Методическое пособие к лабораторной работе №401

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИМ. А.Н. ТУПОЛЕВА
(КНИТУ – КАИ)
________________________________________________________________
Кафедра радиоэлектроники и информационно-измерительной техники
ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
И ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛОВ И ЦЕПЕЙ
Методическое пособие к лабораторной работе №401
по дисциплине Электротехника и электроника
Авторсоставитель: Погодин Д.В.
Казань - 2012 г.
2
Цель работы  изучение основных характеристик и порядок работы с
контрольно–измерительными приборами (генератором, осциллографом и цифровым мультиметром) при измерении основных параметров сигналов и цепей.
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И РАСЧЕТНЫЕ СООТНОШЕНИЯ
1. Основные параметры сигналов и цепей
1.1. Основные параметры сигналов
В электротехнике простейшим переменным сигналом является гармонический (ЭДС - е(t), напряжение - (u(t), ток - i(t)). Аналитически гармонический
сигнал (например, напряжение) записывается выражением:
u(t) = Umcos(ω0t+φ0) ,
(1.1)
где u(t) – мгновенное значение напряжения – напряжение в момент времени t.
Временная диаграмма гармонического сигнала приведена на рис.1.1. Он
характеризуется следующими тремя основными параметрами:
1. Um – амплитуда, величина наибольшего отклонения от нуля, (В- вольт);
2. Т – период, наименьший интервал времени, по истечении которого
мгновенные величины повторяются, измеряется в (сек), с ним связаны f=1/Т –
циклическая частота, измеряется в (Гц) и ω0 =2πf – угловая частота - (рад/с);
3. φ0 – начальная фаза, (рад). Выражение в скобках - (ω0t+φ0)= ψ(t) называют полная фаза. Отсюда φ0 = ψ(t=0).
u
u
i
Um
Um
Im
i
2π
π
T/2
2  ωt
ωt
φ00
Ψi
T t
u
Ψu
T
Рис. 1.2. Временные диаграммы двух
гармонических сигналов
Рис.1.1. Временная диаграмма
гармонического сигнала
Кроме амплитуд о величине периодических сигналов судят по их среднеквадратичным (действующим) значениям за период, I, U, E –
T
1 2
I
i dt ,
T 0
T
1 2
U
u dt ,
T 0
T
1 2
E
e dt .
T 0
(1.2)
Например, действующее значение периодического тока равно такому
значению постоянного тока, который, проходя через сопротивление r, за период
3
Т выделяет то же количество тепла, что и данный переменный ток i.
Связь между амплитудным и действующим значениями синусоидального
тока равна
T
T
I
1 2 2
1 1  cos 2t
E
U
I
I m sin tdt  I m
dt  m  0,707 I m .( E  m ; U  m ) (1.3)


T0
T0
2
2
2
2
Иногда гармонические сигналы характеризуют средним значением. Среднее значение синусоидальной величины за период равно нулю, поэтому за среднее значением гармонического тока принимают среднее значение за положительный полупериод:
Т
2
I ср 
T
2
2
0 i  t  dt  T
T
2
I
m
0
sin tdt 
2I m
T
2
[  cos t ]0 2  I m  0,637 I m .
T

(1.4)
Разность фаз колебаний. При совместном рассмотрении двух гармонических сигналов (рис.1.2) одной частоты разность их начальных фаз, называют
сдвигом фаз и обозначают 
u (t )  U m sin(t   u ) i (t )  I m sin(t   i ) , где
  u  i .
(1.5)
Если φ=0,то напряжение и ток совпадают по фазе, если    - находятся
в противофазе, если   

- в квадратуре. Если φ>0, то i(t ) отстает от u (t ) по
2
фазе на угол  , если   0 , то i(t ) опережает u (t ) по фазе на угол |  | .
В электронике часто используются импульсы прямоугольной формы рис.
1.3. Они характеризуется следующими основными параметрами: Um, –
амплитуда, В; Т– период, cек; и τ – длительность импульса, cек.
Кроме них используют следующие параметры: 1. скважность - θ=Т/τ; 2. коэффициент заполнения - (τ/Т)100%; 3. постоянная составляющая (среднее знаT
1
чение за период) сигнала (напряжения) - U 0 =U ср =  u dt .
T0
Рис. 1.3. Периодическая последовательность прямоугольных импульсов
4
1.2. Основные параметры электрических цепей
Большинство электрических цепей служит средством передачи сигналов от
источника сигнала в нагрузку (рис. ). При этом сигнал на входе цепи х(t) называют – воздействием или входным сигналом, а сигнал на выходе у(t) (на нагрузке)– откликом, реакцией или выходным сигналом.
Параметром цепи Н называют отношение величины выходного сигнала У,
к величине входного сигнала Х,
Н=У/Х.
(1.7)
В зависимости от вида входного сигнала различают три параметра цепи:
1. Статический параметр Нст =У0/Х0, где Х0 и У0 - постоянные величины;
2. Дифференциальный параметр H0 есть отношение приращения отклика
ΔY к приращению воздействия ΔX в заданной рабочей точке X0 - Н0=(ΔY/ ΔX)
при X= X0.
3. Комплексный параметр. Если входной сигнал гармонический с комплексной амплитудой Хm=Хmеjφх, а цепь линейная, то выходной сигнал всегда
гармонический с комплексной амплитудой Уm=Уmеjφу. При этом параметр цепи
становится комплексным числом - Н=У/Х = Hеjφ - комплексный параметр цепи,
где H=Ym/Xm – модуль, а φ = φ2- φ1 - аргумент комплексного параметра.
Для двухполюсника основным параметром является сопротивление
Z=Um/Im, причем воздействием считают ток I, а откликом напряжение U. Иногда пользуются проводимостью двухполюсника – Y= Im /Um.
Для четырехполюсника основным параметром считают коэффициент передачи по напряжению Кu=U2m/U1m, где U2m и U1m – комплексные амплитуды
выходного и входного напряжений. Здесь К=Кеjφк, где К=U2m/U1m и φк – модуль
и аргумент коэффициента передачи.
В простейшей электрической цепи, состоящей из генератора и нагрузки
(рис.1.4), протекает гармонический ток:
i(t)= e(t)/(RГ+RН)=(Em/(RГ+RН)) cos(t+)
Напряжение на нагрузке:
U Н (t )  RН  i (t ) 
Em  RH
 cos(ωt   )
RГ  RH
Рис.1.4. Схема замещения
источника сигнала с нагрузкой.
При RН>>RГ амплитуда напряжения на нагрузке достигает максимальной
величины, стремясь к амплитуде Em–это режим согласования по напряжению.
Активная мощность, выделяемая в нагрузке, определяется соотношением:
Pн ( t ) 
T
Um  Im U 2
1
U

i(
t
)dt


T
T 0
2
Rн
Мощность PН достигает максимального значения Pн max когда RН = RГ .Это
режим согласования по мощности,.
5
2. Основные измерительные приборы
2.1. Функциональный генератор сигналов GFG-8215А
Генератор предназначен для создания электрических сигналов, которые
используются для исследования электрических цепей и электронных устройств.
Основные технические характеристики
1. Генерация сигналов различной формы - синусоидальной, треугольной (пилообразной) и прямоугольной.
2. Амплитуда выходное напряжение генератора регулируется от 4мВ – 10В.
3. Частота выходного сигнала регулируется в пределах от 0,3 Гц до 3 МГц.
4. Смещения выходного сигнала в пределах -10В ÷ +10В.
5. Регулировка коэффициента заполнения для импульсных сигналов.
6. Управление частотой генератора внешним источником напряжения.
7. Выходное сопротивление по основному выходу – 50 Ом.
8. Дополнительный выход для подключения ТТЛ или КМОП - схем.
9. Напряжение питающей сети -  230В+15%, 50/60Гц.
Основные органы управления и индикации
Они расположены на передней панели генератора (рис.1.5).
Рис.1.5. Передняя панель генератора GFG-8215А
1. Кнопка включения питания «POWER». Для включения питания кнопку
вжать.
