Введение

Уважаемый читатель! Мы рады, что Вы остановили свое внимание на этой книге. Надеемся, что её большой объем не сделал ее слишком дорогой для Вас. Полагаем, что многим из Вас она откроет путь в увлекательный мир экспериментов с электронными схемами на компьютере и будет полезна много лет. Мы попытаемся кратко сформулировать, что стоит за таким объёмом и ценой. Какова цель книги Основная идея книги заключается в иллюстрации возможностей виртуальной электронной лаборатории на персональном компьютере, какой является пакет программ Electronics Workbench. Доступность для российского потребителя как по стоимости, так и по возможности приобретения является необходимым, но недостаточным условием для освоения этого программного продукта. Не менее важной является детальная проработка всех аспектов организации проведения экспериментов и упражнений в конкретной области применения. Именно такая проработка и предложена в книге для задач самой различной проблематики (от простейших электрических цепей до электронных схем). Виртуальная лаборатория открывает для технических учебных заведений широчайшие возможности совершенствования учебного процесса, развития дистанционного обучения и новых методов экспериментального исследования. Книга наглядно иллюстрирует, что на сегодняшний день имеется простой и доступный инструмент для проведения экспериментальных исследований широкого класса электрических и электронных схем, который включает в себя богатейшую библиотеку элементов и измерительных приборов. Известно, что любая идея успешно воплощается в жизнь, если она актуальна, востребована и стратегия её реализации проработана в деталях и самодостаточна. Авторы старались сделать предлагаемую книгу именно такой. Всё, что необходимо иметь читателю для успешной работы в виртуальной лаборатории, это компьютер, программа Electronics Workbench 4.0 и эта книга. Чем может быть полезна книга Для того чтобы научиться ездить на машине, недостаточно изучить органы её управления, необходимо обратиться к инструктору по вождению. Последний существенно сократит Вам время на освоение автомобиля и получение необходимых навыков вождения. При этом опыт и уверенность в этом деле приобретается с помощью отработки соответствующих приёмов вождения на практике. Этот путь очевиден всем. Предлагаемая Вашему вниманию книга, по существу, выполняет роль такого инструктора в области экспериментального исследования электронных схем на персональном компьютере с помощью программы Electronics Workbench 4.0. Вы можете задать естественный вопрос: "Зачем нужен инструктор, если за 20 минут, как это было отмечено выше, любой пользователь компьютера сможет научиться работать с программой?" Ответ на этот вопрос достаточно прост. В этом нет никакого противоречия. Любой человек теоретически представляет как нужно управлять автомобилем, но на практике сделать это не сможет. После первой же попытки он понимает, что у него ничего не получается.

С аналогичной ситуацией мы сталкивались при использовании программы Electronics Workbench для экспериментального исследования схем. Не было ни одного человека, которому бы она с первого взгляда не нравилась. Однако после первой же попытки её использовать у большинства из них возникали трудности в получении правильного результата. После этого у человека возникает естественное желание сказать, что программа не в состоянии решать даже простые задачи и она ему не подходит. На самом деле это не так. Программа предполагает овладение необходимыми правилами и приёмами работы с ней, прежде чем она станет искусным инструментом в Ваших руках. Это и явилось одной из причин для написании этой книги. В ней на примерах более 1000 схем из различных разделов теории цепей и электроники показаны возможности этого инструмента для проведения анализа на постоянном, переменном токе, в частотной и временной областях. Книга принципиально решает три задачи: 1. Привести краткие теоретические сведения, с помощью которых можно исследовать представленные схемы аналитическими методами. После такого теоретического анализа читатель должен представлять себе картину процессов в рассматриваемых схемах. 2 Раскрыть методику проведения экспериментальных исследований, в которой используются широкие потенциальные возможности всего многообразия инструментальных средств и библиотек элементов программы Electronics Workbench. Читатель при этом получает возможность понять и представить весь арсенал методов планирования и проведения экспериментов в схемах, построенных на базе имеющихся в программе моделей идеальных и реальных элементов. 3. Представить схемы для самостоятельных исследований с уже отлаженными установками в качестве исходного материала для решения самых различных задач. При этом преследуются две цели: во-первых, показать широкий арсенал неочевидных приемов, которыми читатель может воспользоваться на практике; во-вторых, путем подбора схем и параметров их элементов обеспечить получение результата за короткое время (обычно не более 5 минут). Для этого все приведённые в книге схемы тщательно проверены, их моделирование даёт результат, адекватный теоретическому анализу. Для экономии объёма книги многие задачи не приведены в самой книге, а помещены на прилагаемых к книге дискетах. Таким образом, книгу можно рассматривать как практическое руководство по исследованию электронных схем на компьютере с помощью программы Electronics Workbench. На кого рассчитана книга При написании книги авторы ставили целью сделать её по содержанию и форме изложения материала интересной и доступной максимально широкой читательской аудитории. Книга рассчитана на студентов учебных заведений, изучающих теорию цепей, радиоэлектронику, основы цифровой техники. Мы надеемся, что обширный набор задач и некоторые методические находки сделают книгу полезной и преподавателям этих дисциплин. Она будет несомненно полезна также инженерам, связанным с разработкой и исследованием процессов в электротехнических и электронных устройствах различного назначения. В библиотеку элементов программы входят SPICE модели большого числа полупроводниковых элементов различных фирм производителей. Это позволяет максимально приблизить процесс исследования к реальности.

