Методические материалы (8) (4) (1) / Electronics workbench Лабораторный практикум
.pdf
-Grid, -Show/Hide, -Display, -Value.
Закладка Grid управляет дисплеем и использованием сетки, лежащей в основе окна схемы. Использование сетки упрощает выравнивание элементов в схеме. Вы можете использовать сетку без ее отображения. Отображение сетки осуществляется на заднем плане окна схемы. Сетку удобно использовать при расстановке объектов.
Закладка Show/Hide управляет дисплеем информации в окне схемы. Ее параметры полезно использовать когда нужно скрыть обьект.
Закладка Display управляет шрифтом, используемым для меток и ссылок на идентификаторы.
Закладка Value управляет шрифтом, используемым для значений и моделей.
1.5 Меню Analysis
Меню Analysis позволяет выполнить различные анализы. Внешний вид меню приведен на рисунке 1.5. Перед выполнением каждого из них пользователю будет предложено заполнить параметров анализа. Анализ будет выполнен только в том случае когда это возможно для данной схемы.
Рисунок 1.5 – Внешний вид меню Analysis
Команду Analysis/Activate также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+G.
Команда активизирует схему (включает переключатель питания). Активизация схемы начинает последовательность математических операций, чтобы вычислить значения для тестовых точек в схеме.
11
Переключатель питания остается включенным, пока Вы не останавливаете или не приостанавливаете моделирование.
Команду Analysis/Pause and Analysis/Resume также можно вызвать нажатием клавиши F9.
Команда временно прерывает или продолжает моделирование (управляется кнопкой Pause/Resume). Приостановка полезна, если вы хотите рассмотреть форму волны (форму кривой, форму сигнала) или сделать изменения в инструментальных настройках. (Имитация простых схем может оказаться слишком быстрой для приостановки.)
Команду Analysis/Stop также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+T.
Команда вручную останавливает моделирование. Имеет тот же самый эффект как щелчок переключателя питания.
Обратите внимание, что выключение энергии стирает данные и инструментальные следы и сбрасывает все значения к начальным.
Команду Analysis/Analysis Options также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+Y.
Electronics Workbench позволяет Вам управлять многими аспектами моделирования, типа сброса терпимости ошибки, выбор методов моделирования и просмотра результатов. Эффективность моделирования также зависит от параметров, которые Вы выбираете. Большинство параметров имеет значения по умолчанию.
Чтобы рассмотреть или изменить любые из параметров, выберите
Analysis/Analysis Options.
Команда Analysis/DC Operating Point выполняет анализ DC Operating Point. Команда Analysis/AC Frequency выполняет анализ AC Frequency.
Команда Analysis/Transient выполняет анализ Transient. Команда Analysis/Fourier выполняет анализ Fourier.
Команда Analysis/Noise выполняет анализ Noise.
Команда Analysis//Distortion выполняет анализ Distortion.
Команда Analysis/Parameter Sweep выполняет анализ Parameter Sweep. Команда Analysis/Temperature Sweep выполняет анализ Temperature Sweep. Команда Analysis/Pole-Zero выполняет анализ Pole-Zero.
Команда Analysis/Transfer Function выполняет анализ Transfer Function. Команда Analysis/Sensitivity выполняет анализ Sensitivity.
Команда Analysis/Worst Case выполняет анализ Worst Case. Команда Analysis/Monte Carlo выполняет анализ Monte Carlo.
Команда Analysis/Display Graph выводит графические результаты анализа.
1.6 Window Menu
Меню Window позволяет осуществить операции работы с окнами.
12
Рисунок 1.6 – Внешний вид меню Window
Команду Window/Arrange также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+W.
Команда аккуратно расставляет открытые окна.
Команда Window/Circuit переносит окно схемы на передний план.
Команду Window/Description также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+D.
Команда открывает окно описания. (Если окно описания уже открыто, переносит его на передний план.) Вы можете напечатать комментарии или указания в окне описания, а также вставить текст из другой прикладной программы или описания схемы.