2. Ручка «FREQUENCY» - плавной регулировки частоты выходного сигнала
от 0.3 до 3 ее максимального значения в выбранном диапазоне частот.
3. Разъем
«CMOC/TTL» дополнительного выходы
КМОП/ТТЛ уровня.
6
c сигналами
4. Разъем «VCF» для управления частотой генератора внешним сигналом.
5. Ручка «DUTY» - плавной регулировки скважности цифровых сигналов.
Для регулировки - ручку вытянуть на себя и вращая ее, установить нужную
скважность выходного импульсного сигнала.
6. Ручка «CMOC/TTL» - управляет сигналом на дополнительном выходе.
При вжатой положение ручки сигнал на выходе «CMOC/TTL» совместим с
уровнями ТТЛ. Если вытянуть и вращать ручку, то сигнал на этом выходе совместим с уровнями КМОП элементов и регулируемый по величине 5 – 15В.
7. Ручка «OFFSET» - плавной регулировки смещения выходного сигнала в
диапазоне 10 В, при отжатом положении этой ручки, путем ее вращения.
Если ручка вжата, то напряжение смещения равно нулю.
8. Ручка «AMPL» - плавной регулировки амплитуда выходного напряжения, в диапазоне (1 – 10)В, когда ручка вжата, путем ее вращения. При отжатом положении ручки, выходной сигнал ослабляется в 10 раз (на -20дБ).
9. Трехкнопочный переключатель «Выбор формы выходного сигнала». Для
выбора - необходимо вжать соответствующую кнопку.
10. Разъем «OUTPUT» - основного выхода генератора.
11. Семикнопочный переключатель «Выбор диапазона частот». Для выбора
диапазона частот вжать кнопку, указывающую множитель частоты: 1,
10,…106(1М). Частота на выходе генератора определяется как показание ручки
плавной регулировки в Гц умноженное на множитель частоты (1….106).
12. Кнопка «ANN -20дБ» - дополнительного ослабления амплитуды выходного сигнала на -20дБ (в 10 раз). Для ослабления амплитуды кнопку вжать.
Подготовка к работе и порядок работы с генератором
1. Подключите прибор к электрической сети 220В+15%, 50/60Гц с помощью поставляемого в комплекте сетевого шнура.
2. Нажмите кнопку «POWER» (1) и убедитесь, что все вращающиеся ручки
вжаты; затем поверните регуляторы AMPL (5) и FREQ (3) до отказа влево.
3. Подсоедините основной выход (10) генератора к нагрузке.
4. Выберете форму выходного сигнала, нажав соответствующую кнопку в
поле выбора формы сигнала (2).
5. Установите необходимую частоту выходного сигнала. Для этого выберите частотный диапазон, нажав клавишу в поле множителя частоты (4) и, вращая ручку «FREQUENCY» (3), установите необходимую частоту. Частота на
выходе генератора определяется как показание ручки плавной регулировки в
Гц умноженное на множитель частоты (1….106). Точное значение установленной частоты можно определить с помощью внешнего частотомера.
6. Установите необходимую амплитуду сигнала на выходе, вращая ручку
AMPL (5) и контролируя ее величину осциллографом или вольтметром, под7
ключенным к выходу генератора. Для ослабления сигнала на -20дБ, вытяните
ручку AMPL (5), для дополнительного ослабления на -20дБ нажмите кнопку
(7).
7. Для смещения сигнала по постоянной составляющей, вытяните и вращайте регулятор «OFFSET».
8. Для регулировки скважности импульсных сигналов вытянуть на себя
ручка «DUTY» и вращая ее, установить нужную скважность выходного сигнала, контролирую ее с помощью осциллографа.
Управление частотой внешним напряжением
Этот режим позволяет настраивать частоту генератора внешним управляющим постоянным напряжением.
1. Нажмите клавишу поля выбора формы сигнала (2); затем выберите частотный диапазон (4) и вращая регулятор FREQ (3) установите нужную частоту.
2. Подайте внешнее управляющее напряжение (0+10В) на разъем VCF и
снимайте выходной сигнал с выхода (10).
3. Остальные регулировки параметров сигнала, такие как амплитуда
AMPL (5), смещение Offset (7), скважность Duty (8) т.д, остаются без изменения.
2.2. Универсальный вольтметр В7-58/2
Универсальный вольтметр В7-58/2 предназначен для измерения:
- постоянного (в диапазоне 0,4mV – 1000V) и действующего значения переменного напряжения (в диапазоне 2mV – 700V на частотах от 20Гц до 100
кГц);
- сопротивления постоянному току в диапазоне 1 – 2.107 Ом;
- силы постоянного (в диапазоне 0,4μА – 10 А) и действующего значения
силы переменного тока (в диапазоне 2 μА – 10 А на частотах от 20Гц до 40
кГц).
Основные характеристики
Основная погрешность измерения 2%.
Входное сопротивление вольтметра при измерении постоянного и переменного напряжения равно (10±0.5) МОм. Входная емкость - не более 50 рФ.
 230В+15%, 50/60Гц.
Напряжение питающей сети Органы управления и индикации
На передней панели универсального вольтметра (рис.1.6) расположены:
1. Светодиодный индикатор с разрядностью 3 1/2.
2. Кнопочный переключатель рода измеряемого напряжения и тока: по8
стоянного - кнопка отжата, переменного - кнопка утоплена.
3. Трехкнопочный переключатель режимов измерения. При нажатии
кнопки:
- «V» -режим измерения постоянного и переменного напряжения;
- «mА» - режим измерения постоянного и переменного тока;
- «kΩ» - режим измерения сопротивления.
4. Шестикнопочный переключатель пределов измерения. Значения пределов измерения указаны в выделенном для каждого вида измерения поле, окрашенном в различный цвет.
Рис.1.6. Передняя панель вольтметра
5. Гнезда для подсоединения измерительного кабеля к объекту измерений:
«10 А» - при измерении тока до 10А, «V» - для измерения высокого напряжения (более 100В) . «V кΩ » - для измерения напряжения до 100В и сопротивления, «0» - общая точка схемы , «mА» - для измерения тока малой величины (до
1А).
Подготовка к работе и проведение измерений
Подсоединить к вольтметру сетевой шнур и включить его в сеть.
Установить переключатели: род измеряемого сигнала (2), режим измерения (напряжение, ток, сопротивление) (3) и предел измерения (4) в соответствии с измеряемым сигналом. Если измеряемая величина неизвестна, то установить старший предел измерения.
В соответствии с выбранным пределом и режимом измерения вставить во
входные гнезда измерительный кабель.
Подсоединить щупы измерительного кабеля вольтметра к измеряемому
объекту и произвести отсчет показаний светодиодного индикатора.
2.3 Электронный осциллограф GOS-630FC
9
Осциллограф предназначен для визуального наблюдения и исследования формы электрических сигналов путем измерения их параметров: амплитудных (в диапазоне 1мВ ÷ 200В), временных (2010-9с ÷ 1.0с) и частотных (0 ÷
30 МГц).
Основные характеристики
Два канала вертикального отклонения позволяют одновременно наблюдать
два сигнала на одной развертке.
Режим развертки внешним сигналом (режим X-Y) позволяет: сигнал по
кан. 1 использовать для перемещения луча по оси Х, а сигнал кан.2 - по оси Y.
Осциллограф имеет 6-дюймовую (12,5см) прямоугольную электроннолучевую трубку с красной внутренней шкалой.
Осциллограф имеет цифровое табло, на которое выведены: частота входного сигнала канала Х и текущие значения коэффициентов усиления по каналам и развертки.
Синхронизация: автоматическая, внешняя и внутренняя.
Входное активное сопротивление каждого канала вертикального отклонения (10,02) МОм.
Основная погрешность измерения напряжения не превышает 4%, измерения временных интервалов – не более 4%.
Основные органы управления и индикации.
На передней панели осциллографа (рис.1.7) расположены:
(1)-разъем выхода калибровочного сигнала: меандр, частота - 1кГц, амплитуда - 0,5В.
