【文章內(nèi)容簡介】 歐姆的負載電阻本安輸出。 第四章 礦用本安直流電源設計電路的仿真實驗 由于本次設計的電路相對比較復雜，由幾個功能模塊組成，為了簡化仿真實驗，和電路設計一樣，按照先模塊仿真實驗，再總體仿真實驗的思路進行調(diào)試仿真。因此，和電路的設計一樣將模塊仿真實驗可分為三塊分別進行，即，過壓過流保護電路的仿真實驗，穩(wěn)壓電路的仿真實驗，開關控制電路的仿真實驗，模塊仿真實驗分別成功后，最后再進行整體設計電路的仿真實驗。實驗時為了更仔細的分析電路一定要每隔一個器件就用示波器觀察一次波形，根據(jù)電壓波形的變化分析接入的每一個器件的功能。 本次的仿真實驗用到的仿真軟件是Multisim 7，Multisim 7是EWB（Electronics Workbench）的產(chǎn)品，該軟件簡單易學，實驗結果明顯，完美的實現(xiàn)了硬件設計軟件化。下面對Multisim進行簡單的介紹。 Multisim仿真軟件 Multisim是Interactive Image Technologies (Electronics Workbench)公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作。與其他Windows環(huán)境下的系統(tǒng)軟件相類似，它具有圖形化界面，提供按鈕式的工具欄，各個菜單中各個選項的物理意義一目了然，在輸入原理圖時，自動的將其編輯成網(wǎng)絡表送到仿真器，加快建立和管理的時間；而在仿真過程中，若改變設計，則立刻獲得該變化所帶來的影響，實現(xiàn)了交互化的設計和仿真。 Multisim具有龐大的原器件模型參數(shù)庫和齊全的儀器儀表庫，它除了包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力，還包含了萬用表、信號發(fā)生器、示波器、頻譜分析儀、網(wǎng)絡分析儀、失真分析儀、頻率計、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換儀、波特圖儀、瓦特表等18種虛擬儀器儀表。為適應不同的應用場合，Multisim推出了許多版本，用戶可以根據(jù)自己的需要加以選擇。 我們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復雜內(nèi)容，這樣使用者無需懂得深入的SPICE技術就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設計，這也使其更適合電子學教育。通過Multisim和虛擬儀器技術，PCB設計工程師和電子學教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設計和測試這樣一個完整的綜合設計流程。下面簡要地介紹該軟件的概況和使用方法。Multisim概貌軟件采用以圖形界面為主，菜單欄、工具欄和熱鍵相結合的方式，具有一般Windows應用軟件的界面風格，用戶可以根據(jù)自己的習慣和熟悉程度自如使用。　一、Multisim的主窗口界面。啟動Multisim后，將出現(xiàn)主窗口界面，界面由多個區(qū)域構成：菜單欄，各種工具欄，電路輸入窗口，狀態(tài)條，列表框等。通過對各部分的操作可以實現(xiàn)電路圖的輸入、編輯，并根據(jù)需要對電路進行相應的觀測和分析。用戶可以通過菜單或工具欄改變主窗口的視圖內(nèi)容。二、菜單欄 　　菜單欄位于界面的上方，通過菜單可以對Multisim的所有功能進行操作。 