Физические основы электроники. Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Физические основы электроники» для студентов специальности
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра электрооборудования
А.Н. Шпиганович, И.Г. Шилов
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
клабораторным работам по дисциплине
«Физические основы электроники»
для студентов специальности 140610 «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений»
Липецк Липецкий государственный технический университет
2012
УДК 621.311 (07)
Ш835
Рецензент Е.П. Зацепин, канд. техн. наук, доцент
Ш835 Шпиганович, А.Н.
Физические основы электроники Текст: метод. указания к лаборатор-
ным работам по дисциплине «Физические основы электроники» для студентов специальности 140610 «Электрооборудование и электрохозяйство предприя-
тий, организаций и учреждений» / А.Н. Шпиганович, И.Г. Шилов. – Липецк:
Изд-во ЛГТУ, 2012. – 43 с.
Методические указания предназначены для студентов 3 курса очной и
4 курса очно-заочной форм обучения специальности 140610 «Электрообо-
рудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений»
Табл. 11. Ил. 10. Библиогр.: 11 назв
© ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет», 2012
2
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 «Измерение параметров импульсных сигналов с помощью осциллографа»
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью лабораторной работы является ознакомление с устройством осциллографа и способами измерения параметров импульсных сигналов.
2. ОБЪЕКТ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектом изучения является электронный осциллограф и лабораторный стенд ЭС-8А. Электронным осциллографом называется прибор, предназначенный для записи или наблюдения на экране электронно-лучевой трубки изменения электрических сигналов во времени, а также для измерения различных электрических величин (напряжение, ток, частота, сдвиг фаз, параметры импульсов и т. д.). Основными узлами осциллографа являются: электронно-
лучевая трубка (ЭЛТ), каналы вертикального отклонения луча (канал Y1 и Y2) и канал горизонтального отклонения луча (канал Х).
Каналы Y1 и Y2 содержат входное устройство и широкополосный усилитель вертикального отклонения (усилитель Y). Входное устройство включает делитель напряжения, позволяющий регулировать чувствительность канала Y,
и устройство задержки сигнала. На выходе усилителя Y создается напряжение, пропорциональное входному сигналу. Это напряжение вызывает вертикальное отклонение луча.
Канал Х состоит из входного устройства, усилителя канала синхронизации, генератора развертки и усилителя горизонтального отклонения (усилитель Х). Генератор развертки вырабатывает линейноизменяющееся напряжение, ко-
3
торое через усилитель Х поступает на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ.
Линейноизменяющееся напряжение генератора развертки, усиленное усилителем Х, смещает электронный луч по экрану ЭЛТ слева направо посто-
янной скоростью, высвечивая на его экране траекторию. По окончании дей-
ствия напряжения генератора развертки напряжение на горизонтально откло-
няющих пластинах равно нулю и луч возвращается в исходное положение.
При исследовании периодических процессов необходимо синхронизиро-
вать напряжение генератора развертки с исследуемым сигналом, в противном случае на экране ЭЛТ изображение будет неустойчивым, так как в момент окончания исследуемого импульсного сигнала луч не вернется в исходное по-
ложение. Синхронизацию осуществляют короткими импульсами, вырабатыва-
емыми из входного сигнала или подаваемого на вход гнезда «Синхронизация» внешнего сигнала путем ограничения с последующим дифференцированием.
При этом положение синхронизирующих импульсов соответствует прохожде-
нию через нуль входного сигнала и периода линейноизменяющегося напряже-
ния.
Назначение органов управления с указанием исходного положения и обо-
значения на лицевой панели осциллографа С 2-118А приведено в таблице 1.
