Лабораторная работа №1
Дослідження ЕК постійного струму
Цель работы - опытное исследование свойств линейной электрической цепи, нахождение токов в ветвях методом наложения и по законам Кирхгофа, определение потенциалов точек электриче ской цепи, исследование передачи энергии от активного двухполюсника нагрузке и сопоставления опытных и теоретических данных.
Работа может быть выполнена моделированием на универсальном лабораторном стенде МЭЛ или компьютерным моделированием виртуальной цепи с использованием программы Electronics Workbench 5.12 (EWB 5.12).
Время: 4 час
Описание набора элементов и приборов
На первой панели МЭЛ имеется электрическая цепь (Рис.1), состоящая из по- стоянных сопротивлений R1, R2, R3, R4, R5, R6 и трех измерительных сопротивлений Rи=10 Ом. Значения постоянных сопротивлений следующие: R1=100 Ом, R2= 200 Ом, R3=270 Ом, R4=300 Ом, R5=150 Ом, R6 =360 Ом.
Рис.1. Схема реального моделирования цепи
Исследуемая линейная цепь собирается подключением к пассивной цепи
(Рис.1) источников напряжения E1, E2 и переменного сопротивления нагрузки Rн
Рис.2. Источники напряжения и сопротивление нагрузки.
Измерительные сопротивления Rи включены в первую, вторую и третью ветви схемы. Измерения проводятся мультиметром или вольтметром постоянного тока. Токи в остальных ветвях находят по первому закону Кирхгофа.
Схема для компьютерного моделирования показана на рис. 2Рис.2. Схема для компьютерного моделирования
Для сборки виртуальной модели цепи последовательно перетащите на рабочее поле все элементы цепи: источники напряжения с панели “Sources”
, резисторы с панели “Basic” 
, вольтметры и амперметры с панели “Indicators” 
, мультиметр с панели “Instruments” 
. Расположите элементы цепи в соответствии со схемой. Элементы можно поворачивать, выделив их щелчком левой кнопки и вызвав окно команд редактирования щелчком правой кнопки. Для соединения элементов в цепь подведите стрелку указателя к выводу элемента, после появления черной контактной точки нажмите левую кнопку мыши, протащите проводник до вывода другого элемента и, добившись соединения, отпустите левую кнопку мыши.
Для изменения значений параметра элемента выделите его, щелкнув левойкнопкой мыши. Затем нажмите правую кнопку, выберите “Component Properties” и установите нужное значение параметра на вкладке “Value”. В виртуальной модели значения сопротивлений R1, R2, R3 увеличены на 10 Ом для учета измерительных сопротивлений реальной модели.
При сборке схемы в EWB 5.12 стрелки токов должны входить в положительные клеммы амперметров, которые в модели изображены тонкой линией. При этом значения токов по знаку будут соответствовать принятым направлениям стрелок.
Мультиметр позволяет измерять постоянные и переменные напряжения и токи, а также сопротивления. Переключения режимов выполняется нажатием кнопок на панели мультиметра
Лабораторное задание
Установите заданные преподавателем величины напряжения каждого из двух источников напряжения. Измерения проводите вольтметром. Значения напряжений запишите в рабочий отчет и поддерживайте неизменными.
Подключите к гнездам a, f цепи (Рис. 2) источник напряжения E1. Гнезда d, e замкните перемычкой. (В виртуальной модели вместо перемычки установите значение Е2=0).
Определите токи во всех ветвях при действии только источника напряжения Е1.
Результаты запишите в таблицу 1.
Для определения токов в реальной модели можно использовать мультиметр в режиме вольтметра, подключая его параллельно измерительным сопротивлениям Rи =10 Ом в пер вой, второй и третьей ветви. Значение тока в ветви рассчитывается по формуле Ik UkИ 10 Ом , где UkИ- напряжение, измеренное на измерительном сопротивлениив ветви с номером 1, 2, 3; I k.- ток в этой ветви.
