Ни у кого не вызывает сомнения важность экспериментальных исследований при изучении электротехники и электроники. Однако организация экспериментальных исследований вызывает серьёзные затруднения (особенно в настоящее время). Хорошая учебная лаборатория должна иметь современное измерительное оборудование и квалифицированный персонал, способный поддерживать его в рабочем состоянии. Если даже для учебного заведения содержание такой лаборатории является в настоящее время сложной задачей, то о решении такой проблемы индивидуальным пользователем вообще говорить не приходится.

Виртуальная лаборатория Electronics Workbench - современный транспорт для путешествия

За последние 25 лет, работая на кафедре Электротехники МГИЭТ, автор статьи стал свидетелем стремительной смены вычислительных средств, используемых для расчёта электрических и электронных схем. В начале 70-х годов наиболее распространённым инструментом в руках разработчика являлась логарифмическая линейка. Уже в конце 70-х годов она стала активно вытесняться калькуляторами и миниЭВМ. В середине 80-х годов стало очевидно, что на смену последних приходят персональные компьютеры (ПК) с постоянно возрастающими вычислительными мощностями и возможностями. Развитие программного обеспечения ПК применительно к анализу электронных схем шло как в направлении развития численных методов анализа и алгоритмов расчёта, так и создания удобного пользовательского интерфейса, позволяющего создать виртуальную среду для удобства проведения экспериментов с широким классом схем (аналоговые, цифровые, цифро-аналоговые, импульсные и так далее).

Следует особо отметить, что достижения в области создания пользовательского интерфейса ПК настолько впечатляющи, что они существенным образом изменяют методический подход к исследованию схем.

Использование персонального компьютера создаёт приемлемую альтернативу учебной лаборатории - виртуальную лабораторию, которая является по существу программой численного расчёта схем с интерфейсом, имитирующим деятельность исследователя в реальной лаборатории. С помощью численных методов расчёта при высоком быстродействии и большом объёме памяти современных персональных компьютеров можно исследовать настолько сложные модели, что по точности результаты приближаются к экспериментальным исследованиям на реальных объектах.

Существует большое число программ моделирования электронных схем, отвечающих в той или иной степени задачам анализа их работы. Большинство из них требуют серьёзной предварительной подготовки пользователя и наличия у него специальных знаний. При этом из круга "посвящённых" исключается огромное количество потенциальных пользователей, перед которыми стоят относительно простые задачи.

Процесс изучения электротехники и электроники связан с анализом и исследованием схем, и инструмент (компьютер) должен максимально облегчать этот процесс. На этом этапе виртуальная среда должна реализовывать на компьютере лабораторию, в которой созданы все условия для организации и проведения экспериментов с широким спектром электрических и электронных схем, причём конечные результаты должны совпадать с процессамив реальных условиях.

Привлечь и расширить круг потенциальных пользователей возможно лишь тогда, когда процесс моделирования максимально приближен к реальности. В этом случае человек, осуществляя естественную последовательность таких операций, как сборка схемы, подключение к ней измерительных приборов, задание параметров генераторов входных воздействий и установка режимов работы на панелях измерительных приборов, получал бы результаты измерений в привычной для него форме. Такие возможности предоставляет пользователю программа Electronics Workbench - виртуальная электронная лаборатория на компьютере. Хотя в основе её лежит серьёзная профессиональная программа моделирования PSPICE, она имеет максимально дружественный пользователю интерфейс, погружающий его в привычную обстановку лабораторных исследований с использованием знакомых приборов. Отображение на дисплее компьютера таких приборов, как амперметр, вольтметр, мультиметр, генератор и осциллограф, делает процесс исследования наиболее естественным и понятным. Адаптация пользователя к основным операциям занимает при этом не более 20 минут, и у него появляется больше времени для планирования и проведения экспериментов, а также изучения возможностей используемого инструмента.

Наличие современного приборного парка в программе предоставляет в распоряжение пользователя уникальные возможности планирования и осуществления самого широкого спектра экспериментов: от простейших опытов до реальных устройств. Такой инструмент является идеальным средством обучения, так как позволяет снять практически все ограничения, касающиеся элементной базы и приборного парка. Снимаются, кроме того, и все проблемы связанные с некорректными действиями экспериментатора, что особенно важно при обучении самых неквалифицированных пользователей (например, школьников).

При этом программа может служить тренажёром для усвоения принципов работы с реальными измерительными приборами и схемами и формировать необходимые для этого навыки.

Быстрота и удобство моделирования и получения результатов в Electronics Workbench делает путешествие в мире электронных схем похожим скорее на поездку по шоссе в удобном мерседесе, чем на пеший поход или езду на велосипеде.

