Document 803032

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ЛАБОРАТОРНЫЕ
РАБОТЫ
ПО
АНАЛОГОВОЙ
ЭЛЕКТРОНИКЕ
Э.И. ЦИМБАЛИСТ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
О ЛАБОРАТОРНОМ ЦИКЛЕ
ТОМСК 2007
1
УДК 621.38
Лабораторные работы по аналоговой электронике:
Методические указания к лабораторному циклу; в 9 кн. Кн. 1.
Цимбалист Э.И. Общие сведения о лабораторном цикле. Томск: Изд. ТПУ, 2007. – 16 с.
Печатается по постановлению Редакционно-издательского
Совета Томского политехнического университета.
Темплан 2007
© Томский политехнический университет, 2007
2
ВВЕДЕНИЕ
Образовательные профессиональные программы подготовки
выпускников по направлениям и специальностям, в учебных планах которых присутствует дисциплина «Электроника» в разных
модификациях, резко снизили аудиторные часы лабораторного
цикла.
С другой стороны переход учебного процесса на использование кредитных и балльно-рейтинговых оценок освоения дисциплин образовательных программ* должен обеспечить каждому
студенту (подгруппе студентов) определенную свободу в выборе
модулей и отдельных работ лабораторного цикла.
В этой связи необходимо предусмотреть ряд мероприятий, ведущих к активизации познавательной деятельности студентов,
формированию их положительной мотивации на самообразование.
Предлагаемые вниманию студентов методические указания к
лабораторному циклу направлены на облегчение их подготовки к
работам, в то же время оставляя им элементы творчества по
различным этапам постановки, проведения и обработки результатов эксперимента.
Результативность лабораторного цикла предполагается повысить введением следующих мероприятий:
- организацией гибкой траектории проведения лабораторного
цикла за счет резко расширенного перечня работ по сравнению с
минимумом, установленным часами учебной дисциплины;
- формированием ограниченного числа обязательных модулей
цикла, каждый из которых содержит ряд альтернативных работ;
- обеспечением возможного выбора лабораторных работ,
направленных или на исследование электронных компонентов,
схем с их применением, или на овладение методикой и техникой
экспериментального исследования;
- возможностью выбора проблемно-ориентированной методики подготовки и проведения эксперимента вместо классической
технологии подготовки к лабораторной работе по описанию к ней;
- возможностью (при необходимости) выполнения лабораторной работы фронтальным методом;
- организацией входного и текущего контролей работ.
Временное положение об организации учебного процесса с использованием кредитных и
балльно-рейтинговых оценок освоения образовательных программ // Под общ. Ред. А.А.
Малышенко. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2005. – 40 с.
*
3
В случае профессионального владения программными пакетами, позволяющими осуществлять анализ схем аналоговой
электроники, лабораторные работы дополнительно могут проводиться на виртуальной основе.
Целью лабораторного цикла является:
- экспериментальное освоение теоретических положений
изучаемой дисциплины;
- получение практических навыков постановки и проведения
эксперимента над различными объектами исследования;
- овладение навыками работы со средствами наблюдения,
измерения и контроля, используемыми в изучаемой области знаний;
Задачами лабораторного цикла являются:
- овладение методикой и техникой экспериментального исследования элементной базы и схем аналоговой и цифровой
электроники;
- формирование навыков обработки результатов проведенных исследований и представление их в виде таблиц, графиков
и/или синхронизированных временных диаграмм сигналов.
Технология выполнения каждой ЛР содержит три этапа:
- внеаудиторная подготовка к лабораторной работе;
- аудиторное лабораторное занятие, включающее в себя
контрольную работу для оценки подготовки студента к ЛР, лабораторный эксперимент над заданным объектом исследования и
защиту отчета по ранее проделанной ЛР;
- внеаудиторное оформление отчета по выполненной ЛР.
Цикл лабораторных работ разделен на две части:
- по аналоговой электронике;
- по цифровой электронике.
Работы по аналоговой электронике состоят из модулей:
- входной контроль;
- исследование характеристик и параметров типовых элементов аналоговой электроники и простых схем их применения;
- усилительные каскады на биполярных транзисторах;
- типовые схемы включения ОУ (инверсное и неинверсное
включения);
- функциональное применение ОУ (линейный режим);
- функциональное применение ОУ (нелинейный режим);
- автогенераторы колебаний на ОУ;
В каждом модуле имеется, по крайней мере, одна лабораторная работа, по которой приведены подробные методические
4
указания для ее выполнения. Остальные лабораторные работы
модуля требуют более активного и творческого отношения студента к подготовке эксперимента.
1. ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
1.1. Входной модуль – кн. 2.
1.1.1. Инструктаж по ТБ. Ознакомление с источниками питания, макетами, средствами наблюдения и измерения.
1.1.2. Регулировка и измерение токов и напряжений в простейших электрических цепях, снятие ВАХ резистора.
1.1.3. Диагностика структуры двухполюсника и определение
параметров его элементов.
1.2. Исследование характеристик и параметров типовых
активных компонентов аналоговой электроники и простых
схем по их применению – кн. 3.
1.2.1. Выпрямительные диоды. Исследование схем выпрямителей и ограничителей.
1.2.2. Стабилитрон. Исследование параметрического стабилизатора напряжения постоянного тока.
1.2.3. Биполярный транзистор. Анализ режимов (усилительного, отсечки, насыщения).
1.2.4. Полевой транзистор (ПТ) как усилительный элемент,
«ключ», генератор тока.
1.2.5. Оптоэлектронная пара (светодиод-фотодиод). Анализ
фотодиодного и вентильного режимов.
1.3. Усилительные каскады на биполярных транзисторах –
кн. 4.
1.3.1. Усилительный каскад ОЭ. Исследование режима покоя,
АЧХ, линейных искажений. Определение входного и выходного
сопротивлений.
1.3.2. Усилительный каскад ОЭ. Исследование линейных искажений при передаче импульсных напряжений.
1.3.3. Обратная связь в резистивных каскадах. Исследование
влияния последовательных связей по току и напряжению.
1.3.4. Энергетические соотношения в резистивных каскадах:
эмиттерного повторителя, схемы с генератором тока, двухтактных
схем классов А, АВ, В.
5
1.4. Типовые схемы включения ОУ (инверсное и неинверсное включения) – кн. 5.
1.4.1. Инверсное включение ОУ. Усилитель, инвертор, делитель, сумматор.
1.4.2. Неиверсное включение ОУ. Усилитель, повторитель.
1.4.3. Дифференциальное включение ОУ. Вычитатель.
1.5. Функциональное применение ОУ (линейный режим
работы) – кн. 6.
1.5.1. ФНЧ первого порядка.
1.5.2. Избирательный усилитель с мостом Вина.
1.5.3. Режекторый усилитель с мостом Вина.
1.5.4. Преобразователь напряжение-ток.
1.5.5. Преобразователь ток-напряжение.
1.5.6. Преобразователь напряжение-напряжение с гальванической развязкой.
1.6. Функциональное применение ОУ (нелинейный режим
работы) – кн. 7.
1.6.1. Компараторы: нуль-компаратор, с инверсным включением, с внешним смещением, с гистерезисом.
1.6.2. Операционные выпрямители.
1.6.3. Формирователи импульсов.
1.6.4. Устройство выборки-хранения (УВХ).
1.7. Автогенераторы колебаний на ОУ – кн. 8.
1.7.1. Автогенератор гармонических колебаний с мостом Вина.
1.7.2. Автогенератор прямоугольных импульсов (мультивибратор).
1.7.3. Функциональный автогенератор прямоугольных и треугольных колебаний.
2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
ПО АНАЛОГОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ
Лабораторная установка для выполнения лабораторных работ по аналоговой электронике состоит из:
- источника питания лабораторных макетов;
- лабораторного макета для исследования характеристик и
параметров типовых компонентов и схем по исследованию энергетических соотношений в резистивных каскадах;
6
- лабораторного макета по исследованию резистивного усилительного каскада и различных схем с ОУ.
Лабораторные макеты конструктивно выполнены так, что могут быть установлены в источник питания. Соединение макета с
источником осуществляется через разъемы ДВ-9.
Перед выполнением лабораторной работы проверьте соединение разъема!
2.1. Описание источника питания (рис. 1)
Источник питания получает
9
энергию от сети переменного тока
10
8
3 2
1 220В, 50 Гц. Включение источника
осуществляется выключателем 1,
при этом загорается светодиод 2.
