الإدخال التخطيطي ومحاكاة الدوائر التناظرية

من المهارات المهمة التي يجب أن تطورها هي القدرة على فهم مخططات الدوائر الكهربائية وبنائها، وينبغي أن تتبع هذه المخططات المعايير الدولية، مثل ⁦60617 IEC⁩ من اللجنة الكهروتقنية الدولية®، أو الإقليمية مثل ⁦BS8888⁩ و⁦BS3939⁩ في المملكة المتحدة. وتتوافر العديد من حزم البرامج التي تسمح لك بذلك - انظر الشكل 19.1 على سبيل المثال، وتتراوح هذه الحزم من تنزيلات مجانية من الإنترنت إلى حزم احترافية مكلفة تُستخدم في هذا المجال، والتي تشترك جميعها في بعض الخصائص الأساسية. ويتمثل أحد العوامل الرئيسة في عدد المكونات المخزنة في مكتباتها ومدى سهولة استخدامها. لذا، يتعين أن تتمكن من العثور على المكونات التي تحتاج إليها سريعًا بحيث يمكنك سحبها وإفلاتها في نافذة الرسم لديك. يُمنح كل مكون تضيفه إلى تصميمك معرفًا فريدًا، مثل ⁦R1⁩. وينبغي لك أن تكون قادرًا على توصيل المكونات، وذلك عن طريق السحب من نقطة لأخرى عادةً.

تحتوي المكتبات أيضًا على مجموعة متنوعة من مصادر الإشارة وأجهزة الاستشعار والمشغلات. ويلزمك التدرب على استخدام تطبيقات البرامج حتى تتمكن من العمل عليها بثقة وكفاءة.

يكمن الجانب الذكي للبرامج في أن المكتبات لا تحتوي على رموز الدوائر فحسب، بل تعمل أيضًا على تخزين تفاصيل خصائص الأجهزة، مثل جهد الانهيار وحد الطاقة لصمام دايود زينر. ويمكنك اختيار قيم المكونات الشائعة، مثل المقاومات والمكثفات، وتغييرها بسهولة من أجل تعديل تصميماتك. وتستخدم البرامج هذه المعلومات لتمكين محاكاة عملية تشغيل الدائرة. ويمكنك تضمين مجموعة كاملة من الأدوات الافتراضية، مثل: مقياس الجهد ومقياس التيار وراسمات الذبذبات وبعض الأجهزة الأكثر تعقيدًا (مثل محلل الطيف أو مخطط بود) بهدف قياس الإشارات عند أي نقطة في الدائرة. تستخدم الغالبية العظمى من الحزم برنامجًا يسمى ⁦SPICE⁩ لتنفيذ عملية المحاكاة. ويُضمن هذا البرنامج في حزمة البرامج، لذا لا يلزمك معرفة الكثير عنه في هذه المرحلة. ستسمح حزمة البرامج الخاصة بك أيضًا بتصميم الدوائر الرقمية (المناقشة في الجزء (ب)، صفحة 25 وما يليها). وتحتوي المكتبات الرقمية على البوابات الأساسية والعائلات المنطقية القياسية.

وتتوافر بعض الحزم التي تسمح لك ببناء ما يُسمى بالتصاميم الهرمية، حيث تعمل على تصميم وحدة ما، ثم تستخدم عدة وحدات لبناء وحدة أكبر وهكذا. يمكن أن تنطوي الدوائر الرقمية على مشكلات تتعلق بالتوقيت، والتي قد تكون أحيانًا صعبة الحل. وتتوافر أجهزة تحليل منطقية يمكنها مقارنة الإشارات في نقاط متعددة في الدائرة للتحقق من حدوث التغييرات في الوقت المناسب، ولكنها قد تكون مكلفة للغاية. وتتيح لك المحاكاة التحقق من أن الإشارات تأخذ الوقت الكافي للاستقرار قبل أن تؤثر في جزء آخر من الدائرة.

