102

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до практичних занять з дисципліни

«Основи електротехніки і електроніки»

для студентів денної форми навчання, напряму підготовки

«Комп’ютерні науки»

ЗАТВЕРДЖЕНО

На засіданні учбово-методичної Ради

університету

протокол № від 2008 р.

Київ 2008

Методичні вказівки до практичних занять з дисципліни «Основи електротехніки і електроніки». Для студентів денної форми навчання, напряму підготовки «Комп’ютерні науки». Укл. Кривенко В.І. – К.: Вид-во Київського національного університету культури і мистецтв, 2008. – 84 с.

Методичні вказівки укладено відповідно до програми курсу дисципліни «Основи електротехніки і електроніки» для студентів денної форми навчання, напряму підготовки «Комп’ютерні науки» за індивідуальними планами навчання фахового спрямування «Програмне забезпечення автоматизованих систем». В них подані матеріали, що сприяють засвоєнню теоретичних знань та набуттю практичних навичок у студентів неелектричних спеціальностей в роботі з електротехнічними приладами і пристроями в межах системи схемотехнічного моделювання електричних схем Electronics Workbench. Методичні вказівки охоплюють всі теми практичних занять, які засвоюються в курсі зазначеної дисципліни. Конкретний перелік тем визначається безпосередньо викладачем відповідно робочої програми і часовому ресурсу. Теми практичних занять, які не увійшли до такого переліку, студенти можуть розглянути самостійно з метою поглибленого вивчення відповідних змістових модулів робочої програми.

Зміст

Зміст 3

Витяг із робочої програми до навчальної дисципліни «Основи електротехніки і електроніки» 13

Передмова 15

Короткий опис Electronics Workbench 17

Елементи графічного інтерфейсу 17

Мультиметр 27

Встановлення параметрів мультиметра 27

Настройки мультиметра 28

Режим вимірювання змінних сигналів 28

Режим вимірювання постійних сигналів 28

Вимірювання струму 28

Для використання мультиметра як амперметр натиснути мишкою кнопку «A» на зображені його передньої панелі. Потім включити амперметр в розрив лінії з’єднання, в якій вимірюється величина струму. Якщо необхідно заміряти струм в іншій лінії, мультиметр належить перемкнути в розрив цієї лінії, і включити схему знову. Внутрішній опір амперметра дуже малий (1 нОм), але його можете змінити використовуючи кнопку Settings (Настройки) на мультиметрі. 29

Зауваження: якщо необхідно одночасно виміряти струм в багатьох лініях схеми, зручнішим є використання амперметрів з палітри індикаторів. 29

Вимірювання напруги 29

Для використання мультиметра як вольтметр натиснути мишкою кнопку «V» на зображені його передньої панелі. Потім підключити виводи вольтметра до з’єднувачів паралельно навантаженню, на якому вимірюється величина напруги. Внутрішній опір вольтметра дуже великий (1 Мом), але його можете змінити використовуючи кнопку Settings (Настройки) на мультиметрі. Після включення схеми виводи мультиметра можуть бути перемкнуті для вимірювання напруги до інших точок схеми. 29

Зауваження: якщо необхідно одночасно виміряти напругу в багатьох точках схеми, зручнішим є використання вольтметрів з палітри індикаторів. 29

Вимірювання опору 29

Генератор 30

Форма сигналу 30

Обрати форму вихідного сигналу можна натисканням мишкою кнопки на функціональному генераторі, відповідну бажаній формі вихідного сигналу (синусоїдальний, трикутний або прямокутний). Можна змінювати форму трикутного і прямокутного сигналів зміною тривалості імпульсів. 30

Частота (FREQUENCY) 30

Скважність (DUTY CYCLE) 30

Амплітуда (AMPLITUDE) 30

Установка амплітуди управляє напругою сигналу, вимірюваного на сталому максимальному рівні. Якщо сигнал знімається з виводу «COM» і з виводу «+» або «–», вимірюваний сигнал (максимальний розмах) рівний подвійній встановленій амплітуді. Якщо вихідний сигнал знімається з виводів «+» і «–», максимальний розмах сигналу буде в чотири рази більше встановленого значення амплітуди. Відзначимо, що амплітуда визначає максимальне значення сигналу, тоді як інші джерела встановлюють середньоквадратичне значення (RMS) вихідного сигналу. 30

Вивід «COM» 31

Вивід генератора «COM» призначений для створення відносного рівня сигналу. Для отримання нульового рівня необхідно з’єднати вивід «COM» із заземленням. 31

Вивід «+» 31

З позитивного виводу генератора знімається сигнал з позитивною щодо нейтрального виводу «COM» амплітудою. 31

Вивід «–» 31

З негативного виводу генератора знімається сигнал з негативною щодо нейтрального виводу «COM» амплітудою. 31

32

Осцилограф має два входи, канал A і канал B, що дозволяє одночасно спостерігати за двома різними сигналами. Можна використовувати осцилограф для отримання графічного зображення сигналу в часі, або для порівняння форми двох сигналів. 32