Источник питания позволяет получить два независимых напряжения
4
6
для питания макета, каждое из ко5
торых может быть изменено потенциометрами 3 или 5 в пределах от
1,3 В до 15 В. В зависимости от положения тумблера 4 значение
напряжения измеряется и показывается индикатором 6. В источниках
предусмотрено ограничение тока на
Рис. 1. Внешний вид источуровне 50мА. Превышение поника питания
требления тока фиксируется звуковой индикацией, показывающей
перегрузку! Указанные напряжения поданы на разъем 7 для макетов аналоговой электроники (под платой макета).
Для питания макета цифровой электроники в источнике
предусмотрена схема для получения напряжения + 5 В/ 300 мА.
Выход источника выведен на разъем 8.
Перегрузка этого источника также отмечается звуковой
индикацией!
Долговременная перегрузка источника питания, отображаемая звуковой индикацией, не допустима! Если такая ситуация
возникнет, необходимо выключить источник питания выключателем 1, разобраться и устранить причины перегрузки.
Кроме указанных выше напряжений источник вырабатывает
напряжение питания для двух цифровых мультиметров М-832.
7
Питание мультиметров развязано друг от друга и от цепи
питания аналоговых и цифрового макетов!
Напряжения питания мультиметров выведены на верхнюю
полку источника с помощью разъемов-гнезд типа «Джек» (9 и 10).
Перегрузка по цепям питания мультиметров звуковой индикацией не сопровождается!
2.2. Описание лабораторных макетов аналоговой электроники
В лабораторном цикле использованы два лабораторных макета, лицевые стороны которых изображены на рис. 2, 3.
Основной каждого лабораторного макета является односторонняя печатная плата. На стороне печатных плат проводников и
площадок расположены и распаяны элементы платы; на лицевой
стороне показаны схемы и расположены приемные части гнезд.
Монтаж печатной платы защищен прозрачным оргстеклом, на котором размещена ответная часть разъема ДВ-9, позволяющая
подать питание на плату от источника питания (рис. 1, позиция 7).
Рис. 2. Передняя панель лабораторного макета № 1
8
Рис. 3. Передняя панель лабораторного макета № 2
Соединения, необходимые для получения исследуемых схем,
осуществляются перемычками, обеспечивающими замыкание
гнезд с «тонкими» входами. Гнезда с входами большего диаметра
предназначены для подключения источников сигнала (генераторов) и средств наблюдения (вольтметров).
Значения номиналов большинства резисторов и конденсаторов указаны на схемах лицевой стороны макета; на обратной
стороне печатной платы также можно определить номиналы
электронных компонент, а также найти номер макета.
Большинство из примененных резисторов имеет 5 % разброс
номинала, часть резисторов (например, R1, R2, R3 макета № 1;
R9-R12, R17-R18 макета № 2) имеют 1 % разброс.
В лабораторном макете № 1 источники Е1 и Е2 между собой изолированы и ни один из выводов не присоединен к земель-
9
ным шинам макета; в макете № 2 минус источника Е1 объединен с плюсом источника Е2 и присоединен к земельным шинам
макета. Указанные на передней панели лабораторного макета
№ 1 земляные шины между собой не соединены.
Если какая-то из них не используется по прямому назначению, т. е. как общий земляной провод схемы, то она может быть
использована как размножитель узла исследуемой схемы.
Такую же возможность может предоставить при грамотном их
использовании набор гнезд:
- 4, 5, 6, 7, 8; 27, 28, 29; 12, 13; 40, 41; 38, 39; 56, 57 макета
№ 1;
- 15-18, 28, 29; 19, 20, 30, 31 макета № 2.
В отличие от макета № 1 земляные шины макета № 2
между собой соединены!
Через разъем ДВ-9, установленный в корпус источника питания, на лабораторный макет подается два напряжения постоянного тока Е1 и Е2.
3. ВНЕАУДИТОРНАЯ ПОДГОТОВКА
К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ
Внеаудиторная работа студента предполагает:
- изучение (повторение) теоретических положений изучаемой
дисциплины или предшествующих дисциплин, на которые опирается планирование, постановка, проведение эксперимента и обработка его результатов;
- ответы на контрольные вопросы, поставленные в описании к
лабораторной работе;
- уяснение целей и задач лабораторной работы;
- понимание работы принципиальных схем эксперимента, методик получения требуемых характеристик и параметров;
- разработку схем и методик эксперимента по поставленным
задачам, если Вы работаете в активном режиме лабораторного
эксперимента.
