Методические материалы (8) (4) (1) / Electronics workbench Лабораторный практикум
.pdf
2Подключить к схеме осциллограф, который будет снимать напряжение на конденсаторе.
3Включить схему (ключ предварительно разомкнут).
4Замкнуть ключ клавишей Space.
5С помощью осциллографа снять зависимость UС(t).
6Используя данный график достроить Riпр(t) и Riсв(t).
Задание для самостоятельного изучения приведено в таблице 3.4.
Таблица 3.4 – Задание для самостоятельного изучения
Вариант |
Um, В |
|
f, Ом |
φ, мГн |
R, Ом |
C, мкФ |
1 |
|
120 |
10 |
0 |
100 |
10 |
2 |
|
120 |
15 |
0 |
110 |
9 |
3 |
|
120 |
20 |
0 |
120 |
8 |
4 |
|
120 |
25 |
0 |
130 |
5 |
5 |
|
120 |
35 |
0 |
140 |
35 |
6 |
|
120 |
14 |
0 |
150 |
50 |
7 |
|
120 |
18 |
0 |
160 |
45 |
8 |
|
120 |
26 |
0 |
170 |
2 |
9 |
|
120 |
44 |
0 |
180 |
1 |
10 |
|
120 |
58 |
0 |
190 |
4 |
11 |
|
120 |
60 |
0 |
200 |
1 |
12 |
|
120 |
43 |
0 |
190 |
3 |
13 |
|
120 |
33 |
0 |
180 |
24 |
14 |
|
120 |
74 |
0 |
170 |
22 |
15 |
|
120 |
10 |
0 |
160 |
32 |
16 |
|
120 |
64 |
0 |
150 |
51 |
17 |
|
120 |
53 |
0 |
140 |
36 |
18 |
|
120 |
41 |
0 |
130 |
24 |
19 |
|
120 |
29 |
0 |
120 |
18 |
20 |
|
120 |
68 |
0 |
110 |
16 |
21 |
|
120 |
27 |
0 |
100 |
14 |
22 |
|
120 |
46 |
0 |
155 |
35 |
23 |
|
120 |
15 |
0 |
165 |
26 |
24 |
|
120 |
33 |
0 |
175 |
49 |
25 |
|
120 |
54 |
0 |
185 |
35 |
3.4 Исследование переходных процессов в колебательных контурах
Разряд конденсатора на катушку индуктивности при высокой добротности контура (колебательный разряд, 2R 
CL ).
21
Рисунок 3.7 – Колебательная R, L, C цепь
Переходный процесс при подключении заряженного конденсатора к последовательной RL-цепочке отображается уравнением:
LC |
d2i |
RC |
di |
i 0 , |
(3.10) |
|
dt2 |
dt |
|||||
|
|
|
|
где i – ток в RLC контуре.
Корни его характеристического уравнения:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|||
|
p j 2 2 |
j |
|
|
|
|
||||||||||
|
1,2 |
|
|
|
|
0 |
|
ñâ |
|
|
|
|
||||
где |
|
|
|
|
– |
частота свободных колебаний, |
Ò |
2 |
||||||||
2 |
2 |
|||||||||||||||
|
||||||||||||||||
|
ñâ |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ñâ |
ñâ |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
свободных колебаний, |
|
R |
, 0 |
|
1 |
|
. |
|
|
|||||||
2L |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
LC |
|
|
|||||
Решение уравнения: |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
i(t) |
UC0 e t sin ñât . |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
L |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
ñâ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
(3.11)
– период
(3.12)
Напряжение на конденсаторе:
uC (t) |
ω0 |
UC0e |
sin(ωñât ) , |
(3.13) |
||
|
|
|
|
δt |
|
|
|
|
|
ωñâ |
|
|
|
где tg |
ñâ |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
UC0 – начальное напряжение на конденсаторе.
График кривой UC(t) приведен на рисунке 3.8.
22
Рисунок 3.8 – График кривой UC(t)
Последовательность выполнения работы.
1Собрать схему представленную на рисунке 3.7.
2Подключить к схеме осциллограф, который будет снимать напряжение на конденсаторе.
3Включить схему, предварительно замкнув ключ.