1.7 Меню Help
Меню Help предоставляет вызов файла-справки. Вызов справки также можно осуществить нажатием клавиши F1.
Рисунок 1.7 – Внешний вид меню Help
2 Порядок разработки принципиальной электрической схемы
Запустите Electronics Workbench.
Подготовьте новый файл для работы. Для этого необходимо выполнить следующие операции из меню: File/New и File/Save as. При выполнении операции Save as будет необходимо указать имя файла и каталог, в котором будет храниться схема. Рекомендуется называть схему по фамилии исполнителя.
Перенесите необходимые элементы из заданной преподавателем схемы на рабочую область Electronics Workbench. Для этого необходимо выбрать раздел на панели инструментов (Sources, Basic, Diodes, Transistors, Analog Ics, Mixed Ics, Digital Ics, Logic Gates, Digital, Indicators, Controls, Miscellaneous, Instruments), в
котором находится нужный вам элемент, затем перенести его на рабочую область.
Соедините контакты элементов и расположите элементы в рабочей области для получения необходимой вам схемы. Для соединения двух контактов необходимо щелкнуть по одному из контактов основной кнопкой мыши и , не отпуская клавишу, довести курсор до второго контакта. В случае необходимости
13
можно добавить дополнительные узлы (разветвления). Нажатием на элементе правой кнопкой мыши можно получить быстрый доступ к простейшим операциям над положением элемента, таким как вращение (rotate), разворот (flip), копирование/вырезание (copy/cut), вставка (paste).
Проставьте необходимые номиналы и свойства каждому элементу. Для этого нужно дважды щелкнуть мышью на элементе.
Когда схема собрана и готова к запуску, нажмите кнопку включения питания на панели инструментов. В случае серьезной ошибки в схеме (замыкание элемента питания накоротко, отсутствие нулевого потенциала в схеме) будет выдано предупреждение.
Произведите анализ схемы, используя инструменты индикации. Вывод терминала осуществляется двойным нажатием клавиши мыши на элементе. В случае надобности можно пользоваться кнопкой Pause.
При необходимости произведите доступные анализы в разделе меню
Analysis.
3 Лабораторные работы по электротехнике
3.1 Исследование резонансных контуров
Исследование схемы последовательного соединения R, L, C при изменении частоты на резонанс напряжений.
Рисунок 3.1 – Последовательная R, L, C цепь
В схеме, представленной на рисунке 3.1, наблюдается явление, называемое резонансом напряжений.
При резонансе ток в цепи должен совпадать по фазе с источником напряжения U. Ток будет совпадать по фазе с источником напряжения U, если входное сопротивление схемы
Z R j(2 fL |
1 |
) , |
(3.1) |
|
|||
2 fC |
|||
|
|
|
14 |
будет чисто активным. Условие наступления резонанса в схеме
2 fL |
1 |
. |
(3.2) |
|
|||
|
2 fC |
|
|
При этом
|
I |
U |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
R |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Напряжение на |
|
индуктивности будет равно |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
U |
|
U |
|
2 fLI |
2 fL |
U . |
|
|
|
|
|
|
L |
C |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Отношение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
L |
|
|
|
|
|
|
|||
|
2 fL |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
C |
Q |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
R |
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
||||
(3.3)
напряжению на емкости
(1.4)
(3.4)
называют добротностью резонансного контура. Добротность показывает, во сколько раз напряжение на индуктивности (или на емкости) превышает напряжение на входе схемы в резонансном режиме.
Практически Q может доходить до 200 и больше. Ток в цепи равен
I |
|
|
|
U |
|
|
|
. |
(3.5) |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
2 |
|
1 |
2 |
|
||
|
|
R |
|
2 fL |
|
|
|
||
|
2 fC |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
При изменении f меняется реактивное сопротивление цепи X 2 fL 2 fC1 :
При f→0 X→ – ∞ и ток I→0;
При f= |
|
1 |
|
X=0 и ток I= |
U |
; |
|
2 |
|
|
|
|
|||
|
|
LC |
|
|
R |
||
При f→∞ X→ ∞ и ток I→0.
