Зертханалық жұмыс № 1

Кернеулер бөлгішінің және Уитстон көпірінің жұмыс істеу принциптерін зерттеу.

1.1 Жұмыс масаты

Кернеулер бөлгішінің және Уитстон көпірінің жұмыс істеу принциптерін зерттеу.

Электроөлшеуіш құрылғылардың жұмыс істеу принциптерін және негізгі электрлік шамалардың өлшеу әдістерін зерттеу.

1.2 Теорияға қысқаша шолу

Кернеу бөлгіштері (немесе - аттенюатор) кернеуді бірнеше есе кеміту үшін қолданылады. Олар түрлендіру коэффициенті бірден кіші кернеу түрлендірушілер болып табылады (сурет 1.1):

КД = Uвых/Uвх=R2/(R1+R2) (1.1)

Сурет 1.1 Кернеу бөлгіші

Егер айнымалы кернеу төмендесе, R2 резисторына параллель Сп сыйымдылығы пайда болады, бұл байланыс сымдардың және R2-ден алынған кернеу түсетін электрлік құрылғының сыйымдылықтары. Шығыс кернеуіне төмендетілетін кернеудің жиілігі әсер етеді. Uвых жиілікке тәуелсіз болу үшін, R1C1= =R2Cп формуласына сай R1 резисторға параллель С1 конденсаторын қосу керек. Пайда болған кернеу бөлгішті жиілік-компенсацияланған кернеу бөлгіші деп атайды.

Егер бөлгіш тек айнымалы кернеулер үшін қолданса, сыйымдылықты кернеу бөлгішін қолдануға болады (сурет 1.1). Егер кернеу бөлгішімен төмендетілген Uвых кернеу берілетін құрылғының кіріс кедергісі Rвх реактивті кедергі С2-ге қатысты шексіздікке ұмтылады деп санасақ, онда әр полупериодта С1 және С2 арқылы бірдей зарядтар өтеді деп айтуға болады. Осыдан:

UвыхС2=(Uвх-Uвых)С1,

одан туындайды:

КД = Uвых/Uвх=С1/(С1+С2) (1.2)

Көпірдің иықтарында жалпы жағдайда Z1-Z4 комплекстік кедергілері бар (сурет 1.3). Шығыс диагональда Z0 жүктемесі бар.

Көпір теңдігі I0=0 кезде болады, яғни

Z1Z4 = Z2Z3 (1.3)

Иықтардың толық кедергілердің өрнектерінің жалпы түрі:

Z1=R1+jX1; Z2=R2+jX2; Z3=R3+jX3; Z4=R4+jX4. (1.4)

(1.4) өрнегін (1.3) өрнегіне қойсақ:

(1.5)

Сурет 1.3 Көпір схемасы

Тұрақты тоқ көпірінің схемасы қарастырылған схемадан айырмашылығы жоқ. Көпір иықтарында R1-R4 активті кедергілері бар, ал шығыс диагоналі - гальванометр. Тұрақты тоқ көпірінің осындай схемасы Уитстон көпірі деп аталады. Осы тұрақты тоқ көпірі мысалында жоғарыда көрсетілмеген теңдік өрнегінің қорытып шығаруын қарастырайық. Егер көпір теңестірілген болса, яғни I0=0 онда,

I1=I2, I3=I4 және R1I1=R3I3 , R2I2=R4I4. (1.6)

Бір теңдікті екінші теңдікке бөлеміз:

R1/R2=R3/R4 немесе R1R4=R2R3. (1.7)

Егер R1 деп кедергісі белгісіз объектіні санасақ, онда

Rх=R2R3/R4. (1.8)

Бұл өрнекті тұрақты тоқ біреселі көпірдің теңдігінің өрнегі деп атайды. Мұндағы R4 және R2 –қатынас иықтары, ал R3 саыстыру иықтары болып табылады.

Зертханалық жұмыстың мазмұны

1. Electronics Workbench көмегімен кернеулердің бөлгішінің 1.3 суретінде көрсетілген схемасын жинау. R4 резисторын және С4 конденсатордың мәндерін кернеулердің бөлгіштері үшін есептеу. Әртүрлі нұскалар үшін бастапқы мәндер 1.1 және 1.2 кестелерінде көрсетілген. Табылған есептелген мәндерді тәжірибе жүзінде тексеру.