Токи надо обязательно определять с учетом знаков для "условно положительных направлений", обозначенных на схеме (Рис.1.3). Для этого "плюс" прибора следует подключать к тому гнезду измерительного сопротивления, к которому направлена стрелка тока.
Токи в остальных ветвях рассчитайте по первому закону Кирхгофа.
Подключите к гнездам d, e источник напряжения E2, а вместо источника напряжения E1 гнезда a, f замкните перемычкой. (В виртуальной модели установите заданное значение Е2 и Е1=0). Так же, как в п.3, определите токи во всех ветвях (с учетом их знаков) при действии только источника напряжения Е2. Результаты запишите в таблицу 1.1.
Включите два источника напряжения. Определите токи в ветвях схемы при действии обоих источников (с учетом знаков токов). Результаты запишите в таблицу 1.1
Таблица 1.1
| | ЕI≠ 0 Е2= 0 | ЕI= 0 Е2≠ 0 | ЕI≠ 0 Е2≠ 0 опыт | ЕI≠ 0 Е2≠ 0 расчет |
| I1, мА I2, мА I3, мА | | | | |
Включите вместо источника напряжения Е2 переменное сопротивление нагрузки Rн. Изменяя значение Rн от нуля (режим кз) до мах (в режиме хх), измерьте в 6- 7 точках напряжение на нагрузке и ток в ней. Запишите показания в таблицу 1.3. Рассчитайте мощность, выделяемую в нагрузке и сопротивление Rн. Найдите максимальное значение мощности и соответствующие максимальной мощности значения тока и сопротивления нагрузки Rн ОПТ. Проверьте выполнение условия согласования нагрузки с генератором.
Таблица 1-3
| № п/п | I1 мА | I2 мА | I3 мА | U2 В | Rн Ом | Р2 Вт |
| | | | | | | |
| | | | | | | |
2. Расчетное задание
Решить 4 задачи по постоянному току.
 |  |
 |  |
ЛАБОРАТОРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Особливе місце в системі підготовки інженерів радіотехнічного профілю займають лабораторні практикуми по дослідженню властивостей компонентів і типових схем — як аналогових, так і цифрових пристроїв і функціональних вузлів. Причому, якщо цифрові пристрої на логічному рівні можуть цілком адекватно моделюватися програмними засобами, то дослідження на фізичному рівні (на рівні струмів і напруг) аналогових схем необхідно проводити з використанням реального вимірювального устаткування й відповідних ЛС.
Проведене авторами оглядове дослідження ринку виявило, зокрема, практично повну відсутність доступних і надійних технічних рішень для проведення лабораторних практикумів з аналогових електроніки та схемотехніки, при безсумнівній наявності потреби в таких. Тому фахівцями кафедри біомедичних електронних приладів і систем Харківського національного університету радіоелектроніки та кафедри комп’ютерної інженерії Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка, на підставі угоди про співробітництво між названими університетами, був спільно розроблений триплатний комплект ЛС, призначений для вивчення основ електроніки й аналогової схемотехніки. ЛС дозволяють одержати практичні навички дослідження різноманітних напівпровідникових приладів, схем на транзисторах й ОП (підсилювачів, генераторів, активних RC- фільтрів й ін.).
Багаторічний досвід проведення авторами лабораторних робіт дозволяє стверджувати, що переважна більшість відмов лабораторного устаткування, у силу специфіки його використання, відбувається саме під впливом експлуатаційних факторів, які є, порівняно з іншими, найменш передбачуваними. Отже, одним з найбільш ефективних способів підвищення надійності й відмовостійкості ЛС є оснащення їх гнучкою й багатофункціональною («інтелектуальною») системою управління і захисту устаткування від помилок й «некоректних» дій користувача, що виконує лабораторну роботу. Саме така система на основі МК фірми Atmel реалізована
6
комплекті лабораторних стендів ЛС-1, 2, 3.