Внеаудиторная подготовка студента к лабораторной работе
контролируется вопросами текущего контроля и учитывается в
баллах рейтинга.
Для реализации элементов сквозного обучения внеаудиторная подготовка к первым лабораторным работам дополнительно
10
может включать изучение и повторение следующих разделов, использованных в предыдущих лабораторных циклах:
- использование метода наименьших квадратов для обработки результатов измерений (в задачах аппроксимации
эмпирических зависимостей) – кн. 9;
- расчет погрешности измерений1.
Внеаудиторная подготовка студента к лабораторной работе
должна сформировать у него ясное понимание технологии эксперимента и вида ожидаемых результатов. Это может быть в частности тогда, когда студент владеет определенным набором компетенций в виде требуемых знаний, умений и пониманий. Примерный и неполный их перечень для процесса выполнения лабораторных работ первых модулей цикла представлен в таблице 1.
Таблица 1. Примерный перечень компетенций,
востребованных при подготовке к работам модуля
№ модуля
цикла
Модули
№1и2
Модуль
№3
Процесс
Используемые компетенции
Снятие ВАХ
1. Знание способов регулирования
токов напряжений в исследуемых цепях.
2. Правильный выбор и расстановка
средств измерения токов и напряжений
3. Умение правильно собрать схему
эксперимента.
4. Грамотное считывание показаний
СИ и формирование массивов данных
исследования.
5. Проведение аналитической или
графической аппроксимации закономерностей, полученных при лабораторных
исследованиях.
6. Знание методов расчета погрешностей.
Снятие АЧХ 1. Знание определения характериисследуемо- стик и выбор способа ее снятия.
го каскада
2. Умение грамотно собрать схему
Казанцева Н.Н. Расчет оценок погрешностей измерения. Практическое справочное руководство. – Томск: Изд-во ТПУ, 2005. – 36 с. См. также «Подсчет погрешностей в лабораторных работах и запись результатов: Методические указания к выполнению лабораторных
работ по курсу общей физики для студентов всех специальностей. – Томск: Изд-во ТПУ,
2003. – 8 с.
1
11
эксперимента.
3. Умение по результатам наблюдения выходного напряжения ввести исследуемую схему в линеаризованный
режим работы.
4. Грамотная реализация алгоритма
использования АЧХ по выбранному методу, умение предъявить результаты
эксперимента в виде таблиц, графиков и
т.д.
Обратим внимание, что указанные компетенции к циклу лабораторных работ по электронике должны быть наработаны на
предшествующих лабораторных работах по физике и электротехнике. Если этого не произошло, то восполнить пробел можно при
подготовке к лабораторным работам входного модуля.
4. ВЫПОЛНЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
Перед выполнением эксперимента следует вспомнить правила эксплуатации используемых средств наблюдения и измерения.
При подготовке прибора к работе следует убедиться, что при изменении положений органов управления возникают ожидаемые
изменения в его работе.
После проведенной подготовки приборов и их установки в
схему эксперимента можно приступить к измерениям по плану,
изложенному или в методических указаниях, или наработанному
самостоятельно в ходе внеаудиторной предварительной подготовки к лабораторной работе, если Вы избрали активный и творческий характер деятельности
Следует помнить, что:
- общий провод (земля) всех используемых электронных приборов целесообразно соединить с общим проводом схемы и общим проводом источника питания;
- определение общего (земляного) провода используемых
кабелей осуществляется путем их подключения к работающим
осциллографам или вольтметрам, имеющим ответную часть
разъема кабеля; потенциальными считается провод кабеля, касание к которому вызывает значительное увеличение сигнала,
12
регистрируемого этими приборами; второй провод кабеля является общим (земляным);
- для уменьшения погрешности лучше работать в середине
или конце шкалы средства измерения;
- всякое измерение, если это возможно сделать, целесообразно выполнить многократно.
