Глава 2. Программы и схемы

Пришло время рассказать о том, как пользоваться программами, о которых речь шла выше. Полный рассказ о программах займет слишком много места, но многое в рассказе можно опустить, если вы работали хотя бы с одной программой на компьютере. Многого о программах я не знаю сам. О некоторых возможностях программ, я думаю, не подозревают и их создатели. Поэтому задача этой главы дать представление о том, как начать делать что-то полезное, используя эти программы. Каждая из программ САПР (EDA) может иметь свою специализацию и лучше выполнять основные задачи, для которых предназначалась, а чем она универсальнее, тем сложнее может быть работа с ней. Так программа PSIM (www.powersimtech.com) предназначена к анализу силовых преобразовательных устройств и систем. В этом ее специфика, это она делает лучше, чем другие программы, но, видимо, есть то, что она не делает или делает не лучшим образом. Начать работу с ней можно почти сразу, а по мере накопления опыта можно решать все более и более сложные задачи. Программа Qucs, имя которой дает аббревиатура английского названия – почти идеальный симулятор цепей – хорошо работает в широком диапазоне интересов радиолюбителей, но не захватывает работу с микроконтроллерами. Программа KTechlab позволяет проверить аналоговые и цифровые схемы и создать программу для микроконтроллера. Однако в ней трудно исследовать детали многих процессов, легко поддающихся исследованию в других программах. Вообще, выбор удобной программы для решения своих задач, это еще одна область любительских опытов, интересных, с одной стороны, без привязки к собственно электронике, а, с другой стороны, обогащающих знаниями по предмету. В отличие от формального тестирования программ, которое больше ориентировано на проверку руководства к программе, на соответствие технического задания реализации проекта, исследование возможностей программы по реализации твоих собственных интересов предполагает выбор конкретных схем, выбор конкретных вопросов, на которые хотелось бы получить ответы, продумывания такой модификации схемы, которая наиболее ярко подчеркивала бы суть задачи, а это, как «ни крути», прямой путь к пониманию существа работы схемы со всеми сопутствующими деталями этой работы. Полезное и нужное в практике, при правильном подходе оно доставляет и удовольствие, которого мы всегда ждем от предмета своего увлечения.

PSIM в Linux

Я не люблю пересказывать только назначение разделов меню программы или диалогов настроек, не потому, что это не интересно или бесполезно, нет, но для этого есть руководство пользователя, которое написано либо автором программы, либо в тесном контакте с автором, который лучше других знает программу. Поэтому, рассказывая о программах, я постараюсь продолжить рассказ об электронике. Тем более, что о программе Qucs я рассказывал в книге «Наглядная электроника», сама программа имеет встроенное руководство по быстрому началу работы с ней (на русском языке) в разделе Справка основного меню, а на моем сайте есть конспект книги об этой программе. А PSIM, если учитывать ее специализацию, и тот факт, что это коммерческая программа, при покупке будет снабжена всеми необходимыми примерами и описаниями. Демонстрационная версия, которую я использую, в силу своего назначения обязательно должна иметь ограничения, выявление свойств которых отдельная задача, требующая приложения сил. В простых случаях эти ограничения могут остаться не замеченными, в более сложных затруднить понимание происходящего. В этом отношении я отдаю предпочтение покупке программы, если могу себе это позволить, либо использование программ некоммерческих или программ, доступных мне по цене.

Эту главу я начинаю с рассказа о программе PSIM, но ставлю задачу рассказать об электрических схемах. Схема, это то, с чем любителю придется сталкиваться очень часто.

Сущность любой электрической схемы проста – в наиболее компактной форме передать как можно больше информации о работе электрического устройства. Любая схема, как правило, некоторое графическое представление процесса или устройства. Математические формулы, например, в этом смысле можно отнести к схемам, где каждому элементу математической схемы дается свое графическое представление, а процесс описывается с помощью графических изображений операций над элементами схемы. Как и электрическую схему, математическую можно описать обычными словами. Но и электрическая схема, и математическое выражение, описанные обычными словами, сложнее воспринимаются, чем графика. И хотя к любой электрической схеме желательно иметь описание работы устройства, сделать такое описание, ссылаясь на схему, гораздо проще, чем без нее.