2. Уитстон көпірінің 1.4 суретінде көрсетілген схемасын жинау. R4 кедергісін теңестірілген көпір үшін анықтау. Исходные данные для различных вариантов предоставлены в табл. 1.3. Әртүрлі нұскалар үшін бастапқы мәндер 1.3 кестелесінде көрсетілген. Табылған есептелген мәндерді тәжірибе жүзінде тексеру.

Сурет 1.3 – кернеулердің бөлгішінің схемалары.

Кесте 1.1

Нұсқа	Uк, В	Uш, В	R1, кОМ	Нұсқа	Uк, В	Uш, В	R1, кОМ	Нұсқа	Uк, В	Uш, В	R1, кОМ
1	20	6	5	8	27	4	10	15	40	30	2
2	25	15	14	9	25	10	7	16	37	14	6
3	40	25	2	10	30	8	4	17	39	10	3
4	32	20	4	11	38	30	13	18	29	4	8
5	35	15	5	12	22	13	12	19	25	15	15
6	21	5	7	13	26	12	10	20	40	25	2
7	30	25	8	14	24	20	5	21	38	20	1

Ескерту: барлық нұсқалар үшін R2=2 кОм, R3=4 кОм.

Кесте 1.2

Нұсқа	Uк, В	Uш, В	C1, мкФ	Нұсқа	Uк, В	Uш, В	C1, мкФ	Нұсқа	Uк, В	Uш, В	C1, мкФ
1	20	6	5	8	27	4	10	15	40	30	2
2	25	15	14	9	25	10	7	16	37	14	6
3	40	25	2	10	30	8	4	17	39	10	3
4	32	20	4	11	38	30	13	18	29	4	8
5	35	15	5	12	22	13	12	19	25	15	15
6	21	5	7	13	26	12	10	20	40	25	2
7	30	25	8	14	24	20	5	21	38	20	1

Ескерту: барлық нұсқалар үшін С2=2 мкФ, С3=4 мкФ.

Сурет 1.4 – Уитстон көпірінің схемасы

Кесте 1.3

Нұсқа	R3, кОМ	R2, кОМ	R1, кОМ	Нұсқа	R3, кОМ	R2, кОМ	R1, кОМ	Нұсқа	R3, кОМ	R2, кОМ	R1, кОМ
1	2	6	5	8	7	14	13	15	7	7	5
2	5	12	10	9	6	9	7	16	9	6	8
3	14	3	15	10	16	8	4	17	6	7	8
4	13	2	4	11	15	8	13	18	4	16	7
5	1	23	14	12	2	13	12	19	5	14	3
6	8	8	17	13	7	3	9	20	12	6	8
7	7	12	6	14	14	5	8	21	17	6	4

 Бақылау сұрақтары

1. Кернеулер бөлгіштері не үшін арналған?

2. Уитстон көпірі не үшін арналған?

3. R2 кедергісінің артқанда Uш қалай өзгереді, егер Uк=const, R1=const? Жауапты дәлелдеу.

4. R1 арқылы өтетін тоқ кеміді, Осыны қандай себептер туғызу мүмкін (сурет 1.1)?

5. Көпірлік схемасы негізінде көрсеткішті құрастырыңыз.

1.5 Ұсынылатын әдебиет тізімі

Эм Г.А. Основы электроизмерительной техники: Учебное пособие. Караганда: КарГТУ, 2000.

Основы промышленной электроники/ Под ред. Герасимова В.Г. – М.: Высшая школа, 1986.- 336 с.

1.6 № 1 зертханалық жұмысқа арналған файлдар тізімі

LAB1.doc — файл методического пособия

LAB1_1.ewb, LAB1_2.ewb — файлы со схемами делителя напряжений и моста Уитстона

Зертханалық жұмыс №2

Импульсты сигналдарды түрлендіретін тізбектерді зерттеу

2.1 Жұмыстың мақсаты

Диффренциалды және интегралды түрлендіру тізбектері арқылы өтетін тестілеу сигналдарды зерттеу.

2.2 Теориядан қысқаша мағлұматтар

Импульсты техникада импульстарды түрлендіру үшін сызықты RLC- тізбектерді, дифференцаторлар мен интеграторларды кеңінен қолданады.

