Инструменты симуляции Agilent в программной среде NI Multisim 12.0.
Работа с виртуальным мультиметром и функциональным генератором

Введение

Виртуальные инструменты Multisim представляют собой программные модели контрольно-измерительных приборов, соответствующие реальным приборам. Использование виртуальных инструментов — самый простой способ проверки поведения модели разработанной схемы. В программной среде Multisim большинство виртуальных инструментов представлено в виде пиктограммы, которая подключается к разрабатываемой схеме, и панели инструмента, на которой устанавливаются параметры прибора.

В Multisim 12.0 включены следующие виртуальные симулируемые приборы Agilent:

• осциллограф модели 54622D;
• мультиметр модели 34401А;
• функциональный генератор модели 33120А.

Работа с осциллографом Agilent уже была рассмотрена в [1]. Настоящая статья описывает особенности работы с такими виртуальными инструментами, как мультиметр и функциональный генератор Agilent. Пиктограммы этих приборов расположены на панели инструментов «Приборы». Принцип работы инструментов (подключение к схеме, использование) идентичен принципу работы реальных аналогов этих приборов. Для того чтобы добавить виртуальный прибор в рабочее поле программы, необходимо нажать на его пиктограмму на панели «Приборы» и разместить его с помощью мыши в нужном месте на схеме. Чтобы отобразить лицевую панель прибора, необходимо дважды щелкнуть левой кнопкой мыши на пиктограмме прибора на схеме. После того как панель откроется, выполните соответствующие настройки подобно тому, как бы вы это сделали на панели реального прибора. Принцип соединения виртуальных инструментов с элементами схемы такой же, как и для других компонентов схемы.

В каждой схеме может использоваться много приборов, в том числе и копии одного и того же прибора. Кроме того, у каждого окна схемы может быть свой набор приборов. Каждая копия прибора настраивается и соединяется отдельно. Рассмотрим подробно работу с виртуальными инструментами Agilent в Multisim.

Виртуальный мультиметр Agilent

Мультиметр является универсальным измерительным прибором, который сочетает функции амперметра, вольтметра, омметра и предназначен для измерения переменного или постоянного тока или напряжения, сопротивления или затухания между двумя узлами схемы. Диапазон измерений мультиметра подбирается автоматически.

В Multisim в качестве виртуального мультиметра Agilent используется программный прототип реального мультиметра Agilent модели 34401А. Мультиметр компании Agilent 34401А обладает всеми характеристиками, необходимыми для выполнения быстрых и точных испытаний в составе исследуемой системы. В мультиметре 34401А сочетаются разрешающая способность, точность и скорость измерений, характерные для дорогих моделей реальных цифровых мультиметров, что гарантирует получение точных, быстрых и повторяющихся результатов измерений. Такие возможности прибора, как определение максимального, минимального и среднего значений, представление результатов измерений непосредственно в децибелах, делают процедуру измерений быстрой и несложной. Установка параметров, к которым обычно приходится обращаться в процессе работы, таких как вид измерения, пределы измерения, разрешение, осуществляется нажатием одной кнопки. Функции меню предоставляют доступ к усовершенствованным свойствам прибора, что позволяет оптимизировать его работу для каждой конкретной измерительной задачи.

Симулируемый Agilent Technologies 34401A — это 6,5‑разрядный, высокоэффективный цифровой мультиметр. Большая часть возможностей, задокументированных в руководстве реального мультиметра Agilent 34401A, доступна и в виртуальной версии прибора в Multisim, а именно следующие технические характеристики:

• напряжение постоянного тока: от 100 мВ до 1000 В;
• сопротивление: от 100 Ом до 100 МОм;
• сила постоянного тока: от 10 мА до 3 А;
• частота: от 3 Гц до 300 кГц;
• период: от 3,3 мкс до 333 мс;
• математические функции: измерение с нулевым значением, преобразование результата измерения в дБ, определение минимального/максимального значения.

Обзор лицевой панели виртуального мультиметра Agilent

Рассмотрим более подробно лицевую панель мультиметра (рис. 1). В ее верхней части находится окно результатов измерений. Ниже расположено два ряда функциональных кнопок:

• группа FUNCTION — кнопки вида работы по измерениям;
• группа MATH — кнопки математических операций;
• кнопка Single— однократный запуск/автоматический запуск/кнопка удержания показания на индикаторе;
• кнопка Shift— регистр/местное управление;
• группа RANGE/DIGITS — кнопки предел/разрядность индикатора;
• группа MENU — кнопки для работы с меню (CHOICES — варианты меню, LEVEL — уровень, ENTER — ввод);
• кнопка Power— включение/выключение мультиметра.