Как и программы, электрические схемы имеют некоторую специализацию. Радио схема может сильно отличаться от схемы электропроводки в доме. Кроме специализации графические различия возникают в силу отсутствия единых стандартов во всем мире, в силу того, что стандарты меняются со временем, да и в силу того, что стандарты часто носят рекомендательный характер, не обязательный к применению. Пример разного графического изображения на электрических схемах таких широко распространенных элементов, как резистор и конденсатор, можно обнаружить в любой программе САПР (EDA), достаточно взглянуть на резистор программы PSIM, изображенный в виде ломаной линии, и резистор программы Qucs – прямоугольник, или полистать отечественные схемы за разные годы, где иногда первое обозначение относилось к проволочным резисторам, а второе, положим, к объемным. Однако эти различия несколько скрадываются буквенным обозначением «R» и пояснениями в тексте, описывающем работу схемы. Могут быть отличия в рисунке конденсатора, одна из пластин которого может изображаться в виде дуги, но и здесь буквенное обозначение остается «C». В разные годы электролитические конденсаторы (конденсаторы большой емкости, выполненные с применением электролитов) в нашей стране изображались так, что одна из пластин, положительного вывода, а электролитические конденсаторы полярные, то есть, им не все равно, к какому из полюсов батарейки они подключены, была контурной, потом обе пластины стали изображать сплошными, а у положительной ставить плюс. А уж микросхемы могут иметь и еще больше вариантов графического представления и буквенного обозначения. Но, несмотря на это, схема, даже с отличиями в графике, дает возможность быстро понять очень многое, достаточно некоторого опыта в чтении этих схем.

Напомню те элементы любой схемы, которые упоминались выше: источник питания (батарейка), сопротивление, конденсатор, индуктивность, диод, транзистор, проводник. Я затрудняюсь определить, какое количество схем, сотни, тысячи или сотни тысяч, можно изобразить, используя только эти элементы. Что делают эти элементы в схемах?

Есть много полезных схем, построенных только на пассивных элементах: сопротивление, конденсатор, индуктивность. Это могут быть разного рода делители напряжения постоянного и переменного тока, это могут быть разные фильтры, а если обратиться к электротехнике, то лампы накаливания (своеобразные сопротивления) по сегодняшний день освещают наши дома. А источник питания есть в любой схеме, имеющей активные компоненты.

Делители напряжения чаще применяются в схемах измерения и используются при регулировании напряжения. Самым простым представителем делителя напряжения является композиция из двух последовательно включенных резисторов. Как они работают рассмотрим в программе PSIM, работу с которой начнем тоже с самого начала.

Для пользователей операционной системы Windows установка программы сводится к двойному щелчку мышкой по файлу setup с последующими подтверждениями согласия с лицензией, с местом расположения программы и с созданием ярлычков запуска программы. Пользователи Linux предварительно должны установить, если это не сделано, программу Wine. Это эмулятор работы Windows программ, создание которой, если я не ошибаюсь, ставило своей задачей поддержать работу компьютерных игр, написанных для Windows, в среде Linux. Поэтому далеко не все программы операционной системы Windows работают с эмулятором. Но те, что работают, работают достаточно хорошо, чтобы не делать особой разницы между ними и программами, созданными для работы с Linux.

На моем компьютере установлены две ОС Linux, в одной программа работает, а во второй нет даже программы Wine. Чтобы подробнее описать работу с PSIM, я хочу перейти в этом месте к дистрибутиву Ubuntu, установить (его пока нет) эмулятор Wine, установить программу PSIM, и описать с ее помощью работу делителя напряжения. Перезагружаюсь!..

Вот я и в Ubuntu, дистрибутиве, который в силу моего любопытства в данный момент находится в тестовом виде, то есть, все программы могут работать с ошибками. Но мне было интересно взглянуть на будущий дистрибутив, и я установил тестовую версию. Надеюсь, это не помешает выполнить задуманное.

В дистрибутиве Ubuntu для установки программ можно воспользоваться двумя средствами, одно из которых – это штатная программа установки и удаления программ, расположенная в разделе Приложения основного меню.





Рис. 2.1. Программа установки/удаления программ в среде Gnome

Попробую воспользоваться этой программой для установки Wine. После первого запуска и попытки найти приложение пришлось расширить поиск, изменив параметр поиска в окне Показать, что в верхней части программы установки приложений. Если бы поиск не увенчался успехом, я мог бы использовать вторую возможность – менеджер пакетов Synaptic. Но пока этого не требуется, все нашлось, и достаточно отметить Wine в окне найденных программ, чтобы эмулятор был установлен. Конечно, я использую подключение к Интернету, иначе это было бы сложнее сделать, поскольку дистрибутив Ubuntu имеет минимальный размер, что подразумевает минимальное количество приложений. Есть все необходимое, но ничего сверх того.