Дифференциалды тізбек деп, шығыс кернеуі кіріс кернеуінің туындысына пропорционалды болатын электрлік тізбекті айтады. Идеалды бөлетін тізбектің негізгі мақсаты – айнымалы құраушыны кедергісіз жіберу кезінде кіріс кернеуінің тұрақты құраушысын оның шығысына өткізбеу. Қарастырылып жатқан тізбектер негізінен тізбектей жалғанған С конденсаторы мен R резисторынан (шығысы ретінде қолдану үшін) тұрады. 2.1 суретте осы тізбектер мен олардың жұмысын көрсететін кернеулер диаграммасы көрсетіліп тұр.

теңсіздігі орындалса тізбек дифференциалды деп саналады. Осындай тізбектің кірісіне кернеу айырмасын жібергенде экпоненциалды заң бойынша сыйымдылықтың заряды болады және тиісінше шығыс кернеуі төмендейді:

, (2.1)

Мұндағы: τ=RC.

Шығыста өткір импульс пайда болады, оның ұзақтығы tи тізбектің тұрақты уақыты бойынша анықталады. Әдетте ұзақтықты қандай да бір α деңгейде орнатады (2.1 суретте Uи деңгейі), мұндағы және тиісінше . Мысалы егерα=0,05, tи=3RC,

α=0,5, tи=0,7RC.

2.1 Сурет – Дифференциалды rc-тізбегі және әрекеттегі кернеулердің диаграммалары

Реальды дифференциалды тізбектерде паразитті сыйымдылық (мысалы Сн жүктемесі жағынан) тізбек тұрақтысын жоғарылатады және шығыс импульстың ұзақтығын үлкейтеді. α=0.05, tи=3(С+Сн)R деңгейдегі шығыс сигналдың амплитудасы:

. (2.2)

R, C, Cн және Rr (сигнал көзінің кедергісі) шамаларын өзгерткенде шығыс импульстарды өзгертуге болады. Импуль ұзақтығынан (кірістегі) көп есе үлкен тізбектің уақыт тұрақтысын таңдаған кезде біз бөлетін тібекті алуымыз мүмкінбіз. Шынымен де бір жарты период кезінде (2.1 суретті қара) tи вх<<τ2, 3 теңсіздігі орындалған кезде сыйымдылықтың көбеюі немесе азаюы аса байқалмайды, яғни мұнда кіріс кернеуінің айнымалы құраушысы байқалмайды.

Осындай бөлетін тізбектер енгізетін ауытқулардың санын импульс төбесін толтыратын қатынасты шамасы бойынша анықтайды (2.1 суреттегі ΔU) және ол С сыйымдылығын, кіріс сигнал құраушы айнымалысынан зарядталуының нәтижесі:

. (2.3)

Соңғы қатынас бойынша импульс төбесінің толтырылуы 1%-дан кем шаманы алу үшін тізбектің уақыт тұрақтысы импульстан 100 есе коп болуы керек.

Интегралды тізбек – шығыс кернеуі кіріс кернеуінің интегралына пропорционал болатын тізбек. Резистор R мен С конденсатордан тұратын интегралды тізбекті кеңінен қолданады (2.2 сурет). Тізбек кірісіне Um вх амплитудасы бар тікбұрышты тербеліс әсер еткенде шығыста сигнал мынандай теңдеу бойынша өзгереді:

. (2.4)

Осы формуладағы алғашқы мүшесі нақты интегралдау нәтижесіне сәйкес келеді (идеалды интегралдау кезінде). Келесі мүшесі интегралдау операциясының қатесін көрсетеді (2.2 суреттегі ΔUвых ). t=tи кезіндегі ең үлкен интегралдау қатесі δ:

. (2.5)

Практикада интегралдау қатесін осциллографтын көмегімен конденсаторды зарядтайтын ток төбесінің төмендеуі арқылы анықтауға болады, бойынша (С сыйымдылықпен тізбектей қосылған аз кедергісі бар сыйымдылық тоқтың осцилограммасы бойынша)

2.2 сурет – Интегралды RC-тізбегі және шығыс пен кірістегі кернеулердің диаграммасы

Кіріс импульсы біткен уақытта (2.4 формула мен 2.2 суретті қара) шығыс кернеуі максималды шамасына жетеді, ал сосын экспоненциальды заң бойынша нольге дейін төмендейді, яғни пішіні бойынша өзгереді де ұзақтығы бойынша созылады.

