1. 2. Компоненты Electronics Workbench

Для операций с компонентами на общем поле Electronics Workbench выделены две области: панель компонентов и поле компонентов (рис. 1. 1).

Панель компонентов состоит из пиктограмм полей компонентов, поле компонентов -из условных изображений компонентов. Щелчком мышью на одной из одиннадцати пиктограмм полей компонентов, расположенных на панели, можно открыть соответствующее поле. На рис. 1. 1 открыто поле пассивных компонентов (Passive). Расположение элементов в полях ориентировано на частоту использования компонента. Для описания компонентов более логичным является разделение их по типам, чему мы будем следовать в дальнейшем, давая в каждом случае ссылку на поле, в котором расположен компонент. На рис. 1. 2 показаны все имеющиеся в Electronics Workbench поля компонентов. Эта картинка получена искусственно, на самом деле при работе может быть открыто только одно поле компонентов. Перейдем теперь к описанию имеющихся в программе компонентов. В библиотеки элементов программы Electronics Workbench входят аналоговые, цифровые и цифро-аналоговые компоненты. Все компоненты можно условно разбить на следующие группы: • базовые компоненты, • источники, • линейные компоненты, • ключи, • нелинейные компоненты, • индикаторы, • логические компоненты, • узлы комбинационного типа, • узлы последовательного типа, • гибридные компоненты.

Базовые компоненты

Узел применяется для соединения проводников и создания контрольных точек. К каждому узлу может подсоединяться не более четырех проводников. После того, как схема собрана, можно вставить дополнительные узлы для подключения приборов.

Компонент "заземление" имеет нулевое напряжение и таким образом обеспечивает исходную точку для отсчета потенциалов. Не все схемы нуждаются в заземлении для моделирования, однако любая схема, содержащая: • операционный усилитель, • трансформатор, • управляемый источник, • осциллограф, должна быть обязательно заземлена, иначе приборы не будут производить измерения или их показания окажутся неправильными.

Будьте внимательны при заземлении трансформаторов и управляемых источников.

Источники

Все источники в Electronics Workbench идеальные. Внутреннее сопротивление идеального источника напряжения равно нулю, поэтому его выходное напряжение не зависит от нагрузки. Идеальный источник тока имеет бесконечно большое внутреннее сопротивление, поэтому его ток не зависит от сопротивления нагрузки.

Функциональный генератор можно использовать в качестве идеального источника напряжения.

ЭДС источника постоянного напряжения или батареи измеряется в Вольтах и задается производными величинами (от мкВ до кВ). Короткой жирной чертой в изображении батареи обозначается вывод, имеющий отрицательный потенциал по отношению к другому выводу.

Батарея в Electronics Workbench имеет внутреннее сопротивление, равное нулю, поэтому, если необходимо использовать две параллельно подключенные батареи, то следует включить последовательно между ними небольшое сопротивление (например, в 1 Ом).

Ток источника постоянного тока (direct current) измеряется в Амперах и задается производными величинами (от мкА до кА). Стрелка указывает направление тока (от "+" к "-").

Действующее значение (root-mean-square - RMS) напряжения источника измеряется в Вольтах и задается производными величинами (от мкВ до кВ). Имеется возможность установки частоты и начальной фазы. Напряжение источника отсчитывается от вывода со знаком "-". Действующее значение напряжения VRMS, вырабатываемое источником переменного синусоидального напряжения, связано с его амплитудным значением VPEAK следующим соотношением:

Действующее значение тока источника измеряется в Амперах и задается производными величинами (от мкА до кА). Имеется возможность установки частоты и начальной фазы. Ток источника отсчитывается от вывода со знаком "~". Действующее значение тока IRMS, вырабатываемое источником переменного синусоидального тока, связано с его амплитудным значением IPEAK следующим соотношением:

Генератор вырабатывает последовательность прямоугольных импульсов. Можно регулировать амплитуду импульсов, коэффициент заполнения (скважность) и частоту следования импульсов. Отсчет амплитуды импульсов генератора производится от вывода, противоположного выводу "+".

Выходное напряжение источника напряжения, управляемого напряжением, зависит от входного напряжения, приложенного к управляющим зажимам. Отношение выходного напряжения к входному определяется коэффициентом пропорциональности Е, который задается в мВ/В, В/В и кВ/В:

где Vout - выходное напряжение источника, Vin- входное напряжение источника.

Величина тока источника тока, управляемого напряжением, зависит от входного напряжения, приложенного к управляющим зажимам. Отношение выходного тока к управляющему напряжению - коэффициент G, измеряется в единицах проводимости (1/Ом или сименс):

где lout - выходной ток источника, Vin - напряжение, приложенное к управляющим зажимам источника.

Величина тока источника тока, управляемого током, зависит от величины входного тока (тока в управляющей ветви). Входной и выходной токи связаны коэффициентом пропорциональности F, который определяет отношение выходного тока к току в управляющей ветви. Коэффициент F задается в мА/А, А/А и кА/А.

где lout - выходной ток источника, I™ - входной ток источника.

Величина напряжения источника напряжения, управляемого током, зависит от величины входного тока (тока в управляющей ветви). Входной ток и выходное напряжение образуют параметр, называемый передаточным сопротивлением Н, который представляет собой отношение выходного напряжения к управляющему току. Передаточное сопротивление имеет размерность сопротивления и задается в мОм, Ом и кОм.

где VouT - выходное напряжение источника, lin - входной ток источника.