И все же инструктор необходим!

Тем не менее, простота первых шагов в освоении программы обманчива. Нам не встречался человек, которому с первого взгляда не понравился бы интерфейс программы Electronics Workbench. Однако после первой же попытки её использования у большинства пользователей возникают трудности в получении правильного результата. Это побуждает человека сделать вывод, что программа не в состоянии решать даже простейшие задачи, поэтому ни к чему не пригодна.

Но для того, чтобы научиться ездить на машине, недостаточно изучить органы её управления, необходимо получить навыки практического вождения. Для этого лучше всего обратиться к инструктору. Это сократит время освоения автомобиля и приобретения практических навыков.

Роль такого инструктора, помогающего овладеть необходимыми правилами и приёмами работы с программой Electronics Workbench и применять её на практике для изучения процессов и исследования электрических и электронных схем, выполняет книга "Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях: Практикум на Electronics Workbench".

Электротехника и электроника имеют множество разнообразных областей, и Вы можете выбрать свой собственный маршрут

Книга состоит из двух томов, взаимосвязанных по структуре и стилю изложения материала, но построенных таким образом, что каждая глава может изучаться независимо от других.
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 приёмы, разработанные авторами в процессе обучения студентов.
В приложении 2 описана прилагаемая к книге простая, но довольно удобная программа комплексного калькулятора, которую можно использовать при расчёте 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".
Первые километры по выбранному маршруту едем вместе - раздел "Эксперименты"
Раздел "Эксперименты" призван наглядно проиллюстрировать методику проведения экспериментов для рассматриваемого класса схем.

В этом разделе задачи относительно просты, и для их решения достаточно изучить теоретические основы по данной теме. При этом читателю должны помочь постановка задачи в подразделе "Порядок проведения экспериментов" и форма представления результатов в подразделе "Результаты экспериментов". Ниже приведены фрагменты подразделов, входящих в раздел "Эксперименты", посвящённый изучению транзисторов, позволяющие читателю понять общий дух и подходы, использованные в книге.

"Краткие теоретические сведения" - вспомните правила дорожного движения

Авторы предполагали, что с теоретическими основами по каждой теме обучающиеся должны ознакомиться в соответствующих теоретических курсах. Поэтому в подразделе приводится минимум сведений, необходимых для расчётов, проводимых в дальнейших подразделах, и ответов на вопросы в конце раздела. Материал данного подраздела должен помочь читателю представить себе общую картину процессов в рассматриваемой схеме. Краткие сведения из теории

Исследуемая схема показана на рис. 10-1.
Коэффициент передачи по постоянному току определяется как отношение тока коллектора к току базы:



Коэффициент передачи транзистора по переменному току bAC при заданной величине UКЭ определяется отношением изменений коллекторного тока к базовому току:


"Порядок проведения экспериментов" - мы покажем Вам дорогу

В этом подразделе авторы стремились 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 идеальных и реальных элементов. В подразделе приводятся рисунки схем, размещённых в соответствующих файлах Electronics Workbench, и подробно описывается последовательность и методика проведения экспериментов. Поскольку задачи относительно просты, сама постановка задачи является достаточным руководством для их решения.



Эксперимент 1. Определение статического коэффициента передачи тока транзистора

а) Открыть файл с10_001 со схемой, изображённой на рис. 10.1. Включить схему. Записать результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения коллектор-эмиттер в раздел "Результаты экспериментов". По полученным результатам подсчитать статический коэффициент передачи транзистора bDC. Результат записать в раздел "Результаты экспериментов".


Подраздел "Результаты экспериментов" - заполните, пожалуйста, путевой журнал
Дополнительная подсказка содержится и в формах для заполнения, приведённых в этом разделе. Такие формы избавляют обучающихся от части рутинной работы по составлению таблиц и оформлению графиков, позволяя сосредоточить основное внимание на содержательной части исследования.

Эксперимент 1. Определение статического коэффициента передачи тока транзистора

Напряжение источника ЭДС ЕБ = 5,7 В.
Ток базы транзистора IБ - Измерение
Ток коллектора транзистора IК - Измерение
Напряжение коллектор - эмиттер UКЭ - Измерение
Статический коэффициент передачи bDC - Расчёт

Подраздел "Вопросы" - оглянитесь на пройденный путь
Вопросы, приведённые в данном подразделе, относятся как к теоретическим основам, так и к результатам проведённых экспериментов. Они должны акцентировать внимание обучающихся на основных проблемах данной темы и их отражении в проведенных экспериментах.