Рис. 2.2. Установка приложения Wine в дистрибутиве Ubuntu

Как можно видеть в окне диалога установки приложений, в левой его части, дистрибутив позволяет обратиться к десятку разделов, каждый из которых выводит в левой части множество доступных для установки программ. Если нужная программа не находится, а ее можно поискать вводом имени программы в окно Поиск, то можно использовать менеджер пакетов. Установка приложения Wine заняла несколько минут. Гораздо больше времени у меня уходит на поиски архивированной версии PSIM (psim7.1.1_demo.zip) на моем компьютере. Остается скопировать пакет на рабочий стол и распаковать его, с чем вполне справляется штатная программа работы с архиваторами Linux. Далее установка может происходить с некоторыми отличиями в разных случаях. В Fedora 7 достаточно было, если я ничего не путаю, дважды щелкнуть мышкой по полученному после распаковки файлу Setup.exe. Но это, видимо, связано с тем, что я уже проделал запуск конфигурации Wine, о котором сейчас забыл. После запуска конфигурации Wine Configuration, расположившейся в разделе Система-Параметры основного меню оболочки Gnome, в диалоговом окне которой я выбираю Windows XP в качестве прототипа, в моей домашней папке появляется скрытый файл .Wine (файл или папка с предшествующей точкой). Чтобы его увидеть в домашней папке, в менеджере файлов Nautilus следует установить опцию Показывать скрытые файлы в разделе Вид основного меню. Можно еще попробовать перезагрузить систему, что мне совсем не хочется делать, но для чистоты эксперимента я это сделаю.

Увы, перезагрузка системы не помогла, пойдем другим путем. Откроем скрытую папку .Wine в домашнем каталоге, и поместим программу Setup.exe в раздел drive_c (он автоматически создан программой Wine), процедура не обязательная, но так удобнее. Теперь открываем основное меню оболочки Gnome в разделе Приложения-Стандартные (в разных дистрибутивах это может находится в разных разделах, но меню можно изменить вручную), находим Wine File и запускаем эту программу, которая есть не что иное, как менеджер файлов Windows.





















Рис. 2.3. Менеджер файлов Windows в оболочке Gnome операционной системы Linux

Щелкая привычным (и в Windows, и в Linix) образом мышкой по диску C:, находим файл Setup.exe, который теперь запускается на установку двойным щелчком по нему. Я так давно не пользовался Windows, что не помню, вид менеджера файлов рис. 2.3 в этой операционной системе соответствует какой ее версии. Возможно, Windows 95, или более ранней? Но это не суть важно – папки открываются как обычно, переход на уровень вверх с помощью стрелки над папками или с помощью «дерева папок» в левом окне позволяет найти все необходимое.




Рис. 2.4. Установка программы Windows в среде Linux

Запустив установку, остается только щелкать по клавишам Next>, Yes и OK, что я делаю настолько быстро, что умудряюсь прозевать сообщение о не найденной при установке программе. Можно попытаться переустановить программу, можно почитать документацию, но попробую разобраться с этим позже.

После установки программы в подразделе Прочие раздела Приложения основного меню Gnome появляется раздел запуска программы PSIM. Запуск не отличается чем-то особенным от запуска других программ, да и вид рабочего окна программы я не стал бы определять, как особенный. Без чтения документации самое простое и очевидное начало работы – это либо с помощью основного меню в разделе File выбрать New, либо сделать то же с помощью инструментальной панели меню, нажав крайнюю слева кнопку с иконкой чистого листа.

С появлением рабочей области в нижней части окна появляется второе инструментальное меню, относящееся к компонентам программы. Их можно использовать, нажимая соответствующие клавиши с помощью левой клавиши мышки, затем перемещая мышкой курсор на рабочее поле схемы, где повторный щелчок мышки оставляет нужный компонент. Возможно многократное размещение этого компонента повторным нажатием левой клавиши мышки. Если повторное размещение компонента не нужно, можно нажать клавишу Esc на клавиатуре. Нажатием правой клавиши мышки, при перемещении курсора с «привязанным» к нему компонентом по рабочему полю, можно повернуть компонент – каждое нажатие поворачивает его на 90 градусов.

Гораздо больше схемных элементов, чем на инструментальной панели, можно найти, если воспользоваться разделом Elements основного меню. Выпадающее меню содержит много разделов, имеющих собственные подменю, и все необходимые компоненты для работы с силовой электроникой.