2.3 сурет – Активті жүктемесі бар интегралды RC-тізбегі (а) және оның қарапайым схемасы (б)

Қарастырылып жатқан жағдайда шығыс импульстың ұзақтығы 0.1Um вых деңгейі бойынша, келесідей анықталады:

. (2.6)

Реальды С конденсаторға паралельды жүктеменің (2.3 а суретін қара) кедергісі қыстырылады. Эквивалентті генераторлар теоремасын ескере отырып, 2.3 (а) суреттегі схеманы 2.3(б) суреттегі схема түріне оңай түрлендіруге болады, мұндағы:

. (2.7)

Шығыс параметрлер:

. (2.8)

Схемаға Rн қыстырғанда шығыс сигналдың шамасы төмендейтіні және интегралдау қатесі көбейетіні анық.

Интегралдау қатесін төмендету мақсатында кері байланыстағы тізбекке сыйымдылық қосылған операционды күшейткіш кеңінен қолданылады (№1 зертханалық жұмысты қара)

2.3 Зертханалық жұмыстың мазмұны:

1. "LAB-ELECTRONICS" комплекстің базасынан LAB2_1.ewb файлын аш. Electronics Workbench-тегі дифференциалды RC-тізбегі үшін схема 2.4 суретте көрсетіліп тұр. Жұмысты орындау кезінде тікбұрышты импульс көзінің жиілік пен толтыру коэффициентін (Duty cycle) уақыт тұрақтысының шамасына τ тәуелді әр нұсқаға жеке алынады. Өлшеулерді алғашқы импульс бойынша істеу керек.

Әр нұсқаға сәйкес бастапқы берілгендер 2.1 кестеде беріліп тұр.

а) Uшығ=f(Uкір) өзгеру заңдылығын анықтау керек. Кіріс пен шығыс кернеулердің осцилограммаларын салу керек. Импульс басталғаннан 50 мкс уақытындағы шығыс кернеуінің есептегенде алынған мәні шыққан мәнімен сәйкес келетініне көз жеткізу керек.

б) Дифференциатордың шығысына қосылған аспап +5 В кернеуде жұмыс істейтіні белгілі. Аспаптың қосылу уақытын анықтау керек.

2.1 кесте. Дифференциаторды зерттеуге арналған тәжірибенің бастапқы берілгені.

№ нұсқа	Uвх, В	С1, мкФ	R1, Ом	№ нұсқа	Uвх, В	С1, мкФ	R1, Ом	№ нұсқа	Uвх, В	С1, мкФ	R1, Ом
1	20	20	10	8	27	19	10	15	40	13	11
2	25	8	5	9	25	10	15	16	37	3	15
3	40	4	12	10	30	14	12	17	39	11	13
4	32	20	4	11	38	7	14	18	29	6	7
5	35	15	4	12	22	16	9	19	25	7	17
6	21	18	7	13	26	8	10	20	40	15	8
7	30	18	6	14	24	20	5	21	38	17	9

2.4 сурет – Зерттелетін дифференциалды RC-тізбегінің схемасы

2. "LAB-ELECTRONICS" комплекстің базасынан LAB2_2.ewb файлын аш. Electronics Workbench-тегі интегралды RC-тізбегі үшін 2.5 суретте схема көрсетіліп тұр. Жұмысты орындау кезінде тікбұрышты импульс көзінің жиілік пен толтыру коэффициентін (Duty cycle) уақыт тұрақтысының шамасына τ тәуелді әр нұсқаға жеке алынады. Өлшеулерді алғашқы импульс бойынша істеу керек.

2 .5 сурет - Зерттелетін RC-тізбегінің схемасы

Бастапқы берілгендері: R1=(0.5N+2) Ом, C1=(N+10) мкФ, Uвх=10 В. N-нұсқа номері.

а) Uшығ=f(Uкір) өзгеру заңдылығын анықтау керек. Кіріс пен шығыс кернеулердің осцилограммаларын салу керек. Импульс басталғаннан 50 мкс уақытындағы шығыс кернеуінің есептегенде алынған мәні шыққан мәнімен сәйкес келетініне көз жеткізу керек.

б) Дифференциатордың шығысына қосылған аспап +1 В кернеуде жұмыс істейтіні белгілі. Аспаптың қосылу уақытын анықтау керек.

2.4 Бақылау сұрақтары

1.Идеалды бөлетін тізбектің негізгі мақсаты қандай?

2.Интегралды тізбек деген не?

3.Операционды күшейткіштің интегралды RC-тізбегінен артықшылығы қандай?