不難看出菜單中有一些與大多數(shù)Windows平臺上的應用軟件一致的功能選項，如File，Edit，View，Options，Help。此外，還有一些EDA軟件專用的選項，如Place，Simulation，Transfer以及Tool等。 三、工具欄 　　Multisim 2001提供了多種工具欄，并以層次化的模式加以管理，用戶可以通過View菜單中的選項方便地將頂層的工具欄打開或關閉，再通過頂層工具欄中的按鈕來管理和控制下層的工具欄。通過工具欄，用戶可以方便直接地使用軟件的各項功能。 　　頂層的工具欄有：Standard工具欄、Design工具欄、Zoom工具欄，Simulation工具欄。Multisim對元器件的管理 EDA軟件所能提供的元器件的多少以及元器件模型的準確性都直接決定了該EDA軟件的質(zhì)量和易用性。Multisim為用戶提供了豐富的元器件，并以開放的形式管理元器件，使得用戶能夠自己添加所需要的元器件。 Multisim以庫的形式管理元器件，通過菜單Tools/ Database Management打開Database Management（數(shù)據(jù)庫管理）窗口，對元器件庫進行管理。在Database Management窗口中的Daltabase列表中有兩個數(shù)據(jù)庫：Multisim Master和User。其中Multisim Master庫中存放的是軟件為用戶提供的元器件，User是為用戶自建元器件準備的數(shù)據(jù)庫。用戶對Multisim Master數(shù)據(jù)庫中的元器件和表示方式?jīng)]有編輯權。當選中Multisim Master時，窗口中對庫的編輯按鈕全部失效而變成灰色。但用戶可以通過這個對話窗口中的Button in Toolbar顯示框，查找?guī)熘胁煌悇e器件在工具欄中的表示方法。據(jù)此用戶可以通過選擇User數(shù)據(jù)庫，進而對自建元器件進行編輯管理。在Multisim Master中有實際元器件和虛擬元器件之分，它們之間根本差別在于：一種是與實際元器件的型號、參數(shù)值以及封裝都相對應的元器件，在設計中選用此類器件，不僅可以使設計仿真與實際情況有良好的對應性，還可以直接將設計導出到Ultiboard中進行PCB的設計。另一種器件的參數(shù)值是該類器件的典型值，不與實際器件對應，用戶可以根據(jù)需要改變器件模型的參數(shù)值，只能用于仿真，這類器件稱為虛擬器件。它們在工具欄和對話窗口中的表示方法也不同。在元器件工具欄中，雖然代表虛擬器件的按鈕的圖標與該類實際器件的圖標形狀相同，但虛擬器件的按鈕有底色，而實際器件沒有。輸入并編輯電路 輸入電路圖是分析和設計工作的第一步，用戶從元器件庫中選擇需要的元器件放置在電路圖中并連接起來,為分析和仿真做準備。一、 設置Multisim的通用環(huán)境變量為了適應不同的需求和用戶習慣，用戶可以用菜單Option/Preferences打開Preferences對話窗口，　通過該窗口的6個標簽選項，用戶可以就編輯界面顏色、電路尺寸、縮放比例、自動存儲時間等內(nèi)容作相應的設置。二、 取用元器件　取用元器件的方法有兩種：從工具欄取用或從菜單取用三、 將元器件連接成電路 在將電路需要的元器件放置在電路編輯窗口后，用鼠標就可以方便地將器件連接起來。方法是：用鼠標單擊連線的起點并拖動鼠標至連線的終點。在Multisim中連線的起點和終點不能懸空。虛擬儀器及其使用 對電路進行仿真運行，是通過對運行結果的分析，判斷設計是否正確合理，是EDA軟件的一項主要功能。