Рис. 1. Пиктограмма виртуального мультиметра Agilent в рабочем поле проекта и его лицевая панель

Большинство кнопок обладает двойным функциональным назначением, одно из которых, указанное над клавишей надписью голубого цвета, срабатывает при предварительном нажатии кнопки Shift. Для дополнительного информирования пользователя о самом факте смены регистра при нажатии этой кнопки на индикаторе загорается световой сигнализатор Shift. После этого пользователь может нажимать кнопку, над которой расположена нужная ему надпись голубого цвета. Например, для проведения измерения постоянного тока необходимо нажать кнопки Shift и DC V.

В правой части лицевой панели расположены индикаторы входных выводов, отображающие наличие подключения каналов мультиметра к схеме.

При работе с мультиметром в окне результатов измерений могут отображаться световые сигнализаторы индикатора, которые имеют следующие значения:

• — отображается во время измерения;
• Man — включен режим ручного переключения пределов;
• Trig — мультиметр ожидает однократного или внешнего сигнала запуска;
• Hold — включен режим удерживания показания на индикаторе;
• Math — включена математическая операция;
• Shift — смена регистра (нажата кнопка Shift). Если кнопка Shift была нажата ошибочно, то следует нажать ее второй раз. Этим действием вы выключите световой сигнализатор Shift.

Проведение измерений при помощи виртуального мультиметра Agilent

Работа с виртуальным мультиметром Agilent достаточно проста. Для измерения тока, протекающего через цепь в ветке между двумя узлами схемы, необходимо включить мультиметр последовательно с цепью, как и реальный амперметр, используя для подключения клеммы I (+) и LO правая (–), и нажать комбинацию кнопок Shift+DC V для измерения постоянного тока и Shift+AC V для измерения переменного тока. Результаты измерения отображаются в окне результатов на лицевой панели прибора (рис. 2). В том случае, если есть необходимость одновременно измерить ток другого узла цепи, включите другой мультиметр в цепь.

Рис. 2. Измерение тока, протекающего через цепь, при помощи виртуального мультиметра Agilent

Для измерения напряжения на любом элементе цепи при помощи виртуального мультиметра Agilent необходимо включить прибор параллельно с измеряемой нагрузкой, как и реальный вольтметр, используя для подключения клеммы НI правая (+) и LO правая (–), и нажать на кнопку DC V для измерения постоянного напряжения и AC V для измерения переменного напряжения. Результаты измерения отображаются в окне результатов на лицевой панели прибора (рис. 3).

Рис. 3. Измерение напряжения на элементе цепи при помощи виртуального мультиметра Agilent

Также при помощи мультиметра Agilent можно выполнять измерение сопротивления. Прибор обеспечивает два метода измерения сопротивления: 2‑проводное и 4‑проводное. В обоих случаях испытательный ток протекает от высокопотенциального гнезда НI и далее через измеряемый резистор. При 4‑проводном измерении требуются дополнительно два отдельных считывающих провод-ника. Поскольку в проводниках считывания ток отсутствует, их сопротивление не вносит дополнительной погрешности в измеряемую величину сопротивления. Необходимо отметить, что при измерении малых сопротивлений наиболее точным методом является 4‑проводное измерение, которое можно применять при исследовании схемы, где между мультиметром и измеряемым объектом существуют проводники большой длины, многочисленные соединения. Для измерения сопротивления при помощи виртуального мультиметра Agilent необходимо включить прибор параллельно с измеряемым резистором, используя для подключения клеммы НI правая и LO правая, и нажать на кнопку Ω 2W при 2‑проводном измерении. При 4‑проводном измерении для подключения используют клеммы НI правая и LO правая, НI левая и LO левая и комбинацию кнопок Shift+Ω 2W. Результаты измерения отображаются в окне результатов на лицевой панели прибора (рис. 4).