Реалізована система захисту, що використовує як стандартні, так й
«інтелектуальні» рішення, дійсно забезпечує надійне й безвідмовне функціонування стендів. Наприклад, за два роки інтенсивного використання в навчальному процесі Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка чотирнадцяти комплектів ЛС не зафіксовано жодної їхньої відмови.
Нині комплекти лабораторних стендів ЛС-1, 2, 3 використовуються в навчальному процесі на кафедрах біомедичних електронних приладів і систем,
радіоелектронних пристроїв, основ радіотехніки, мікроелектроніки, проектування та експлуатації електронних апаратів Харківського національного університету радіоелектроніки (28 комплектів) та на кафедрах комп’ютерної інженерії, комп’ютерних інформаційних технологій та систем Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка (14 комплектів). Запропонований лабораторний практикум узагальнює досвід практичної експлуатації ЛС при викладанні дисциплін: «Теорія електричних кіл», «Теорія електричних кіл та сигналів», «Аналогова схемотехніка», «Основи схемотехніки», «Основи електротехніки та електроніки» та інших для майбутніх інженерів різних напрямів підготовки.
7
1 ХАРАКТЕРИСТИКА ЛАБОРАТОРНОГО УСТАТКУВАННЯ ТА ЗАГАЛЬНІ МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ
Комплект ЛС, призначений для вивчення основ електроніки й аналогової схемотехніки, складається з трьох плат [4]: ЛС-1, ЛС-2, ЛС-3. На рис. 1, 2, 3 показано їх зовнішній вигляд.
Рисунок 1 — Зовнішній вигляд ЛС-1
ЛС-1 орієнтований на вивчення ОП і схем, побудованих на його основі. Стенд дозволяє проводити лабораторні роботи по дослідженню підсилювача на ОП з інвертуючим входом, схем інтегратора, диференціатора і компаратора, активних RC - фільтрів на ОП.
ЛС-2 забезпечує дослідження властивостей напівпровідникових елементів
схем з їх застосуванням. Він дозволяє проводити лабораторні роботи по дослідженню ВАХ різних напівпровідникових приладів: випрямляючого діода,
світлодіода, стабілітрона, БТ та польового транзистора, а також схем мультивібратора, транзисторного ключа та генератора пилкоподібної напруги.
8
Рисунок 2 — Зовнішній вигляд ЛС-2
Рисунок 3 — Зовнішній вигляд ЛС-3
9
ЛС-3 орієнтований на дослідження підсилювальних та генераторних схем, побудованих на біполярних транзисторах, а саме: підсилювача напруги, вибіркового підсилювача та генератора – триточки.
Як видно, ЛС є секціонованими, тобто на кожній платі розміщений набір схем, згрупованих за конструктивними та функціональними ознаками. Шина живлення пристроїв є загальною і комутованою. Вибір пристрою для дослідження і подача живлення на нього відбувається за допомогою схеми управління (МКСУ) реалізованої на МК фірми Atmel і наборі реле, що повністю усуває необхідність будь-яких перекомутацій блоку живлення при зміні досліджуваного пристрою. Принцип управління комутацією секцій ЛС пояснюється рис. 4.
Рисунок 4 — Принцип управління комутацією секцій ЛС
Типове лабораторне робоче місце складається з комплекту ЛС, функціонального генератора, лабораторного блока живлення, двоканального
10
осцилографа та мультиметра. Можливий варіант комплектації робочого місця показаний на рис. 5.
Рисунок 5 – Варіант комплектації лабораторного робочого місця
Зовнішній вигляд функціонального генератора, лабораторного блока живлення, двоканального осцилографа та мультиметра зображено на рис. 6, 7, 8, 9 відповідно.