Чем меньше активное сопротивление резонансного контура при неизменных остальных параметрах схемы, т.е. чем больше добротность контура Q, тем более острой (пикообразной) становится форма кривой I=f(f). Напряжение на индуктивности UL=2πfLI. При f→0 UL→0, при f→∞ UL→U. Напряжение на
емкости UC= I |
1 |
при f→0 стремится к U, при f→∞ UC→0. Из рисунка 3.2 видно, |
2 fÑ |
что максимум напряжения на индуктивности UL и максимум напряжения на емкости UC имеют место при разных частотах, не равных резонансной частоте fр=
|
1 |
|
|
. Максимум UL имеет место при частоте, большей чем fр, а максимум UC – |
|
|
|
|
|
2 f |
|
|
|
|
|
|
|||
|
LC |
|||
при частоте, меньшей fр.
15
Рисунок 3.2 – Графики кривых I=f(f), UL=f(f), Uc=f(f)
При Q> 1 кривые UL и UC проходят через максимум, при Q<
2
монотонно стремится к U.
Последовательность выполнения работы
1 |
|
кривая UL |
||
|
|
|
||
|
|
|
||
2 |
||||
|
|
|||
1Теоретически рассчитать fр.
2Запустить программу.
3Собрать схему представленную на рисунке 3.1.
4Включить в схему последовательно амперметр.
5Параллельно катушке и конденсатору подключить вольтметры.
6В свойствах амперметра и вольтметров в вкладке Value выбрать режим AC.
7Исходя из рассчитанной частоты fр, включить схему и меняя f в промежутке от 0 до ∞ снять показания амперметра и вольтметров.
8Занести полученные данные в таблицу (см. таблица 3.1).
9
Таблица 3.1 – Характеристики резонансного контура
f |
I |
|
UL |
Uc |
|
|
16 |
|
|
10 По полученным данным построить графики кривых I=f(f),
UL=f(f), Uc=f(f).
Задание для самостоятельного изучения приведено в таблице 3.2.
Таблица 3.2 – Задание для самостоятельного изучения
Вариант |
Um |
f, |
φ, |
R, |
L, |
C, |
1 |
12 |
10 |
0 |
100 |
10 |
10 |
2 |
12 |
15 |
0 |
96 |
12 |
9 |
3 |
12 |
20 |
0 |
85 |
25 |
8 |
4 |
12 |
25 |
0 |
121 |
8 |
5 |
5 |
12 |
35 |
0 |
114 |
33 |
35 |
6 |
12 |
14 |
0 |
76 |
5 |
50 |
7 |
12 |
18 |
0 |
69 |
14 |
45 |
8 |
12 |
26 |
0 |
99 |
18 |
2 |
9 |
12 |
44 |
0 |
105 |
27 |
1 |
10 |
12 |
58 |
0 |
84 |
39 |
4 |
11 |
12 |
60 |
0 |
80 |
45 |
1 |
12 |
12 |
43 |
0 |
91 |
38 |
3 |
13 |
12 |
33 |
0 |
180 |
30 |
24 |
14 |
12 |
74 |
0 |
129 |
20 |
22 |
15 |
12 |
10 |
0 |
160 |
11 |
32 |
16 |
12 |
64 |
0 |
144 |
29 |
51 |
17 |
12 |
53 |
0 |
110 |
31 |
36 |
18 |
12 |
41 |
0 |
134 |
4 |
24 |
19 |
12 |
29 |
0 |
106 |
1 |
18 |
20 |
12 |
68 |
0 |
79 |
40 |
16 |
21 |
12 |
27 |
0 |
56 |
36 |
14 |
22 |
12 |
46 |
0 |
45 |
23 |
35 |
23 |
12 |
15 |
0 |
88 |
13 |
26 |
24 |
12 |
33 |
0 |
82 |
6 |
49 |
25 |
12 |
54 |
0 |
111 |
11 |
35 |
3.2 Исследование переходных процессов в линейных электрических цепях
Исследование переходного процесса в последовательной L, R цепи с источником постоянного напряжения.