Раздел "Упражнения" - наш мастер-класс для туристов-разрядников
Раздел "Упражнения" состоит из двух подразделов "Методические указания" и "Задачи для самостоятельного решения". Неподготовленный читатель должен приступить к изучению этого раздела после освоения материала, изложенного в разделе "Эксперименты".

Подраздел "Методические указания" - делай как я
Методические указания содержат либо предварительные замечания о методике решения задач данного раздела, либо, чаще всего, примеры решения конкретных задач. При этом преследуются две цели: во-первых, показать широкий арсенал неочевидных приёмов, которыми читатель может воспользоваться на практике; во-вторых, продемонстрировать степень совпадения результатов, получаемых при расчёте с использованием простейших теоретических соотношений и "экспериментальных" результатов моделирования на достаточно сложных моделях Electronics Workbench. Используемые в этом разделе подходы проиллюстрированы на примере главы, посвящённой операционным усилителям.

Файл с11_068

Дано: Значения напряжений U1, U2 изменяются в диапазоне от -12 до +12 В.
Найти: Значения напряжений в точках U1, U2.



Далее в книге приводится решение задачи? в результате которого получаются значения U1 = 1 В и U2 = -12 В, подтверждаемые показаниями приборов в эксперименте.

Подраздел "Задачи для самостоятельного решения" - делай лучше меня

В этом подразделе авторы стремились предоставить читателю схемы для самостоятельных исследований с уже отлаженными установками параметров элементов и приборов. Некоторая подсказка содержится в этом случае в самом построении схемы, и на получение результата должно уйти немного времени (обычно не более 5 минут).

В качестве примеров возможных задач для различных разделов электротехники и электроники приведём по одной типичной задаче по основным рассматриваемым темам.

Примеры задач для самостоятельного решения

Цепи постоянного тока

Дано: J1 = 1 A; E2 = 7 B; E3 = 3 B; E4 = 6 B; E5 = 5 B; E6 = 10 B; R2 = 7 Ом; R4 = 3 Ом; R5 = 1 Ом; R6 = 2 Ом; R7 = 2 Ом.

а) Рассчитать токи в схеме.
б) Расчитать ток в сопротивлении R7 по методу эквивалентного генератора.
в) Проверить выполнение принципа суперпозиции для приведённой схемы.
г) Для любого контура построить потенциальную диаграмму.
д) Провести экспериментальную проверку результатов расчёта.



Цепи переменного тока
Определить показания приборов в схеме.
Вычислить активную, реактивную и полную мощности цепи.
Провести экспериментальную проверку результатов расчёта.



Трехфазные цепи
Определить показания вольтметра в схеме с несимметричной нагрузкой. Модули всех сопротивлений в схеме равны 1 Ом.



Резонансные цепи

Нарисуйте (качественно) амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики для входного сопротивления цепи. Рассчитайте резонансные частоты.
Получите эти характеристики с помощью Боде-плоттера.
Измерьте значения напряжений на элементах цепи при частотах F1 = 100 Гц, F2 = 400 Гц и F3 = 1700 Гц и F4 = 3200 Гц.
Объясните показания приборов в схеме при этих частотах.



Переходные процессы в цепях с одним накопителем энергии
Рассчитайте временные зависимости напряжения на конденсаторе С и тока через резистор R2 при замыкании ключа [Space].
Постройте соответствующие графики.
Результаты расчёта проверьте на осциллографе с помощью Electronics Workbench.



Переходные процессы в цепях с двумя накопителями энергии
Рассчитайте временные зависимости напряжения на конденсаторе С и тока через катушку индуктивности L при замыкании ключа [Space] и нулевых начальных условиях.
Постройте графики соответствующих временных зависимостей.
Результаты расчёта проверьте на осциллографе с помощью Electronics Workbench.



Диодные схемы

Двухполупериодный выпрямитель нагружен на сопротивление RL. Частота питающей сети 60 Гц. Проведены три опыта:

1. Нагрузка подключена непосредственно к выпрямителю.
2. Нагрузка подключена к выпрямителю через индуктивный фильтр. Индуктивность фильтра - 0,2 Гн, коэффициент сглаживания - 10.
3. Нагрузка подключена к выпрямителю через индуктивный фильтр. Индуктивность фильтра настолько велика, что пульсациями тока нагрузки можно пренебречь.

Известно, что величина действующего значения тока диодов в 1-м и 3-м опытах различается на 0,2 А.

Найти: максимальное обратное напряжение на диодах, величину выделяемой в нагрузке активной мощности для 1-ого и 3-его опытов.