Рисунок 6 – Зовнішній вигляд функціонального генератора
Функціональний генератор використовує технологію прямого цифрового синтезу (DDS) аналогових сигналів та має наступні основні характеристики:
– частотний діапазон–від1Гц до8МГц;
11
– амплітуда вихідної напруги–до12вольт;
– форма сигналу:синусоїда,трикутник,прямокутні та пилкоподібніімпульсні послідовності, а також деякі сигнали спеціальної форми;
– можливості регулювання асиметрії форми сигналу та додаванняпостійного зсуву (постійної складової).
Генератор має регульований ТТЛ/КМОП – вихід, цифровий РК дисплей та мікроконтролерне управління, а також убудований шестирозрядний частотомір для вимірювання частоти з кроком 1 Гц.
Рисунок 7 – Зовнішній вигляд блока живлення
Триканальний блок живлення постійної напруги має два канали з вихідною напругою від 1,2 до 30 В зі струмом навантаження від 0 до 3 А кожний. Третій канал забезпечує вихідну напругу від 0 до 15 В.
Особливостями даного блока живлення є наступне:
– можливість послідовного або паралельного з’єднання каналів для збільшення вихідної напруги або вихідного струму відповідно;
– контроль вихідних значень струму та напруги всіх каналів за допомогою динамічних індикаторів;
– похибка вимірювань для вихідної напруги складає не більше 1% ± 2
одиниці, для струму – не більше 2% ± 2 одиниці;
– регулювання вихідних напруг здійснюється потенціометрами роздільно для всіх каналів;
– всі канали захищені від перенавантаження по струму та напрузі.
12
Рисунок 8 – Зовнішній вигляд осцилографа
Цифровий двоканальний запам’ятовуючий осцилограф PDS 5022S з кольоровим РК висококонтрастним екраном має наступні основні характеристики та можливості:
– смуга пропускання – 20 Мгц;
– довжина запису – 6 000 крапок для кожного каналу;
– максимальна частота вибірки – 100 Мвиб/с;
– курсорні вимірювання;
– автоматичні вимірювання п’яти типів величин;
– автоматичне настроювання;
– збереження та виклик осцилограм;
– математичні операції для осцилограм;
– функції усереднення та пікового детектування при реєстрації;
– режим реального часу при реєстрації;
– режим запуску по фронту або синхроімпульсу відеосигналу;
– комунікаційні порти RS232 та USB;
– функція збереження осцилограми у вигляді графічного зображення в форматі BMP;
– вибір мови інтерфейсу;
– регульований режим післясвічення.
13
Рисунок 8 – Зовнішній вигляд мультиметра
Настільний мультиметр дозволяє:
– вимірювати постійні та змінні струми і напруги, ємність конденсаторів та частоту сигналів звукового діапазону, активний опір;
– перевіряти стан з’єднань (з використанням звукової сигналізації), стан
діодів з вимірюванням падіння напруги на діоді, стан біполярних транзисторів з приблизним вимірюванням коефіцієнта передачі струму h21.
Як і всі прилади, розглянуті раніше, мультиметр захищений від перенавантаження практично в усіх режимах вимірювань.
Слід зазначити, що в складі розглянутого варіанта комплектації лабораторного робочого місця мультиметр та осцилограф є стандартними приладами, що виготовляються промисловістю, а функціональний генератор та блок живлення спроектовані фахівцями кафедри біомедичних електронних приладів і систем Харківського національного університету радіоелектроніки.
14
Під час підготовки студента до кожної лабораторної роботи необхідно:
– за допомогою рекомендованої літератури та конспекту лекцій вивчити теоретичний матеріал;
– вивчити завдання до лабораторної роботи, уяснити мету роботи, сутність завдання і методику проведення досліджень;
– продумати очікувані результати;
– ознайомитись з обладнанням лабораторного робочого місця і вимірювальними приладами;
Литература
1. Бакалов В.П., Воробиенко П.П., Крук Б.И. Теория электрических цепей: Учебник для вузов. – М.: Радио и связь, 1998.
Воробиенко П.П. Теория линейных электрических цепей. – М.: Радио и связь, 1989. – С.120, зад. 7.1.