При наблюдениях/измерениях выполняемых с помощью осциллографа необходимо предварительно установить подходящий
размер изображения. Измерения осуществляются с использованием масштабной сетки, расположенной на экране осциллографа, при фиксированных (правых) положениях соответствующих
ручек управления. Картинка, срисованная с экрана, может быть
использована для изображения временных диаграмм исследуемых процессов в схеме. необходимо только помнить о синхронизации во времени изображаемых на диаграмме процессов.
Если исследователя интересует процесс с сохранением информации о постоянной (средней) составляющей сигналов, то
целесообразно, где это возможно, использовать открытый вход
осциллографа, через который в установившемся режиме передается эта информация. В этом случае соответствующие органы
управления могут иметь обозначение
.
В противном случае используется закрытый вход () осциллографа, когда на вход усилителя сигнал подается через раздельную R-C-цепь и в установившемся режиме постоянная составляющая задерживается разделительной емкостью. При работе с осциллографом необходимо знание положения развертки
при «нулевом» входном сигнале .
Наиболее целесообразно для этих целей отсоединить входные концы кабеля от схемы, а затем или их соединить друг с другом, или воспользоваться переключателем осциллографа, закорачивающим вход на землю.
Производимые по приборам отсчеты записываются в лабораторный журнал (тетрадь) в виде значений измеряемых физических величин в принятой системе единиц.
Лабораторный журнал (тетрадь) является единственным документом, удостоверяющим выполнение лабораторной работы,
на основании которого делается отчет о выполненной лабораторной работе.
13
5. ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА
Отчет о проделанной работе выполняется один на подгруппу
до тех пор, пока в ходе защиты отчета не выясняется некомпетентность какого-нибудь из соавторов. В этом случае такой студент в дальнейшем выполняет свой отчет, а не копию отчета
остальных членов подгруппы.
Отчет выполняется по правилам оформления студентами их
работ в соответствии с СТП ТПУ 2.5.01-99 «Работы выпускные
квалификационные, проекты и работы курсовые. Общие требования и правила оформления». Целесообразно также ознакомиться
с СТП ТПУ 2.3.05-01 СМК ТПУ «Система образовательных стандартов. Занятия лабораторные. Общие требования к организации
и проведению». Титульный лист отчета выполняется в соответствии с приложением А указанного стандарта.
В начале отчета формируется цель работы.
В дальнейшем по каждому этапу эксперимента обязательно
изображается его схема и соответствующие таблицы, в которых
приводятся результаты измерений. По табличным данным в выбранных масштабах строятся характеристики или семейства характеристик исследуемых объектов или процессов. На каждом
графике должно быть указано, к какой части эксперимента он относится, и что на графике изображено. Если дополнительно не
решается задача аппроксимации экспериментальных данных
аналитической функцией, то проведение плавных кривых среди
полученных экспериментальных точек должно осуществляться с
учетом закона среднеквадратических отклонений, а сами точки
должны быть хорошо выделены на графиках. При необходимости
приводятся все расчетные формулы как в символьном виде, так и
с подставленными числами, а также синхронизированные временные диаграммы наблюдаемых в ходе эксперимента физических величин. Если это задано, то приводится вывод формул для
расчета погрешностей и сам расчет.
Отчет заканчивается выводами о проделанной работе. Выводы – это не содержание проделанной работы, это кратко сформулированные выявленные закономерности по процессам или
объектам проделанной работы.
14
Приложение А
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Факультет - ________________
Наименование
Направление (специальность) - ________________
Наименование
Кафедра - ______________________________
Наименование выпускающей кафедры (строчными
_____________________________________
буквами кроме первой прописной)
Название работы - прописными буквами
Отчет по лабораторной работе № _____
Вариант (указывается при наличии)
по дисциплине _____________________
наименование учебной дисциплины
Исполнитель(и)
Студент(ы), номер группы
(подпись)
(дата)
Руководитель (должность,,
ученая степень, звание)
(подпись)
(дата)
ТОМСК –20 __
15
И. О. Фамилия(и)
И. О. Фамилия
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
ПО АНАЛОГОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ
Методические указания к лабораторному циклу
Кн. 1.
Цимбалист Эдвард Ильич
Общие сведения о лабораторном цикле
Подписано к печати
Формат 6084/16. Бумага офсетная.
Печать RISO. Усл.печ.л.
. Уч.- изд. л.
.
Тираж 100 экз. Заказ №
Цена свободная.
Издательство ТПУ. 634050, Томск, 30.
16