Схемы с операционными усилителями

Задача 3. (с11_062)
Дано: Электромагнитное реле К срабатывает при напряжении на его обмотке не менее 4 В (независимо от полярности).
Найти: Напряжение на выходе усилителя (при расчёте прямое падение на диодах принять равным нулю).



Логические схемы
Проведите анализ логического устройства, собранного на микросхемах 7404 и 7410, показанного на рисунке.
Определите, какую математическую операцию выполняет это устройство, если комбинации логических уровней на входе рассматривать как числа.
Соберите схему, подключите необходимые приборы и проведите исследование работы схемы.



Счетчики и триггеры

Разработайте, соберите схему и проверьте работу счётчика с КСЧ = 5, взяв за основу счётчик на вычитание со следующими последовательностями изменения состояний:
а) 7, 6, 5, 4, 3 д) 3, 2, 1, 0, 7
б) 6, 5, 4, 3, 2 е) 2, 1, 0, 7, 6
в) 5, 4, 3, 2, 1 ж) 1, 0, 7, 6, 5
г) 4, 3, 2, 1, 0 з) 0, 7, 6, 5, 4

Дешифраторы

Разработайте схему четырёхканального мультиплексора, используя микросхему 74139. Составьте таблицу функционирования схемы. Экспериментально проверьте работоспособность схемы.

Переход к профессиональным программам - шоссе кончилось, не сменить ли мерседес на вседорожник

При переходе к профессиональной деятельности подготовленный читатель, возможно, захочет использовать решения задач, полученные им в Electronics Workbench 4.0, в профессиональных программах с более широкими возможностями. При этом легче всего перейти к программе Electronics Workbench 5.12 или другим программам Electronics Workbench пятой версии. Для этого необходимо просто открыть файл *.са4 в этой программе и сохранить его как файл *.ewb. Программа Electronics Workbench 5.12 обладает уже многими возможностями профессиональных программ: многовариантный анализ при постоянном и переменном напряжениях, Фурье-анализ, анализ шума и нелинейных искажений, температурный анализ, анализ положения нулей и полюсов, передаточных функций и чувствительностей. Несколько сложнее осуществляется импорт файла в программу Pspice, функциональные возможности которой ещё шире.

Заключение

Необходимость в подобном подходе и инструменте при изучении курсов теории цепей, радиоэлектроники, основ вычислительной техники, а также прикладных разделов электроники давно ощущалась. С осени 1995 года на кафедре электротехники Московского государственного института электронной техники (МГИЭТ) начался активный процесс исследования и использования программы Electronics Workbench для обучения студентов. Впоследствии к этой работе начали подключаться и другие технические университеты России. Большой вклад в подготовку материалов внесла кафедра промышленной электроники Московского энергетического института. Книга содержит более 1000 задач, опробованых и проверенных на 4.0. Эти задачи можно найти либо на двух дискетах, прилагаемых к книге, либо в сети Интернет на сайте со свободным доступом издательства "Додэка" (www. Dodeca.ru).

В течение 5 лет работы над книгой авторы внимательно следили за динамикой развития и распространения этой программы за рубежом и использования её в учебных курсах технических университетов. По данным самой компании INTERACTIVE IMAGE TECHNOLOGIES, на сегодняшний день компанией продано более 130 000 копий программного продукта. Программа существует на 7 языках. Она постоянно совершенствуется, появляются новые версии, в том числе и профессиональные, наблюдается их преемственность и совместимость. В зарубежных издательствах появляются учебники по курсу теории цепей и электронике, базирующиеся на использовании этого пакета программ для проведения экспериментальных исследований. Программа становится своего рода стандартом для применения в учебном процессе в зарубежных технических университетах.

Не останавливаясь на правомочности этого факта, следует отметить, что различные версии программы Electronics Workbench помещены на доступные для российских специалистов компакт-диски, посвящённые различным программам анализа электронных схем. Практически у всех студентов и инженеров эта программа уже есть.

Таким образом, наличие книги и доступного программного продукта создают все необходимые предпосылки для активного использования такого подхода при организации учебного процесса в техникумах и вузах. Этот подход будет несомненно полезен также широкому кругу специалистоа, связанных с разработкой и исследованием электронных устройств.

Добро пожаловать в виртуальный мир электротехники и электроники, который всегда рядом с Вами! Желаем Вам успехов и удовольствия на этом пути.

Литература
Панфилов Д.И., Иванов В.С., Чепурин И.Н. и др. Электротехника и Электроника в экспериментах и упражнениях.
Практикум на Electronics Workbench. в 2-х томах (том 1 "Электортехника", том 2 "Электроника") под общей редакцией проф. Панфилова Д.И. Додека, 2000. 600 стр.