Министерство образования и науки Российской Федерации

Иркутский государственный технический университет

Физико-технический институт

Кафедра радиоэлектроники и телекоммуникационных систем

Основы теории цепей Методические указания для выполнения лабораторных работ

3 Семестр

для студентов, обучающихся

по направлению 210300 «Радиотехника»,

специальности: 210302 « радиотехника»,

специализации «Радиотехника»,

Иркутск

2008 г.

Введение

Данное руководство к лабораторным работам составлено в соответствии с программой курса “Основы теории цепей”. В описании каждой работы содержится цель работы, краткие теоретические сведения, рабочее задание, рекомендации по подготовке к выполнению задания и оформлению работы, контрольные вопросы.

Краткие теоретические сведения, которые даются в начале каждой работы, не ставят целью заменить учебные пособия по курсу ОТЦ. Они даны в небольшом объеме и применительно к содержанию данной лабораторной работы. Для полного изучения материала студент обязан обратиться к учебникам и учебным пособиям, список которых приведен в конце методических указаний.

Правила выполнения лабораторных работ.

Целью лабораторных занятий является более глубокое усвоение теоретических вопросов путем экспериментальной проверки основных положений курса. Кроме того, эти занятия способствуют выработке навыков проведения исследований и анализа работы электрических схем.

Перед выполнением лабораторных работ каждый студент должен изучить правила внутреннего распорядка, относящиеся к данной лаборатории, и пройти инструктаж по технике безопасности.

Во время выполнения лабораторных работ студенты должны строго выполнять правила безопасности и соблюдать учебную дисциплину. Лица, нарушающие дисциплину и правила безопасности, отстраняются от выполнения работ.

Лабораторные работы выполняются в виртуальной среде с использованием программы Electronics workbench. Все лабораторные работы выполняются фронтальным методом, после того, как соответствующий материал изучен на лекциях и практических заняти­ях. В каждой работе исследуются наиболее важные принципиальные вопросы соответствующего раздела курса, в большинстве работ содержатся также за­дания и вопросы, направленные на углубленное изучение материала и на раз­витие творческих способностей студентов.

Каждый студент должен самостоятельно подготовиться к выполнению лабораторных работ. Предварительная подготовка состоит в изучении описания лабораторной работы и соответствующего теоретического материала по конспекту и учебным пособиям, а так же в подготовке протокола работы, содержащего название и цель работы; электрические схемы экспериментов и таблицы для записи результатов.

Перед началом выполнения каждой работы проводится проверка готовности студентов. В случае неподготовленности студент к работе не допускается.

При выполнении лабораторных работ следует соблюдать следующие правила.

Сборку электрической цепи рекомендуется начинать с последовательно соединенных элементов и приборов, а затем подключать параллельные ветви как самой электрической цепи, так и приборов. Каждая собранная электрическая цепь должна быть проверена преподавателем.

После окончания каждого опыта необходимо результаты замеров показать преподавателю и только после этого выключать схему.

Оформление отчета.

Отчет по лабораторной работе выполняется каждым студентом индивидуально.

Отчет должен содержать следующее: а) название и цель работы; б) электрические схемы всех экспериментов, выполняемых в данной работе; в) таблицы, графики или другие результаты всех опытов, исследуемых в данной работе; г) расчетные формулы и вычисления всех требуемых величин, д) ответы на контрольные вопросы.

Отчеты выполняются на отдельных тетрадных листах, аккуратно, с использованием чертежных инструментов и соблюдением стандартных обозначений для элементов электрических схем. Все графики и диаграммы должны быть выполнены в определенном масштабе и с обозначением величин.

Отчет по лабораторной работе должен быть защищен студентом перед началом следующей работы.

Лабораторная работа № 1

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

И УНИВЕРСАЛЬНОГО ГЕНЕРАТОРА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Цель работы: изучить общее устройство, принцип действия и методику работы с электронно-лучевым осциллографом и универсальным генератором электрических сигналов. Получить практические навыки работы с этими приборами.