Панель управления изображением:
(2) - ручка ЯРКОСТЬ – регулирует яркость изображения.
(3) - ручка ФОКУС – регулирует фокус изображения.
(4) - ручка ПОВОРОТ ЛУЧА – регулирует луч, параллельно линиям шкалы.
(5)-кнопка АВТОУСТ– автоматической установки коэффициента развертки.
(6) и (7) – индикатор и выключатель сетевого питания. Когда выключатель
(7) включен, загорается индикатор (6).
Органы индикации:
(33) – экран осциллографа.
(29) - двухстрочный ЖК- индикатор (рис.1.8).
10
Рис.1.7. Передняя панель осциллографа GOS-630FC.
Он отображает установленный:
1. коэффициент развертки (TIME) «Время/Дел»;
2. частоту сигнала на входе канала X
(кан.1).
3. коэффициенты отклонения по обоим каналам (CH1 и CH2) «Вольт/Дел».
Рис.1.8. Показания ЖК- индикатора
Органы управления тракта Вертикального отклонения (Усилитель):
(9) и (21) - разъемы КАН.1, (Х). КАН.2, (Y) – для подключения входных сигналов.
(10) и (19) – переключатель (AC-DC-ЗЕМЛЯ) режима входов усилителя в положениях:
- АС – закрытый вход, на экране отображается только переменная составляющая сигнала;
- DC – открытый вход, отображается переменная и постоянная составляющие сигнала;
- ЗЕМЛЯ – вход усилителя отключается от источника сигнала и заземляется.
(8) и (20) – переключатели "ВОЛЬТ/ДЕЛ" - устанавливают коэффициенты
отклонения каналов от 5 мВ/дел до 5 В/дел в 10 диапазонах.
11
(13) и (15) – ручки «ПЛАВНО» - плавно изменяют коэффициентов отклонения
[В/дел] каналов с перекрытием не менее чем в 2.5 раза. Когда ручка вытянута
(режим х5 раз) происходит увеличение амплитуды в 5 раз.
(11) и (18) – ручки «СМЕЩЕНИЕ» - плавно перемещают лучи каналов по вертикали.
(17) – кнопка «КАН 2 ИНВ» – для инвертирование сигнала в канале 2 (Y).
(14) – переключатель «РЕЖИМ» - задает режим работы усилителя в положениях:
- КАН 1: на экране наблюдается сигнал канала 1 (Х);
- КАН 2: на экране наблюдается сигнал канала 2 (Y);
- ДВОЙН: на экране наблюдаются изображения сигналов обоих каналов;
- СЛОЖЕН: На экране наблюдается алгебраическая сумма или разность
(при нажатии кнопки «КАН 2 ИНВ») сигналов каналов 1 и 2.
(12) – кнопка «ПООЧЕР./ПОПЕРЕМ» - Когда кнопка отжата в двухканальном
режиме, режим работы коммутатора выбирается автоматически исходя из положения ручки время/дел. При нажатии на кнопку коммутатор принудительно
переключается в режим попеременный.
Органы управления синхронизации:
(23) – разъем «ВНЕШ. СИНХР» - для подключения сигнала внешней синхронизации.
(22) – переключатель «ИСТОЧНИК СИНХР»
синхронизации или внешней в положениях:
выбирает режим внутренней
- Кан. 1- развертка синхронизируется сигналом первого канала;
- Кан. 2 - развертка синхронизируется сигналом второго канала;
- СЕТЬ - развёртка синхронизируется от сети:
- ВНЕШ - развёртка синхронизируется внешним сигналом.
(25) – переключатель «ПОЛЯРН. » - полярности синхронизирующего сигнала:
"+" - развёртка запускается положительным перепадом исследуемого сигнала;
"–" - развёртка запускается отрицательным перепадом исследуемого сигнала.
(26) – кнопка «ДВОЙН.СИНХР» - развертка поочередно синхронизируется
сигналом с 1-го и 2-го каналов.
(27) - ручка «УРОВЕНЬ» – плавно, вращением ручки, выбирается уровень исследуемого сигнала, при котором происходит запуск развёртки.
(24) - переключатель «РЕЖИМ» - выбирает режима работы запуска развертки:
- АВТО – развертка запускается в автоколебательный режим;
12
- НОРМ - развертка запускается только при наличии входного сигнала;
- ТВ-КАДР или ТВ-СТРОКА – ТВ синхронизация: покадровая и построчная.
Органы управления развёрткой:
(28) - переключатель «ВРЕМЯ /ДЕЛ» - устанавливает коэффициент развёртки от 0,2 мкс/дел до 0,5 с/дел 20 ступенями. При переводе в положение X-Y
обеспечивается наблюдение фигур Лиссажу.
(30) - ручка «РАЗВЕРТКА плавно - обеспечивает плавную регулировку коэффициента развёртки с перекрытием 2,5 раза в каждом положении переключателя «ВРЕМЯ/ДЕЛ.
(32) - ручка «СМЕЩЕНИЕ - плавно перемещает изображение по горизонтали.
(31) - кнопка «РАСТЯЖКА – увеличивает скорость развёртки в 10 раз при отжатой кнопке.
1.3. Измерение основных параметров электрического сигнала
с помощью осциллографа
1.3.1. Измерение амплитуды сигнала
1. Установите переключатель режима работы усилителя на требуемый канал (обычно, канал 1, Х).
2. Переключатель режима работы входа усилителя установите в прием переменного сигнала (режим АС).
3. Получить на экране осциллографа устойчивое изображение сигнала
(сигнал не должен «бежать» по экрану). Для этого необходимо правильно выбрать источник синхронизации. Так, например, если сигнал подключен к каналу 1, то синхронизироваться лучше также по каналу 1, то есть поставить переключатель «ИСТОЧНИК СИНХР» (14) с положение «КАН 1». Ручкой «УРОВЕНЬ» установите устойчивое изображение.
Поставьте переключатель «ВРЕМЯ/ДЕЛ» в положение, при котором
наблюдается несколько периодов исследуемого канала.
4. Поставьте переключатель «V/ДЕЛ.» - K X , в такое положение, чтобы
амплитуда изображения была максимально возможной, но не выходила за пределы экрана.
На рис. 1.10. показаны три осциллограммы одного сигнала при разных
значения коэффициента усиления K X . На рис. 1.3, а значение K X выбрано
слишком большим, размах сигнала на экране получается небольшим, точность
измерения будет низкой. На рис. 1.3, в, K X выбран настолько малым, что размах сигнала находится за пределами экрана, определить амплитуду в этом случае вообще не возможно. Случай на рис. 1.3, б является оптимальным, так как
сигнал имеет наибольший размах, оставаясь в пределах видимой области.
13
а) K X =5 В/дел
б) K X =1В/дел
в) K X =0,2В/дел
Рис. 1.10. Примеры осциллограмм сигнала при различных значениях K X
5. Измерьте по экрану осциллографа размах сигнала Dдел - расстояние
между крайними точками сигнала по вертикали (см. рис. 1.3 б) в делениях сетки экрана с точностью до десятых долей. В показанном примере Dдел = 4 деления.
6. Вычислить величину размаха D в единицах напряжения, умножив расстояние Dдел , измеренное выше, на показание переключателя «V/ДЕЛ.» - K X :
D  Dдел K X [B].
Для рассматриваемого примера получаем D = 4дел.1 В/дел = 4 В.
(2)
7. Амплитуда сигнала Um составляет половину величины размаха D (см.
рис. 1.4), следовательно
D
[B].
2
В итоге получаем, что амплитуда сигнала Um = 2 В.
Um 
(3)
1.3.2. Измерение периода и частоты сигнала
1. Перед измерением периода необходимо выбрать канал и получить на
экране осциллографа устойчивое изображение сигнала.
2. С помощью регулятора «ВОЛЬТ/ДЕЛ» выбрать коэффициент усиления
Кх так, чтобы размах сигнала был наибольшим но не выходил за пределы экрана.