Рис. 4. 2 проводное измерение сопротивления при помощи виртуального мультиметра Agilent

Для измерения частоты или периода используют клеммы НI правая и LO правая, и кнопку Freq для измерения частоты и Shift+Freq для измерения периода. Проверка непрерывности электрических цепей (разомкнутая или замкнутая цепь) выполняется при помощи кнопки Cont, при этом для подключения к схеме используют клеммы НI правая и LO правая. При испытании диодов используют комбинацию кнопок Shift+Cont, а подключение к схеме выполняется при помощи клемм НI правая (+) и LO правая (–). Для проверки диода нужно присоединить положительный измерительный провод к аноду диода, а отрицательный провод к катоду. Если диод исправен, то в окне результатов измерений лицевой панели мультиметра будет отображаться значение OPEN (диод открыт, рис. 5а). Нулевые показания сопротивления означают, что диод, возможно, пробит (рис. 5б). В данном случае для имитации неисправности компонента в окне его свойств на вкладке «Дефект» был выбран пункт «КЗ» (короткое замыкание, рис. 6). Для того чтобы открыть окно свойств компонента, необходимо выделить его при помощи левой кнопки мыши, а правой кнопкой — вызвать контекстное меню и выбрать в нем пункт «Свойства».

Рис. 5. Испытание диода при помощи мультиметра Agilent:
а) диод открыт;
б) диод неисправен

Рис. 6. Вкладка «Дефект» окна свойств диода

Установка предела измерения и разрешающей способности

Предел измерения устанавливается мультиметром при автоматическом переключении пределов или пользователем при ручном переключении пределов при помощи кнопок группы RANGE/DIGITS. С помощью первой кнопки из этой группы устанавливается более низкий предел и выключается режим автоматического переключения пределов. При помощи второй кнопки устанавливается более высокий предел и выключается режим автоматического переключения пределов. Кнопка Auto/Man переключает режимы автоматического и ручного переключения пределов.

Режим автоматического переключения пределов удобен тем, что мультиметр автоматически выбирает подходящий предел для каждого измерения. Однако для высокоскоростных измерений можно установить режим ручного переключения пределов, и в этом случае мультиметру не потребуется для каждого измерения определять, какой предел использовать.

После включения мультиметра устанавливается режим автоматического переключения пределов. Если входной сигнал больше, чем может измерить мультиметр на данном пределе, на индикаторе появится сообщение о перегрузке (OVLD). При измерении частоты и периода переключение пределов происходит по напряжению входного сигнала, а не по частоте. Каждому виду работы соответствует свой режим переключения, то есть его можно установить для каждого вида работы независимо от других. При ручном переключении установленный предел относится только к установленному виду работы. О том, что включен режим ручного переключения пределов, оповещает световой сигнализатор Man на панели индикации (рис. 7).

Рис. 7. Световой сигнализатор Man на панели индикации

Разрешающая способность определяется с помощью термина «количество разрядов», которое задействовано мультиметром для измерения или визуального представления показания на индикаторе. Разрешающую способность индикатора мультиметра устанавливают на 4,5, 5,5 или 6,5 разряда при помощи кнопок группы RANGE/DIGITS (рис. 8) с целью оптимизации скорости измерения либо подавления помех. Однако перед тем как использовать кнопки группы с этой целью, необходимо кнопкой Shift переключить регистр. После чего первая кнопка этой группы устанавливает на индикаторе 4,5 разряда, вторая — 5,5 разряда, кнопка Auto/Man — 6,5 разряда (наибольшее подавление помех). После включения мультиметра разрешающая способность устанавливается на 5,5 разряда. При проверке непрерывности электрических цепей и испытаниях диодов разрешающая способность фиксируется на 5,5 разряда. Для уменьшения погрешности измерения и максимального подавления помех рекомендуется устанавливать разрешающую способность 6,5 разряда. Для повышения скорости измерений рекомендуется устанавливать разрешающую способность 4,5 разряда. При измерениях переменных величин разрешающая способность фактически устанавливается на 6,5 разряда. Если установлена разрешающая способность 4,5 или 5,5 разряда, мультиметр просто маскирует один или два разряда.

Рис. 8. Изменение разрешающей способности индикатора мультиметра Agilent при помощи кнопок группы RANGE/DIGITS:
а) 4,5 разряда;
б) 5,5 разряда;
в) 6,5 разряда

Также количество разрядов на индикаторе можно менять при помощи кнопок-стрелок группы MENU (правая кнопка увеличивает количество разрядов, левая — уменьшает). Каждому виду работы соответствует своя разрешающая способность, то есть ее можно установить для любого вида работы независимо от остальных.

