NI Multisim. Измерение электрических величин

Всем доброго времени суток! Данная статья является первой в цикле о системе автоматизированного проектирования NI Multisim. Данная система позволяет значительно увеличить скорость разработки электронного устройства и улучшить его качество. Вообще говоря, в настоящее время существуют десятки систем проектирования, например, Proteus, Micro-Cap, LabVIEW, LTspice/SwitcherCAD, EasyEDA, СИМИКА (Symica), Qucs, TINA-TI, SimOne, OrCAD, AutoCAD Electrical и многие другие.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Данные программные комплексы включают в себя большое количество библиотек с моделями компонентов, источников сигналов, измерительных приборов. С их помощью пользователь может сформировать различные сигналы, влияющие на схему и оценить их воздействие. Результаты моделирования можно сохранить в файл, либо экспортировать в другие системы проектирования.

В данной статье начнём с основ и научимся измерять параметры схемы: ток, напряжение, мощность, угол сдвига фаз между напряжением и током; и величины элементов: сопротивление резисторов, индуктивности катушек и ёмкостей конденсаторов.

Методы измерения электрических величин

В зависимости от способа обработки данных различают следующие методы измерений:

— прямые измерения, при которых требуемые величины находят непосредственно из показаний измерительных приборов. Например, измерение вольтметром напряжения электрической цепи.

— косвенные измерения, при которых требуемые величины находят из известных зависимостей между необходимой величиной и величинами, полученными из прямых измерений. Например, величину сопротивления R резистора определяют из закона Ома:

где напряжение на резисторе U и I ток, протекающий через резистор, берут из показаний измерительных приборов.

— совместные измерения, при которых одномоментно измеряют несколько неодноименных величин для нахождения функциональной зависимости между ними. Например, зависимость обратного тока диода от температуры:

находят измерением обратного тока диода I_обр(t) при трёх различных температурах t. Далее составляют систему из трёх уравнений и находят величины I_обр.0, α и β требуемой зависимости.

— совокупные измерения, при которых происходит одномоментное измерение нескольких одноимённых величин для дальнейшего составления системы уравнений и нахождения требуемой величины. Например, нахождение сопротивления резисторов, соединённых в треугольник, путём измерения сопротивлений между различными вершинами треугольника.

Знакомство с интерфейсом NI Multisim

После запуска системы моделирования NI Multisim откроется окно программы,

Рабочее окно NI Multisim.

которое состоит из следующих основных областей:

— стандартная панель меню;

— панель инструментов, с необходимыми инструментальными кнопками;

— область проекта с инструментами;

— рабочая область или окно редактора;

— вертикальная панель инструментов (справа от рабочей области);

— строка состояния с терминальным окном.

Сразу после запуска NI Multisim автоматически будет создана страница новой схемы. Кроме того, новую страницу можно создать через меню «File»→«New».

Для размещения элементов на схеме используют кнопки в панели инструментов «Components». Если данная панель отсутствует необходимо её добавить путём нажатия правой кнопки мыши на панели инструментов и выбрав соответствующий пункт меню (в нашем случае «Components»). Либо же используя меню «View»→«Toolbars».

Панель инструментов «Components».

Нажимая на данные кнопки, мы открываем диалоговое окно с выбором групп (семейств) и компонентов, входящих в данные группы. В базовой версии содержатся следующие группы компонентов:

Source – источники сигналов (источники и генераторы постоянного и переменного тока и т.д.).

Basic – пассивные компоненты (резисторы, конденсаторы, катушки, трансформаторы и т.д.).

Diode – различные типы диодов (выпрямительные, стабилитроны, светодиоды, тиристоры и т.д.).

Transistors – различные типы транзисторов (полевые, биполярные, их наборы).

Analog – аналоговые микросхемы.

TTL – цифровые микросхемы ТТЛ серий.

CMOS – цифровые микросхемы КМОП серий.

Mix Digital – цифровые микросхемы с высокой степенью интеграции (регистры, счётчики, микросхемы памяти, микропроцессоры, ПЛС и т.д.).

Mixed – микросхемы смешанного типа (АЦП, ЦАП, мультивибраторы и т.д.).

Indicators – компоненты для отображения состояния элементов схем и цепей (пробники, индикаторы, вольт- и амперметры).

Power – преобразователи напряжения, стабилизаторы напряжения.

Misc – смешанные компоненты (оптопары, кварцы, лампы и т.д.).

RF – радиочастотные компоненты (ВЧ конденсаторы и индуктивности, СВЧ транзисторы, туннельные диоды и т.д.).

Electro—mechanical – электромеханические компоненты (реле, двигатели, сенсоры и т.д.).

Advanced peripherals – современные периферийные компоненты (наборы клавиш, ЖКИ, индикаторы с последовательным интерфейсом).

MCU Module – компоненты и модули, хранящиеся в виде файлов (RAM и ROM запоминающие устройства).

Изменение силы тока, напряжения и сопротивления в цепи

Измерить мгновенные значения напряжения и тока возможно с помощью осциллографа, расположенного справа от рабочей области.

Для измерения действующих значений токов и напряжений в электрических цепях используются амперметры и вольтметры (расположены в группе Indicators).

Схема цепи, показывающей измерение напряжение и тока в цепи.

Для измерения сопротивления в Multisim используется мультиметр расположенный справа от рабочей области. Для измерения сопротивления между двумя точками схемы один из узлов схемы должен иметь соединение с заземлённой точкой, при этом ветви с идеальными источниками тока должны быть разомкнуты, а идеальные источники напряжения заменены проводниками.

Схема цепи, показывающей измерение сопротивления.

Кроме прямых методов измерения сопротивлений, часто применяется метод вольт-амперметра, который основывается на законе Ома для цепей постоянного тока. Однако, на величину расчётного сопротивления влияют величины внутренних сопротивлений вольтметра R_V

и амперметра R_A

Измерение сдвига фаз, ёмкости и индуктивности

Для измерения сдвига фаз φ в цепях с реактивными элементами используют метод вольтметра-амперметра-ваттметра, при этом угол φ определяется выражением

Также применяют метод, в котором измеряют временный интервал Δt между фазами тока и напряжения на экране осциллографа.

То есть временной интервал пропорционален фазовому сдвигу φ и обратно пропорционален угловой частоте напряжения. В этом случае фазовый угол определяется выражением

где T = 1/f – период переменного напряжения;

f – частота напряжения.

Для измерения индуктивности катушки (дросселя) и ёмкости конденсатора может применяться метод косвенного измерения по результатам прямых измерений тока, напряжения и мощности RL- или RC- цепи. Для этого соберём схему и установим следующие параметры:

— источник синусоидального напряжения e = E_msin(ωt + Ψ_u) = √2Esin(2πft + Ψ_u); действующее значение ЭДС Е = 20; частоту f = 1 кГц при измерении индуктивности L1 и f = 10 кГц при измерении емкости конденсатора С1; начальная фаза напряжения Ψ_u = 0.