Я всегда считал, и остаюсь при своем мнении, что создавая собственную схему (или рисуя схему), следует располагать элементы схемы таким образом, чтобы схема была удобна в работе именно вам. Это позже можно задуматься о более плотном размещении всего в рабочем поле чертежа, а начинать работу лучше с максимальным для себя комфортом. Конечно, если конечной целью вашей деятельности будет переход к профессиональной работе, то следует сразу приобретать профессиональные привычки, о которых лучше всего узнать у профессионалов в той области, которая вас привлекает. Вместе с тем я уверен, то, как рисовать схемы, вы освоите гораздо быстрее, чем поймете работу самих устройств, а, значит, не будет большой беды, если для понимания электроники вы будете рисовать такие схемы, с которыми вам легче работать.

Итак, я говорил о делителе напряжения, который мы изобразим в только что установленной программе PSIM.




















Рис. 2.5. Делитель напряжения, размещение элементов схемы

В программе PSIM после размещения элементов они остаются не обозначенными, пока вы не установите, что должно быть обозначено на схеме. Но, прежде чем ввести обозначения, можно соединить элементы схемы. Для этого следует воспользоваться подразделом Wire раздела Edit основного меню. А можно использовать верхнее инструментальное меню, где нажать клавишу, которая будет нажата на рисунке ниже, иконка на ней похожа на карандаш, а соединение проводится с помощью мышки. Нажав на левую клавишу мышки в месте, обозначенном кружочком, у одного конца элемента, следует провести линию к кружочку у конца другого элемента, где левую клавишу мышки отпустить. Останется линия соединения двух элементов схемы, соответствующая проводнику в реальной схеме.






















Рис. 2.6. Проведение соединений в программе PSIM

Теперь можно задать величину, скажем, напряжения источника питания и величину сопротивления резисторов. Для этого вначале нажмем на клавишу Esc на клавиатуре или на клавишу инструментального меню правее клавиши соединений с иконкой в виде стрелки. Курсор приобретает обычный вид, а мы переходим к режиму выбора в редакторе программы. Теперь, если щелкнуть правой клавишей мышки, когда курсор находится над выбранным нами компонентом, то появится выпадающее меню, в котором есть раздел Attributes. В этом месте тех, кто работает в Linux, я хочу предупредить – у меня, когда курсор смещается чуть ниже на следующий раздел выпадающего меню, программа зависает, некоторое время остается зависшей, а затем пропадает. Я стараюсь почаще сохранять сделанную работу, а при задании параметров элементов аккуратнее управлять курсором, чтобы не попадать на «заминированный» участок меню. Вина ли в этом зависании программы Wine, или причина иная, не знаю. Я не собираюсь долго работать с программой, которая предназначена для другой операционной системы, а если задержусь с расставанием, то потерплю некоторые неудобства. Итак, выпадающее меню.

В выпадающем меню следует щелкнуть по разделу Attributes, чтобы попасть в диалоговое окно задания этих атрибутов элемента электрической схемы.




















Рис. 2.7. Выпадающее меню, позволяющее задать параметры элементов схемы

Может быть, удобнее даже использовать для этого не выпадающее меню, а соответствующий подраздел раздела Edit основного меню, там ошибиться и «подвесить» программу труднее. Это как вы найдете удобней для вас, но использовав любой из вариантов, вы открываете диалоговое окно задания параметров.



Рис. 2.8. Диалоговое окно задания атрибутов источника питания

В окнах Name и Amplitude для источника питания можно задать, соответственно, имя источника питания, а в окошках под надписью Display установить галочки для тех параметров, которые должны отображаться на схеме. Они появляются сразу. Задав все необходимое, можно закрыть диалоговое окно обычным образом.

Завершив все соединения, обозначив все элементы схемы и задав их величину, можно начать симуляцию либо с помощью инструментального меню, либо через основное меню (Simulate-Run Simulation). Процесс симуляции отображается в нижней части основного окна на панели состояния в виде обычной шкалы прогресса, как при загрузке файлов или сохранении файлов, а по завершении у меня в левом верхнем углу рабочего окна появляется почти полностью свернутый обозреватель результатов (SimView). Его окно можно «растащить» с помощью мышки, как любое окно, и просмотреть результаты симуляции в обозревателе. Для этого следует открыть файл данных симуляции с расширением .smv, который создается в той же папке, где сохранена схема с расширением .sch. Открывается файл, как и любой файл, в основном меню в разделе File обозревателя, либо клавишей с иконкой открытой папки инструментального меню. Открывается файл не сразу, вначале вы попадаете в диалоговое окно выбора файла, где перемещаетесь обычным образом, как при работе с любой программой при открывании файла, а после выбора файла вы попадете в меню выбора функции, которую следует отобразить.












