Методическое пособие 154

Составитель канд. техн. наук Е. А. Москалева

УДК 621.38

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Электроника и схемотехника» для студентов специальностей 090301 «Компьютерная безопасность», 090302 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем», 090303 «Информационная безопасность автоматизированных систем» очной формы обучения/ ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. Е. А. Москалева. Воронеж, 2015. 30 с.

Методические указания предназначены для выполнения лабораторных занятий по дисциплине «Электроника и схемотехника», в результате которых студенты получают практические навыки анализа работы электронных схем и синтеза цифровых устройств. Лабораторные работы по аналоговой и цифровой электронике и схемотехнике могут быть выполнены в редакторе Electronic Work Bench.

Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MW-2010 и содержатся в файле Москалева_ЛР_ЭЛиСХ.pdf.

Табл. 4. Ил. 8. Библиогр.: 4 назв.

Рецензент д-р техн. наук, проф. А. Г. Остапенко

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. А. Г. Остапенко

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

© ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2015

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ Указания по технике безопасности при выполнении лабораторных работ

1.Подачу электропитания на оборудование производить только после проверки преподавателем рабочего места и с разрешения преподавателя.

2.Следует обратить внимание на состояние вилки и шнура питания: концы проводов должны быть аккуратно заделаны в вилку, а изоляция провода не должна иметь повреждений.

3.В случае неисправности оборудования обратиться к преподавателю. Устранять неисправность или производить какие-либо переключения, не предусмотренные работой, студенту запрещается.

4.При выполнении работы необходимо соблюдать меры предосторожности в соответствии с инструкцией по правилам техники безопасности в лаборатории.

5.Запрещается вскрывать находящееся в лаборатории оборудование и измерительную аппаратуру, а также производить какие-либо действия на силовом щите лаборатории. В случае возникновения неполадок следует обратиться к преподавателю, проводящему занятие.

6.При несчастных случаях следует воспользоваться медикаментами, имеющимися в лабораторной аптечке.

7.После окончания работы, получив разрешение преподавателя, необходимо выключить аппаратуру, привести в порядок рабочее место и сдать преподавателю.

Содержание отчета

1.Название, цель работы.

2.Номер варианта задания и исходные данные.

3.Исследуемые схемы.

4.Расчеты в соответствии с вариантом домашнего задания.

5.Результаты измерений, представленные в виде таблиц (расчетная величина, измеренная, погрешность).

6.Осциллограммы, графики, диаграммы.

7.Выводы по работе.

Указания для подготовки к лабораторной работе

1.Изучить теоретический материал и подготовить ответы на вопросы п.1 Общие указания. Дополнительная литература приведена в п. 4 Литература к каждой лабораторной работе.

2.Ознакомиться с лабораторным заданием.

3

Лабораторная работа № 1 Уравнения элементов и уравнения соединений

Цель: изучить свойства простых электрических цепей и методы их расчета.

Общие указания по работе

1.Пользуясь конспектами лекций, материалам пособия

идополнительной литературой [1, 2], подготовьте ответы на следующие вопросы:

Понятия: электрический ток, электрическая цепь, постоянный ток, электрическая схема, линейная и нелинейная цепь, электродвижущая сила (ЭДС), источник ЭДС, источник тока.

Идеальные и реальные источники тока и ЭДС.

Закон Ома для участка цепи, не содержащего источник

ЭДС.

Закон Ома для участка цепи, содержащего источник

ЭДС.

Законы Кирхгофа. Заземление одной точки цепи.

2.Изучите следующий теоретический материал:

Перенос источников ЭДС и источников тока. На

участке цепи рис. 1 а) между узлами а и b источник ЭДС Е можно перенести в ветви 1 и 2, а узел а устранить и в результате получить участок на рис. 1 б). Эквивалентный переход поясняется рис. 1 в). Точки с, d, b имеют одинаковый потенциал и поэтому могут быть объединены в одну точку b. Участок abc на рис. 1 г), между крайними точками а и с которого включен источник тока, может быть заменен участком рис. 1 д), отличающимся от участка рис. 1 г) тем, что источник тока между точками а и с заменен на два источника, присоединенных параллельно R1 и R2. Эквивалентность замены

4

следует из неизменности значений токов в каждом из узлов. Ток в узле b не изменился, так как в этот узел добавили и вычли ток J.

Рис. 1. Цепи для расчета

Лабораторное задание

1. На рис. 2 представлены электрические схемы цепей, содержащих два источника и три резистора, один из которых – нагрузка. Схема цепи с источниками напряжения (рис. 2,а) используется студентами 1 группы, а с источниками тока (рис. 2,б) — студентами 2 группы. В табл. 1 указаны параметры элементов схемы. В этой таблице N — номер варианта.