بعد تنفيذ التصميم والمحاكاة الأولية، تتمثل الخطوة التالية في بناء دائرة نموذجية لاختبار ما إذا كان تصميمك يعمل بشكل عملي أم لا. وتتوافر العديد من طرق إعداد النماذج الأولية المتاحة، ومنها أنظمة التوصيل القبسي ⁦(Plug-in)⁩ التي تعتبر مفيدة في المراحل الأولى إذ تتيح لك تحريك المكونات بسهولة وتجربة قيم مختلفة. وهناك أيضًا الأنظمة الملحومة ⁦(Soldered)⁩ التي تتميز بكونها أكثر متانة، لكنها ليست سهلة التعديل إذا كنت بحاجة لإجراء تغييرات.

يُعرف أكثر أنواع أنظمة التوصيل القبسي شيوعًا باسم لوحة التجارب (انظر الشكل 19.2)، وهي عبارة عن كتلة بلاستيكية تحتوي على ثقوب مرتبة في مجموعات متصلة بمشابك النابض. وعادةً ما تكون الثقوب مرتبة عادة بمسافة 0.1 بوصة (2.54 مم) بين كل منها. أما المسافة بين الكتل عبر الخط المركزي تبلغ 0.3 بوصة (7.62 مم)، وهي المسافة نفسها بين الدبابيس في الحزم المزدوجة على الخط ⁦(DIP)⁩ المستخدمة في العديد من الدوائر المتكاملة. وعليك إدخال المكونات مثل المقاومات والمكثفات وروابط أسلاك التوصيل في هذه الثقوب بغرض إكمال بناء الدائرة. وقد تجد أن استخدام لوحات التجارب محبطًا عند محاولة استخدامها مع الدوائر الكبيرة والمعقدة، حيث قد تواجه مشكلات في التوصيلات وفي الحفاظ على تباعد المكونات. إضافة إلى ذلك، قد تكتشف أن بعض أطراف المكونات لا تتناسب مع الثقوب. تحتوي لوحة فيروبورد (انظر الشكل 19.3) على شبكة من الثقوب بمسافة تباعد 0.1 بوصة (2.54 مم). يمكنك تركيب المكونات من خلال الثقوب، حيث تكون المكونات على الجانب الفارغ من اللوحة. وعادةً ما تكون اللوحة مصنوعة من الراتنج فينولي أو أحيانًا تكون لوحة مقواة بالألياف الزجاجية. ويحتوي الجانب العكسي من اللوحة على مسارات نحاسية موازية تمتد بطول اللوحة. تلحم أطراف المكونات وروابط التوصيل بالمسارات. وتتلاءم مقاسات "الحزم المزدوجة على الخط" مع المصفوفة. وعليه، يلزم رسم المخطط بعناية. ويتعين عليك قطع المسارات في أماكن معينة لفصل المكونات المستقلة. ومن الأفضل تخطيط التصميم على شبكة قبل بدء عملية البناء. يمكنك استخدام بديلًا للوحة فيروبورد، وهو لوحة الشرائح، لبناء دائرة دائمة أكثر، ومن المقرر أن تكون التوصيلات أكثر موثوقية. كما يمكنك شراء عدة أنواع من ألواح الشرائح.

هناك بديل آخر وهو لوحة الشبكة المثقوبة التي تحتوي فقط على ثقوب معزولة لتركيب المكونات. وفيها تعمل على لحام المكونات على اللوحة وربط المكونات من نقطة لأخرى، إما باللحام وإما عن طريق لف الأسلاك (وهي الطريقة الأقل شيوعًا). وتعتبر هذه الطريقة مفيدة في الدوائر الصغيرة والبسيطة التي تحتوي على عدد قليل من المكونات.

بمجرد محاكاة التصميم الخاص بك واختبار أنه يعمل باستخدام طريقة النموذج الأولي، ربما ترغب في إنشاء دائرة دائمة أكثر يمكن إعادة إنتاجها اقتصاديًا. وقد يحتوي برنامج التصميم الخاص بك على وسيلة لتحويل التصميم التخطيطي الخاص بك إلى تخطيط خاص بلوحة دوائر مطبوعة ⁦(PCB)⁩. وتحقيقًا لذلك، تتوافر بعض البرامج التي ستعمل تلقائيًا على توجيه مسارات الاتصال نيابةً عنك. قد تتطلب الدوائر الأكثر تعقيدًا لوحات دوائر مطبوعة مزدوجة الوجهة، والتي تتضمن مسارات على جانبي اللوحة. ومن المزايا الكبيرة للوحات دوائر مطبوعة مزدوجة الوجهة أنه يمكن إنتاجها بكميات كبيرة. إن تصميم لوحة الدوائر المطبوعة يعني أنه يمكنك مراعاة أطوال أطراف المكونات المختلفة، والرقائق، والمكونات المثبتة على السطح، وغيرها من العناصر، وهو ما قد يكون من الصعب مراعاته في النموذج الأولي.