3. Выбрать коэффициент развертки K T так, чтобы на экране отображалось
1-2 периода сигнала. На рис. 1.11 показаны три осциллограммы сигнала, полученные для разных значений K T . В примере на рис. 1.5, а K T выбран не правильно, так как на экране помещается слишком большое количество периодов
сигнала и точность измерения периода будет не достаточно высокой. Установив K T , как показано на рис. 1.5, в, измерить величину периода вообще не
представляется возможным, так как на экране отображено менее одного периода. Величина K T оптимальна на рис. 1.5, б и составляет 2 мс/дел.
14
а) K T = 2 мс/дел
б)
K T =2 мс/дел
K T = 2 мс/дел
Рис. 1.11. Примеры осциллограмм сигнала при различных значениях K T
4. Подсчитать в делениях координатной сетки осциллографа с точностью
до десятых долей расстояние Tдел , приходящееся на один период сигнала (расстояние между двумя соседними максимумами или по пересечениям сигнала с
уровнем нуля рис. ).
в)
Для удобства подсчета можно сместить сигнал вдоль оси времени, используя регулятор (18), так что бы первый максимум, или пересечение через ноль
совпадали с вертикальными линиями координатной сетки.
В показанном примере Tдел = 5 дел.
5. Для расчета периода в единицах времени умножить, измеренное выше
расстояние периода Т на коэффициент развертки КТ
T  Tдел KT [с].
(4)
В итоге получаем, что период сигнала Т = 5дел· 2 мс/дел = 10 мс.
Зная период Т, частоту сигнала вычисляют по формуле:
F
1
1

=100 Гц .
T 10  10  3 c
(5)
1.3.3. Измерение длительности и скважности импульсов
На рис. 1.12 представлен график сигнала прямоугольной формы, на котором отмечены длительность импульса τ и период Т.
Рис. 1.12. Осциллограмма сигнала прямоугольной формы с отмеченными значениями
длительности импульса и τ и периода Т
15
Величины τ и период Т вычисляются с помощью осциллографа по той же
методике, которая используется для вычисления периода (см. раздел 1.3.2).
Как видно по осциллограммам, длительность импульса  дел = 2,5 дел. Учитывая, что K T = 2мс/дел, получаем τ =  дел K T =2,5дел·2мс/дел = 5 мс.
Аналогичным образом вычисляем период T = 10 мс.
Отсюда, скважность равна Q 
T

10 мс
5 мс
= 2.

1.3.4. Измерение постоянной составляющей сигнала
Постоянная составляющая U 0 определяет величину смещения сигнала относительно нулевого уровня по вертикальной оси (оси напряжений). На рис.
1.13 показаны три графика сигнала с одинаковыми амплитудами U и частотами
F, но разными U 0 .
а) U 0 = 0 В.
б) U 0 = 2 В.
в) U 0 = -3 В.
Рис. 1.13. Примеры сигналов с различными смещением U 0
Измерение постоянной составляющей U 0 выполняется в соответствии со
следующей методикой (на примере канала Х).
1. Используя переключатель (6), подключить вход усилителя к ЗЕМЛЕ. В
этом режиме на экране осциллографа будет отображаться только прямая линия
и с помощью ползункового регулятора (4) вывести линию на нулевой уровень.
2. Используя переключатель (5) (см. рис. 1.2), перевести усилитель в режим DC. В этом режиме на экране отображается полный сигнал (постоянная и
переменные составляющие) и подсчитать в деления шкала отклонение от нулевой линии положение одной точки сигнала (например, амплитуды, точка А). В
нашем примере, см. рис 1.9.б, UА DC =2дел..
3. Перевести осциллограф в режим АС и измерить в делениях шкалы положение точки А (без постоянной составляющей). В нашем примере, см. рис
1.9.а, UА АC =1дел.
4. Вычислить величину постоянной составляющей по формуле
U 0  K X  U ADC  U A AC  .
Для рассмотренного примера получаем: U 0  K X  U 0 ДЕЛ = 2 В/дел· (21)дел =2В, где КХ - коэффициент отклонения по каналу х.
16
(6)
1.4. МАКЕТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ
В СИСТЕМЕ ELECTRONICS WORKBENCH (EWB)
Для учебных целей в качестве инструмента анализа электронных схем с
помощью ПЭВМ удобно использовать программу ELECTRONICS
WORKBENCH, создающую компьютерные модели схем и виртуальные (не существующие реально) измерительные приборы.
Процесс выполнения лабораторной работы сводится к привычной для лабораторной практики сборке испытуемого макета схемы, подключению и
настройке приборов и, наконец, проведению измерений. Отличие состоит в
том, что работа выполняется не на физических, а на виртуальных объектах на
экране монитора ПЭВМ. При этом экран представляет собой как бы поверхность монтажного (рабочего) стола с размещенными на ней макетом и набором
измерительных приборов, подключенных к макету
Порядок выполнения работы
1. Загрузить среду пакета Electronics Workbench, при этом на экране появляется изображение монтажного стола, приведенное на рис. 1.
Главное меню
Разделы
библиотеки
компонентов
Приборная
панель
Клавиша включения
Библиотека
компонентов
Рабочее
поле
Рис. 1. Общий вид монтажного стола
2. Ознакомиться с основными частями монтажного стола.
На монтажном столе можно выделить следующие зоны: рабочее поле;
библиотека компонентов; разделы библиотеки компонентов; приборная панель;
главное меню; клавиша включения питания процесса моделирования.
2.1. Рабочее поле монтажного стола используется для сборки макета схемы и подключения приборов. Рабочее поле можно перемещать и изменять его
размеры подобно другим окнам программной среды WINDOWS. В рабочем
поле помещаются условные графические обозначения (УГО) компонентов и
измерительных приборов.
17
2.2. Непосредственно над рабочим полем монтажного стола располагаются клавиши с пиктограммами разделов библиотеки компонентов, одна из которых является активной.
2.2.1. Раздел библиотеки компонентов, соответствующий пассивным
компонентам Passive (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и пр.)
активизируется одиночным щелчком мыши на клавише с пиктограммой
При этом слева на экране появятся УГО компонентов раздела Passive:.
.
 соединитель применяется для соединения проводников и создания контрольных точек в схеме. Соединитель появляется автоматически при
выполнении соединения, когда перемещаемый конец линии связи совмещается
с изображением уже имеющегося проводника. Каждый соединитель обеспечивает подключение до четырех проводников, по одному с каждой из ортогонально ориентированных сторон;
 источники постоянных и переменных напряжения и тока. Параметры выходных сигналов источников назначаются после
двойного щелчка на их изображении. При установке параметров источников
переменного тока и напряжения назначаются среднеквадратические значения
тока и напряжения I и U. Следует иметь в виду, что все источники в схеме,
включая внешний генератор, должны иметь одну и ту же частоту. Поэтому
назначение частоты одного источника приводит к автоматической установке
частоты остальных источников;
 резистор, конденсатор и катушка индуктивности
являются наиболее распространенными пассивными компонентами схем;
 клемма нулевого потенциала Ground (Земля ) и т.д..
2.2.2. Раздел библиотеки компонентов, соответствующий активным компонентам Active (диоды, транзисторы, операционные усилители и т.д.) активизируется одиночным щелчком мыши на клавише с пиктограммой
. При
этом слева на экране появятся УГО компонентов раздела Active: диод
диодный мост
и
транзисторы и т. д..
2.2.3. Раздел библиотеки компонентов, соответствующий элементам индикации Indic (измерительные приборы, приборы индикации и т.д.) активизируется. одиночным щелчком мыши на клавише с пиктограммой
. При этом
на экране появляются УГО из раздела компонентов Indic: вольтметр
амперметр
.
