Электроника_Лаба
.pdfМИНОБРНАУКИ РОССИИ
_____________
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»
ЭЛЕКТРОНИКА
Методические указания к лабораторным работам
Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
2012
УДК 621.396
Электроника: Методические указания к лабораторным работам / сост.: В. А. Виноградов, А. А. Погодин. СПб.: Изд-во «ЛЭТИ», 2012. 66 с.
Содержат описания лабораторных работ, предназначенных для закрепления теоретических сведений, полученных при изучении аналоговых схем на операционных усилителях и транзисторах.
Предназначены для подготовки бакалавров по направлениям 140400 «Электроэнергетика и электротехника» и 220400 «Управление в технических системах», изучающих курс «Электроника».
Утверждено редакционно-издательским советом университета
в качестве методических указаний
© СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012
2
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОННЫХ ЦЕПЕЙ
В процессе выполнения лабораторных работ по дисциплине «Электроника» студенты измеряют основные параметры и характеристики электронных цепей (схем). Несмотря на существенные различия в построении и назначении схем, наборы измеряемых параметров для этих цепей отличаются незначительно. В данном разделе приведены методики измерения тех параметров и характеристик, которые необходимо измерять при выполнении нескольких лабораторных работ.
1. Амплитудная характеристика (АХ) – зависимость напряжения на вы-
ходе (Uвыx) схемы от напряжения на ее входе (Uвx). АХ измеряют на одной частоте, поэтому на вход цепи подают гармонический сигнал частотой (f), как правило, лежащей в полосе пропускания (усиления) схемы. Методику измерения АХ поясняет рис. М.1: источником сигнала является генератор (Г); поскольку часто генератор не содержит измерительного прибора, позволяющего точно контролировать уровень напряжения на его выходных клеммах, то к
этим клеммам подключают вольтметр В1.
Рис. М.1
С точки зрения исследуемой схемы выходное напряжение генератора, измеряемое вольтметром В1, является входным (Uвx). К выходу схемы под-
ключают вольтметр В2, регистрирующий Uвыx, а также электронный осциллограф (ЭО). Назначение осциллографа – демонстрировать форму сигнала на выходе схемы: нарушение линейной зависимости АХ сопровождается появлением нелинейных искажений выходного сигнала, т. е. отклонением его от
гармонической формы. В процессе измерений необходимо изменять Uвx при поддержании постоянства f.
2.Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) KU = KU(f), где KU =
=| Uвыx/Uвx|. – коэффициент передачи схемы по напряжению. Для измере-
3
ния АЧХ применяют ту же схему (рис М.1), которая используется для измерения АХ.
Однако теперь фиксируют Uвx (на уровне, при котором в выходном сигнале отсутствуют нелинейные искажения), а частоту изменяют. В процессе измерений удается зарегистрировать не коэффициент передачи, а лишь
Uвыx, поэтому в дальнейшем следует обработать полученные данные. При построении графика АЧХ рекомендуется для большей наглядности частоту откладывать по оси абсцисс в логарифмическом масштабе: при этом любому десятикратному увеличению f соответствует отрезок фиксированной длины. Например, расстояние между отметками 10 и 100 Гц на оси выбрано равным 1 см; между отметками 100 Гц и 1 кГц следует также отложить 1 см, между 1 и 10 кГц такой же отрезок, и т. д.
3. Фазочастотная характеристика (ФЧХ) (f), где – сдвиг фаз, который приобретает гармонический сигнал при прохождении через схему. Наиболее распространенный метод измерения ФЧХ – с использованием осциллографа, на экране которого получают фигуру Лиссажу. Методику измерений поясняет рис. М.2.
Рис. М.2
Сигнал с выхода схемы, как правило, подают на вход Υ осциллографа, а входной – на вход Х. Поскольку сигналы имеют различные амплитуды, то надо обеспечить равенство их графических изображений («вписать фигуру Лиссажу в квадрат»). Регулировать размер изображения сигнала можно только по входу Υ. После получения на экране фигуры, имеющей в общем виде форму эллипса, необходимо измерить ее размеры и рассчитать сдвиг фаз по формуле, приведенной на рис. М.3. Поскольку амплитуда выходного сигнала может меняться в зависимости от частоты, необходимо при переходе от одного значения f к другому заново обеспечивать равенство горизонтального и вертикального размеров
4
фигуры Лиссажу – в противном случае при измерении фазы будет иметь место ошибка.