Рис. 2. Схемы для расчета

2.Подключая к цепи вольтметры и амперметры, подобрать параметры резистивной цепи на постоянном токе. Найти токи и напряжения на всех элементах цепи.

3.Рассчитать все токи и напряжения в цепи по формулам законов Ома и Кирхгофа, а затем сверить результаты

5

«ручных» расчетов напряжений и токов с данными ЭВМ. Допускается относительная погрешность до 20%.

4. Включить вместо резистора R1 (а затем вместо резистора R2) переменный резистор с сопротивлением в несколько раз большим заданного. Изменяя сопротивление этого резистора, получить максимум тока через нагрузку. Таким образом выясняется важная роль внутренних сопротивлений источников в цепи.

5.Преобразовать источники напряжения в источники тока (гр. 1) или источники тока в источники напряжения (гр. 2), заменить два источника одним источником и рассчитать ток через нагрузку по формуле закона Ома. Сравнить рассчитанный ток с полученными ранее результатами.

6.Составить отчет по работе.

6

Контрольные вопросы

1.Когда при расчетах токи и напряжения в цепи получаются отрицательными? Что означает отрицательное значение тока или напряжения?

2.Что показывает стрелка положительного направления для переменного тока, значения которого могут быть как положительными, так и отрицательными?

3.Рассчитайте ток через конденсатор, если напряжение на нем линейно возрастает с течением времени.

4.Найдите напряжение на катушке, если ток через нее возрастает с течением времени по линейному закону (по экспоненциальному закону, квадратично).

5.Можно ли источник напряжения заменить источником тока, если внутреннее сопротивление источника напряжения равно нулю?

6.В какой цепи мгновенная мощность электрического тока может быть отрицательной? Что означает отрицательная величина мгновенной мощности?

7.Почему для съема информации с участка цепи удобнее использовать вольтметры, а не амперметры?

8.Как известно, наиболее часто встречающаяся неисправность в электрических цепях — обрыв цепи. Какой принцип в этом случае использовать при проектировании устройства охраны – обнаруживать обрыв или короткое замыкание в контрольной цепи охраняемого объекта?

Дополнительная литерат ура

1.Бессонов, Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи [Текст] / Л. А. Бессонов.

–М.: Юрайт, 2012. – 318 с.

2.Кучумов, А. И. Электроника и схемотехника [Текст]: учеб. пособие / А. И. Кучумов. – М.: Гелиос АРВ, 2011. – 336 с.

7

Лабораторная работа № 2 Метод комплексных амплитуд

Цель: изучить метод комплексных амплитуд для расчета цепи гармонического тока.

Общие указания по работе

Пользуясь конспектами лекций, материалам пособия и дополнительной литературой [1,2], подготовьте ответы на следующие вопросы:

Понятия: действующее значение сигнала, комплексная амплитуда сигнала, комплексное сопротивление, комплексная проводимость.

Законы Ома в комплексной форме для резистора, конденсатора, индуктивности.

Мгновенная, активная, полная, реактивная, средняя за период мощность.

Баланс мощностей.

Лабораторное задание

1.Схемы исследуемых электрических цепей приведены ниже на рис. 3. Номер рисунка схемы цепи соответствует номеру варианта N. Параметры элементов схемы цепи указаны ниже в табл. 2. На входе цепи необходимо подключить идеальный источник гармонического напряжения с амплитудой Еm = 2 В. Начальная фаза источника равна нулю. На выходе цепи подключить нагрузочный резистор, сопротивление которого приведено в табл. 2.

2.Рассчитать с помощью ЭВМ амплитуду и начальную фазу напряжения на нагрузке электрической цепи, показанной на рис. 3. Частоту источника напряжения выбрать самостоятельно так, чтобы наблюдался существенный (не менее 10°) фазовый сдвиг между входным и выходным напряжениями.

8

Для определения частоты и фазового сдвига можно использовать измеритель ФЧХ. Фазовый сдвиг можно также определить с помощью двухлучевого осциллографа, подавая на первый вход входное напряжение (с нулевой, по умолчанию, начальной фазой), а на второй вход – выходное напряжение. Задержка τ выходного напряжения относительно входного пропорциональна фазовому сдвигу: φ = –З60τ/T (в градусах), где Т – период.

Рис. 3. Электрические цепи для расчета

3.По формулам метода комплексных амплитуд рассчитать все комплексные амплитуды токов и напряжений в цепи на выбранной частоте. Сравнить результаты «ручных» расчетов с данными ЭВМ. Допустимая погрешность не более 20%.

4.Рассчитать активную мощность, отдаваемую источником, и активные мощности, потребляемые всеми

9