Краткие теоретические сведения

Электрическим сигналом называют напряжение или ток, которые представля­ют собой изменяющуюся во времени физическую величину, несущую информацию. В теории цепей рассматривают только физические параметры сигнала, его информационные свойства не рассматриваются.

С игналы бывают периодические (рис. 1.1, а) и непериодические (рис. 1.1, б). Периодическими называют сигналы, форма которых повторяется через определенный промежуток времени. Периодические сигналы могут быть гармоническими и негармоническими. К последним относятся прямоугольные, треугольные, пилообразные и сигналы любой другой формы. Гармонический сигнал – синусоидальный.

Любой периодический сигнал характеризуется периодом повторения Т, с периодом однозначно связана другая важнейшая величина – частота коле­баний f , частота обратно пропорциональна периоду:

Часто применяют понятие угловая частота ω. Угловая частота показывает ско­рость изменения фазы тока или напряжения; угловая частота связана с частотой f и периодом повторения T следующими соотношениями:

Гармонический сигнал (рис.1.1, а) является важнейшим частным случаем периодических сигналов; математически такой сигнал может быть представлен сле­дующим образом:

,

где U_m - амплитуда колебания; ω- угловая частота; φ₀ - начальная фаза. Сам ар­гумент (ωt + φ₀) называют фазой колебаний; отсюда понятен смысл названия вели­чины φ₀: начальная фаза - это фаза колебания в начальный момент времени (при t = 0).

Важное практическое значение имеют сигналы с постоянной составляющей; так, например, на рис. 1.1, б показан гармонический сигнал с постоянной состав­ляющей. Колебания происходят не относительно нулевого значения, а относительно некоторой постоянной величины U₀ которую и называют постоянной составляющей. Амплитуда переменной составляющей U_m, очевидно, определяется как максимальное отклонение сигнала от величины U₀. В общем случае постоянная составляющая может присутствовать в сигналах любой формы. Полярность постоян­ной составляющей также может быть разной.

Для импульсных сигналов (рис. 1.1, в) применяют понятия длительность импульса τ_и и длительность паузы τ_п, очевидно, период следования импульсов равен сумме длительности импульса и длительности паузы:

.

Скважностью последовательности импульсов называют отношение периода следования импульсов к длительности импульсов, обратную величину часто называют коэффициентом заполняемости (иногда под скважностью понимают отношение длительности импульса к длительности паузы или, наоборот, обычно это дополнительно оговаривается).

В случае периодической последовательности импульсов непрямоугольной формы (рис. 1.3) необходимо учитывать длительности фронтов.

Передний фронт называют также нарастанием (τ_н), а задний – спадом (τ_с); на графиках передний фронт находится левее (подразумевается, что во времени нарастание происходит раньше). Для трапецеидальных импульсов (рис. 1.3, а) определение длительно­стей импульса, паузы, нарастания и спада не представляет труда. Для треугольных импульсов (рис. 1.3, б) длительность импульса обычно не измеряют, говорят толь­ко о нарастании, спаде и паузе. Для импульсов сложной формы иногда бывает труд­но определить временные границы фронтов, импульсов и пауз; в этом случае часто применяют некоторые условные соглашения: например, границы фронтов могут определяться по уровням 0,1 и 0,9 от максимального уровня сигнала (рис. 1.3, б). Для пилообразных импульсов (рис. 1.4, а,б) оперируют только понятиями длительность нарастания и спада, длительности импульсов и пауз не определяют.

С ледует отметить, что описанные параметры импульсов носят достаточно ус­ловный характер, в том смысле, что для реальных сигналов в зависимости от кон­кретных условий временные параметры импульсов могут определяться различными способами, а некоторые параметры могут не учитываться.

Для создания колебаний напряжения различной формы применяют специаль­ные устройства - генераторы электрических сигналов. Наиболее распространены универсальные генераторы, которые позволяют выбрать форму сигнала и устано­вить его параметры.

Рис. 1.5

В программе Electronics Workbench имеется модель универсального генерато­ра электрических сигналов (рис. 1.5). Генератор располагается на панели прибо­ров. Для его использования следует переместить значок генератора (рис. 1.5, а) в нужное место схемы и выполнить необходимые электрические соединения. Лицевая панель генератора (рис, 1.5, б) раскрывается после двойного щелчка левой кноп­кой мыши по значку.