Запуск мультиметра и удерживание показания на индикаторе

Виртуальный мультиметр Agilent можно запустить однократно или автоматически. Для чего на лицевой панели прибора имеется кнопка Single. Режим автоматического запуска устанавливается при включении мультиметра. В процессе каждого измерения загорается световой сигнализатор замера *. При нажатии кнопки Single вырабатывается однократный сигнал запуска и снимается одно показание, после чего мультиметр ожидает следующего сигнала запуска (при этом загорается световой сигнализатор Trig). Для повторного запуска мультиметра необходимо снова нажать кнопку Single. Переключение между режимами автоматического запуска и удерживания показания производится путем нажатия комбинации кнопок Shift+Single. При включении режима удерживания показания загорается световой сигнализатор Hold (рис. 9). Свойство удерживания показания позволяет захватывать и удерживать стабильное показание на индикаторе. При обнаружении такого показания мультиметр удерживает его на индикаторе и генерирует звуковой сигнал.

Рис. 9. Световые сигнализаторы замера (*) и режима удерживания показания (Hold)

Виртуальный функциональный генератор Agilent

Функциональный генератор представляет собой инструмент для генерации тестовых сигналов различной формы и может использоваться для подачи данных сигналов в моделируемую схему.

В Multisim в качестве виртуального функционального генератора Agilent предусмотрен программный прототип реального прибора Agilent модели 33120А. Лицевая панель функционального генератора Agilent и его пикто-
грамма на схеме представлены на рис. 10. Прибор Agilent 33120A предназначен для генерации электромагнитных колебаний в диапазоне от 100 мкГц до 15 МГц с шагом установки частоты 10 мкГц. Высокие технические характеристики, возможность генерации сигналов стандартной и произвольной формы, широкие функциональные возможности делают этот прибор превосходным выбором во всех случаях, когда требуется имитировать поведение определенного устройства или исследовать реакцию разрабатываемой схемы на разнообразные воздействующие сигналы. Главной особенностью функционального генератора Agilent 33120A является высокая стабильность и низкий уровень побочных гармоник формируемых сигналов стандартной и произвольной формы. Начав с сигналов, с которыми предпочтительно должен работать испытываемый объект, затем можно добавлять к ним шумы, гармоники, негармонические составляющие и другие помехи и наблюдать, насколько правильно реагирует на них объект измерения. Проводя испытания на реалистичных сигналах, можно удостовериться, что разрабатываемое устройство правильно работает с сигналами, которые встречаются в реальных условиях, прежде чем оно будет введено в эксплуатацию.

Рис. 10. Лицевая панель функционального генератора Agilent и его пиктограмма на схеме

Большая часть возможностей, задокументированных в руководстве реального функционального генератора Agilent 33120A, доступна и в виртуальной версии этого прибора в Multisim, а именно следующие технические характеристики:

• стандартные формы сигнала: синусоидальная, прямоугольная, треугольная, пилообразная, белый шум, постоянное напряжение, sin(x)/х, экспоненциальное нарастание, экспоненциальный спад, кардиосигнал;
• сигналы произвольной формы;
• модуляция: AM, FM, Burst, FSK, Sweep;
• режимы переключения: Auto/Single только для Burst- и Sweep-модуляции;
• отображение напряжения: Vpp, Vrams и dBm;
• редактирование значений можно выполнять при помощи ручки управления или кнопок лицевой панели функционального генератора;
• частотные параметры сигналов:
  • синусоидальный: 100 мкГц – 15 МГц,
  • прямоугольный: 100 мкГц – 15 МГц,
  • треугольный: 100 мкГц – 100 кГц,
  • пилообразный: 100 мкГц – 100 кГц,
  • белый шум — полоса частот 10 МГц.

Широкие функциональные возможности Agilent 33120A позволяют:

• задавать 10 вариантов стандартных форм сигналов;
• изменять амплитуду, частоту и смещение сигналов;
• модифицировать параметры стандартных и произвольных сигналов (коэффициент заполнения последовательности импульсов; частоту, амплитуду и глубину модуляции для амплитудной и частотной модуляции);
• генерировать сигналы стандартной и произвольной форм в непрерывном или пакетном режимах;
• генерировать сигналы амплитудной и частотной модуляции, частотной манипуляции и импульсной пакетной с возможностью модуляции от внутреннего или внешнего источника (ЧМ — только от внутреннего источника);
• формировать до четырех сигналов произвольной формы.

Обзор лицевой панели виртуального функционального генератора Agilent

Лицевая панель функционального генератора используется для ввода установок данного прибора. В ее верхней части находится окно индикации. Ниже этого окна расположены два ряда функциональных кнопок и кнопка Power — включение/выключение прибора.