При подключении управляемых источников нужно соблюдать полярность и направление то ков в подключаемых цепях. Стрелка указывает направление тока от "+" к "-", значком "+' указан положительный вывод источника напряжения.

Используя этот источник напряжения, можно устанавливать фиксированный потенциал узла 5 В или уровень логической единицы.

При помощи этого источника устанавливают уровень логической единицы в узле схемы.

Линейные элементы

Сопротивление резистора измеряется в Омах и задается производными величинами (от Ом до МОм).

Положение движка переменного резистора устанавливается при помощи специального элемента - стрелочки-регулятора. В диалоговом окне можно установить сопротивление, начальное положение движка (в процентах) и шаг приращения (также в процентах). Имеется возможность изменять положение движка при помощи клавиш-ключей.

Используемые клавиши-ключи: • буквы от А до Z, • цифры от 0 до 9, • клавиша Enter на клавиатуре, • клавиша пробел [Space]. Для изменения положения движка необходимо нажать клавишу-ключ. Для увеличения значения положения движка необходимо одновременно нажать [Shift] и клавишу-ключ, для уменьшения - клавишу-ключ.

Пример: Движок установлен в положении 45%, шаг приращения — 5%, клавиша-ключ -пробел [Space]. Нажатием, клавиши [Space] положение движка становится равным 40%. При каждом последующем нажатии на клавишу [Space] значение уменьшается на 5%. Если нажать [Space]+ [Shift], то положение движка потенциометра увеличится на 5%.

Ёмкость конденсатора измеряется в Фарадах и задается производными величинами (от пФ до Ф).

Переменный конденсатор допускает возможность изменения величины емкости. Величину ёмкости устанавливают, используя её начальное значение и значение коэффициента пропорциональности следующим образом: С = (начальное значение/100) • коэффициент пропорциональности. Значение емкости может устанавливаться с помощью клавиш-ключей так же, как и положение движка переменного резистора.

Индуктивность катушки (дросселя) измеряется в Генри и задается производными величинами (от мкГн до Гн).

Величину индуктивностью этой катушки устанавливают, используя начальное значение её индуктивности и коэффициента пропорциональности следующим образом: L = (начальное значение /100) • коэффициент Значение индуктивности может устанавливаться с помощью клавиш-ключей так же, как и положение движка переменного резистора.

Трансформатор используется для преобразования напряжения VI в напряжение V2. Коэффициент трансформации n равен отношению напряжения VI на первичной обмотке к напряжению V2 на вторичной обмотке. Параметр n может быть установлен в диалоговом окне свойств модели трансформатора. Трансформатор может быть выполнен с отводом средней точки.

Схема, содержащая трансформатор, должна быть заземлена.

Ключи

Ключи имеют два состояния: выключенное (разомкнутое) и включенное (замкнутое). В выключенном состоянии они представляют собой бесконечно большое сопротивление, во включенном состоянии их сопротивление равно нулю. Ключи могут управляться: • клавишей, • таймером, • напряжением, • током. Так как замкнутые ключи в Electronics Workbench имеют сопротивление равное нулю, то при параллельном соединении с другим ключом или батареей рекомендуется последовательно ввести в цепь резистор с сопротивлением 1 Ом.

Электромагнитное реле может иметь нормально замкнутые или нормально разомкнутые контакты. Оно срабатывает, когда ток в управляющей обмотке превышает значение тока срабатывания Ion. Во время срабатывания происходит переключение пары нормально замкнутых контактов S2, S3 реле на пару нормально замкнутых контактов S2, S1 реле. Реле остается в состоянии срабатывания до тех пор, пока ток в управляющей обмотке превышает удерживающий ток Ihd. Значение тока Ihd должно быть меньше, чем Ion.

Ключи могут быть замкнуты или разомкнуты при помощи управляющих клавиш на клавиатуре. Имя управляющей клавиши можно ввести с клавиатуры в диалоговом окне, появляющемся после двойного щелчка мышью на изображении ключа.

Пример: Если необходимо, чтобы состояние ключа изменялось клавишей 'пробел' [Space], то следует ввести текст «Space» в диалоговое окно и нажать ОК.

Используемые клавиши-ключи: • буквы от А до Z, • цифры от 0 до 9, • клавиша Enter на клавиатуре, • клавиша пробел [Space].

Реле времени представляет собой ключ, который размыкается в момент времени Toff и замыкается в момент времени Ton. Ton и Toff должны быть больше 0. Если Ton < Toff, то в начальный момент времени, когда t = О, ключ находится в разомкнутом состоянии. Замыкание ключа происходит в момент времени t = Ton, а размыкание - в момент времени t = Toff. Если Ton > Toff, то в начальный момент времени, когда t = О, ключ находится в замкнутом состоянии. Размыкание ключа происходит в момент времени t = Toff, а замыкание - в момент времени t = Ton. Ton не может равняться Toff.

Ключ, управляемый напряжением, имеет два управляющих параметра: включающее (Von) и выключающее (Voff) напряжения. Он замыкается, когда управляющее напряжение больше или равно включающему напряжению Von, и размыкается, когда оно равно или меньше, чем выключающее напряжение Voff.

Ключ, управляемый током, работает аналогично ключу, управляемому напряжением. Когда ток через управляющие выводы превышает ток включения Ion, ключ замыкается; когда ток падает ниже тока выключения loff - ключ размыкается.