Все органы управления гене­ратором размещены на лицевой пане­ли. В верхней части панели распо­ложены кнопки выбора формы сигнала (синусоидальная, пилообразная, пря­моугольная).

В центре панели размещены органы регулировки частоты (frequency), скважности (duty cycle), амплитуды (amplitude) и постоянной составляющей (offset). Частота и амплитуда задаются числовыми значениями в единицах измерения, определяемых в соответствующих окнах выбора. Постоянная составляющая измеряется в тех же единицах напряже­ния, что и амплитуда. Числовое значение в окне «duty cycle» определяет длитель­ность импульса (для прямоугольного сигнала) или нарастания (для пилообразного сигнала) в процентах от периода; т.е. если задано число меньше 50, то импульс (или нарастание) короче паузы (или спада), а если задано число больше 50, то импульс (или нарастание) длиннее паузы (или слада). Параметр «duty cycle» может меняться в диапазоне 1-99. Если выбрана синусоидальная форма генерируемого сигнала, то параметр «duty cycle» не учитывается,

В нижней части лицевой панели расположены три клеммы внешних соедине­ний прибора. Обычно сигнал снимается с клемм «СОМ» (общий) и «+» (неинверти­рующий выход). Клемма «-» (инвертирующий выход) предназначена для получения дифференциального сигнала; в этом случае сигнал снимается с клемм «·+» и «-», а его амплитуда будет в два раза больше установленной.

Для визуального наблюдения параметров электрических сигналов применяют универсальный измерительный прибор - электронно-лучевой осциллограф. В об­щем случае, осциллограф графически (на экране электронно-лучевой трубки) пока­зывает зависимость одного напряжения от другого. Если в качестве второго напря­жения использовать напряжение, пропорциональное времени, то на экране осцилло­графа будет наблюдаться зависимость первого напряжения от времени; именно в этом режиме осциллограф обычно и применяется.

Основной частью осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). ЭЛТ представляет собой стеклянную колбу с системой электродов (рис. 2.1.5), Меж­ду анодом (А) и катодом (К) прикладывается высокое (единицы киловольт) напряжение, которое создает электрическое поле. Электроны, вылетающие с поверхности катода, под действием электрического поля ускоряются в направлении анода. При­менением специальных дополнительных электродов электроны фокусируются в уз­кий пучок (луч). Электронный луч достигает экрана ЭЛТ. С внутренней стороны эк­ран покрыт слоем люминофора - вещества, которое светится под действием элек­тронной бомбардировки. В горловине ЭЛТ осциллографа расположены две пары па­раллельных металлических пластин; сами пары установлены взаимно перпендику­лярно: одна пара пластин расположена горизонтально, а другая - вертикально. Эти пластины называются отклоняющими. Подача электрического напряжения на пару параллельных пластин приводит к возникновению электрического поля, направлен­ного перпендикулярно плоскости пластин; электрическое поле вызывает отклонение электронного луча. Подача напряжения на вертикально расположенные пластины вызывает смещение луча в горизонтальном направлении, эти пластины называют горизонтально отклоняющими или Х-пластинами; подача напряжения на горизон­тально расположенные пластины вызывает смещение луча в вертикальном направ­лении, эти пластины называют вертикально отклоняющими или Y-пластинами. Сме­щения луча по горизонтали и по вертикали пропорциональны приложенным к X-пластинам и Y-пластинам напряжениям, поэтому электронный осциллограф и ис­пользуется в качестве электроизмерительного прибора.