18
и
3. Над разделом библиотеки компонентов находится панель измерительных приборов, содержащая семь позиций. В данных лабораторных работах используются следующие из них:
Мультиметр (multimeter) предназначен для измерения напряжения,
тока, сопротивления или ослабления сигнала в децибеллах между двумя контрольными точками схемы;
Функциональный генератор (functional generator) является источником напряжения, который вырабатывает сигнал синусоидальной, прямоугольной или треугольной формы. Органами управления этого прибора можно
настроить частоту, коэффициент заполнения (отношение длительности сигнала
к периоду), амплитуду и постоянную составляющую выходного напряжения;
Осциллограф (oscilloscope) используется для визуального наблюдения электрических сигналов в функции времени, измерения их амплитудных и
временных параметров (длительности, времени задержки, периода повторения
и пр.). Осциллограф снабжен зажимами двух каналов (А и В) и позволяет
наблюдать одновременно два сигнала в двух различных узлах схемы.
4. Размещение виртуальных компонентов производится с помощью мыши
и клавиатуры. Количество однотипных компонентов, извлекаемых из библиотеки компонентов, не ограничено.
Для размещения на рабочем поле монтажного стола нужного компонента
указатель подводится к его УГО в библиотеке компонентов и нажимается левая
клавиша мыши. Далее, не отпуская клавиши, УГО компонента перетаскиваетсы на рабочее поле.
Далее клавиша отпускается, когда компонент окажется в нужной позиции. Каждый вновь введенный компонент выделяется красным цветом. . Выделение компонентов необходимо для указания их номиналов, удаления, перемещения.
Для выделения группы компонентова при нажатой клавише Shift на клавиатуре выполняется щелчок на всех выделяемых компонентах. К такому же
результату приводит щелчок правой клавишей мыши без использования клавиатуры. Для выделения группы объектов можно, установив указатель слева и
выше самого левого объекта в группе, переместить указатель по диагонали
вправо и вниз. По мере перемещения появится расширяющийся прямоугольник.
Когда прямоугольник захватит все объекты группы, левую клавишу мыши
можно отпустить
Выделенный компонент можно удалить с рабочего поля или нажатием
клавишей DEL или перетащив УГО компонента назад в магазин компонентов.
Перемещения выделенного УГО производится либо с помощью клавиш редактирования, либо при нажатой левой клавише мыши путем его переноса в нужную позицию с помощью указателя мыши .
19
Для того, чтобы получить более читаемую конфигурацию схемы без излишних пересечений проводников командой Rotate (Вращение) из меню Circuit (Схема) можно выполнять вращение выделенного объекта или группы
компонентов на 90о. Этой же команде соответствует нажатие двух клавиш Ctrl
и R (Ctrl+R).
Для указания позиционного обозначения и типономинала выделенного
компонента используются команды Label (Обозначение) и Value (Значение) из
меню Circuit, которым эквивалентны двойные щелчки на изображении выделенного компонента или команды с клавиатуры Ctrl+L и Ctrl+U, соответственно. При этом в рабочем поле появляются соответствующие диалоговые
окна, в которых вводятся нужные значения и нажимается клавиша ОК.
После назначения типономиналов компонентов рядом с их УГО на рабочем поле монтажного стола появляются их позиционные обозначения и номиналы, например, см . рис. 2.
А В
1
2
Рис. 2. Моделируемая схема
4.1. Разместите на монтажном столе УГО компонентов и приборов, показанные на рис. 2, не выполняя соединений их выводов. Один из узлов схемы,
потенциал которого принимается равным нулю, должен быть заземлен путем
подключения к нему УГО Ground () из раздела пассивных компонентов магазина
5. Когда все нужные компоненты окажутся на рабочем поле монтажного
стола выполните соединение их выводов с помощью мыши. Для этого указатель подводится к выводу одного компонента (при этом вывод выделится),
нажимается левая клавиша мыши и при нажатой клавише указатель подводится
по кратчайшему пути к нужному выводу другого компонента. По мере перемещения указателя за ним следует линия подводимого проводника. Когда указатель окажется на нужном выводе, последний также выделится. Тогда клавиша
отпускается и линия связи автоматически трассируется между двумя выделенными выводами компонентов. При необходимости, например если линии располагаются слишком близко друг к другу или проходят над УГО компонентов,
проводник можно переместить, указав проводник щелчком мыши и переместив
его после появления на месте указателя двунаправленной стрелки.
Для соединения двух проводников и создания контрольных точек в схеме
используется УГО соединителя (точки), представляющее собой зачерненный
кружок в разделе пассивных компонентов. Соединитель имеет четыре ортого20
нально ориентированных вывода, которые можно использовать для подключения четырех проводников по одному с каждой стороны. Соединители создаются автоматически при перетаскивании проводника от какого-либо вывода компонента к данному проводнику. Клавиша мыши отпускается после появления
на изображении проводника кружочка в точке подключения.
Проводники можно выполнить линиями разного цвета командой Wire
color (Цвет проводника) из меню Circuit, либо выбором цвета после двойного
щелчка на изображении проводника. Если данным проводником к контрольной
точке подключается вход виртуального осциллографа, то этим же цветом будет
окрашена соответствующая осциллограмма на экране прибора.
Если необходимо удалить проводник, то следует указать вывод компонента, куда подключен этот проводник, так, чтобы этот вывод выделился, и,
нажав левую клавишу мыши, оттащить проводник от вывода и отпустить клавишу. Если убрать компонент или прибор из рабочего поля в магазин компонентов или на панель приборов, то все линии связи, подключенные к этому
объекту исчезнут.
Для выравнивания линий связи можно выделить объект и скорректировать его позицию с помощью мыши или клавиш управления курсором.
6. Запустить программу анализа, включив питающее напряжения щелчком на клавише выключателя питания в верхнем правом углу экрана ПЭВМ.
По завершении моделирования выключатель питания автоматически возвращается в исходное состояние, а результаты испытания схемы отражаются в виде
показаний подключенных к схеме приборов. Остановить моделирование можно
также, выключив питание щелчком указателя на клавише выключателя.
В процессе моделирования схемы Electronics Workbench анализирует
поведение схемы путем определения токов в ветвях и напряжений в узлах. После завершения моделирования можно настроить органы управления измерительных приборов или подключить мультиметр, вольтметр, осциллограф или
логический анализатор к другим контрольным точкам. После таких переключения придется повторно запустить анализ.
Если схема неправильно собрана или некорректно выполнено заземление,
то ее работу невозможно моделировать. В этом случае появится сообщение об
ошибке, после устранения которой анализ запускается вновь.
7. Провести настройку каждого прибора. С этой целью увеличить изображение прибора путем выделения прибора и выполнения команды Zoom (Лупа) из меню Circuit. К тому же результату приводит двойной щелчок на изображении прибора. На увеличенном изображении прибора установить органы
его управления в необходимые положения.
Приборы имеют собственные органы управления, однако для их настройки используются одни и те же принципы: для выбора органа управления, выполненного в виде клавиши или кнопки, и его установки используется щелчок
мышью после вывода указателя на клавишу или кнопку; чтобы изменить значе21
ние и единицу размерности вырабатываемой или измеряемой величины, производится щелчок на стрелках «вверх» и «вниз», расположенных сбоку от обозначения единицы размерности или ее значения.
Пиктограмма мультиметра, приведенная на рис. 3 применяется для измерения напряжения, тока, сопротивления или ослабления сигнала в децибелах
между двумя узлами схемы. Режим работы мультиметра задается клавишами.
Выбор клавиши осуществляется щелчком мыши на клавише верхнего ряда:
A  измерение тока (режим амперметра). Для измерения тока мультиметр
должен быть включен своими зажимами «+» и «-» в разрыв цепи, где измеряется ток. Щелчком на клавишах «» или «» задается режим измерения либо переменного (его среднего значения), либо постоянного тока. По умолчанию
мультиметр в режиме амперметра обладает внутренним сопротивлением 10 -3
Ом, однако сопротивление можно изменить щелчком на клавише SETTINGS
мультиметра;
Рис. 3. Мультиметр
Рис. 4. Функциональный генератор
V  измерение напряжения (режим вольтметра). Для измерения напряжения между двумя точками схемы к ним необходимо подключить соответствующие зажимы прибора. Режим измерения и внутреннее сопротивление прибора
(по умолчанию 1 МОм) можно задать щелчком на клавишах «», «» и SETTINGS;
  измерение сопротивления (режим омметра) выполняется между двумя точками схемы, к которым подключены зажимы прибора. Правильный результат измерения получается, если задан режим «», а измеряемая цепь не заземлена и не соединена с источником напряжения.