Нелинейные элементы

Лампа накаливания - элемент резистивного типа, преобразующий электроэнергию в световую энергию. Она характеризуется двумя параметрами: максимальной мощностью Ртах и максимальным напряжением Vmax. Максимальная мощность может иметь величину в диапазоне от мВт до кВт, максимальное напряжение - в диапазоне от мВ до кВ. При напряжении на лампе большем Vmax (в этот момент мощность, выделяющаяся в лампе, превышает Ртах) она перегорает. При этом изменяется изображение лампы (обрывается нить) и проводимость ее становится равной нулю.

Предохранитель разрывает цепь, если ток в ней превышает максимальный ток Imax. Значение Imax может иметь величину в диапазоне от мА до кА. В схемах, где используются источники переменного тока, Imax является максимальным мгновенным, а не действующим значением тока.

Ток через диод может протекать только в одном направлении - от анода А к катоду К. Состояние диода (проводящее или непроводящее) определяется полярностью приложенного к диоду напряжения.

Для стабилитрона (диода Зенера) рабочим является отрицательное напряжение. Обычно этот элемент используют для стабилизации напряжения.

Светоизлучающий диод излучает видимый свет, когда проходящий через него ток превышает пороговую величину.

Мостовой выпрямитель предназначен для выпрямления переменного напряжения. При подаче на выпрямитель синусоидального напряжения среднее значение выпрямленного напряжения Vdc можно приблизительно вычислить по формуле:

где Vp - амплитуда входного синусоидального напряжения.

В отличие от простого диода, диод Шоттки находится в отключенном состоянии до тех пор, пока напряжение на нем не превысит фиксированного уровня порогового напряжения.

У тиристора помимо анодного и катодного выводов имеется дополнительный вывод управляющего электрода. Он позволяет управлять моментом перехода прибора в проводящее состояние. Вентиль отпирается, когда ток управляющего электрода превысит пороговое значение, а к анодному выводу не будет приложено положительное смещение. Тиристор остается в открытом состоянии, пока к анодному выводу не будет приложено отрицательное напряжение.

Симистор способен проводить ток в двух направлениях. Он запирается при изменении полярности протекающего через него тока и отпирается при подаче следующего управляющего импульса.

Динистор - управляемый анодным напряжением двунаправленный переключатель. Динистор не проводит ток в обоих направлениях до тех пор, пока напряжение на нем не превысит напряжения переключения, тогда динистор переходит в проводящее состояние и его сопротивление становится равным нулю.

Операционный усилитель (ОУ) - усилитель, предназначенный для работы с обратной связью. Он обычно имеет очень высокий коэффициент усиления по напряжению, высокое входное и низкое выходное сопротивление. Вход "+" является неинвертирующим, а вход "-" - инвертирующим. Модель операционного усилителя позволяет задавать параметры: коэффициент усиления, напряжение смещения, входные токи, входное и выходное сопротивления. Входные и выходные сигналы ОУ должны быть заданы относительно земли.

ОУ с пятью выводами имеет два дополнительных вывода (положительный и отрицательный) для подключения питания. Для моделирования этого усилителя используется модель Буля-Коха-Педерсона. В ней учитываются эффекты второго порядка, ограничение выходного напряжения и тока.

Умножитель перемножает два входных напряжения Vx и Vy. Выходное напряжение Vout рассчитывается по формуле:

где к - константа умножения, которая может устанавливаться пользователем.

Биполярные транзисторы.

Биполярные транзисторы являются усилительными устройствами, управляемыми током. Они бывают двух типов: P-N-P и N-P-N. Буквы означают тип проводимости полупроводникового материала, из которого изготовлен транзистор. В транзисторах обоих типов стрелкой отмечается эмиттер, направление стрелки указывает направление протекания тока.

Полевые транзисторы (FET)

Полевые транзисторы управляются напряжением на затворе, то есть ток, протекающий через транзистор, зависит от напряжения на затворе. Полевой транзистор включает в себя протяженную область полупроводника n-типа или р-типа, называемую каналом. Канал оканчивается двумя электродами, которые называются истоком и стоком. Кроме канала n-или р-типа, полевой транзистор включает в себя область с противоположным каналу типом проводимости. Электрод, соединенный с этой областью, называют затвором. Для полевых транзисторов в Electronics Workbench выделено специальное поле компонентов FET. В программе имеются модели полевых транзисторов трех типов: транзисторов с управляющим р-n переходом (JFET) и двух типов транзисторов на основе металлооксидной пленки (МОП-транзисторы или MOSFET): МОП-транзисторы с встроенным каналом (Depletion MOSFETs) и МОП-транзисторы с индуцированным каналом (Enhancement MOSFETs).

Полевые транзисторы с управляющим р-n переходом (JFET)

Полевой транзистор с управляющим р-n переходом (JFET) - униполярный транзистор, управляемый напряжением, в котором для управления током используется наведенное электрическое поле, зависящее от напряжения затвора. Для n-канального полевого транзистора с управляющим р-n переходом чем более отрицательным будет напряжение, прикладываемое к затвору, тем меньше будет ток.

В поле компонентов имеется два типа таких транзисторов: N-канальный и Р-канальный.

Полевые транзисторы на основе металлооксидной пленки

Управление током, протекающим через полевой транзистор на основе металлооксидной пленки (МОП-транзистор или MOSFET), также осуществляется с помощью электрического поля, прикладываемого к затвору. Обычно подложка контактирует с наиболее отрицательно смещенным выводом транзистора, подключенным к истоку. В трехвыводных транзисторах подложка внутренне соединена с истоком. N-канальный транзистор имеет следующее обозначение: стрелка направлена внутрь значка; р-канальный транзистор имеет исходящую из значка стрелку. N-канальный и р-канальный МОП-транзисторы имеют различную полярность управляющих напряжений. В Electronics Workbench имеется 8 типов МОП-транзисторов: 4 типа МОП-транзисторов со встроенным каналом, 4 типа МОП-транзисторов с индуцированным каналом.