Выбор типа сигнала производится при помощи кнопок группы FUNCTION. Кнопки не имеют названий, но их функции интуитивно понятны, так как на каждой кнопке визуально отображена форма генерируемого с ее помощью выходного сигнала. Частоту, амплитуду и смещение сигнала можно задать при помощи кнопок группы MODIFY: Freq, Ampl и Offset соответственно. При этом редактирование значений можно выполнять при помощи ручки управления или ряда кнопок-стрелок лицевой панели функционального генератора.

Подключение к схеме и использование прибора

Функциональный генератор имеет два вывода для подключения к схеме: синхронизация, выход. Для наглядной демонстрации работы данного прибора воспользуемся виртуальным осциллографом, который подключим к выходу функционального генератора (рис. 11). В верхней части лицевой панели четырехканального осциллографа расположен графический дисплей, который предназначен для графического отображения формы сигнала. Также прибор оснащен двумя курсорами для проведения измерений во временной области, которые при необходимости можно перемещать левой кнопкой мыши. В нижней части находится панель управления, предназначенная для настройки отображения измеряемого сигнала. Отображение сигнала на экране графического дисплея выполняется слева направо. Более подробно работа с виртуальным осциллографом была рассмотрена в [2].

Рис. 11. Подключение функционального генератора Agilent к схеме, генерация синусоидальных сигналов и их отображение на дисплее осциллографа

Запустим процесс моделирования схемы, откроем лицевые панели приборов. Для включения функционального генератора нажмем кнопку Power. Зададим генерацию синусоидальных сигналов с частотой 1,4 кГц и амплитудой 1,9 В — полученный сигнал отображается на дисплее осциллографа. Как видно из рис. 11, амплитуда и форма сигнала соответствуют установленной на панели, сигнал генератора — 1,9 В, синусоидальная.

Рис. 12 демонстрирует отображение на дисплее осциллографа генерируемого функциональным генератором кардиосигнала с частотой 2,2 кГц. На рис. 13 показан момент времени, в котором функциональный генератор находится в режиме смещения сигнала, при этом результат отображается на дисплее осциллографа.

Рис. 12. Генерация кардиосигнала с частотой 2,2 кГц и его отображение на дисплее осциллографа

Рис. 13. Смещение сигнала, генерируемого функциональным генератором

Функциональный генератор поддерживает амплитудную и частотную модуляцию выходного сигнала. Для входа в режим амплитудной модуляции необходимо нажать комбинацию кнопок Shift+АМ на лицевой панели прибора. В результате на дисплее появится световой сигнализатор АМ и будет показана частота несущего сигнала, которую можно изменить при помощи кнопок-стрелок или ручки управления. Также можно задать амплитуду и форму несущего сигнала. Если не задать новые значения параметров, то они останутся такими же, как в предыдущем режиме работы прибора. Амплитуда и частота несущего сигнала устанавливаются при помощи кнопок Freq и Ampl группы MODIFY, глубина модуляции — при помощи комбинации кнопок Shift+Ampl. На рис. 14 показана лицевая панель функционального генератора в режиме амплитудной модуляции, при этом результат отображается на дисплее осциллографа. Выбор глубины модуляции демонстрирует рис. 15. Для входа в режим частотной модуляции необходимо нажать комбинацию кнопок Shift+FМ. Выходной сигнал амплитудной или частотной модуляции включается сразу после выбора соответствующего режима, при этом параметры выходного сигнала устанавливаются в соответствии с текущими настройками прибора. Если требуется выйти из режима амплитудной или частотной модуляции, нажмите повторно комбинацию кнопок Shift+АМ или Shift+FМ соответственно. В результате световой сигнализатор АМ или FМ на дисплее исчезнет. Также функциональный генератор Agilent поддерживает режимы Burst-, FSK- и Sweep-модуляции (рис. 16).

Рис. 14. Функциональный генератор Agilent в режиме амплитудной модуляции и полученный сигнал на дисплее осциллографа

Рис. 15. Выбор глубины модуляции сигнала

Рис. 16. Функциональный генератор Agilent в режиме Burst-модуляции и полученный сигнал на дисплее осциллографа

При подготовке данной статьи, посвященной описанию работы с виртуальными приборами Agilent, использовалась программная среда Multisim версии 12.0. Программа Multisim предоставляет широкий набор виртуальных инструментов, которые позволяют производить измерения различных величин, задавать входные воздействия, строить графики. Как вы уже могли убедиться, виртуальные приборы в программе Multisim изображаются в виде, максимально приближенном к реальному, поэтому работать с ними просто и удобно.