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
|
|
|
|
|
|
Назначение органов управления |
|
|
Орган управления |
Назначение |
Исходное |
||||||
и его обозначение |
положение |
|||||||
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
2 |
3 |
||
Кнопка «СЕТЬ» |
Подключение прибора к сети |
Не нажата |
||||||
Ручка « |
|
|
или » |
Регулирование фокусировки |
Среднее |
|||
Ручка « » |
Регулирование яркости |
Среднее |
||||||
Гнезда |
|
|
1М |
|
|
Входы каналов Y1 и Y2 |
- |
|
|
|
|||||||
|
|
|
||||||
20рF |
||||||||
|
|
|||||||
4
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Продолжение таблицы1 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
2 |
|
|
3 |
|
|
||||||||
Переключатели |
Установка коэффициента отклонения |
«1» |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
«V/ДЕЛ» |
каналов Y1 и Y2 |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
Ручки «│» |
Смещение луча по вертикали каналов |
Среднее |
||||||||||||||
|
|
|
Y1 и Y2 |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Переключатель |
Установка развертки |
«2» |
|||||||||||||||||
«ВРЕМЯ/ДЕЛ» |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
Ручка «—» |
Смещение луча по горизонтали |
Среднее |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Установка открытого ( и закрытого |
|
|
|
|
|
|
Переключатели |
(~) входов. Режим (~) используется при |
« |
» |
||||||||||||||||
|
|
«~/ |
|
» |
|
необходимости отделения постоянной |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
составляющей сигнала |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Переключение режимов коммутации. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Поочередный режим «→→» использу- |
|
|
|
|
|
|
Переключатель |
ется при коэффициентах развертки ме- |
«→→» |
|||||||||||||||||
|
|
|
«→→/- - -» |
нее 2 мс/деление. Прерывистый режим |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
«- - -» используется при коэффициен- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тах развертки более 2 мс/деление |
|
|
|
|
|
|
Переключатель |
Включение канала Y1 |
Нажат |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
«Y1» |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Переключатель |
Включение канала Y2 |
Не нажат |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
«Y2» |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Переключатель |
Грубое переключение коэффициента |
mS |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
«µS/ mS» |
развертки |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Переключатель |
Переключение полярности запускаю- |
« |
|
|
|
» |
|||||||||||||
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
« |
|
|
|
/ |
|
|
|
» |
щего сигнала |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Переключатель |
Переключение внутренней синхрони- |
«Y1» |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
Y1/Y2 |
зации сигналом Y1 и Y2 |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Переключатель |
Переключение режима синхронизации |
«ВНУТР» |
|||||||||||||||||
«ВНУТР/ВНЕШ» |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
Переключатель |
Переключение режима запуска раз- |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
вертки (ТВ – для телевизионных сиг- |
«НОРМ» |
||||||||||||||||||
|
|
«ТВ/НОРМ» |
|||||||||||||||||
|
|
налов) |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Установка уровня запуска развертки. |
|
|
|
|
|
|
Ручка «УРОВ» |
Обеспечивает устойчивое неподвиж- |
Среднее |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ное изображение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Гнездо |
Подключение сигнала внешней син- |
|
|
|
|
|
|||||||||
« |
|
|
|
СИНХР» или |
|
|
- |
|
|
||||||||||
|
|
|
хронизации |
|
|
|
|
||||||||||||
« |
|
|
|
ЗАПУСК» |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
5
3.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1.Изучить назначение органов управления осциллографа.
Для этого:
а) установить орган управления осциллографа в исходное положение в соответствии с таблицей 1;
б) установить осциллограф к сети с помощью кнопки «СЕТЬ»;
в) подключить измерительные кабели к входным разъемам;
г) с помощью ручек регулировки установить необходимую яркость и фо-
кусировку луча;
д) замкнув между собой информационный и общий провод кабеля канала
Y1, совместить с помощью ручек «│» и «—» луч с горизонтальной осью экрана,
имеющей масштабные деления. Эта операция повторяется по мере необходи-
мости, а также после каждого изменения предела измерения (коэффициента от-
клонения каналов Y). В качестве нулевого значения может быть при необходи-
мости выбрана любая другая горизонтальная ось.
2. Установить на передней панели стенда ЭС-8А сменную панель и за-
крепить двумя невыпадающими винтами.
3. Установить органы управления стенда в следующее положение:
-переключатель формы импульсов «
»;
-переключатель S1 «2» (отключено);
-ручку Ek правое (Ek=max);
-ручку Rk правое (Rk=max);
-ручку RH правое (RH=max);
-переключатель В1 нейтральное (отключено);
-переключатель В2 «2» (отключено).
4.Подключить стенд к сети с помощью тумблера «СЕТЬ».
5.Установить в заданное преподавателем положение ручки «АМПЛИ-
ТУДА» (выходное напряжение генератора), «ДЛИТЕЛЬНОСТЬ» и «ЧАСТО-
ТА».
6
6. Подключить канал Y1 осциллографа к выходу генератора стенда ЭС-
8А.
Для этого информационный провод осциллографа подключить к одному из гнезд «ВЫХ. ГЕН», а общий провод – к одному из гнезд «┴», расположен-
ных в нижней части стенда. Положение переключателей «V/ДЕЛ» и «ВРЕ-
МЯ/ДЕЛ» выбрать таким образом, чтобы на экране помещалось не более двух импульсов и их амплитуда занимала, возможно большую часть экрана.
7. С помощью ручки «УРОВЕНЬ» добиться неподвижного изображения.
При этом должны оставаться нажатыми кнопки «Y1/ Y2» и «ВНУТР/ВНЕШ»,
добиться устойчивого изображения не удается. Результаты объяснить. 8. Подготовить осциллограф к работе в двухканальном режиме.