Д ля того чтобы наблюдать на экране ЭЛТ осциллографа зависимость иссле­дуемого сигнала (электрического напряжения) от времени, исследуемый сигнал по­дается на Y-пластины, а на Х-пластины подается сигнал развертки. Развертка - это равномерное перемещение электронного луча (и соответствующей святящейся точ­ки на экране) по горизонтали. Чтобы луч перемещался с постоянной скоростью, на­пряжение на горизонтально отклоняющих пластинах должно изменяться во времени линейно, а для возвращения луча в исходное положение напряжение развертки должно быстро падать до начального значения. Таким образом, сигнал развертки должен иметь пилообразную форму (рис. 2,1.6), причем длительность спада должна быть маленькой. Время нарастания импульса развертки τ_н называют также време­нем прямого хода луча, а время спада τ_с - временем обратного хода, т.к. τ_с << τ_н то,

где T_P - период развертки.

Реальное начальное значение напряжения развертки (на рисунке оно состав­ляет 0 В) зависит от конструкции ЭЛТ и определяется таким образом, чтобы при этом напряжении луч попадал на левую границу экрана (если смотреть на экран спереди). Максимальное значение напряжения развертки также определяется пара­метрами ЭЛТ: оно должно соответствовать отклонению луча до правой границы эк­рана.

Д ля получения сигнала развертки а осциллографе применяется встроенный генератор пилообразного сигнала (генератор развертки), частота колебаний этого генератора может изменяться в широких пределах регулятором «Время развертки» (или «Скорость развертки»). На экране осциллографа имеется сетка или просто ко­ординатные оси с делениями. Регулятор «Время развертки» градуируется в едини­цах измерения времени, приходящихся на одно деление (например, 5 миллисекунд на деление); очевидно, этот параметр определяет масштаб графика (осциллограм­мы) по оси абсцисс. Увеличение времени развертки визуально сжимает график; уменьшение - растягивает.

Чтобы график на экране осциллографа был неподвижен, необходимо, чтобы сигнал развертки был «привязан» к какому-то уровню исследуемого сигнала, другими словами, развертка должна быть синхронизи­рована с исследуемым сигналом. На осциллографе обычно имеется регулятор «Синхронизация» (он может называться и иначе), который позволяет осуществить синхронизацию (установить неподвижное изображение). Кроме того, на осциллографе имеется регулятор «Уровень», позво­ляющий выбрать точку (уровень) на запускающем сигнале, с которой синхронизиру­ется развертка.

Исследуемый сигнал подается на Y-пластины через усилитель, если уровень сигнала низкий, или делитель (аттенюатор), если уровень сигнала высокий. Коэф­фициент передачи вертикального канала (усилителя или делителя) изменяется в широких пределах регулятором «Усиление». Этот регулятор проградуирован в еди­ницах напряжения, приходящихся на одно вертикальное деление экрана (например, 50 милливольт на деление); параметр «Усиление» определяет масштаб графика (осциллограммы) по оси ординат. Исследуемый сигнал может подаваться непосред­ственно или через разделительный конденсатор; в первом случае говорят об откры­том входе или входе по постоянному току, а во втором случае - о входе по перемен­ному току. Второй режим предназначен для наблюдения только переменной состав­ляющей сигнала. На лицевой панели осциллографа обычно располагается соответ­ствующий переключатель, который подключает или отключает разделительный кон­денсатор последовательно входу прибора.

В программе Electronics Workbench имеется модель универсального двухлучевого осциллографа. Осциллограф располагается на панели приборов. Для его использования следует переместить значок осциллографа (рис. 1.8, а) в нужное место схемы и выполнить необходимые электрические соединения. Лицевая панель прибора (рис. 1.8, б) раскрывается после двойного щелчка левой кнопкой мыши по значку.

В се клеммы внешних соединений и органы управления осциллографом рас­положены на лицевой панели прибора справа от экрана и разделены на четыре группы (блока): блок управления разверткой, блок управления синхронизацией, блок управления усилителем вертикального отклонения канала А и блок управления уси­лителем вертикального отклонения канала В.

