замыкается, а когда I_OFF – размыкается. В настройках также можно задать сопротивление замкнутого контакта (R_ON) и сопротивление разомкнутого контакта (R_OFF).

11. Источник  постоянного напряжения +5В с последовательно включенным резистором (напряжение, сопротивление).

12. Потенциометр, параметры задаются с помощью  диалогового окна, в котором параметр Key определяет символ клавиши клавиатуры (по умолчанию R), нажатием которой сопротивление  уменьшается на заданную величину в % (параметр Increment, подвижный контакт двигается влево) или увеличивается на такую же величину нажатием комбинации клавиш Shift+R (контакт двигается вправо); второй параметр - номинальное значение сопротивления, третий - начальная установка сопротивления в % (по умолчанию - 50%).

13. Сборка  из восьми независимых резисторов одинакового  номинала (сопротивления). Так как  все резисторы одинаковые то сопротивление  в диалоговом окне свойств указывается для всех 8 элементов сразу.

15. Электролитический конденсатор (ёмкость).

16. Конденсатор переменной ёмкости (настройка параметров производится также, как и у потенциометра).

17. Катушка переменной индуктивности (настройка  параметров производится также, как и у потенциометра).

18.  Катушка  без сердечника. В типичном случае используется вместе с магнитным сердечником для создания схем, имитирующих поведение линейных и нелинейных магнитных устройств.

19.  Магнитный  сердечник. Эту модель можно  использовать для построения широкого набора моделей индуктивных и магнитных схем. Обычно магнитный сердечник используется вместе с катушкой без сердечника для создания схем, моделирующих поведение линейных и нелинейных магнитных устройств.

20.  Нелинейный  трансформатор. Используя этот  элемент можно моделировать такие физические явления, как нелинейное магнитное насыщение, потери в первичной и вторичной обмотках, утечка индукции в первичной и вторичной обмотках.

3. Группа  компонентов Sources

Рисунок 3 - Группа компонентов Sources

1. Заземление (метка) Компонент является связующей точкой для соотношения уровней напряжения. Любая цепь, содержащая операционный усилитель, трансформатор, управляемый источник или осциллограф, аналоговые или цифровые компоненты должна иметь заземление. В случае, если это не сделано, можно получить сообщение об ошибке или снять неверные показания приборов. Необходимо учитывать, что в программе поддерживается многоточечное заземление, при этом каждое заземление подключается к общему проводу.