Пиктограмма функционального генератора изображена на рис. 4. Форма сигнала задается клавишами верхнего ряда. Частота сигналов, коэффициент
заполнения, амплитуда и смещение базовой линии (постоянной составляющей
напряжения) устанавливаются клавишами, расположенными ниже. Изменение
значений указанных параметров производится стрелочными кнопками сбоку от
задаваемых значений:
FREQUENCY (Частота) выходных сигналов может устанавливаться в
пределах от 1 Гц (Hz) до 999 МГц;
DUTY CYCLE (Коэффициент заполнения) задает для прямоугольного
сигнала отношение в % длительности импульса с высоким рабочим уровнем к
периоду, а для треугольного сигнала - отношение длительности положительно22
го линейно нарастающего фронта к периоду. Коэффициент заполнения 50% соответствует симметричной форме сигнала. Форма синусоидального сигнала не
изменяется с изменением данного коэффициента;
AMPLITUDE (Амплитуда) задает максимальное значение выходного
напряжения, отсчитываемое от базовой линии (смещения по постоянному току)
в предположении, что выходной сигнал снимается с зажимов COM (Общий) и
«+» (или COM и «»). Если выходной сигнал снимается с зажимов «+» и «»,
то амплитуда удваивается;
OFFSET (Смещение) задает величину постоянного смещения выходного
сигнала - его базовой линии в пределах от -999 кВ до +999 кВ.
Пиктограмма двухлучевого осциллографа изображена на рис. 5. Виртуальный осциллограф имеет два канала: A и B. Осциллограф можно также использовать в режиме, когда один сигнал откладывается в качестве аргумента по
оси абсцисс, а второй в качестве функции по оси ординат. Кроме входных зажимов каналов A и B осциллограф снабжен клеммой заземления (GROUND) и
входным зажимом запуска развертки TRIGGER (Запуск). Управление осциллографом заключается в установке режимов его работы с помощью клавишных
переключателей, на которых для их выбора выполняется щелчок мышью.
Рис.5. Осциллограф
Щелчок на одной из кнопок Y/T, B/A, A/B определяет оси X и Y. В режиме Y/T по оси Х откладывается время, а по оси Y - напряжения сигналов А и
В. Масштабирование оси Х осуществляется в этом режиме кнопками «» и «»
сбоку от табло текущего масштаба TIME BASE (s/div - - с/дел). Скорость развертки можно изменять от 0,1 нс до 0,5 с на одно деление шкалы. Масштаб по
оси Y устанавливается для каждого канала отдельно соответствующими кнопками сбоку от указателей текущего масштаба и может изменяться от 0,01
мВ/дел до 50 В/дел. Можно также задать смещение начальной точки развертки
по осям X и Y, причем смещение по оси Х определяется кнопками X POS для
обоих каналов одновременно. Если X POS установлено 0.00, то развертка начинается от начала экрана осциллографа, положительное ненулевое значение X
POS сдвигает начало развертки вправо, а отрицательное - влево. Смещение сигналов по оси Y задается органами Y POS обоих каналов в пределах от -3 до 3
делений и используется для того, чтобы раздвинуть по вертикали изображения
сигналов А и В. В режимах В/А и А/В шкала по оси Х определяется установленным масштабом по каналу А и В соответственно.
23
Исследуемые входные сигналы могут подаваться в каналы А и В через
открытые для постоянной составляющей входы и через закрытые входы. Выбор
типа входа осуществляется щелчком на одной из клавиш АС, 0 или DC:
АС (Alternating Current  переменный ток) игнорирует постоянную составляющую сигнала
0 (нуль) заземляет вход канала. Этот режим используется для коррекции
положения луча на экране осциллографа без входного сигнала;
DC (Direct Current  постоянный ток) показывает на экране сигнал с учетом его постоянной составляющей.
Блок TRIGGER осциллографа определяет режим запуска горизонтальной
развертки. Кнопки EDGE (фронт) « » и « » устанавливают запуск развертки
соответственно по фронту и спаду запускающего сигнала. LEVEL (уровень)
определяет пороговое напряжение, превышение которого приводит к запуску
развертки. Кнопки AUTO, A, B и EXT указывают, каким сигналом производится запуск развертки:
AUTO - автоматический запуск;
A, B - запуск от входных сигналов А и В соответственно;
EXT - запуск от внешнего сигнала, подаваемого на зажим TRIGGER.
При подключении осциллографа его зажим GROUND следует подключать к общей точке (земле) схемы.
8. Оценить показания приборов. Распечатать на принтере содержимое
монтажного стола.
Задание на печать назначается с помощью диалогового окна, вызываемого командой Print из меню File. Диалоговое окно предлагает к выбору всю доступную информацию о моделировании, составляющие которой отмечаются
щелчком в соответствующей строке.
Выберите в диалоговом окне разделы Schematic, Multimeter, Oscilloscope
путем нажатия левой клавиши мыши в соответствующих разделах. Выберите
клавишу Print диалогового окнаю.
24
2. ЗАДАНИЯ НА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И
МЕТОДИКА ИХ ВЫПОЛНЕНИЯ
Лабораторные задания выполнять в соответствии с вариантом указанным
преподавателем (см. табл.2.1.).
Таблица.2.1
№ Варианта
Uд ,(В)
f, (кГц)
1
0,2
1
2
0,5
2
3
0,7
3
4
0,4
4
5
0.3
5
6
0,6
1
7
0,4
2
8
0,5
3
9
0,6
4
10
0,7
5
Задание 1. Измерить параметры гармонических колебаний с помощью осциллографа и вольтметра.
1. Собрать схему измерения (см. рис.2.1).
Рис.2.1. Схема подключения измерительных приборов и стенда (задания 1и 2).
2. На выходе генератора установить гармонический сигнал с действующим
значением напряжения U и частотой f, согласно номеру варианта в табл.2.1.
Результат установки действующего значения напряжения U контролировать вольтметром, а результат установки частоты – частотомером, встроенным
в осциллограф.
3. Измерить с помощью вольтметра амплитуду гармонического сигнала.
Для этого измерить вольтметром действующее значение гармонического
сигнала и записать его показания в отчет U=_____.
Измерение амплитуды для гармонического сигнала сводится к пересчету
действующего значения напряжения по формуле
Um = U 2  U /0.707= 1.41U.
Записать результат измерения амплитуды в отчет Um=______.
4. Измерить параметры гармонического сигнала с помощью осциллографа.
4.1. Нарисовать в отчет временную диаграмму гармонического сигнала в
соответствии с изображением сигнала на экране осциллографа, показав единицы измерения по осям, а также амплитуду и период сигнала (рис.5).
25
4.2. Измерить осциллографом амплитуду Um гармонического сигнала.
Для этого:
- измерьте размах сигнала в делениях шкалы по вертикали Н (рис.2.2);
- рассчитайте значение размаха в вольтах по формуле: 2Um = H.Kх,
где Kх, - масштабный множитель осциллографа по (кан. 1), индицируется
на дисплее осциллографа в левом нижнем углу – CH1 (рис.2.3).
- найдите амплитуду гармонического сигнала (Um=2Um/2).
Результаты записать в отчет.
Рис.2.2. Временная диаграмма
Рис. 2.3. Индикатор осциллографа
5. Рассчитать действующее значение амплитуды U= Um/ 2 0.707.Um и
сравнить с значением вольтметра. Результаты измерений записать в отчет.
Пример (рис.2.2 и 2.3): Н= 5,4 дел., масштабный множитель по оси
Kх=0,2 В/дел,
Размах сигнала:- 2Um = H.Kх= 5,4 [дел.] х 0,2 [В/дел.] = 1,2 В;
Амплитуда сигнала: Um= 2Um/2=0.6 В.
Действующее значение: UД= Um/ 2 0.707 Um=0.42 В.