Рис. 1.8

В блоке управления разверткой в соответствующих окнах выбора выбираются время развертки (TIME BASE) в пределах от 1 с на деление до 0,1 нс на деление и смещение луча по горизонтали (X POS) в пределах от -5 (смещение влево) до +5 (смещение вправо) делений с шагом 0,2. В этом же блоке выбирается источник раз­вертки (ряд из трех кнопок внизу блока): если нажата кнопка , то развертка осу­ществляется от встроенного генератора развертки, что позволяет наблюдать зави­симость сигналов по каналам А и В от времени; если нажата кнопка В/А, то на гори­зонтально отклоняющие пластины будет подан сигнал от канала А, а на вертикаль­но отклоняющие пластины будет подан сигнал от канала В, такой режим позволяет наблюдать зависимость сигнала, поданного на вход канала А, от сигнала, поданного на вход канала В; кнопка А/В включает аналогичный режим, но теперь на Y-пластины подан сигнал от канала А, а на Х-пластины - сигнал от канала В. Два последних ре­жима предназначены для наблюдения фигур Лиссажу, наблюдения амплитудно-частотных характеристик цепей и др. целей. Для режимов А/В и В/А параметры, за­данные в окнах «TIME BASE» и «X POS» не учитываются.

В блоке синхронизации (TRIGGER) нажатием на соответствующую кнопку группы EDGE осуществляется выбор запускающего фронта (передний или задний) сигнала синхронизации. Кнопками, расположенными в нижнем ряду блока, выбира­ется источник синхронизирующего сигнала: если нажата кнопка «AUTO», то источник сигнала определяется автоматически (т.е. если сигнала нет, то генератор развертки работает в режиме свободной автогенерации, если же имеется сигнал на каком-либо канале, то синхронизация происходит по соответствующему сигналу, если сигналы поданы на оба канала, то синхронизация будет осуществляться от какого-нибудь од­ного из них). Если нажата кнопка «А» или «В», то синхронизация осуществляется от сигнала в канале А или В соответственно (если а соответствующий канал сигнал вообще не подан, то развертки не будет). Нажатие кнопки «ЕХТ» включает синхро­низацию от внешнего сигнала, который подается на клемму, расположенную в этом же блоке (если включен режим «ЕХТ», а внешний синхронизирующий сигнал не по­дан, то развертки не будет), В окне LEVEL задается уровень сигнала (в делениях эк­рана), по которому осуществляется синхронизация.

Блоки управления усилителями каналов А и В абсолютно идентичны. В окне ввода, расположенном вверху каждого блока, задается усиление (чувствительность) канала в пределах от 5 кВ на деление до 10 мкВ на деление. В окне «Y POS» зада­ется смещение луча соответствующего канала по вертикали в пределах от -3 (смещение вниз) до +3 (смещение вверх) делений с шагом 0,2. Ряд из трех кнопок, кото­рые расположены внизу блока, задают режим работы: если нажата кнопка 0, то сиг­нал отключен от канала, в этом режиме можно наблюдать нулевую линию развертки; если нажата кнопка DC, то сигнал поступает на вход усилителя вертикального от­клонения непосредственно, этот режим (открытый вход) предназначен для наблю­дения полного сигнала (постоянной и переменной составляющих); если нажата кноп­ка АС, то сигнал подается на вход усилителя вертикального отклонения через раз­делительный конденсатор, этот режим (вход по переменному току) предназначен для наблюдения переменной составляющей сигнала. Справа от кнопок выбора ре­жима расположена клемма для подачи сигнала на вход соответствующего канала. Уровень сигнала измеряется относительно общего провода схемы («схемной зем­ли»), который подключается к клемме «GROUND», расположенной в правом верх­нем углу лицевой панели прибора. При использовании осциллографа необходимо, чтобы на схеме был определен узел нулевого потенциала, т.е. в схеме обязательно должно присутствовать заземление (если в схеме не будет заземления, то програм­ма выдаст соответствующее сообщение).

Кроме описанных органов управления, на лицевой панели имеется кнопка «ZOOM» (наезд, увеличение), нажатие на эту кнопку приводит к появлению увели­ченного изображения лицевой панели осциллографа (рис. 1.9). Этот режим позво­ляет более детально исследовать сигнал.