Наличие современного приборного парка в программе предоставляет в распоряжение пользователя уникальные возможности для планирования и проведения широкого спектра экспериментов: от простейших опытов до исследования реальных устройств. Такой инструмент является идеальным средством для обучения, так как позволяет снять практически все ограничения, касающиеся элементной базы и приборного парка. Снимаются, кроме того, и все проблемы, связанные с возможностью некорректных действий экспериментатора. Такой подход предполагает индивидуализацию процесса обучения и выход его за рамки привычных учебных лабораторий. При условии доступа к компьютеру пользователь может обучаться в любом месте и в любое время. В этом мы видим наибольшую привлекательность и видимый эффект от использования этой книги. Мы надеемся также, что материал книги достаточно хорошо проработан методически, что позволяет студентам и инженерам использовать его для самостоятельной работы при анализе и исследовании электрических и электронных схем. Простота и доступность инструмента позволяет использовать его даже в школьных курсах при изучении раздела электричества. Структура книги Книга состоит из двух томов, взаимосвязанных по структуре и стилю изложения материала, но построенных таким образом, что могут использоваться независимо. Первый том "Электротехника" состоит из 8 глав и двух приложений. Первая глава описывает программу Electronics Workbench и методику работы с ней. Главы со 2 по 8 включительно посвящены различным темам теории цепей. В них проводятся исследования электрических цепей на постоянном и переменном токе, резонансных явлений и переходных процессов. В приложении 1 на конкретных примерах рассматривается методика проведения измерений. При этом используются некоторые нестандартные приемы, разработанные авторами в процессе обучения студентов. В приложении 2 описана простая, но довольно удобная программа комплексного калькулятора, которую можно использовать при расчете различных схем (в особенности при гармонических воздействиях). В книге приводятся примеры расчета с использованием этой программы. Второй том "Электроника" состоит из шести глав, с 9 по 14. Эти главы посвящены анализу процессов в аналоговых и цифровых схемах, построенных на полупроводниковых приборах (диодах, транзисторах, операционных усилителях, логических элементах и интегральных схемах). Каждая глава книги состоит из двух разделов: "Эксперименты" и "Упражнения". В разделе "Эксперименты" на конкретных примерах показана методика организации и проведения экспериментов при исследовании схем. В заключении раздела приводится форма для записи результатов экспериментов и теоретических расчётов, облегчающая последующий их анализ. Контрольные вопросы, завершающие этот раздел, ориентируют читателя на осознание целей экспериментов и их направленности. В разделе "Упражнения" читателю предлагается закрепить пройденный материал путём анализа процессов в конкретных схемах и их экспериментального исследования на Electronics Workbench. Для более ясного представления о планировании экспериментов и методах решения задач в раздел включены методические указания по расчёту и исследованию схем. В них подробно рассматривается типовые примеры анализа схем и их исследования.

