Моделирование электрических схем. Приборы с программным обеспечением

 
 
В. Д. Казаков 
 
 
 
 
МОДЕЛИРОВАНИЕ  
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ 
 
ПРИБОРЫ С ПРОГРАММНЫМ  
ОБЕСПЕЧЕНИЕМ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 

УДК 621.38 
ББК 32.844.2 
К14 
 
 
 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор Ю. Ф. Казаков 
(кафедра «Транспортно-технологические машины и комплексы», 
Чувашский государственный аграрный университет); 
канд. техн. наук, доцент В. Г. Медведев 
 
 
 
 
 
 
Казаков, В. Д. 
К14   
Моделирование электрических схем. Приборы с программным обеспечением : учебное пособие / В. Д. Казаков. – Москва ; 
Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 156 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-2081-5 
 
Приведено описание программ Beginnings of ELECTRONICS, Electronics Workbench для моделирования измерительных приборов и систем и 
применение этих программ при проведении практических занятий по  
исследованию электрических и неэлектрических величин. Дано описа- 
ние программы LabVIEW и показано графическое программирование  
LabVIEW в учебной программе практических занятий. Показаны методы 
измерения электрических и неэлектрических величин с применением приборов с программным обеспечением.  
Для учащихся и преподавателей средних, а также средних специальных учебных заведений и студентов младших курсов высших учебных заведений для изучения разделов курса физики «Электричество» и с целью 
ознакомления с графическими изображениями виртуальных приборов  
в учебной программе практических занятий. 
 
УДК 621.38 
ББК 32.844.2 
 
ISBN 978-5-9729-2081-5 © Казаков В. Д., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 

Введение 
Разработка любого радиоэлектронного устройства сопровождается физическим или математическим моделированием. 
Физическое моделирование связано с большими материальными 
затратами, поскольку требуется изготовление макетов и их трудоёмкое исследование. Оно невозможно из-за чрезвычайной 
сложности устройств, например, больших и сверхбольших интегральных микросхем. В этом случае прибегают к математическому моделированию с использованием средств и методов вычислительной техники. 
Моделирование является одним из фундаментальных научных методов познания и исследования процессов, систем  
и устройств. Существует множество определений понятия модели. Модель – это формализованная сущность, отражающая 
наиболее общие и существенные свойства объекта. 
Можно выделить три основных вида задач, решаемых  
с помощью моделирования. 
Анализ – процесс определения параметров и характеристик 
системы по заданным или по известным параметрам элементов 
и устройств, из которых образована изучаемая система.  
Синтез – процесс достижения или получения заданных параметров и характеристик системы путем подбора или вариации 
параметров элементов и устройств, входящих в систему. Синтез 
является, как правило, итерационным процессом – процессом 
последовательного приближения характеристик синтезируемой 
системы к требуемым путем вариации (коррекции) параметров 
элементов или устройств, составляющих систему. На каждом 
итерационном шаге решается задача анализа системы с корректированными параметрами. 
Диагностика – процесс сравнения работы реальной системы и ее модели для определения работоспособности или нахождения неисправности системы. 
Для исследования процесса функционирования системы 
математическими методами, включая компьютерные, должна 
быть проведена формализация этого процесса, т. е. составлена 
его математическая модель. По общепринятому определению, 
3 

математическая модель – это приближенное описание объекта, 
системы, процесса с помощью математических методов. 
Анализ математической модели позволяет проникнуть  
в сущность изучаемого объекта или явления. Под математическим моделированием обычно понимают процесс установления 
соответствия данному реальному объекту некоторого математического объекта, называемого математической моделью, и исследование этой модели, позволяющее получать характеристики реального объекта. Математические модели можно разделить на 
следующие виды: аналитические, имитационные и комбинированные.  
Аналитические модели – формализация процессов функционирования системы в виде аналитических функциональных 
соотношений или логических условий.  
Имитационные модели – представление процессов функционирования системы в виде алгоритма, имитирующего процессы, 
протекающие в исследуемой системе. При этом имитируются 
элементарные явления, составляющие процесс, с сохранением 
логической структуры и последовательности протекания во времени. Имитационные модели позволяют достаточно просто учитывать дискретный и непрерывный характер процессов, нелинейность характеристик элементов системы, случайные воздействия 
и помехи и т. д. Имитационное моделирование – наиболее эффективный метод исследования больших (сложных) систем, а часто  
и единственный практически доступный метод получения информации о поведении системы на этапе ее проектирования. 
Комбинированные модели (аналитико-имитационные) применяются, когда можно использовать преимущества и аналитического, и имитационного моделирования. При построении 
комбинированных моделей проводится предварительная декомпозиция процесса функционирования объекта на составляющие 
процессы. Для части из них, если возможно, используются аналитические модели, а для остальных процессов строятся имитационные модели. 
Имитационное моделирование является весьма эффективным методом исследования сложных систем. Разновидностью имитационного моделирования является статистическое моделирование.  
4 