МОП-транзистор со встроенным каналом (Depletion MOSFETs)

Подобно полевым транзисторам с управляющим р-n переходом (JFET), МОП-транзистор со встроенным каналом состоит из протяженной области полупроводника, называемой каналом. Для р-канального транзистора эта область является полупроводником р-типа, для n-канального транзистора - n-типа. Свободные электроны от истока до стока должны пройти через этот узкий канал, заканчивающийся с обеих сторон электродами, называемыми истоком и стоком. Металлический затвор МОП-транзистора изолирован от канала тонким слоем двуокиси кремния так, что ток затвора во время работы пренебрежимо мал. Чем более отрицательное напряжение затвор-исток приложено к n-канальному транзистору, тем больше канал обедняется электронами проводимости, ток стока при этом уменьшается. При значении напряжения затвор-исток Vgs (off) канал полностью обеднен, и ток от истока к стоку прекращается. Напряжение Vgs (off) называется напряжением отсечки. С другой стороны, чем более положительно напряжение затвор-исток, тем больше размер канала, что приводит к увеличению тока. Р-канальный транзистор работает аналогично, но при противоположных полярностях напряжения.

МОП-транзисторы с индуцированным каналом (Enhancement MOSFETs)

Эти МОП-транзисторы не имеют физического канала между истоком и стоком, как МОП-транзисторы со встроенным каналом. Вместо этого область проводимости может расширяться на весь слой двуокиси кремния. МОП-транзистор с индуцированным каналом работает только при положительном напряжении исток-затвор. Положительное напряжение исток-затвор, превышающее минимальное пороговое значение (Vto), создает инверсионный слой в области проводимости, смежной со слоем двуокиси кремния. Проводимость этого индуцированного канала увеличивается при увеличении положительного напряжения затвор-исток. МОП-транзисторы с индуцированным каналом используются преимущественно в цифровых схемах и схемах с высокой степенью интеграции (БИС).

Цифровые элементы

Цифровые элементы программы представлены следующими группами: Индикаторы, логические элементы, узлы комбинационного типа, узлы последовательностного типа, гибридные элементы.

Индикаторы

Каждый из семи выводов индикатора управляет соответствующим сегментом, от а до g. В таблице функционирования приведены комбинации логических уровней, которые нужно установить на входе индикатора, чтобы на его дисплее получить изображения шестнадцатиричных цифр от 0 до F. Наименование сегментов семисегментного индикатора:

Таблица функционирования

а | b | с | d | е | f | g | символ на дисплее
0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | -
1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0
0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1
1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 2
1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 3
0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 4
1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 5
1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 6
1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 7
1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 8
1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 9
1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | А
0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | b
1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | С
0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | d
1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | Е
1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | F

Дешифрирующий семисегментный индикатор служит для отображения на своем дисплее шестнадцатеричных чисел от 0 до F, задаваемых состоянием на входе индикатора. Соответствие состояний на выводах изображаемому символу приведено в таблице.

Таблица функционирования

а | b | с | d | символ на дисплее
0 | 0 | 0 | 0 | 0
0 | 0 | 0 | 1 | 1
0 | 0 | 1 | 0 | 2
0 | 0 | 1 | 1 | 3
0 | 1 | 0 | 0 | 4
0 | 1 | 0 | 1 | 5
0 | 1 | 1 | 0 | 6
0 | 1 | 1 | 1 | 7
1 | 0 | 0 | 0 | 8
1 | 0 | 0 | 1 | 9
1 | 0 | . 1 | 0 | А
1 | 0 | 1 | 1 | b
1 | 1 | 0 | 0 | С
1 | 1 | 0 | 1 | d
1 | 1 | 1 | 0 | Е
1 | 1 | 1 | 1 | F

Пробник определяет логический уровень (0 или 1) в конкретной точке схемы. Если исследуемая точка имеет уровень логической 1, индикатор загорается красным цветом. Уровень логического нуля свечением не отмечается. С помощью команды Value в меню Circuit можно изменить цвет свечения пробника.

Зуммер применяется для звуковой сигнализации о превышении подводимого к нему напряжения. Встроенный в компьютер динамик издает звук заданной частоты, если напряжение превышает пороговое значение. С помощью команды Value в меню Circuit можно задать пороговое напряжение и частоту звукового сигнала.

Логические элементы

Electronics Workbench содержит полный набор логических элементов и позволяет задавать их основные характеристики, в том числе тип элемента: ТТЛ или КМОП. Число входов логических элементов схем можно установить в пределах от 2 до 8, но выход элемента может быть только один.

Элемент логическое НЕ или инвертор изменяет состояние входного сигнала на противоположное. Уровень логической 1 появляется на его выходе, когда на входе не 1, и наоборот.

Таблица истинности

Вход А | Выход Y
0 | 1
1 | 0

Выражения Булевой алгебры:

Элемент И реализует функцию логического умножения. Уровень логической 1 на его выходе появляется в случае, когда на один и на другой вход подается уровень логической единицы Таблица истинности

Вход А | Вход В | Выход Y
0 | 0 | 0
0 | 1 | 0
1 | 0 | 0
1 | 1 | 1

Выражения Булевой алгебры:

Элемент ИЛИ реализует функцию логического сложения. Уровень логической 1 на его выходе появляется в случае, когда на один или на другой вход подается уровень логической единицы. Таблица истинности

Вход А | Вход В | Выход Y
0 | 0 | 0
0 | 1 | 1
1 | 0 | 1
1 | 1 | 1

Выражения Булевой алгебры:

Двоичное число на выходе элемента исключающее ИЛИ является младшим разрядом суммы двоичных чисел на его входах.