為此，Multisim為用戶提供了類型豐富的虛擬儀器，在選用后，各種虛擬儀表都以面板的方式顯示在電路中。 在電路中選用了相應的虛擬儀器后，將需要觀測的電路點與虛擬儀器面板上的觀測口相連，本次設計用到的是示波器和萬用表，可以用虛擬示波器同時觀測電路中兩點的波形，用萬用表測量輸出端的電流。 雙擊虛擬儀器就會出現(xiàn)儀器面板，面板為用戶提供觀測窗口和參數(shù)設定按鈕。以示波器為例，雙擊選中的示波器，就會出現(xiàn)示波器的面板?？梢酝ㄟ^Simulation工具欄啟動電路仿真，點擊黃色按鈕運行|停止分析按鈕；也可用快捷鍵F5鍵啟動電路仿真。電路仿真啟動后，示波器面板的窗口中就會出現(xiàn)被觀測點的波形。 為了描述的更清楚，使輸出波形的微小變化更易于觀察，將一、二級過壓過流保護電路的仿真分開進行，過壓過流保護電路的仿真實驗分為一級保護和二級保護的仿真實驗。仿真試驗時用到了示波器和萬用表，示波器是觀察電壓的變化用的，萬用表用到的是電流檔，根據(jù)其示數(shù)可以估算電路的限流大小。 輸入的12V直流電源經(jīng)過一級過壓過流保護電路后，會得到形象準確的電壓波形和精確地電流讀數(shù)。實驗時一定每隔一個器件就用示波器觀察一次波形，這樣才能更好的觀察電壓波形的變化，當出現(xiàn)錯誤時也能方便快速的判斷是哪個小部分電路甚至是哪個元器件出現(xiàn)了問題，根據(jù)示波器的波形和示數(shù)并分析接入的每一個器件的作用。 由于設計電路相對比較復雜，使用到的元器件個數(shù)較多，因此仿真實驗的次數(shù)比較多，以一級過壓過流保護電路的仿真實驗的最后一步，即一級保護的最終實驗結果為例。試驗時將示波器的A、B端分別接到一級過壓過流保護電路的輸入端和輸出端，萬用表的+端接在輸出端， 端接地，仿真電路圖如圖41所示: 圖41 一級過壓過流電路的仿真實驗圖仿真實驗內(nèi)容：（1）一級過壓過流保護電路輸入輸出端電壓波形的變化情況。 將示波器的兩端分別接在一級過壓過流保護電路的前后兩端，用示波器觀察輸入輸出電壓波形的的微小變化。（2) 電路限流能力大小。 將一級過壓過流電路的輸出端接上萬用表，將開關打到電流檔，測出輸出端的電流大小，根據(jù)電流值的大小估計電路的限流能力。仿真實驗結果：示波器和萬用表仿真實驗結果圖如圖42，43所示 圖42 一級過壓過流保護電路示波器仿真結果圖 43 一級過壓過流保護電路萬用表仿真結果圖 經(jīng)過二級過壓過流保護電路得到的電源比一級過壓過流保護電路得到的的更安全，更穩(wěn)定。二級過壓過流保護電路的仿真實驗電路圖與一級保護的仿真實驗電路圖類似，只是接入示波器和萬用表的位置有所不同，也需要每隔一個器件就用示波器觀察一次電壓波形的變化，并分析接入的每一個器件的作用。也以二級過壓過流保護電路的仿真實驗的最后一步，即以二級保護電路的最終實驗結果為例。 仿真實驗內(nèi)容：（1）二級過壓過流保護電路輸入輸出端電壓波形的變化情況。 將示波器的兩端分別接在二級過壓過流保護電路的前后兩端，用示波器觀察輸入輸出電壓波形的的變化。（2）電路限流能力大小。 將二級過壓過流電路的輸出端接上萬用表，將開關打到電流檔，測出輸出端的電流大小，根據(jù)電流值的大小估計電路的限流能力。仿真實驗結果：示波器和萬用表仿真實驗結果圖如圖44，45所示。 圖44 二級過壓過流保護電路示波器仿真結果圖 45 二級過壓過流保護電路萬用表仿真結果圖 由于穩(wěn)壓電路的設計電路比較簡單，就用到了兩個穩(wěn)壓管，比起兩級過壓過流保護電路的仿真實驗，穩(wěn)壓電路的仿真實驗比較簡單，只需接入示波器和萬用表一次，觀察一下穩(wěn)壓電路是否正常工作，就可以完成。 