4Разомкнуть ключ клавишей Space.
5С помощью осциллографа снять зависимость UС(t).
Задание для самостоятельного изучения приведено в таблице 3.5.
Таблица 3.5 – Задание для самостоятельного изучения
Вариант |
U, В |
R, Ом |
L, мГн |
C, мкФ |
1 |
10 |
1 |
1 |
10 |
2 |
20 |
2 |
20 |
5 |
3 |
30 |
3 |
50 |
6 |
4 |
40 |
4 |
70 |
3 |
5 |
50 |
3 |
90 |
2 |
6 |
60 |
2 |
15 |
4 |
7 |
70 |
1 |
36 |
8 |
8 |
80 |
6 |
47 |
9 |
9 |
90 |
4 |
11 |
1 |
10 |
100 |
5 |
5 |
1 |
11 |
110 |
3 |
3 |
1 |
12 |
120 |
4 |
25 |
3 |
13 |
130 |
3 |
34 |
2 |
14 |
140 |
2 |
87 |
2 |
15 |
150 |
1 |
64 |
2 |
16 |
160 |
5 |
14 |
1 |
17 |
170 |
3 |
23 |
3 |
18 |
180 |
1 |
5 |
2 |
|
|
23 |
|
|
19 |
190 |
2 |
7 |
1 |
20 |
200 |
6 |
6 |
6 |
21 |
210 |
2 |
9 |
4 |
22 |
220 |
4 |
10 |
3 |
23 |
230 |
1 |
1 |
2 |
24 |
240 |
3 |
8 |
9 |
25 |
250 |
5 |
5 |
5 |
4 Лабораторные работы по электронике
4.1 Исследование работы емкостного фильтра на выходе выпрямителя
Если на выход выпрямителя включить конденсатор, то переменная составляющая выходного напряжения будет ослаблена.
Среднее значение выходного напряжения Ud |
выпрямителя с емкостным |
фильтром может приближенно оценено из соотношения: |
|
Ud=(U2max+U2min)/2=U2max – ΔU2/2, |
(4.1) |
где U2max и U2min – максимум и минимум выходного напряжения, |
|
ΔU2=U2max–U2min. |
(4.2) |
Для оценки качества фильтра обычно используют коэффициент пульсаций q |
|
выходного напряжения, который вычисляется из соотношения: |
|
q=(ΔU2/Ud)*100%. |
(4.3) |
Рисунок 4.1 – Емкостной фильтр на выходе выпрямителя
Последовательность выполнения работы
1Собрать схему рисунок 4.1. На вход А осциллографа подается входное напряжение, а на вход В – выходное. Начальная емкость на конденсаторе С1, начальное сопротивление – R1.
2В окне редактирования модели трансформатора задать следующие данные
24
Рисунок 4.2 – Окно редактирования модели трансформатора
3Выбрать модель диода 1N4009
4Включить схему
5Зафиксировать данные с осциллографа.
6Записать постоянную составляющую выходного напряжения по показаниям мультиметра.
7Вычислить коэффициент пульсаций выходного сигнала.
8Отключить мультиметр в схеме рисунок 4.1. Установить емкость
конденсатора равной С2. Включить схему. Измерить максимум выходного напряжения и разность между максимумом и минимумом напряжений на выходе выпрямителя по показаниям осциллографа. Записать результаты.
9Вычислить среднее значение напряжения.
10Вычислить коэффициент пульсаций выходного сигнала.
11Установить емкость конденсатора в схеме рисунок 4.1 равной С1. Изменить сопротивление резистора нагрузки до R2. Включить схему. Измерить максимум выходного напряжения и разность между максимумом и минимумом напряжений на выходе выпрямителя по показаниям осциллографа. Записать результаты.
12Вычислить среднее значение напряжения.
13Вычислить коэффициент пульсаций выходного сигнала.
Задание для самостоятельного изучения приведено в таблице 4.1.