17
Рисунок 3.3 – Последовательная L, R цепь
В схеме, представленной на рисунке 1.10, при замыкании ключа происходит переходный процесс, который в соответствии со вторым законом Кирхгофа описывается уравнением:
L |
diL |
i R E |
(3.6) |
|
|||
|
dt |
|
|
Решение этого уравнения записывается в виде
i(t) I0 I0e |
Rt |
I0 I0e |
t |
|
|
L |
, |
(3.7) |
|||
где τ= RL .
График кривой UR(t)=i (t)R приведен на рисунке 3.4.
Рисунок 3.4 – График кривой UR(t)=i(t)R
Последовательность выполнения работы.
1 Собрать схему представленную на рисунке 3.3.
18
2Подключить к схеме осциллограф, который будет снимать напряжение на резисторе, пропорциональное току в цепи.
3Включить схему (ключ предварительно разомкнут).
4Замкнуть ключ клавишей Space.
5С помощью осциллографа снять зависимость UR(t)=i(t)R. Задание для самостоятельного изучения приведено в таблице 3.3.
Таблица 3.3 – Задание для самостоятельного изучения
Вариант |
Е, В |
R, Ом |
L, мГн |
|
|
|
|
1 |
10 |
1 |
100 |
2 |
20 |
2 |
82 |
3 |
30 |
3 |
50 |
4 |
40 |
4 |
76 |
5 |
50 |
3 |
90 |
6 |
60 |
2 |
45 |
7 |
70 |
1 |
36 |
8 |
80 |
6 |
47 |
9 |
90 |
4 |
11 |
10 |
100 |
5 |
65 |
11 |
110 |
3 |
33 |
12 |
120 |
4 |
25 |
13 |
130 |
3 |
34 |
14 |
140 |
2 |
87 |
15 |
150 |
1 |
64 |
16 |
160 |
5 |
14 |
17 |
170 |
3 |
23 |
18 |
180 |
1 |
5 |
19 |
190 |
2 |
7 |
20 |
200 |
6 |
6 |
21 |
210 |
2 |
9 |
22 |
220 |
4 |
10 |
23 |
230 |
1 |
1 |
24 |
240 |
3 |
8 |
25 |
250 |
5 |
5 |
3.3 Исследование переходных процессов в линейных электрических цепях с неидеальным источником синусоидального напряжения
Исследование переходного процесса в последовательной R, C цепи с неидеальным источником синусоидального напряжения.
19
Рисунок 3.5 – Последовательная R, C цепь
В схеме, представленной на рисунке 1.12, при замыкании ключа происходит переходный процесс, который в соответствии со вторым законом Кирхгофа описывается уравнением:
|
|
|
|
|
RC |
dUC |
UC Um sin(2 ft ) |
|
|
|
|
|
|
(3.8) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
dt |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Решение этого уравнения записывается в виде |
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
Um |
|
|
|
|
|
|
Um |
|
|
|
)e |
t |
|
||
|
|
(t) |
|
|
|
sin(2 ft |
) |
|
|
sin( |
|
, |
(3.9) |
|||||||
U |
C |
|
|
|
|
|
RC |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
(2 fRC) 2 |
2 |
|
1 (2 fRC) 2 |
2 |
|
|
|
|
||||||||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
где φ=arctg(-1/2πfRC).
График кривой UC(t) приведен на рисунке 3.6.
Рисунок 3.6 – График кривой UC(t)
Последовательность выполнения работы.
1 Собрать схему представленную на рисунке 3.5.
20