Применение моделирующих программ позволяет решить 
одновременно и такие проблемы, как экономия материальных  
и финансовых затрат на лабораторное оборудование и его обслуживание; сокращение времени на подготовку и проведение 
лабораторных работ; проведение экспериментов, недоступных 
на обычном лабораторном оборудовании; приобретение навыков и приёмов автоматизированного проектирования. 
В измерительной технике сформировалось новое направление – компьютерно-измерительная система (КИС), и её разновидности – виртуальные измерительные приборы (виртуальные 
приборы). Технология виртуальных приборов позволяет создавать системы измерения, управления и диагностики различного 
назначения практически любой сложности, включая математическое моделирование и тестирование этих систем. Суть этой 
технологии состоит в компьютерной имитации с помощью программы реальных физических приборов, измерительных и управляющих систем. 
Слово виртуальный не должно вводить в заблуждение читателя, поскольку приборы, реализованные по этой технологии, на самом деле являются реальными, работающими с реальными физическими входными сигналами. Виртуальность здесь понимается  
в смысле имитации функций прибора математическими и программными методами. Например, виртуальный осциллограф по 
функциям эквивалентен реальному осциллографу, поскольку имеет физический вход для электрического сигнала. Преобразование 
сигнала в цифровой сигнал осуществляется аналого-цифровым 
преобразователем (АЦП). Дальнейшая обработка и управление 
сигналом, его отображение для наблюдения осуществляется программным способом. Такой осциллограф имеет виртуальный 
экран, виртуальные ручки управления (усиление, синхронизация, 
развертка и др.), графически отображаемые на экране монитора 
компьютера. Ручки, переключатели, кнопки виртуального прибора 
управляются с клавиатуры или посредством мыши. 
Методика создания виртуальных приборов позволяет организовать лабораторный практикум, учебный, научный и технический эксперимент, включая дистанционный с использованием 
локальных и сетевых технологий. Значительную роль играют 
5 

виртуальные приборы в дистанционных автоматизированных 
учебных лабораториях. 
В процессе обучения, например, студент постигает теорию 
и практику инженерных дисциплин. Лекционные и семинарские 
занятия соответственно обеспечивают формирование и развитие 
абстрактного инженерного мышления. Практические знания  
и навыки будущий инженер получает главным образом в лабораторном практикуме, в ходе которого формируется практическое мышление инженера. 
На лабораторные практикумы при подготовке инженера затрачивается около 30–40 % от общего времени его обучения. 
Эта составляющая учебного процесса является наиболее дорогостоящей и затратной, поскольку для ее обеспечения требуются специальные лаборатории, помещения, современное оборудование, стенды, приборы и т. д. Для обслуживания, помимо 
преподавательского состава, также необходимы квалифицированные кадры инженеров и техников. Поэтому продвижение 
современных информационных и телекоммуникационных технологий в лабораторные практикумы и в учебный эксперимент 
весьма важно с целью как повышения эффективности обучения, 
так и снижения материальных затрат и себестоимости учения. 
Современная технология виртуальных приборов позволяет 
экономить значительные финансовые ресурсы, не снижая качества обучения. Мировая вузовская практика подтверждает 
устойчивую и усиливающуюся тенденцию внедрения виртуальных технологий в учебный процесс. В наглядном пособии рассматриваются три программы: Beginnings of ELECTRONICS 
(Начала электроники), Electronics Workbench (EWB) и программная среда LabVIEW. 
Измерительные приборы, подключаемые к компьютеру через 
стандартные интерфейсы RS-232, RS-485, USB, GPIB (КОП), PXI, 
VXI, позволяет разрабатывать системы измерения, контроля, диагностики и управления практически любой сложности.  
6 

Глава 1. Описание программ 
1.1. Программа Beginnings of ELECTRONICS 
1.1.1. Назначение и основные принципы работы  
с комплексом 
Программа Beginnings of ELECTRONICS – эта обучающая 
система и предназначена в помощь учащимся (и преподавателям) средних, а также средних специальных учебных заведений 
и студентов младших курсов вузов для изучения разделов курса 
физики «Электричество». Он естественным образом дополняет 
классическую схему обучения, состоящую из усвоения теоретического материала и выработки практических навыков экспериментирования в физической лаборатории. 
Обучающая система реализована как мультимедийное приложение, работающее в среде операционных систем Windows XX, представляет собой электронный конструктор, позволяющий имитировать на экране монитора процессы сборки 
электрических схем, исследовать особенности их работы, проводить измерения электрических величин так, как это делается  
в реальном физическом эксперименте. 
С помощью конструктора можно: 
- изучать зависимость сопротивления проводников от удельного сопротивления его материала, длины и поперечного сечения; 
- изучать законы постоянного тока – закон Ома для участка 
цепи и закон Ома для полной цепи; 
- изучать законы последовательного и параллельного соединения проводников, конденсаторов и катушек; 
- изучать принципы использования предохранителей в электронных схемах; 
- изучать законы выделения тепловой энергии в электронагревательных и осветительных приборах, принципы согласования источников тока с нагрузкой; 
7 