Таблица 4.1 – Задание для самостоятельного изучения
Вариант |
Um, В |
f, Ом |
φ, мГн |
R1, Ом |
R2, Ом |
C1, мкФ |
C1, мкФ |
1 |
120 |
60 |
0 |
100 |
200 |
470 |
100 |
2 |
120 |
60 |
0 |
96 |
150 |
350 |
90 |
3 |
120 |
60 |
0 |
85 |
210 |
380 |
110 |
4 |
120 |
60 |
0 |
121 |
216 |
390 |
120 |
5 |
120 |
60 |
0 |
114 |
190 |
360 |
115 |
6 |
120 |
60 |
0 |
76 |
142 |
420 |
85 |
7 |
120 |
60 |
0 |
69 |
135 |
410 |
200 |
8 |
120 |
60 |
0 |
99 |
160 |
430 |
155 |
|
|
|
|
25 |
|
|
|
9 |
120 |
60 |
0 |
105 |
201 |
440 |
135 |
10 |
120 |
60 |
0 |
84 |
220 |
450 |
130 |
11 |
120 |
60 |
0 |
80 |
180 |
460 |
125 |
12 |
120 |
60 |
0 |
91 |
179 |
480 |
120 |
13 |
120 |
60 |
0 |
180 |
230 |
380 |
145 |
14 |
120 |
60 |
0 |
129 |
245 |
310 |
140 |
15 |
120 |
60 |
0 |
160 |
260 |
320 |
205 |
16 |
120 |
60 |
0 |
144 |
270 |
455 |
195 |
17 |
120 |
60 |
0 |
110 |
255 |
500 |
190 |
18 |
120 |
60 |
0 |
134 |
204 |
400 |
155 |
19 |
120 |
60 |
0 |
106 |
211 |
365 |
150 |
20 |
120 |
60 |
0 |
79 |
143 |
395 |
165 |
21 |
120 |
60 |
0 |
56 |
165 |
315 |
160 |
22 |
120 |
60 |
0 |
45 |
182 |
415 |
175 |
23 |
120 |
60 |
0 |
88 |
199 |
425 |
170 |
24 |
120 |
60 |
0 |
82 |
191 |
375 |
180 |
25 |
120 |
60 |
0 |
111 |
187 |
365 |
185 |
4.2 Исследование биполярного транзистора
Исследуемая схема показана на рисунке 4.3. Статический коэффициент передачи тока определяется как отношение тока коллектора IK к току базы IБ:
βDC |
IK |
. |
(4.4) |
|
|||
|
IÁ |
|
|
Коэффициент передачи тока βАС определяется отношением приращения ΔIK коллекторного тока к вызывающему его приращению ΔIБ базового тока:
βÀC |
ΔIK |
. |
(4.5) |
|
|||
|
ΔIÁ |
|
|
Дифференциальное входное сопротивление rВХ транзистора в схеме с общим эммитером (ОЭ) определяется при фиксированном значении напряжения коллектор-эммитер. Оно может быть найдено как отношение приращения напряжения база-эммитер к вызванному им приращению ΔIБ тока базы:
rÂÕ |
ΔUÁÝ |
|
UÁÝ2 |
UÁÝ1 |
. |
(4.6) |
|
IÁ2 |
|
||||
|
ΔIÁ |
IÁ1 |
|
|||
Дифференциальное входное сопротивление rвх транзистора в схеме с ОЭ через параметры транзистора определяется следующим выражением:
rВХ=rБ+βАС·rЭ, (4.7)
где rБ – распределенное сопротивление базовой области полупроводника, rЭ – дифференциальное сопротивление перехода база-эммитер, определяемое из выражения rЭ=25/IЭ, где IЭ – постоянный ток эммитера в миллиамперах.