Для этого:
а) нажать кнопку «Y2», подключающую канал Y2;
б) установить луч второго канала в выбранную область экрана в соответ-
ствии с пунктом 1. При этом положение переключателя «→→/- - -» выбрать с учетом графы «назначение» таблицы;
в) подключить канал Y2 к выходу генератора в соответствии с пунктом 6. 9. Осуществить внешнюю синхронизацию изображения. Для этого, от-
ключив кабель канала Y2, соединить гнездо « 
СИНХР» (в некоторых осцил-
лографах это гнездо обозначено « 
ЗАПУСК») с гнездом «ВЫХ. ГЕН», от-
жать кнопку «ВНУТР/ВНЕШ» и ручкой «УРОВЕНЬ» добиться устойчивого изображения.
10. Восстановить режим внутренней синхронизации по каналу Y1. Канал
Y2 отключить.
11. Зарисовать осциллограммы выходного напряжения генератора при пяти положениях переключателя «ЧАСТОТА». При этом выбирать такое поло-
жение переключателя развертки, чтобы на экране размещалось не более двух импульсов и их амплитуда занимала, возможно, большую часть экрана (Кз - ко-
эффициент заполнения). Осциллограммы привести одну под другой. Оси оциф-
ровать, определив масштабы по положению переключателей «V/ДЕЛ», «ВРЕ-
7
МЯ/ДЕЛ» и кнопки «µS/ mS». Произвести измерение амплитуды, длительности импульса, времени паузы, периода следования импульсов, а также рассчитать частоту, скважность и коэффициент заполнения последовательности импуль-
сов. Результаты измерений занести в таблицу 2.
12. Установить с помощью ручки «ДЛИТЕЛЬНОСТЬ» скважность им-
пульсов близкую к бесконечности, единице и двум. Для этого из значений скважности определить параметры последовательности импульсов и зарисовать по две осциллограммы для нажатой и отжатой кнопки «~/
». Результаты объ-
яснить.
13. Соединительным проводом, входящим в комплект стенда ЭС-8А, со-
единить одно из гнезд «ВЫХ. ГЕН» с гнездом «ВХОД 2» в зоне «КОНТРОЛЬ-
НЫЕ ТОЧКИ».
Таблица 2
Результаты измеренных и вычислительных значений
|
|
|
Измерено |
|
|
|
|
Вычислено |
|
|||
Амплитуда |
Длительность |
Время пау- |
Период |
Частота |
g |
|
Кз |
|||||
импульса |
|
зы |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
дел |
в |
дел |
с |
дел |
|
с |
дел |
с |
Гц |
- |
|
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
14. Установить переключатель «ЧАСТОТА» в положение 5. Подключить осциллограф к гнезду 2 и зарисовать полученную осциллограмму. Определить параметры импульса: амплитуду, длительность импульса, время паузы, период,
длительность фронта, время спада, выбирая для этого необходимый масштаб времени. При определении длительности фронта и спада (среза) использовать кнопку «
/ 
». Объяснить ее значение.
8
4.ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ И ИХ АНАЛИЗ
1.По результатам измерений вычислить и записать в таблицу 2 парамет-
ры последовательности импульсов: |
|
|
|
|||||
- скважность g = |
T |
; |
|
|
|
|
(1.1) |
|
|
|
|
|
|
||||
|
tu |
|
|
|
|
|
||
- коэффициент использования γ = |
tu |
; |
(1.2) |
|||||
T |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
- частоту следования f = |
1 |
, |
|
|
(1.3) |
|||
|
|
|
||||||
|
|
|
Т |
|
|
|
||
где Т – период следования импульсов, tu – длительность импульса.
2. Осциллограммы рисовать с указанием оцифрованных осей координат.
Измерение и рассчитанные параметры импульсов указать на каждой осцилло-
грамме.
3. Объяснить результаты измерений и дать критическую оценку всей проделанной работе.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.В чем заключается синхронизация исследуемого сигнала и напряжения генератора развертки?
2.Объясните назначение основных органов управления осциллографа.
3.Что такое скважность последовательности импульсов?
4.Что такое коэффициент заполнения последовательности импульсов?
5.Как определяется длительность фронта и время спада (среза)?
6.Как определяется длительность импульса?
7.Что такое спад вершин?
8.В чем заключается основные преимущества импульсного режима рабо-
ты перед непрерывным?
9. Какими основными параметрами характеризуются реальные импуль-
сы?
9
10.Что такое ограничитель?
11.Какие спектры называют амплитудными?
12.Какие существуют формы видеоимпульсов?
13.Какими основными параметрами определяется качество электронного
ключа?
14.Как определяется коэффициент использования?
15.Какие существуют основные формы радиоимпульсов?
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Александров, К.К. Основы промышленной электроники [Текст]/ К.К.
Александров, А.Н. Зубретских, В.Б. Сухоруков. – М.: Высш. шк., 2007. – 436 с. 2. Кириленко, М.И. Элементы информационных систем [Текст]/ М.И. Ки-
риленко. – М.: Высш. шк., 2008. – 421 с.
3. Лапутин, Е.Ф. Промышленная электроника [Текст]/Е. Ф. Лапутин. –
М.: Высш. шк., 2008. – 396 с.
10