4. Входное сопротивление (Rвx) схемы – отношение входного напряжения к входному току. Методику измерений поясняет рис. М.4.
Между генератором и входом исследуемой схемы включают магазин сопротивлений (МС). Применяемые в учебной лаборатории МС обеспечивают удовлетворительную точность измерений при частотах сигнала не более 3 кГц. Первона-
Рис. М.4
чально устанавливают нулевое сопротивление магазина (Rм) и при этом фиксируют напряжение на вольтметре (оно равно напряжению на выходе генератора). Затем сопротивление магазина плавно увеличивают до тех пор, пока напряжение не снизится вдвое. Это означает, что магазин и входное сопротивление образовали делитель из двух равных сопротивлений, т. е. входное сопротивление схемы равно сопротивлению магазина.
5. Выходное сопротивление схемы (Rвыx) – отношение выходного напряжения к выходному току. Методику измерений поясняет рис. М.5.
Рис. М.5
5
В начале измерений устанавливают максимально возможное сопротивле-
ние магазина, при этом магазин и вольтметр В2 соединяют параллельно и фиксируют показания вольтметра. Постепенно уменьшая сопротивление магазина, добиваются снижения напряжения, регистрируемого вольтметром, вдвое: при этом
Rм равно Rвыx исследуемой схемы.
Внимание! Подключение магазина с малым сопротивлением может привести к выходу из строя как макета, так и магазина сопротивлений.
Лабораторная работа № 1
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩИХ И ИНТЕГРИРУЮЩИХ ЦЕПЕЙ
Целью работы является практическое ознакомление с пассивными и активными дифференцирующими и интегрирующими цепями – как со схемами, преобразующими форму импульсных сигналов, так и как с фильтрами.
Основные положения. Схема пассивной дифференцирующей цепи (ДЦ) приведена на рис. 1.1. Если на вход ДЦ подать видеоимпульс прямоугольной формы, например, положительной полярности (амплитудой U0 и
длительностью τи), то конденсатор будет заряжаться, заряд тока пойдет через резистор R, создавая на нем падение напряжения UR. Поскольку R включено параллельно выходным зажимам, то падение напряжения UR является одновре-
менно выходным сигналом ДЦ (Uвыx). Напряжение UC возрастает по экспоненциальному закону, при этом принято считать, что заряд завершается за время, равное 3τ, где τ = RC – постоянная времени цепи. В первый момент значение выходного сигнала равно U0, так как конденсатор еще не успевает зарядиться и все напряжение приложено к сопротивлению.
После окончания входного импульса (начиная с момента τи) конденсатор разряжается. Ток разряда (большой вначале) постепенно убывает. Поскольку разрядный ток течет в противоположном направлении (по сравне-
6
нию с зарядным), то он создает на R, а значит на выходе схемы, так называемый обратный выброс – импульс полярности, противоположной знаку входного сигнала. Обратный выброс представляет опасность для некоторых видов нагрузки, и тогда его устраняют с помощью диодного ограничителя.
Процессы в ДЦ иллюстрируют диаграммы напряжений (рис. 1.2). Возможны два варианта:
1) конденсатор успевает полностью зарядиться до окончания входного
импульса, т. е. 3τ < τи; в этом случае выходной сигнал представляет собой пару коротких импульсов, сдвинутых друг относительно друга, имеющих одинаковые амплитуды и противоположную полярность (рис. 1.2, а);
2) конденсатор не успевает полностью зарядиться (3τ > τи), поэтому
разряд начинается не с −U0, а с уровня −UCmax, инверсного достигнутому
при заряде; обратный выброс имеет амплитуду −UCmax меньшую, чем входной сигнал (рис. 1.2, б).
Рис. 1.2
7
Из этих вариантов процедуре дифференцирования соответствует только первый, так как в этом случае преобразование формы сигнала цепью похоже на математический результат получения производной. Степень соответствия выходного сигнала ДЦ идеальному дифференцированию оценивают с помощью параметра, называемого ошибкой (погрешностью, %) дифферен-
цирования: εд = (3τ /τи)∙100.