Первое слагаемое rБ в выражении много меньше второго, поэтому им можно пренебречь:
rВХ βАС·rЭ. |
(4.8) |
|
Дифференциальное сопротивление |
rЭ перехода база-эммитер |
для |
биполярного транзистора сравнимо с входным сопротивлением rВХОБ транзистора в схеме с общей базой, которое определяется при фиксированном значении
26
напряжения база-коллектор. Оно может быть найдено как отношение приращения ΔUБЭ к вызванному им приращению ΔIЭ тока эммитера:
rÂÕÎÁ |
ΔUÁÝ |
|
UÁÝ2 UÁÝ1 |
. |
(4.9) |
|||||
|
|
|||||||||
|
ΔI |
Ý |
|
|
I |
Ý2 |
I |
Ý1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Через параметры транзистора это сопротивление определяется выражением: |
||||||||||
|
rВХОБ=rБ/βАС+rЭ. |
(4.10) |
||||||||
Первым слагаемым |
в |
выражении можно |
пренебречь, поэтому можно |
|||||||
считать, что дифференциальное сопротивление перехода база-эммитер приблизительно равно:
rВХОБ rЭ. |
(4.11) |
Рисунок 4.3 – Биполярный транзистор
Последовательность выполнения работы
1Собрать схему рисунок 4.3. Начальный номинал источника ЭДС ЕБ1, начальный номинал источника ЭДС ЕК1, сопротивление – 100 кОм, транзистор 2N3904. Включить схему. Записать результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения коллектор-эммитер. По полученным результатам подсчитать статический коэффициент передачи транзистора βDС.
2Изменить номинал источника ЭДС ЕБ до ЕБ2. Включить схему. Записать результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения коллекторэммитер. По полученным результатам подсчитать статический коэффициент передачи транзистора βDС.
3Изменить номинал источника ЭДС ЕК до ЕК2. Включить схему. Записать результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения коллекторэммитер. По полученным результатам подсчитать статический коэффициент передачи транзистора βDС. Затем установить номинал ЕК равным ЕК1.
4На схеме рисунок 4.3 изменить номинал источника ЭДС ЕБ до 0. Включить схему. Записать результаты измерения тока коллектора для данных значений тока базы и напряжения коллектор-эммитер.
5В схеме рисунок 4.3 провести измерение тока коллектора IK для каждого значения ЕК и ЕБ и заполнить таблицу 4.2. По данным таблицы построить графики
IK от ЕК.
Таблица 4.2 – Данные для получения выходной характеристики транзистора в схеме с ОЭ
27
|
|
|
ЕК, (В) |
|
|
|
|
|
ЕБ, (В) |
IK, (мкА) |
0,1 |
|
0,5 |
|
|
10 |
20 |
1,66 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2,68 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3,68 |
|
|
|
|
|
|
|
|
4,68 |
|
|
|
|
|
|
|
|
5,7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
6 Установить значение источника ЕК равным 10 В и провести измерения тока базы, напряжения база-эммитер, тока эммитера для различных значений источника ЕБ в соответствии с таблицей 4.3.
Таблица 4.3 – Данные для получения входной характеристики транзистора в схеме с ОЭ
ЕБ, (В) |
IБ, (мкА) |
ЕБЭ, (мВ) |
IK, (мА) |
1,66 |
|
|
|
2,68 |
|
|
|
3,68 |
|
|
|
4,68 |
|
|
|
5,7 |
|
|
|
7 По данным таблицы 4.3 построить график зависимости тока базы от напряжения база-эммитер
Задание для самостоятельного изучения приведено в таблице 4.4.
Таблица 4.4 – Задание для самостоятельного изучения
Вариант |
ЕБ1, В |
ЕБ2, В |
ЕК1, В |
ЕК2, В |
1 |
5,7 |
1,6 |
10 |
11 |
2 |
6,7 |
1,6 |
10 |
12 |
3 |
7,7 |
1,6 |
10 |
13 |
4 |
8,7 |
1,6 |
10 |
14 |
5 |
9,7 |
1,6 |
10 |
15 |
6 |
10,7 |
1,6 |
10 |
16 |
7 |
11,7 |
1,6 |
10 |
17 |
8 |
12,7 |
1,6 |
10 |
18 |
9 |
13,7 |
1,6 |
10 |
19 |
10 |
14,7 |
1,6 |
10 |
20 |
11 |
15,7 |
1,6 |
10 |
21 |
12 |
16,7 |
1,6 |
10 |
22 |
13 |
17,7 |
1,6 |
10 |
23 |
14 |
18,7 |
1,6 |
10 |
24 |
15 |
19,7 |
1,6 |
10 |
25 |
16 |
20,7 |
1,6 |
10 |
26 |
17 |
21,7 |
1,6 |
10 |
27 |
18 |
22,7 |
1,6 |
10 |
28 |
19 |
23,7 |
1,6 |
10 |
29 |
|
|
28 |
|
|
20 |
24,7 |
1,6 |
10 |
30 |
21 |
25,7 |
1,6 |
10 |
31 |
22 |
26,7 |
1,6 |
10 |
32 |
23 |
27,7 |
1,6 |
10 |
33 |
24 |
28,7 |
1,6 |
10 |
33 |
25 |
29,7 |
1,6 |
10 |
34 |
4.3 Исследование характеристик операционного усилителя
Интегральный операционный усилитель (ОУ) характеризуется рядом параметров, описывающих этот компонент с точки зрения качества выполнения им своих функций. Среди параметров, обычно приводимых в справочных данных, основными являются следующие.