2.5 Ұсынылатын әдебиеттер тізімі

1. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. – М.: Солон, 1999.- 512 с.

2. Ушаков В.Н., Долженко О.В. Электроника: от элементов до устройств. М., «Радио и связь», 1993. – 352 с.

3. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 320 с.

4. Основы промышленной электроники/ Под ред. Герасимова В.Г. – М.: Высшая школа, 1986.- 336 с.

2.6 №2 зертханалық жұмысқа арналған файлдер тізімі

LAB2.doc — әдістемелік нұсқаудың файлы

LAB2_1.ewb, LAB2_2.ewb — дифференциалды және интегралды тізбектердің сәйкесінше файлдары

Зертханалық жұмыс №3

Операционды күшейткіштің (ОК) қасиеттерін зерттеу. Инвертті күшейткіш. Инвертті емес күшейткіш. ОК-дағы қосылғыш.

3.1 Жұмыстың мақсаты

ОК-ң қасиеттерін зерттеу. ОК негізінде салынған күшейткіштердің жұмысын зерттеу.

3.2 Теориядан қысқаша мағлұматтар

Бірнеше күрделі жүйелерді классификациялаудың басты белгілердің бірі болып әрекет тізбектерді конфигурациясы есептеледі. Осы белгі арқылы тұйық және тұйық емес тізбектері бар жүйелерді ажыратады.

Тұйық емес жүйелерде шығыс пен кірістің арасында тура байланыс қана бар, ал олардың жұмыс істеуі осы жүйеге кіретін элементтердің параметрлермен анықталады. Тұйық жүйелердің негізгі айырмашылығы: осы жүйедегі шығыс пен кіріс арасындағы тек қана тура байланыстың емес, кері байланыстың (КБ) да болуы. КБ арқылы элементтердің бір біріне әсер ету тұйық тізбегі пайда болады. КБ жүйенің шығыс сигналы мен берілген шаманы салыстыру үшін және жұмыстың дұрыс орындалуы үшін қолданылады. КБ жүйені одан сайын жетілдіреді, себебі тұйық жүйелерде өз өзін бақылау пайда болады, соның әсерінен жұмыс дәлділігі жоғарлайды.

Егер КБ сигналының түсуі нәтижелік сигналды төмендетсе онда осындай КБ теріс кері байланыс деп аталады (ТКБ).

Егер КБ сигналының түсуі нәтижелік сигналды жоғарлатса онда осындай КБ оң кері байланыс деп аталады (ОКБ).

Кері байланыстың сыртқы және паразитті деп бөлетінің ескеру керек. Сыртқы кері байланыс деп кері байланыстағы тізбектеріне арнайы енгізілген құралдардың кірісінен шығысына сигнал берілгендегі байланысты айтады. Паразитті КБ деп өзінен өзі, кездейсоқ кері байланысты айтады.

О перационды күшейткіш (ОК) деп шексіз аналогты сигналдарға әр түрлі операцияларды жасауға арналған кернеуді күшейтетін құралды айтады. Мұндай операцияларға: сигналды күшейту немесе әлсірету, қосу немесе айыру, интегралдау немесе дифференциалдау, пішінің түрлендіру және басқалар жатады. Осы операцияларды ОК кері байланыстағы тізбектері арқылы орындайды. Мұндай тізбектерге әр түрлі электронды элементтері жатуы мүмкін. Кіріс сигналдарды екі кірістің біреуіне жіберуге болады, олардың біреуі шығыс кернеудің полярлығын өзгертеді де инвертті (-) деп аталады, ал екіншісі шығыс кернеудің полярлығын өзгертпей инвертті емес (+) деп аталады. Инвертті кіріс дөңгелекпен белгіленеді (Electronics Workbencһ-те минус таңбасымен). ОК-ң екі шығысы оған U1 және U2 қоректену кернеулерін жіберу үшін қолданылады.

ОК кірістеріндегі кернеулердің айырмасы дифференциалды (айырмашылық) кіріс сигналы деп аталады, ал осы кернеулердің жартылай соммасы синфазалық кіріс кернеуі деп аталады.

Жалпы жағдайда ОК келесідей тармақтардан тұрады: кіріс дифференциалды күшейткіш (ДК), кернеу күшейткіші, сигналдың тұрақты деңгей ауытқу тармағы және қуат күшейткіші (9.2 сурет)