仿真實驗內(nèi)容：（1） 觀察穩(wěn)壓電路電路前后電壓波形的變化情況。 將示波器的兩端分別接在穩(wěn)壓電路電路的前后兩端，用示波器觀察輸入輸出電壓波形的的變化。（2） 電路限流能力大小。 將穩(wěn)壓電路電路的輸出端接上萬用表，打到電流檔，測出輸出端的電流大小。由于穩(wěn)壓電路只有穩(wěn)壓功能，并不能限流，所以萬用表的示數(shù)和二級保護電路的沒多大變化。仿真實驗結果：示波器和萬用表仿真試驗結果圖如圖46，47所示。 圖46 穩(wěn)壓電路示波器仿真結果圖 圖47 穩(wěn)壓電路萬用表仿真結果圖4開關控制電路的仿真實驗 開關控制電路的仿真實驗比較簡單，和以上電路的仿真實驗不同，不需要觀察電壓電流的變化，并不需要用到萬用表和示波器，只需觀察發(fā)光二級管的亮滅狀態(tài)即可。綠色發(fā)光二級管為電源指示燈一直處于發(fā)光狀態(tài)。仿真實驗過程：（1）將開關打到閉合狀態(tài)，觀察紅色發(fā)光二級管的亮滅狀態(tài)。若紅色二極管處于發(fā)光狀態(tài)，則說明一二級過壓過流保護電路是正常工作狀態(tài)的，若紅色發(fā)光二級管處于滅的狀態(tài)，則說明一二級過壓過流保護電路出現(xiàn)工作異常情況。這時應該及時檢查電路故障原因，盡快讓電路恢復正常狀態(tài)。（2)將開關打到斷開狀態(tài)，觀察紅色發(fā)光二級管是否一直處于滅的狀態(tài)。實際上此時一二級過壓過流保護電路與發(fā)光二級管的狀態(tài)無關，正常情況下，在開關斷開時，紅色發(fā)光二級管是一直處于滅的狀態(tài)的。 以上幾個電路模塊分別仿真實驗成功后就要進行整個設計電路的仿真實驗了。 總體設計電路圖的仿真實驗是整個仿真實驗過程的最后一步，也是最關鍵的一步，是為了測試整體設計電路的最終結果，根據(jù)仿真實驗的最終結果可以基本判斷出電路的設計成功與否。仿真實驗內(nèi)容：（1）總體設計電路輸入輸出端電壓波形的變化情況。 將示波器的兩端分別接在整個設計電路的前后兩端，用示波器觀察輸入輸出電壓波形的的變化。（2）設計電路的限流能力大小。 將整個設計電路的輸出端接上萬用表，將開關打到電流檔，測出輸出端的電流大小，根據(jù)電流值的大小估計整個設計電路的限流能力。 示波器和萬用表仿真試驗結果圖如圖48，49所示。 圖48 總體電路示波器仿真結果圖 圖49 總體電路萬用表仿真結果圖 將仿真實驗輸出結果匯總成下表41：電 路一級過壓過流保護電路二級過壓過流保護電路 穩(wěn) 壓 電 路總體設計電路輸入電 壓（V)輸出電壓(V) 12 12 輸出電流(mA) 表4 1 本安電源輸入輸出數(shù)據(jù)表 由于本安電源具有負載過壓保護和過流保護、斷電保護功能，從表格中數(shù)據(jù)可以看出來設計電路的電壓電流限制能力分別是12 V、。當電路中電壓超過12 V 時，晶體三極管截止，電路不能正常工作，進行電壓保護功能；對于電流，電路進行電流保護，這就是電路的過流過壓保護功能。當電路中出現(xiàn)故障直流電源中斷供電時，電路并不會立刻停止工作，讓電路繼續(xù)工作一段時間，實現(xiàn)了斷電保護功能。當故障解除時供電回復到正常狀態(tài)，電路也自動恢復到正常狀態(tài)。電路正常工作后，整個電路恢復到正常工作狀態(tài)。 由表可以看出經(jīng)過兩級過壓過流保護電路的輸入電流和輸出電流值的大小基本沒什么變化，也就是說，保護電路對電流的變化基本沒起作用。這是因為兩級保護電路起主控制作用的晶體三極