Весьма существенную часть книги составляет комплекс задач для самостоятельного исследования. Все многообразие задач подготовлено и проверено при помощи Electronics Workbench. В большинстве задач схемы содержат уже подключенные к тестовым точкам приборы, а опции моделирования установлены таким образом, чтобы получить корректный результат. Задачи в электронном виде содержатся на прилагаемых к книге дискетах, а также размещены на сайте издательского дома "Додэка" (www.dodeca.ru ) и открыты для свободного доступа. Если доступ к сети Internet вызывает у Вас затруднения, можно приобрести эти задачи на дискетах вместе с книгой или заказать их в издательском доме. Приведенные в книге задачи охватывают, конечно, лишь небольшую часть относительно простых электронных устройств. Издательский дом "Додэка" считает перспективным изучение электронной техники с помощью программы Electronics Workbench и планирует выпуск серии книг, посвященных таким курсам электронной техники, как вторичные источники питания, радиотехнические схемы, системы автоматического регулирования и ряду других. При этом настоящее руководство является исходным для изучения последующих курсов. Как работать с книгой Как в разделе "Эксперименты", так и в разделе "Упражнения" предлагается решать задачи по единой методике, заключающейся в теоретическом исследовании и последующей его экспериментальной проверке. Разница заключается только в следующем. В разделе "Эксперименты" задачи относительно просты, и для их решения достаточно изучить теоретические основы по данной теме. При этом читателю должны помочь постановка задачи и форма для представления результатов в разделе "Результаты экспериментов". В разделе "Упражнения" задачи сложнее, но их решение становится возможным для читателя, получившего некоторые навыки после решения задач из раздела "Эксперименты". Помочь в решении более сложных задач должны примеры решения, приведенные в методических указаниях к разделу "Упражнения". Для решения задач из обоих разделов необходимо проводить стандартную последовательность действий: ознакомиться с условием задачи, провести теоретический расчет и экспериментально подтвердить его результаты. Рассмотрим на примере конкретной задачи с3_001, как проводится каждый из этих шагов.

1. Как ознакомиться с условием задачи. Условия задач раздела "Эксперименты", а также типовых задач и задач, приведенных в методических указаниях раздела "Упражнения", вы можете прочитать в книге. Это облегчает просмотр имеющихся задач и выбор той, которая интересует Вас в данный момент. Кроме того, условия указанных задач дублированы на дискетах, прилагаемых к книге с тем, чтобы можно было просматривать условие задачи во время решения на дисплее в многооконном режиме. Для той части задач, которые помещены только на дискете, просмотр на дисплее является единственным способом ознакомления с условиями. Таким образом, каждой задаче соответствует каталог (в рассматриваемом случае это каталог С3_001) на прилагаемой к книге дискете, содержащий два файла: один из них — файл Electronics Workbench с расширением *.са4 для проведения экспериментального исследования, второй — текстовый файл, содержащий условие задачи. В большинстве случаев, когда условие не требует рисунка — это файл программы комплексного калькулятора *.сс, который сразу может использоваться и для текущих вычислений. В тех случаях, когда рисунок все же необходим, текст вместе с рисунком приводится в файле *.doc редактора WordPad, имеющего-

ся в стандартных программах набора Microsoft Office. Имя файла содержит номер главы (3 в нашем примере) и номер файла после разделителя _. Рассматриваемой задаче, приведенной на рис. 3.1 в главе 3 соответствует файл с3_001.сс в каталоге С3_001 на дискете.

2. Как провести теоретический расчет. Второй шаг в проведении исследования заключается в попытке теоретически предвидеть результат эксперимента. Для этого необходимо рассчитать ряд величин, которые будут в дальнейшем получены в результате измерений. Помочь в таком расчете в простейших задачах Вам может материал, приведенный в разделе "Краткие сведения из теории". Если возникают трудности, то полезно ознакомиться с методическими указаниями к разделу "Упражнения", даже если вы занимаетесь решением задач раздела "Эксперименты". При решении сложных задач из раздела "Упражнения" Вы должны будете обратиться к соответствующим учебникам и задачникам. В рассматриваемом нами примере задачи с3_001 расчет может быть проведен на комплексном калькуляторе при помощи файла с3_001.сс, в котором записано условие. Вы можете сразу начать записывать ход решения в файле СС (рис. В1) уже со следующей свободной строки. Как это сделать, рассмотрено в методических указаниях к разделу 3.2. Результаты расчета можно записывать в окошках и таблицах, предусмотренных для этого в разделе "Результаты экспериментов". В нашем примере в этом разделе имеется следующая заготовка:

Эксперимент 1. Замена последовательного соединения резисторов. Сопротивление R1 2 Ома Сопротивление R2 3 Ома

Записав в комплексном калькуляторе строку: RE==R1+R2, можно прочитать на соответствующем табло ответ 5 и занести его в графу

Конечно, для расчетов Вы можете использовать и любую другую программу (например, MathCad, Matlab, Excel и тому подобные).