من المهم أن تعرف ما هي الفولتية والتيارات والأشكال الموجية المتوقعة عند النقاط الرئيسة في الدائرة التي تخضع للاختبار، وذلك لكي تتمكن من مقارنتها بالقيم التي تقيسها. وتتمثل الأدوات الرئيسة التي يلزم أن تكون قادرًا على استخدامها لاختبار الدوائر التناظرية في مصدر إمداد الطاقة الثابت وجهاز القياس متعدد الأغراض وراسم الذبذبات ومولد الإشارات. تأكد من أنك على دراية بكيفية توصيل جهاز قياس متعدد الأغراض واستخدامه بشكل صحيح لقياس الجهد والتيارات. يمكنك أيضًا فحص قيم المقاومات واختبار الصمامات الثنائية (الدايود) إلى جانب، في معظم أجهزة القياس متعدد الأغراض، الترانزستورات بشرط ألا تكون الدائرة مزودة بالطاقة. مولد الإشارات هو مصدر للإشارات ذات ترددات مختلفة. وعادةً ما تكون الوظائف المتاحة هي الموجات الجيبية والمثلثية والمربعة. ويمكنك تغيير تردد الإشارة وسعتها وقد تتمكن أيضًا من ضبط دورة العمل (جزء المدة التي تكون فيها الإشارة أو النظام نشطًا) للشكل الموجي. وستكون معظم مولدات الإشارات التي من المحتمل أن تستخدمها عبارة عن مولدات تردد صوتي تتراوح من حوالي 0.03 هرتز إلى 3 ميجاهرتز. وقد تحتوي على مقاومات خرج "منخفضة" و"مرتفعة" لتمكين التوافق مع الأحمال المختلفة - على سبيل المثال، مقاومة منخفضة للتوصيل المباشر بمكبر الصوت أو مقاومة عالية للتوصيل بجهاز راسم الذبذبات. يعمل راسم الذبذبات على رسم الجهد على المحور الرأسي مقابل الوقت على المحور الأفقي. يمكنك تغيير حساسية محور الجهد عن طريق ضبط الكسب ⁦(V cm⁻¹)⁩. وتسمح لك راسمات الذبذبات ثنائية المسار بمقارنة إشارتين في وقت واحد. وهذه ميزة مفيدة للغاية عند قياس كسب المكبر، حيث ستتمكن من رؤية إشارات الدخل والخرج على الشاشة نفسها في الوقت نفسه. كما يمكنك التحكم في كسب كل مسار على حدة. وتغير قاعدة الزمن ⁦(s cm⁻¹)⁩ السرعة التي تنتقل بها نقطة الإشارة عبر الشاشة. وعادةً ما تضبط قاعدة الزمن لغرض معين ما يزيد عن دورتين كاملتين للإشارة (الإشارات) التي تقيسها. ومن المهم التأكد من أن ضوابط تحكم الكسب معينة على وضع "المعايرة" إذا كنت ترغب في أخذ قياسات دقيقة. وقد يتعين عليك أيضًا ضبط "التحكم في الثبات" للتأكد من أن كل مسار عبر الشاشة يبدأ من النقطة نفسها حتى تتمكن من رؤية مسار ثابت. يوضح الشكل 19.4 بعض المعدات الأساسية الخاصة بالاختبار الإلكتروني. وتتمثل الأدوات الأكثر تعقيدًا التي قد تستخدمها من حين لآخر في مخطط بود ومحلل الطيف وعداد التردد. يمكن أيضًا استخدام جهاز قياس متعدد الأغراض وراسم ذبذبات لاختبار الدوائر الرقمية (بحسب ما جرى مناقشته في الجزء ب، صفحة 25 وما يليها)، ومع ذلك قد تحتاج إلى استخدام بعض الأدوات الإضافية.