Таблица истинности

Вход А | Вход В | Выход Y
0 | 0 | 0
0 | 1 | 1
1 | о | 1
1 | 1 | 0

Выражения Булевой алгебры:

Элемент И-НЕ реализует функцию логического умножения с последующей инверсией результата. Он представляется моделью из последовательно включенных элементов И и НЕ. Таблица истинности элемента получается из таблицы истинности элемента И путем инверсии результата. Эквивалентная модель элемента:

Таблица истинности

Вход А | Вход В | Выход Y
0 | 0 | 1
о | 1 | 1
1 | 0 | 1
1 | 1 | 0

Выражения Булевой алгебры:

Элемент ИЛИ-НЕ реализует функцию логического сложения с последующей инверсией результата. Он представляется моделью из последовательно включенных элементов ИЛИ и НЕ. Его таблица истинности получается из таблицы истинности элемента ИЛИ путем инверсии результата. Эквивалентная модель элемента:

Таблица истинности

Вход А | Вход В | Выход Y
0 | 0 | 1
0 | 1 | 0
1 | о | о
1 | 1 | о

Выражения Булевой алгебры:

Данный элемент реализует функцию "исключающее ИЛИ" с последующей инверсией результата. Он представляется моделью из двух последовательно соединенных элементов: исключающее ИЛИ и НЕ. Эквивалентная модель элемента:

Таблица истинности

Вход А | Вход В | Выход Y
0 | 0 | 1
0 | 1 | 0
1 | о | 0
1 | 1 | 1

Выражения Булевой алгебры:

Буфер служит для подачи больших токов в нагрузку. Данный буфер является неинвертирующим. Таблица истинности

Вход | Выход
1 | 1
0 | 0

Установку типа буфера можно произвести с помощью команды Model в меню Circuit (CTRL+ M). При использовании ТТЛ элемента в качестве буфера необходимо выбрать модель буфера LS-BUF или LS-OC-BUF (Open Collector - открытый коллектор). Если в качестве буфера применяется КМОП элемент, следует выбрать модель HC-BUF, либо HC-OD-BUF (Open Drain -открытый сток). Если тип буфера не выбран, то буфер ведет себя как обычный цифровой элемент с малой нагрузочной способностью.

Буфер с тремя состояниями имеет дополнительный разрешающий вход (enable input). Если на разрешающем входе высокий потенциал, то элемент функционирует по таблице истинности обыкновенного буфера, если низкий, то независимо от сигнала на входе выход перейдет в состояние с высоким импедансом. В этом состоянии буфер не пропускает сигналы, поступающие на вход.

Установка режима работы производится так же, как и для обычного буфера.

Узлы комбинационного типа

Полусумматор производит сложение двух одноразрядных двоичных чисел. Он имеет два входа слагаемых: А, В и два выхода: суммы (Sum) и переноса (Carry). Суммирование производится элементом Исключающее ИЛИ, а перенос - элементом И. Эквивалентная схема:

Таблица функционирования

А | Входы |  | В | Вых Сумма | оды Перенос | Примечание
0 |  |  | 0 | 0 | 0 | 0+ 0=0
0 |  |  | 1 | 1 | 0 | 0+ 1=1
1 |  |  | о | 1 | 0 | 1+ 0=1
1 |  |  | 1 | 0 | 1 | l+ l=0 (Carry=l)

Выражения Булевой алгебры:

Полный двоичный сумматор производит сложение трех одноразрядных двоичных чисел. Результатом является двухразрядное двоичное число, младший разряд которого назван суммой, старший разряд - переносом. Устройство имеет три входа и два выхода. Входы: слагаемых - А, В и переноса -CarryiN. Выходы: суммы - Sum и переноса - Саггуоut- Полный двоичный сумматор можно реализовать на двух полусумматорах и одном элементе ИЛИ.

Эквивалентная схема:

Таблица функционирования:

| Входы |  | Вых | оды
А | В | Перенос | Сумма | Перенос
0 | о | 0 | 0 | 0
0 | о | 1 | 1 | 0
о | 1 | о | 1 | о
о | 1 | 1 | 0 | 1
1 | о | о | 1 | о
1 | о | 1 | 0 | 1
1 | 1 | о | 0 | 1
1 | 1 | 1 | 1 | 1

Дешифратор — логическое устройство, имеющее n входов и 2n выходов. Каждой комбинации входного кода соответствует активный уровень на одном из 2n выходов. Данный дешифратор имеет три входа адреса (А, В, С), два разрешающих входа (G1, G2) и 8 выходов (YO... Y7). Номер выхода, имеющего активное состояние, равен числу N, определяемому состоянием адресных входов:

Активным уровнем является уровень логического нуля. Дешифратор работает, если на входе G1 высокий потенциал, а на G2 - низкий. В других случаях все выходы пассивны, то есть имеют уровень логической 1. Таблица функционирования

Входы | Адре сные входы | Выходы
разре шения
G1 | G2 | А | В | С | YO | Y1 | Y2 | Y3 | Y4 | Y5 | Y6 | Y7
х | 1 | X | х | х | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1
0 | 0 | X | х | х | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1
1 | 0 | О | О | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1
1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1
1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1
1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1
1 | 0 | 1 | 0 | о | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1
1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1
1 | 0 | 1 | 1 | о | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1
1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0