Средний входной ток IВХ. В отсутствии сигнала на входа ОУ через его входные выводы протекают токи, обусловленные базовыми токами входных биполярных транзисторов или токами утечки затворов для ОУ с полевыми транзисторами на входе. Входные токи, проходя через внутреннее сопротивление источника входного сигнала, создают падения напряжения на входе ОУ, которые могут вызвать появление напряжения на выходе в отсутствии сигнала на входе. Компенсация этого падения напряжения затруднена тем, что токи входов реальных ОУ могут отличаться друг от друга на 10…20%
Входные токи ОУ можно оценить по среднему входному току, вычисляемому как среднее арифметическое токов инвертирующего и неинвертирующего входов:
IÂÕ |
I1 I2 |
, |
(4.12) |
|
|||
2 |
|
|
|
где I1 и I2 соответственно токи инвертирующего и неинвертирующего |
|||
входов. |
|
||
Разность входных токов ΔIВХ определяется выражением: |
|
||
ΔIВХ=I1 – I2. |
(4.13) |
||
В справочниках указывают модуль этой величины. |
|
||
Схема для измерения входных токов представлена на рисунке 4.4.
Рисунок 4.4 – Схема для измерения входных токов
Коэффициент усиления напряжения на постоянном токе К0 – показатель ОУ, определяющий насколько хорошо выполняет ОУ основную функцию – усиление
29
входных сигналов. У идеального усилителя коэффициент усиления должен стремиться к бесконечности.
Коэффициент усиления напряжения схемы усилителя на ОУ рисунок 4.5 вычисляется по формуле:
Ê Ó |
R 2 |
. |
(4.14) |
|
|||
|
R1 |
|
|
Рисунок 4.5 – Схема усилителя на ОУ
Напряжение смещения UСМ – значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы напряжение на его выходе было равно нулю.
Напряжение смещения UСМ можно вычислить, зная выходное напряжение ΔUВЫХ при отсутствии напряжения на входе и коэффициент усиления:
UÑÌ |
|
ΔUÂÛÕ |
. |
(4.15) |
|
Ê Ó |
|||||
|
|
|
|
Входное сопротивление RВХ. Различают две составляющие входного сопротивления: дифференциальное входное сопротивление и входное сопротивление по синфазному сигналу (сопротивление утечки между каждым входом и "землей"). Входное дифференциальное сопротивление для биполярных ОУ находится обычно в пределах 10 кОм…10 Мом. Входное сопротивление по синфазному сигналу определяется как отношение приращения входного синфазного напряжения ΔUВХ.СФ к вызванному приращению среднего входного тока ΔIВХ.СР:
R ÂÕ.ÑÔ |
ΔU ÂÕ.ÑÔ |
. |
(4.16) |
|
|||
|
ΔIÂÕ.ÑÐ |
|
|
Дифференциальное входное сопротивление наблюдается между входами ОУ и может быть определено по формуле:
R ÂÕ.ÄÈÔ |
|
ΔUÂÕ |
, |
(4.17) |
|
||||
|
|
ΔIÂÕ |
|
|
где ΔUВХ – изменение напряжения между входами ОУ, ΔIВХ – изменение входного тока.
Выходное сопротивление RВЫХ в интегральных ОУ составляет 20…2000 Ом. Выходное сопротивление уменьшает амплитуду выходного сигнала, особенно при работе усилителя, на сравнимое с ним сопротивление нагрузки. Схема для
30