Пассивная ДЦ при подаче на ее вход гармонического сигнала выполняет функции, отличные от преобразования формы сигнала. Емкости C соот-
ветствует сопротивление XC = 1/(2πfC), убывающее с ростом частоты. R и XC образуют делитель из двух сопротивлений, коэффициент деления которого имеет вид R/(R − jXC). Коэффициент деления делителя совпадает с коэффи-
циентом передачи схемы КU.. При f = 0 XC → ∞, поэтому коэффициент передачи делителя равен 0, иначе говоря, сигнал со входа схемы на ее выход не проходит. При f → ∞ XC = 0, конденсатор пропускает сигнал со входа на вы-
ход без потерь и КU = 1. ДЦ является фильтром высоких частот. Интегрирование в математическом плане является операцией, обратной
дифференцированию. Реализующая функцию интегрирования пассивная цепь (интегрирующая цепь (ИЦ), рис. 1.3) очень похожа на ДЦ, однако эле-
менты R и C в схемах ДЦ и ИЦ переставлены местами. В ИЦ Uвыx = UC. При подаче на вход ИЦ видеоимпульса прямоугольной формы положительной полярности, имеющего амплитуду U0 и
длительность τи, конденсатор будет заряжаться, зарядный ток потечет через сопротивление R. После окончания входно-
го импульса (начиная с момента τи) конденсатор разряжается. Таким образом, процессы в пассивных ДЦ и ИЦ полностью совпадают. Различие заключается
лишь в том, на каком элементе схемы напряжение является выходным. Преобразование импульсов интегрирующей цепью иллюстрируют диаграммы
напряжений рис. 1.4 (а – случай τи > 3RC; б – τи < 3RC).
8
Для обеспечения высокого качества интегрирования необходимо заряжать конденсатор как можно медленнее, так как только начальный участок экспоненты близок к линейной функции (интегралом от постоянной величины является линейная функция).
Ошибка интегрирования [%] определяется как εи = (τи /3τ)100. Эта
формула является обратной по отношению к выражению для εд. К сожалению, улучшение качества интегрирования в пассивной ИЦ сопровождается снижением амплитуды Uвыx, и при очень малых εи сигнал может быть утрачен.
Пассивная ИЦ при подаче на ее вход гармонического сигнала выполняет функции фильтра низких частот (ФНЧ). Как и в ДЦ, резистор R и XC образуют делитель из двух сопротивлений, но в ИЦ коэффициент деления равен (−jXC)/(R − jXC). При f = 0 XC → ∞, поэтому коэффициент передачи делителя равен 1, при f → ∞ XC = 0, конденсатор шунтирует выход схемы и КU = 0.
Схемы активных дифференцирующей и интегрирующей цепей на базе операционного усилителя приведены, соответственно, на рис. 1.5, а и б. В общем виде передаточная характеристика таких цепей в диапазоне рабочих частот ОУ может быть описана соотношением
K(jf) = −Zо.с(jf)/Zвх(jf),
9
где Zо.с и Zвх – комплексные сопротивления цепи обратной связи и входной цепи соответственно. Формула является приближенной, так как не учитывает тот факт, что коэффициент усиления ОУ имеет хотя и огромное, но все же конечное значение.
а |
б |
Рис.1.5
В цепи на рис. 1.5, а Zо.с(jf) = R, а Zвх(jf) = 1/j2πfС, т. е. K(jf) = j2πfСR,
цепь является фильтром высоких частот, а с точки зрения преобразования формы сигнала – дифференцирующей. Аналогично, цепь рис. 1.5, б имеет передаточную характеристику K(jf) = 1/j2πfСR, т. е. является фильтром низких частот, а значит, интегрирующей цепью. Достоинствами активных дифференцирующих и интегрирующих цепей по сравнению с пассивными являются большая точность выполнения соответствующих математических функций, а также возможность одновременно усиливать сигнал и преобразовывать его форму.
Описание лабораторной установки. В состав лабораторной установ-
ки входят лабораторный макет, генератор (формирующий гармонические сигналы, а также последовательности прямоугольных импульсов типа меандра), два вольтметра переменного напряжения и осциллограф. Галетный переключатель позволяет поочередно исследовать различные дифференцирующие и интегрирующие цепи; параметры цепей можно изменять с помощью коммутаций элементов R и С на лицевой панели макета.
Порядок выполнения работы:
1.Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет.
2.Исследовать пассивные и активные дифференцирующие и интегрирующие цепи как фильтры:
а) измерить амплитудно-частотные характеристики цепей в диапазоне частот (f) 10 Гц…1 МГц. Параметры цепей (значения R и С) устанавливать по указанию преподавателя;
10