Шифратор выполняет операцию, обратную дешифратору. Строго говоря, только один из входов шифратора должен иметь активный уровень. Данный шифратор при наличии на нескольких входах активного состояния активным считает вход со старшим номером. Кроме того, выход дешифратора инверсный, то есть значения разрядов двоичного числа на выходе инвертированы. Если хотя бы один из входов шифратора в активном состоянии, выход GS также будет в активном состоянии, а выход ЕО - в пассивном и наоборот. При пассивном состоянии разрешающего входа Е1 выходы GS также будут пассивными. Активным уровнем, так же, как и у дешифратора, является уровень логического нуля. Таблица функционирования

EI | DO | D1 | D2 | D3 | D4 | D5 | D6 | D7 | А2 | А1 | АО | GS | ЕО
1 | х | х | х | X | X | X | X | X | 1 | 1 | 1 | 1 | 1
0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0
0 | х | х | х | X | X | X | X | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1
о | х | х | х | X | X | X | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1
о | х | х | х | X | X | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1
о | х | х | х | X | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1
о | х | х | х | О | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1
о | х | х | о | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1
о | х | о | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1
о | о | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1

Данное устройство предназначено для управления семисегментным индикатором: Четырехразрядное двоичное число на входе определяет комбинацию логических уровней на выходе дешифратора таким образом, что при подключении к нему семисегментного индикатора на его дисплее отображается символ, соответствующий числу на входе. Для тестирования выходов дешифратора используется вывод LT (lamp testing). Когда на этот вход подан уровень логического 0, на всех выходах - логическая 1 Все выходы дешифратора устанавливаются в 0 при подаче на вход B1 логического 0.

Декодирующий семисегментный индикатор имеет встроенное декодирующее устройство, поэтому при работе с ним не надо использовать данный дешифратор.

Таблица функционирования

D | С | В | А | BI | т | RBI | А | B | C | D | Е | F | G | RBO
0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1
0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | X | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1
о | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | X | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1
о | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | X | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1
о | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | X | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1
о | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | X | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1
о | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | X | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1
о | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | X | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1
1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | X | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1
1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | X | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1
1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | X | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1
1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | X | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1
1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | X | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1
1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | X | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1
1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | X | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1
1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | X | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1
0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0
X | X | X | X | 0 | X | X | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0
X | X | X | X | 1 | 0 | X | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1

Мультиплексор (селектор данных) осуществляет операцию передачи сигнала с выбранного входа на выход. Номер входа равен адресу - двоичному числу, определяемому состоянием адресных входов. Данный мультиплексор имеет 12 входов: восемь из которых - входы данных (DO - D7), три - входы адреса (А, В, С) и один - разрешающий вход (EN). Мультиплексор работает при подаче на вход разрешения логического 0. Выход W является дополнением выхода Y. (W=Y') Таблица функционирования

Входы | Вых оды
С | В | А | EN | Y | W
х | X | х | 1 | 0 | 1
0 | 0 | 0 | 0 | DO | DO'
0 | 0 | 1 | 0 | D1 | D1'
0 | 1 | 0 | о | D2 | D2'
0 | 1 | 1 | о | D3 | D3'
1 | 0 | 0 | о | D4 | D4'
1 | 0 | 1 | о | D5 | D5'
1 | 1 | 0 | о | D6 | D6'
1 | 1 | 1 | о | D7 | D7'

Демультиплексор выполняет операцию, обратную мультиплексору. Он передает данные со входа на тот вывод, номер которого равен адресу. Данное устройство имеет 4 входа и 8 выходов. Входы адреса: А, В, С. Вход данных - G. Если на входе G логическая 1, то на всех выходах - также логическая 1. Таблица функционирования

Входы | Вых оды
G | С | В | А | 00 | 01 | 02 | 03 | 04 | 05 | 06 | 07
0 | о | о | 0 | о | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1
0 | о | о | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1
о | о | 1 | о | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1
о | о | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1
о | 1 | о | о | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1
о | 1 | о | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1
о | 1 | 1 | о | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1
о | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0
х | X | X | х | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1

Триггер - простейший последовательный элемент с двумя состояниями, содержащий элементарную запоминающую ячейку и схему управления, которая изменяет состояние элементарной ячейки. Состояние триггера зависит как от комбинации на входах, так и от предшествующего состояния. Триггерные устройства лежат в основе компьютерной оперативной памяти и используются во множестве последовательных схем. Триггер можно создать из простых логических элементов.

RS-триггер имеет только 2 установочных входа: S (set - установка) - установка выхода Q в 1 и R (reset - сброс) - сброс выхода Q в 0. Для этого триггера является недопустимой одновременная подача команд установки и сброса (R = S = 1), поэтому состояние выхода в этом случае остается неопределенным и, вообще говоря, не описывается. Работа триггера описывается таблицей функционирования'.

Входы | Выходы
Установка S | Сброс R | Q | Q
0 | 0 | Q-1 | Q'-1
0 | 1 | о | 1
1 | 0 | 1 | О
1 | 1 | х | X

«Q — I» - сохраняется предыдущее состояние триггера, «х» - неопределенное состояние.