Рис. 2.9. Диалоговое окно выбора функции, отображающей результаты симуляции

В данном случае есть два измерительных прибора – вольтметры VP1 и VP2. Щелкнув по первому из них, а затем по клавишам Add -> и OK, можно получить результаты измерений первым вольтметром. А повторив всю процедуру для другого вольтметра, получить результаты измерения вторым вольтметром. Оба графика располагаются в окне обозревателя удобным образом, если перетащить их или воспользоваться средствами раздела Window основного меню, позволяющими расположить окна каскадом или «черепицей», возможность присутствующая, практически, в любом редакторе.


















Рис. 2.10. Результаты измерений в окне обозревателя

Как и следовало ожидать, а мы уже знаем законы Ома и Кирхгофа, ЭДС источника поровну распределяется в виде падения напряжения на двух резисторах равной величины. То есть, 10 вольт источника питания делятся на два напряжения по 5 вольт.

Если резисторы имеют разное сопротивление, то можно, прибегнув к расчетам, определить эти два напряжения. В первую очередь определим общее сопротивление цепи, сложив сопротивление резисторов R1 и R2. Разделим ЭДС на это сопротивление, получив ток, протекающий в цепи, а затем умножим этот ток на величину сопротивления R1, получив напряжение на нем, затем на величину R2 для получения второго напряжения.

Есть и другая возможность увидеть эти результаты – не использовать обозреватель, а воспользоваться основным меню программы, где в разделе Simulate есть подраздел Runtime Graphs, открывающий подменю всех полученных функции при симуляции. В этом случае окно программы выглядит так:




















Рис. 2.11. Вывод результатов измерений в основном окне программы

В измерительных схемах делитель напряжения применяют для расширения пределов измерений. Самый простой вид решение этой задачи будет иметь при делении напряжения на 10. Положим для определенности, что вольтметр имеет предел измерения 1 В, и что мы хотим иметь три предела: 1 В, 10 В и 100 В, а сопротивление вольтметра 100 кОм.

На схеме ниже я вместо переключения пределов нарисую три вольтметра. Источник питания возьмем 100 В, а делитель напряжения построим из резисторов R1-R3. Когда измеряемое напряжение минимально, то есть, 1 В, вольтметр (VP1) включен параллельно делителю напряжения. Чтобы схема измерения не слишком ухудшала параметры вольтметра, желательно иметь результирующее сопротивление, определяемое параллельным включением сопротивления вольтметра и делителя, как можно больше. Но на следующем пределе измерения, 10 В, вольтметр (VP2) оказывается включен параллельно сопротивлениям R2-R3 и последовательно с резистором R1. Чтобы в этом случае не проводить сложных вычислений, возьмем суммарное сопротивление резисторов R2 и R3 на порядок меньше сопротивления вольтметра, тогда влияние сопротивления вольтметра на делитель напряжения будет приемлемым. Таким образом, выберем суммарное сопротивление резисторов R2 и R3 равным 10 кОм.
















Рис. 2.12. Делитель напряжения для трех пределов измерения

Определить все значения сопротивлений делителя, если не учитывать влияние сопротивления вольтметра, можно так: суммарное сопротивление резисторов R2 и R3, как мы решили, 10 кОм, а напряжение на них 10 В, в этом случае через них протекает ток 1 мА. При токе в 1 мА на сопротивлении R3 должно быть падение напряжения 1 В, что дает сопротивление 1 кОм. Значит сопротивление R2=10 кОм – 1 кОм, то есть, 9 кОм. А сопротивление R1 при общем сопротивлении делителя 100 кОм определится разностью R1=100 кОм -10 кОм = 90 кОм. Именно такие значения сопротивления я использовал в схеме рис. 2.12. Методику расчета делителя напряжения для расширения пределов измерений вольтметра я советую вам посмотреть в учебнике или книге, посвященной измерениям, а сейчас отметим одно – напряжение, снимаемое с нижнего плеча делителя так относится к полному измеряемому напряжению, как сопротивление этого нижнего плеча делителя к полному сопротивлению делителя.

На принципе деления напряжения основана работа регуляторов напряжения. Так регулятор громкости усилителя, называемый еще потенциометром, конструктивно представляет собой подковообразное сопротивление, по поверхности которого движется контакт, связанный с ручкой регулировки. Входное напряжение подается на все сопротивление, а выходное снимается с части этого сопротивления, образуя делитель напряжения. Схемы делителя, представленные выше, примеры очень простой электрической цепи, но применяемой очень часто. А цель, которую я преследовал, немного рассказать о том, как установить и использовать программу PSIM в среде Linux. Даже демонстрационная версия этой программы после установки имеет раздел документации, в котором подробно описаны все компоненты электрических схем, с которыми может работать программа, и рассказано, как с ней работать.



Hosted by uCoz