3. Как провести эксперимент. Для проведения эксперимента необходимо открыть второй файл каталога С3_001 - с3_001.са4. Обычно в файле содержится уже собранная схема, необходимые приборы подключены и соответственно настроены. Несмотря на большой соблазн предоставить возможность самостоятельно решить и эту часть задачи, мы посчитали, что лучше предоставить конкретные примеры корректно работающих схем и подключения к ним приборов, используя которые можно решать встречающиеся на практике задачи.

Далее в Вашу задачу входит измерение величин и сравнение их с полученными ранее расчетными значениями. Лучше всего это осуществить в многооконном режиме, не закрывая окно с файлом расчета с3_001.сс (рис. В1). Для нашего примера необходимо включить мультиметр и измерить сопротивление. Вы можете считать показания с табло мультимет-ра и убедиться, что он показывает те же 5 Ом, что и программа расчета. Результат записывается в графу раздела "Результаты экспериментов". Методика измерения различных величин в более сложных задачах изложена частично в главе 1, посвященной описанию программы Electronics Workbench, частично в приложении 1, где методика измерений рассматривается на конкретных примерах.

4. Как работать с дискетой, прилагаемой к книге. Файлы на дискетах, прилагаемых к книге, находятся в самораспаковывающемся архивном файле disketa.exe. После запуска распаковки архива программа запросит путь и имя каталога, в который будут помещены файлы из архива. Если каталога с указанным именем не существует, то программа создаст его. После распаковки каталог будет иметь следующую структуру: в корне каталога будут находиться подкаталоги, имена которых будут соответствовать главам книги (например, подкаталог с именем СЗ соответствует главе 3, подкаталог с именем С11 — главе 11 и т.д.). Каждый из этих подкаталогов также разбит на каталоги, имена которых соответствуют именам файлов, которые в нем содержатся (например, каталог С3_001 содержит файлы с3_001.са4 и с3_001.сс). Кроме того, в подкаталоге Comcal будет находиться программа комплексного калькулятора, а в подкаталоге Models — недостающие библиотеки элементов, необходимые для моделирования некоторых задач. Если Вы работаете с операционной системой Windows' 95 или с её последующими версиями, то удобно будет связать расширение файла с соответствующей программой. Для этого дважды щелкните на значке файла. Если данный файл не связан ни с одной программой, то откроется окно, в котором нужно указать программу, с помощью которой нужно будет открывать этот файл. Программу можно будет выбрать из списка, но если нужной программы в списке нет, нажмите кнопку "Другая". При этом откроется другое окно, в ко тором нужно найти файл программы (Wewb4.exe или файл сс.ехе), пользуясь обычной процедурой поиска файлов, после этого нажать кнопку "Открыть". После проведения этой процедуры вы можете подготовить рабочее поле на экране следующим образом. Откройте Проводник и войдите в каталог (например, С3_001). Щелкните дважды на значке с3_001.са4. После этого на экране появится рабочее поле Electronics Workbench. Если средняя кнопка в правом верхнем углу окна имеет вид , то оставьте текущее состояние, если же кнопка имеет вид , щелкните на ней левой кнопкой мыши. При этом окно Electronics Workbench займет лишь часть экрана, предоставив Вам возможность одновременно вывести текст задачи и проводить расчеты в программе Comcal. После этого вернитесь в Проводник и дважды щелкните мышью на значке с3_001.сс. Появится уменьшенное рабочее поле программы Comcal, в котором Вы сможете прочесть текст задачи и начать необходимые вычисления. Отрегулируйте теперь размер и положение окон таким образом, чтобы одновременно видеть оба окна (рис. В1). На рис. В1 активным является окно Electronics Workbench (оно подсвечено на панели задач). Для того чтобы активным сделать окно Comcal, можно щелкнуть мышкой в любом месте этого окна или на его значке на панели задач. й- Значки в тексте книги. Отметим еще, что в тексте книги встречаются два значка И Первый из них употребляется для примечаний, встречающихся в тексте, второй — для небольших примеров, иллюстрирующих излагаемый материал. Желаем Вам успехов в увлекательном и бескрайнем море экспериментов с электронными схемами!