Отличительной особенностью JK-триггера является наличие двух информационных входов: J и К. Эти входы определяют изменение состояния триггера по фронту импульса на счетном входе, как показано в выделенной части таблицы функционирования. Установочные входы работают как и у RS-триггера. Данный JK-триггер устанавливается единицами, и информация заносится в него по отрицательному фронту импульса на счетном входе. При подаче на входы установки двух единиц одновременно выходы устанавливаются в 1. Таблица функционирования

Входы | Вых оды
Установка Preset | Сброс Clear | J | К | Счет Clock | Q | Q
1 | 1 | х | х | х | 1 | 1
1 | 0 | х | х | х | l | О
0 | 1 | х | х | х | о | 1
0 | 0 | О | О |  | хран ение
0 | 0 | 0 | 1 | i | 0 | 1
0 | 0 | 1 | 0 | i | 1 | 0
0 | 0 | 1 | 1 | 1 | сч ет

стрелка вниз- отрицательный перепад тактового импульса. «х» - неопределенное состояние.

Этот элемент подобен JK-триггеру, описанному выше, за исключением того, что установка триггера производится логическим 0. Таблица функционирования

Входы | Вых оды
Установка Preset | Сброс Clear | J | К | Счет Clock | Q | Q
0 | 0 | X | X | х | 1 | 1
1 | 0 | X | X | X | 0 | 1
о | 1 | X | X | X | 1 | О
1 | 1 | 0 | 0 | i | хран ение
1 | 1 | 0 | 1 | i | 0 | 1
1 | 1 | 1 | 0 | i | 1 | 0
1 | 1 | 1 | 1 | i | сч ет

стрелка вниз - отрицательный перепад тактового импульса. «х» - неопределенное состояние.

Информация со входа D заносится в триггер по положительному перепаду тактового импульса и сохраняется до следующего положительного перепада на счетном входе. Таблица функционирования

Входы | Выходы
Данных D | Счет Clock | Q
0 | Т | 0
1 | Т | 1

Этот триггер подобен D-триггеру, описанному выше, за исключением того, что у него имеется два установочных входа: установка (Preset) и сброс (Clear), работающих как у RS-триггера. Таблица функционирования

Входы | Вых оды
Установка Preset | Сброс Clear | Данных D | Счет Clock | Q | Q'
0 | 1 | х | х | 1 | 1
0 | 0 | х | х | О | 1
1 | X | х | 1 | 1 | 0
1 | 0 | О | Т | 0 | 1
1 | 1 | 1 | Т | 1 | о

«Т» - положительный перепад счетного импульса.

Счетчик - элемент, осуществляющий счет импульсов, подаваемых на его вход. Двоичное число, представляемое состоянием его выходов, по фронту импульса на счетном входе увеличивается на единицу. Описываемое устройство представляет собой четырехразрядный счетчик с двумя входами синхронизации и четырьмя выходами. Чтобы использовать счетчик по максимальной длине счета, генератор тактовых импульсов подключают к входу синхронизации CLKA и соединяют выход QA со входом синхронизации CLKB. Суммирование производится по отрицательному фронту импульса на счетном входе. Для сброса счетчика в 0 на входы R01 и R02 подают уровень логической 1.

Таблица функционирования

Входы | Вых оды
N | Счет | D | С | В | А
0 | стрелка вниз | 0 | о | о | о
1 | стрелка вниз | 0 | о | о | 1
2 | стрелка вниз | 0 | о | 1 | о
3 | стрелка вниз | 0 | о | 1 | 1
4 | стрелка вниз | 0 | 1 | о | о
5 | стрелка вниз | 0 | 1 | о | 1
6 | стрелка вниз | 0 | 1 | 1 | о
7 | стрелка вниз | 0 | 1 | 1 | 1
8 | стрелка вниз | 1 | о | о | о
9 | стрелка вниз | 1 | о | о | 1
10 | стрелка вниз | 1 | о | 1 | о
11 | стрелка вниз | 1 | о | 1 | 1
12 | стрелка вниз | 1 | 1 | о | о
13 | стрелка вниз | 1 | 1 | о | 1
14 | стрелка вниз | 1 | 1 | 1 | о
15 | стрелка вниз | 1 | 1 | 1 | 1

Сброс счетчика:

Входы | Вых оды
R01 | R02 | QD | QC | QB | QA
1 | 1 | 0 | 0 | О | 0
0 | Ч |  | сч ет |
Ч | о |  | сч ет |

Последовательный, сдвиговый регистр - элемент, содержимое выходов которого при подаче тактового импульса может сдвигаться в сторону младших или старших разрядов. Он представляет собой несколько взаимосвязанных триггеров. Описываемый сдвиговый регистр способен обрабатывать данные в одном из следующих режимов: последовательный и параллельный ввод и вывод данных, сдвиг влево, сдвиг вправо. По приходу каждого тактового импульса на вход регистра выполняется операция над данными, определенная состоянием управляющих входов SO и S1. Таблица установки режимов

SO | SI | Операция
о | о | хранение
о | 1 | сдвиг вправо
1 | о | сдвиг влево
1 | 1 | параллельная загрузка

Если на вход сброса (Clear) подать логический 0, то на всех выходах установится уровень логического 0. Таблица функционирования

Входы | Вых оды дан ных
Сброс | Режим | После довате льные | Паралл ельны е
Clear | SI | SO | Clock | Left | Left | А | В | С | D | QA | QB | Qc | QD
0 | X | X | X | х | х | х | х | х | х | 0 | 0 | О | о
1 | X | X | 0 | х | х | х | х | х | х | QAO | QBO | Qco | QDO
1 | 1 | 1 | Т | х | х | а | b | с | d | а | b | с | d
1 | 0 | 1 | т | х | 1 | х | х | х | х | 1 | QAN | QBN | QCN
1 | 0 | 1 | т | х | О | х | х | х | х | 0 | QAN | QBN | QCN
1 | 1 | 0 | т | 1 | х | х | х | х | х | QBN | QCN | QDN | 1
1 | 1 | 0 | т | О | х | х | х | х | х | QBN | QCN | QDN | 0
1 | 0 | 0 | т | х | х | х | х | х | х | QAO | QBO | Qco | QDO

Т - положительный перепад тактового импульса. а, b, с, d - состояния на входах А,В,С или D соответственно. QAO, QBO, QCO, QDO - текущее состояние соответствующих выходов. QAN. QBN, QCN, QDN - предыдущее состояние соответствующих выходов.