- ознакомиться с принципами проведения измерений тока  
и напряжения в электронных схемах с помощью современных 
измерительных приборов (мультиметр, двухканальный осциллограф), наблюдать вид переменного тока на отдельных деталях, 
сдвиг фаз между током и напряжением в цепях переменного тока; 
- изучать проявление емкостного и индуктивного сопротивлений в цепях переменного тока, их зависимость от частоты генератора переменного тока и номиналов деталей; 
- изучать выделение мощности в цепях переменного тока; 
- исследовать явление резонанса в цепях с последовательным и параллельным колебательным контуром; 
- определять параметры неизвестной детали; 
- исследовать принципы построения электрических фильтров для цепей переменного тока; 
- конструктор можно также использовать в рамках его возможностей в творческой работе учащихся. 
Одной из главных особенностей комплекса является максимально возможная имитация реального физического процесса. 
Для этой цели предусмотрено, например, следующее: 
- изображения деталей конструктора и измерительных приборов приводятся не схематически, а в таком виде, как «на самом деле»; 
- при превышении номинальной мощности электрического 
тока, протекающего через сопротивление, последнее «сгорает»  
и приобретает вид почерневшей детали; 
- лампочка и электронагревательный прибор при номинальной мощности начинают светиться и «перегорают», если мощность, рассеиваемая на них, превышает рабочее значение; 
- при превышении рабочего напряжения на конденсаторе, 
последний также «выходит из строя»; 
- при превышении номинального рабочего тока через предохранитель, он «перегорает»; 
- большинство операций и их результаты сопровождаются 
звуковыми эффектами. 
Это делается для того, чтобы учащийся наглядно видел последствия своих ошибок, учился разбираться в причинах того 
или иного неудачного эксперимента и вырабатывал необходимые навыки предварительного анализа схемы. 
8 

Для пользования программой достаточно начальных навыков работы в системе Windows. 
1.1.2. Содержание рабочего стола компьютера 
При запуске программы на экран монитора компьютера выводятся: 
- монтажный стол с контактными площадками, на котором 
можно собирать и анализировать работу электрических схем  
(в центре экрана); 
- панель управления программой с кнопками для вызова 
вспомогательных инструментов (расположена в верхней части экрана); 
- панель деталей, содержащая набор электронных компонентов (в правой части экрана); 
- «мусорная корзина», куда выбрасываются перегоревшие  
и ненужные компоненты (она расположена в левом нижнем углу 
экрана); 
- панель комментариев (в нижней части экрана). 
1.1.2.1. Монтажный стол 
Монтажный стол представляет собой набор из 7×7 = 49 
контактных площадок, к которым «припаиваются» электрические детали для сборки различных электрических схем. Каждая 
деталь может располагаться лишь между двумя ближайшими 
контактными площадками, а также вертикально или горизонтально. К деталям в точки их соединения с контактными площадками можно подключать щупы измерительных приборов. 
Выбор деталей из набора конструктора и «пайка» их на рабочем 
столе производится с помощью мыши. Это делается стандартным для Windows-приложений способом – необходимо поместить указатель мыши на нужную деталь (указатель принимает 
вид пинцета), затем нажать левую кнопку мыши и, удерживая ее 
в нажатом состоянии, переместить деталь в нужное место монтажного стола. После освобождения левой кнопки мыши деталь 
будет установлена в указанном месте. Ненужные и «испорчен9 

ные» детали можно удалить со стола в «мусорную корзину» таким же способом. 
Можно удалять детали со стола и другим методом. Необходимо щелкнуть на детали правой кнопкой мыши – появится окно с надписью «Выбросить деталь». После подтверждения 
(щелчка на кнопке) деталь будет удалена в корзину. 
Детали, «выброшенные» за пределы монтажного стола, но 
не в корзину, накапливаются в нижней части монтажного стола. 
На столе одновременно не могут быть расположены источники переменного и постоянного тока. 
1.1.2.2. Описание функций кнопок панели управления 
 
Загрузить схему из файла 
 
 
Кнопка открывает окно с папкой, в которой хранятся файлы 
со схемами, сохраненными ранее командой «Сохранить схему 
как...». Можно выбрать файл с необходимой схемой и открыть 
его стандартным способом, что приведет к появлению схемы  
в готовом виде на монтажном столе. 
 
Сохранить схему как… 
 
 
Кнопка открывает окно, в котором необходимо указать имя 
файла для сохраняемой схемы, и при необходимости указать 
папку, в которой следует поместить файл. Схема, расположенная на монтажном столе, будет сохранена в указанном файле  
и папке. На монтажном столе схема остается. В дальнейшем сохраненная схема может быть вызвана на монтажный стол командой «Загрузить схему из файла». 
 
Очистить монтажный стол 
 
 
10