6. Измерить с помощью осциллографа период и вычислить частоту исследуемого сигнала.
Измеряемый временной интервал Т (период) определяется из соотношения
Т=КТ. L ,
где L [дел.] - длины измеряемого интервала по оси Х в делениях шкалы
(Рис.2.2.); КТ - масштабный множитель [Время/Дел] канала развертки, который
отображается на индикаторе осциллографа (рис.2.3) в верхнем левом углу
(TIME).
Частоту сигнала рассчитать по формуле f=1/Т и сравнить ее с показаниями
частотомера осциллографа.
Результаты измерений периода и частоты записать в отчет.
Пример (рис.2.2 и 2.3):L= 4 дел., масштабный множитель по оси - КТ
K=0,2 мС/дел,
Период- Т=КХ. L = 4 [дел.] х 0,2 [мС /дел.] = 0,8мС;
26
Частота f=1/Т= 1/(0.8 х 10-3)= 1250 Гц= 1.25 кГц. Частотомерf=1.25кГц.
Задание 2. Измерить параметры прямоугольных импульсов
2.1. Собрать схему измерения (см. рис.2.1).
2.2. Установить на выходе генератора сигнал в виде последовательности прямоугольных однополярных импульсов с амплитудой Um, частотой f согласно
номеру варианта (табл. 2.1) и длительностью импульса tu=100мксек.
Для этого контролируя осциллографом:
1. Генератор установить в режим формирования прямоугольных импульсов;
2. Установить частоту выходного сигнала -контролировать частотомером;
3. Установить размах выходного сигнала равный заданной амплитуде контролировать осциллографом;
4. Установить смещение равное заданной амплитуде, т.е. U0= Um.
5. Регулировкой коэффициента заполнения установить длительностью импульса tu - контролировать осциллографом.
Получить на экране осциллографа устойчивое, неограниченное сверху, по
оси Y, изображение 2 – 3 периодов сигнала в пределах всего экрана по оси Х.
Нарисовать в отчет временную диаграмму сигнала, показав единицы измерения
по осям, а также амплитуду, период и длительность импульса
2.3. Измерить с помощью осциллографа основные параметры сигнала (Um, Т, tu,
Q) на выходе генератора. Результаты записать в отчет и сравнить с параметрами на выходе генератора.
2.4. Поставить осциллограф по входу в режим наблюдения переменного
сигнала (режим АС). Зарисовать временную диаграмму, объяснить ее характер.
Задание 3. Измерить с помощью двухканального осциллографа
коэффициента передачи цепи по напряжению
1.
Собрать схему, приведенную на рис.2.4 (R=2 кОм, С= 10 нФ).
На выходе генератора установить гармонический сигнал с амплитудой
U1m=1В и частотой f=5кГц.
2. Установите осциллограф в двухканальный режим работы поставив переключатель РЕЖИМ (14) в положение ДВОЙН. На экране осциллографа получить устойчивое не искаженное изображение (рис. 2.5) обоих сигналов, измерить их амплитуды U2m ,U1m и рассчитать коэффициент передачи Ku=U2m/U1m.
27
Рис. 2.4. Схема подключения измерительных приборов и стенда (задания 3 и 4).
3. Анализ RC-цепи показывает, что ее коэффициент передачи определяется
выражением Ku=(1+(RC)2)1/2, где  - угловая частота входного сигнала цепи
(=2πf , где f – циклическая частота входного сигнала цепи). Рассчитать по
нему коэффициент передачи и сравнить с экспериментальным.
Задание 4. Измерить с помощью двухканального осциллографа
фазовый сдвиг двух гармонических сигналов в простейших RC- цепях
1. Собрать схему приведенную на рис.2.4. На выходе генератора установить гармонические колебания с амплитудой U1m=1В и частотой f=5кГц.
2. Установите осциллограф в двухканальный режим работы поставив переключатель РЕЖИМ (14) в положение ДВОЙН. На экране осциллографа получить устойчивое не искаженное изображение двух сигналов (см. рис.2.5), измерить период сигнала T и временной сдвиг между сигналами Tφ.
Фазовый сдвиг рассчитывается по формуле  =φ2 - 1 =360о (T/T), где T –
период сигнала (рис. 2.5.), а Tφ – временной сдвиг между сигналами (рис.9). Результаты измерений занести в отчет.
Рис. 2.5. Временные диаграммы сигналов на входе и выходе линейной цепи.
Выходной сигнал может отставать по фазе от входного сигнала и тогда он
располагается справа от входного. Фазовый сдвиг в этом случае берется со знаком минус. В случае опережения выходного сигнала (он располагается слева от
входного) фазовый сдвиг берется положительным.
Например, на рис. 9, T=500 мс, |Tφ|=67 мс, тогда  =2 - 1 = –360о (T/T)
примерно равняется –48o. Выходной сигнал отстает по фазе от входного на
48о.
28
Задание 5. Исследовать зависимость мощности и напряжения на
нагрузке от величины сопротивления нагрузки.
1. Собрать схему исследования (рис. 2.6).
Рис. 2.6. Схема подключения измерительных приборов и стенда (задание 5).
2. Установить на выходе генератора гармонический сигнал с частотой 1
кГц и действующим напряжением UГ=1В (напряжение контролировать вольтметром) в режиме холостого хода (RН = ).
3. Включая различные резисторы в качестве сопротивления нагрузки RН
генератора, измерить вольтметром действующее значение напряжения на резисторе RН , результаты измерений занести в табл. 2.
Таблица2
RН,Ом
10
20
51
100
200
470 1000

UН, В
PН=UН2/RН
4. Рассчитать активную мощность нагрузки PН, используя результаты эксперимента и записать ее значении в табл.2.
5. Построить зависимости UН (RН) и PН (RН), определить сопротивление
нагрузки RН и сделать выводы относительно условий получения на нагрузке
максимальной амплитуды напряжения (условие согласования по напряжению)
и максимальной активной мощности выделяемой в нагрузке (условие согласования по мощности).
29
3. ЗАДАНИЯ НА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И
МЕТОДИКА ИХ ВЫПОЛНЕНИЯ НА КОМПЬЮТЕРЕ (EWB, MULTISIM)
Лабораторная работа выполняется на рабочем поле виртуальной лаборатории с использованием программы схемотехнического моделирования EWB,
MULTISIM.
Лабораторные задания выполнять в соответствии с вариантом указанным
преподавателем (табл. 1.1.).
Таблица.3.1.
№ Варианта 1
2
3
4 5
6
7 8 9 10
11
12
13
14
15
16
Um ,(В)
2
1
4
1 1
1
4 4 2
2
6
6
8
8
8
8
f, (кГц)
1
2
4
5 1
4
5 2 5
2
4
5
5
4
2
1
tи, (мкс)
100
Задание 1. Иизмерить параметров сигнала генератора гармонических
колебаний с помощью осциллографа и вольтметра
1.1 Собрать схему измерения (см. рис.3.1).
Рис.3.1
1.2. Измерить параметры гармонического сигнала с помощью осциллографа.
1.2.1. Установить на выходе генератора гармонический сигнал с амплитудой Um, частотой f, как указано в табл.3.1.
1.2.2. Получить на экране осциллографа устойчивое, неограниченное сверху, по оси Y, изображение 2 – 3 периодов гармонического сигнала в пределах
всего экрана по оси Х. Это достигается путем регулировки чувствительности
канала А по оси Y (переключатель В/Дел), времени развертки по оси Х (переключатель Время/Дел) и установки осциллографа в режим внутренней синхронизации по каналу А с запуском развертки по положительному перепаду.
1.2.3. Нарисовать в отчете временную диаграмму гармонического сигнала
в соответствии с изображением сигнала на экране осциллографа, показав единицы измерения по осям, а также амплитуду и период сигнала (рис.3.2).
30
1.2.4. Измерить осциллографом амплитуду Um гармонического сигнала.
Измерение амплитуды сводится к расчету ее по формуле (Рис. 3.2)
Um = Hm.Ky,
где Hm.- амплитуда изображения сигнала в делениях шкалы по оси Y; Ky, масштабный множитель по оси Y (значение переключателя В/Дел).