Гибридные компоненты

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) осуществляет преобразование цифрового сигнала в аналоговый. Описываемый ЦАП имеет 8 цифровых входов и 2 входа (1+1 и 1-1) для подачи опорного тока Ion. ЦАП формирует на выходе ток Iвых который пропорционален входному числу NBX-Выходной ток определяется по формуле :

где Ion - опорный ток, определяемый последовательно подключенными ко входу Uon+ или Uоп- источником напряжения Uon и сопротивлением R:

Второй выход является дополнением первого. Его ток определяется из выражения:

В Electronics Workbench также имеется ЦАП, который осуществляет преобразование цифрового сигнала в напряжение на выходе. Выходное напряжение определяется по формуле:

где Uon ~ опорное напряжение.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) производит преобразование аналогового напряжения в число. Представленный АЦП переводит аналоговое напряжение Uвх на входе в 8-разрядное двоичное число Nвых по формуле:

где [] - целая часть, Ufs = Uon+ - Uon- - разница напряжений на опорных входах

Таймер - элемент, имеющий цифровой вход и выход. Он характеризуется временем задержки Тd. Изменение состояния на его выходе происходит через время, определяемое временем задержки Тd. 555 таймер - интегральная схема, наиболее часто употребляемая как мультивибратор, одновибратор или управляемый напряжением генератор. Состояние выхода таймера изменяется через время, определяемое внешней времязадающей RC-цепью. Принципиально 555 таймер состоит из двух компараторов, делителя напряжения, триггера и разряжающего транзистора.

Одновибратор вырабатывает импульс фиксированной длительности в ответ на управляющий перепад на его входе. Длина выходного импульса определяется внешней времязадающей RC-цепью.

Установка значений элементов и приборов

Простые аналоговые элементы, такие, как различные источники, конденсаторы, катушки индуктивности, резисторы, имеют один или несколько параметров. Сложные элементы имеют несколько взаимосвязанных параметров, которые вместе формируют модель конкретного элемента. Кроме заземления и соединяющего узла (которые не имеют параметров), все элементы имеют определенные значения параметров, установленные по умолчанию, и которые можно при необходимости изменить. Значения параметров элементов, установленные по умолчанию, приведены ниже в таблице. Для установки значений параметров элемента: • Двойным щелчком мыши по изображению элемента открыть диалоговое окно свойств элемента (это также можно сделать с помощью пункта Preferences меню Circuit, элемент должен при этом быть подсвечен). • В появившемся окне изменить значение параметров элемента. • Установив новые значения, нажать кнопку Accept для подтверждения и возврата к схеме. Для изменения единиц измерения: • Двойным щелчком мыши вызвать диалоговое окно свойств элемента. • При помощи кнопок "стрелка вверх" и "стрелка вниз " изменить единицы измерения. • Установив единицы измерения, нажать Accept. Значения элементов, вводимые по умолчанию

Источник постоянного напряжения (DC) | Параметр измерения | 12В
Источник постоянного напряжения (DC) | Вольт (V) | 12В
Источник постоянного тока (DC) | Ампер (А) | 1А
| Вольт (V) | 1В
Источник переменного | Частота | 1Гц
напряжения (АС) | Фаза | 0 Град
| Ампер (А) | 1А
Источник переменного тока (АС) | Частота | 1Гц
| Фаза | 0 Град
Источник напряжения, управляемый напряжением | Коэффициент пропорциональности (Е) | 1В/В
Источник напряжения, управляемый током | Проводимость (G) | 1/ОМ
Источник тока, управляемый током напряжением | Коэффициент пропорциональности (F) | 1А/А
Источник тока, управляемый | Передаточное сопротивление (Н) | 10м
Резистор | Сопротивление (R) | 10м
Конденсатор | Ёмкость (С) | 1мФ
| Коэффициент отношения витков первичной |
| обмотки к виткам вторичной (п) | 2
Катушки взаимной | Индуктивность рассеивания (Le) | 0. 000001 Гн
индуктивности | Индуктивность намагничивания (Lm) | 0. 0001 Гн
| Сопротивление первичной обмотки (Lp) | 00м
| Сопротивление вторичной обмотки (Ls) | 00м
Реле | Катушка индуктивности (Lc) | 0. 025 Гн
| Ток включения (Ion) | 0. 05 А
Ключ | Ключи-символы | [A-Z]
Временное реле | Начальное время (Ton) Конечное время (Toff) | 0. 5 сек 0 сек
Ключ, управляемый | Напряжение включения (Von) | 1В
напряжением | Напряжение отключения (Voff) | 0В
Ключ, управляемый током | Ток включения (Ion) Ток выключения (loff) | 1А О А
Эл. лампа | Макс. Мощность (Ртах) | 10 Вт
| Макс. Напряжение (Vmax) | 2В
Предохранитель | Макс. Ток (Imax) | 1А