Все вышеописанные органы управления присутствуют и на увеличенной пе­редней панели, но их расположение изменено. Между экраном и блоками управления размещено табло отображения результатов измерений. Измерения координат точки на графике (осциллограмме) производятся с помощью двух вертикальных ви­зирных линий (линия 1 - красная, линия 2 - желтая). Визирные линии имеют в верх­ней части треугольник с номером пинии, за этот треугольник линию можно переме­щать по экрану в горизонтальном направлении с помощью мыши (нужно подвести указатель мыши к треугольнику, нажать левую кнопку мыши, и, не отпуская ее, пе­ремещать мышь влево или вправо; когда линия будет подведена к нужному месту, следует отпустить левую кнопку мыши). В окнах отображения результатов постоянно показываются временное положение соответствующего визира (Т1, Т2) и уровни пе­ресечения визиров с отображаемыми процессами по каждому каналу (VA1, VB1, VA2, VB2). В третьем окне отображаются разности соответствую щих координат (Т2-Т1, VA2-VA1, VB2-VB1). Числовые значения представлены в форме действительных чисел с плавающей точкой.

Рис. 1.9

Для удобства работы предусмотрена возможность окраски луча каждого кана­ла разными цветами. Цвет луча определяется цветом провода, по которому подво­дится сигнал к клемме соответствующего канала. Для изменения цвета провода на схеме следует либо дважды щелкнуть мышью по проводу и в появившейся палитре выбрать нужный цвет, либо выделить провод однократным щелчком левой кнопки мыши и выполнить команду «Wire Color» из меню «Circuit», после чего, как и в пре­дыдущем случае, выбрать нужный цвет в появившейся палитре.

Для возврата к обычному размеру лицевой панели следует нажать на кнопку «Reduse».

Оптимальные установки параметров развертки и усиления каналов зависят от вида исследуемого сигнала и от того, какие именно параметры сигнала измеряются или оцениваются с помощью осциллографа. Для большинства случаев (когда требу­ется получить общее представление о форме сигнала и оценить числовые значения параметров сигнала) время развертки следует выставлять таким, чтобы на экране помещалось 3-5 периодов исследуемого сигнала. Усиление канала при наблюде­нии переменной составляющей сигнала (или полного сигнала, который не имеет по­стоянной составляющей) должно быть таким, чтобы сигнал занимал примерно 2/3 экрана осциллографа (если сигнал однополярный, то он должен занимать 2/3 соот­ветствующей половины экрана, если не применяется смещение по вертикали). При наблюдении полного сигнала с постоянной составляющей усиление канала должно быть таким, чтобы наблюдался весь сигнал (т.е. таким, чтобы график сигнала в об­ластях максимальных значений напряжений не выходил за пределы экрана). Следу­ет учесть, что если постоянная составляющая сигнала существенно превышает ам­плитуду переменной составляющей, то при наблюдении полного сигнала на экране осциллографа переменная составляющая может быть плохо видна. Для ее наблю­дения и предназначен режим входа по переменному току. При необходимости можно применять смещение луча по вертикали, следует только учитывать, что при этом снижается наглядность осциллограммы (например, смещением по вертикали можно сделать полностью невидимой постоянную составляющую сигнала), поэтому всегда следует обращать внимание на значение смещения луча по вертикали.

Разумеется, если параметры сигнала известны априори, то осциллограф сле­дует настроить заблаговременно, т.е. до подключения исследуемого сигнала. Если же никакие параметры исследуемого сигнала априори не известны, то усиление ис­пользуемого вертикального канала следует установить минимальным (в данном случае 5 кВ на деление), а время развертки установить максимальным, затем сле­дует подать исследуемый сигнал на открытый вход (режим DC) осциллографа и, увеличивая усиление и уменьшая время развертки, добиться оптимального изобра­жения (см. выше); затем, если в сигнале визуально видна большая постоянная составляющая, то следует переключить используемый канал осциллографа в режим входа по переменному току и, продолжая увеличивать усиление, вновь получить оп­тимальное изображение, но теперь уже для наблюдения переменной составляющей. Необходимо также отметить, что при подаче импульсного сигнала на вход по переменному току вид осциллограммы будет зависеть от скважности, т.к. «нулевая линия» в этом случае будет определяться как среднее значение сигнала за период.