1.2.5. Измерить с помощью осциллографа период и вычислить частоту исследуемого сигнала.
Измерение периода сводится к расчету его по формуле (Рис. 3.2)
T = L.Kx,
где L – изображение периода в делениях шкалы по оси Х; Kx, - масштабный
множитель по оси Х (значение переключателя Время/Дел).
Рис.3.2.
Частоту сигнала рассчитать по формуле f=1/Т.
1.2.6. Измерить амплитуду и период сигнала с помощью визирных линий осциллографа и сравнить полученные значения с измеренным ранее. Для таких
измерений перейти в режим увеличенной передней панели осциллографа
(нажав кнопку Expand).
1.3. Измерить мультиметром (вольтметром) амплитуду гармонического сигнала.
На дисплее мультиметра отображается действующее (эффективное) значение переменного напряжения Uд. Амплитуду сигнала рассчитать по формуле:
Um = Uд 2 = Uд /0.707= 1.41Uд
и сравнить с измеренным ранее.
Задание 2. Измерить параметров генератора прямоугольнных импульсов
2.1. Собрать схему измерения (см. рис.3.1).
2.2. Установить на выходе генератора сигнал в виде последовательности
прямоугольных однополярных импульсов с амплитудой UmB, частотой f и длительностью tu, как задано по табл. 1.1.
31
2.3. Получить на экране осциллографа устойчивое, неограниченное сверху,
по оси Y, изображение 2 – 3 периодов сигнала в пределах всего экрана по оси
Х.
2.4. Нарисовать временную диаграмму сигнала, наблюдаемого на экране,
показав единицы измерения по осям, а также амплитуду, период и длительность импульса.
2.5. Измерить с помощью осциллографа основные параметры сигнала на
выходе генератора. Результаты записать в отчет и сравнить с параметрами на
выходе генератора.
Задание 3. Измерить с помощью двухканального осциллографа коэффициента передачи по напряжению.
По определению коэффициент передачи по напряжению определяется из
соотношения Ku=U2m/U1m , где: U2m ,U1m – амплитуды гармонических сигналов
на выходе и входе исследуемой цепи
3.1. Собрать схему приведенную на рис.3.3. На выходе генератора установить гармонические колебания с амплитудой U1m=1В и частотой f=5кГц.
3.2 На экране осциллографа получить устойчивое не искаженное изображение обоих сигналов (рис.3.4а) и измерить их амплитуды U2m ,U1m..
3.3. По экспериментальным данным рассчитать коэффициент передачи
Ku=U2m/U1m.
3.4 Анализ RC-цепи показывает, что ее коэффициент передачи определяется выражением Ku=(1+(RC)2)1/2. Рассчитать по нему коэффициент передачи и
сравнить с экспериментальным.
Рис.3.3.. Схема измерения коэффициента передачи и фазового сдвига.
Задание 4. Измерить с помощью двухканального осциллографа фазового
сдвига двух гармонических сигналов в простейших rc (rl) – цепях
4.1 Собрать схему приведенную на рис.3.3. На выходе генератора установить гармонические колебания с амплитудой U1m=1В и частотой f=5кГц.
4.2 На экране осциллографа получить устойчивое не искаженное изображение обоих сигналов и измерить период сигнала T и временной сдвиг между
сигналами Tφ (см. рис.3.4б).
Фазовый сдвиг рассчитывается по формуле  =φ2 - 1 =360о (T/T), где T –
период сигнала (рис.16 а.), а Tφ – временной сдвиг между сигналами (рис.16 б.).
Временной интервал на экране осциллографа можно измерить, используя ви32
зирные линии, которые ориентируют по максимуму гармонической функции,
как показано на рис. 16а. Значительно точнее можно измерить временной сдвиг
ориентируясь по пересечению сигналами уровня нуля. Визирные линии можно
вызвать, включив режим Expand. Величину временного интервала можно прочесть в окне под экраном. Результаты измерений занести в отчет.
а)
б)
Рис.3.4.
Выходной сигнал может отставать по фазе от входного сигнала и тогда он
располагается справа от входного (рис.3.4б.). Фазовый сдвиг в этом случае берется со знаком минус. В случае опережения выходного сигнала (он располагается слева от входного) фазовый сдвиг берется положительным.
Например, на рис.7, T=500 мс, |Tφ|=67 мс, тогда  = 2 - 1 = –360о (T/T)
примерно равняется –48o. Выходной сигнал отстает по фазе от входного на 48о.
Задание 5. Исследовать зависимость мощности и напряжения на
нагрузки от величины сопротивления нагрузки
5.1 Собрать схему исследования (Рис.3.5).
На выходе генератора установить гармонический сигнал с амплитудой 1В.
Изменяя сопротивление Rn диапазоне от 0 до ∞ измерять Umn. Результаты измерений занести в табл.3.2. Рассчитать активную мощность на сопротивление
нагрузки Rn (Рн= U2mn/Rn) и результаты занести в табл.3.2.
Рис. 3.5.
Таблица 3.2.
Rn, Ом
Umn, В
Рн, Вт
0
10
20
30
33
50
70
100
103
∞
Построить графики зависимостей Umn =F(Rn), Рн, =F(Rn) и сделать выводы
относительно условий получения на нагрузке максимальной амплитуды напряжения и максимальной активной мощности выделяемой в нагрузке.
3. УКАЗАНИЯ К ОТЧЕТУ
Отчет должен содержать:
1. Название работы, номер группы, фамилию студента;
2. Назначение и краткие характеристики измерительных приборов;
3. Схемы измерения напряжения на нагрузке генератора;
4. Осциллограммы напряжения и результаты измерения параметров гармонического и импульсного сигналов осциллографом и вольтметром;
5. Таблицы с результатами измерений;
6. Графики UН (RН) и PН (RН ).
7. Выводы и объяснение результатов.
4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Основные параметры гармонического сигнала.
2. Основные параметры импульсных сигналов.
3. Основные параметры цепей.
4. Назначение, основные характеристики и органы управления осциллографа.
5. Назначение, основные характеристики и органы управления мультиметра.
6. Назначение, основные характеристики и органы управления генератора.
7. Нарисуйте схему установки для измерения разности фаз.
8. Нарисуйте схему установки для измерения коэффициента передачи цепи.
9. Как измерить амплитуду импульса с помощью осциллографа? Каким должен
быть размер изображения?
10. Как измерить длительность импульса с помощью осциллографа?
11. Как измерить амплитуду гармонического сигнала с помощью мультиметра.
12. Как измерить период последовательности прямоугольных импульсов с помощью осциллографа?
13. Как измерить частоту последовательности прямоугольных импульсов с помощью осциллографа? Каким должен быть размер изображения?
14. Как измерить коэффициент заполнения последовательности прямоугольных
импульсов с помощью осциллографа?
15. Как измерить скважность последовательности прямоугольных импульсов с
помощью осциллографа?
16. Как измерить период гармонического сигнала с помощью осциллографа?
Каким должен быть размер изображения?
17. Как измерить частоту гармонического сигнала с помощью осциллографа?
18. Перечислите способы синхронизации осциллографа и их назначение.
34
19. Поясните принцип работы схемы синхронизации развертки. Каково назначение регулировок «Стабильность» и «Уровень»? Что необходимо проделать,
если на экране осциллографа нет луча?
20. Как установить и проконтролировать частоту сигнала на выходе генератора?
21. Как установить и проконтролировать амплитуду сигнала на выходе генератора?
22. Как установить и проконтролировать коэффициент заполнения сигнала на
выходе генератора?
23. Поясните порядок подготовки вольтметра В7-26 к измерению сопротивления. Как выбрать положение переключателя пределов?
5. ЛИТЕРАТУРА
1. Электротехника: А.С.Касаткин, М.В Немцов., - М.: Академия, 2005.
2. Кучумов А.И. Электроника и схемотехника. - M.: Гелиос АРВ, 2002.
35