Можна змінювати параметри осцилографа під час роботи схеми. Якщо моделювання залишається коректним, можна перемикати виводи осцилографа до інших точок схеми. У обох випадках осцилограф перемальовує зображення автоматично. Якщо потрібний час для аналізу форм сигналу на осцилографі належить встановити прапорець на команді Pause after each screen (Зупинка після кожного екрану) в діалоговому вікні Analysis Options (Параметри аналізу). 32

Зауваження: Якщо сигнал на осцилографі не зображується, можна спробувати перемкнути тригер в режим Auto (Автоматичний). 32

Осі осцилографа можуть бути перемкнуті із режиму відображення амплітуди від часу (Y/T) в режим відображення залежності амплітуди одного з каналів від амплітуди іншого (A/B або B/A). У режимі Y/T вісь X відображає час, а вісь Y – кількість вольт на поділку. У режимах A/B і B/A обидві осі показують кількість вольт на поділку. Наприклад, якщо досліджується залежність сигналу на вході каналу A від сигналу на вході каналу B (A/B), шкала осі X визначається кількістю вольт на поділку (V/Div.), встановленим для каналу B, і навпаки. 32

Установка вольт/поділку (V/Div.) 33

Установка позиції осі Y 34

Установка позиції осі Y (Y POS) визначає початкову точку на осі Y. Коли позиція осі Y = 0, початкова точка знаходиться на осі X. Значення позиції осі Y може змінюватися від –3,00 до 3,00. Значення 1,50, наприклад, переміщає початкову точку на середину між віссю X і верхньою межею екрану осцилографа. Якщо бажано відокремити один від одного форми сигналу каналів A і B для порівняння або детального розгляду їх, доцільно встановити значення Y POS для одного або обох каналів. 34

Кнопки AC, 0 або DC 34

Є можливість вказати різне сполучення осцилографа по входу кожного каналу використовуючи кнопки AC, 0 або DC (закритий вхід, вимкнений, відкритий вхід). Для перегляду тільки змінної складової сигналу вхід перемикається в закритий режим (кнопка AC). Для перегляду повного сигналу (і змінної, і постійної складової) вхід перемикається у відкритий режим (кнопка DC). Установка 0 призводить до відображення прямої лінії на рівні початкової точки каналу Y (Y POS). 34

Зауваження: не слід включати послідовно з вимірювальними входами осцилографа розділові конденсатори. Осцилограф не зможе прослідкувати шлях струму, і аналіз покаже неправильне включення конденсатора. Натомість слід використовувати закритий режим входів. 34

Замикання 34

Установка клямки (trigger) визначає коли сигнал відображатиметься. Якщо сигнал на екрані не відображується, можна спробувати встановити клямку в автоматичний режим (Auto). 34

Клавіші установки меж визначають чи починатиметься відображення сигналу по передньому фронту імпульсу або по його задньому фронту. 34

Рівень спрацьовування клямки – це точка на осі Y осцилографа, яку повинен перетнути сигнал клямки для початку відображення основних сигналів. 34

Заземлення 35

Точка відліку для осцилографа в звичайному режимі приєднана до заземлення (загальному дроту схеми). 35

Тому немає необхідності заземляти осцилограф для отримання точних результатів. Проте, коли використовуєтеся осцилограф, сама схема повинна бути заземлена. 35

Зауваження: якщо необхідно використовувати точку відліку відмінну від землі (загального дроту схеми), джерело (або інші елементи) приєднується до виводу заземлення осцилографа. 35

Отримання результатів 37

Щоб отримати графік необхідно включити схему. Переміщуючи вказівники графічного пристрою можна отримати точні значення частоти і амплітуди або фази в будь-якій точці графіка. 37

Існує два способи переміщення вказівників: 37

натискати мишкою стрілки на панелі під екраном графічного пристрою; 37

перетягувати мишкою вказівник в необхідну точку графіка. 37

Значення в точці перетину покажчика і графіка розташовується в правому нижньому кутку графічного пристрою. 37

Інші прилади, які в лабораторних роботах у курсах зазначених дисциплін не використовуватимуться 37

Прийоми роботи в Electronics Workbench 38

Палітри элементов 38

Збірка і тестування схеми 38

З’єднання елементів схеми 39

Точки контролю 40

Точки контролю створюються на тих лініях з’єднання, на яких планується вимірювати сигнал. 40

Є два способи для створення точки контролю: 40

1. Встановите з’єднувач з палітри елементів на лінію з’єднання. Потім приєднати вимірювальні прилади до контрольної точки. 40

2. Протягнути лінію з’єднання від виводу елементу або з’єднувача до перетину з іншою лінією сполучення. Коли з’явиться невеликий кружок в точці перетину відпустити кнопку мишки. З’єднувач буде автоматично включений в лінію з’єднання. 40

Якщо були додані елементи схеми після того, як схема була змодельована, або якщо були змінені електронні властивості схеми, слід активізувати її знову для отримання достовірних результатів. 40

Використання вимірювальних приладів 40

Включення схеми 40

Коли схема зібрана, належить її включити для перевірки роботи і виконання заданого дослідження. 40

Для включення схеми натискається за допомогою мишки перемикач живлення в правому верхньому кутку екрану. Також можна включити схему вибравши рядок Activate (Включити) із пункту меню Circuit (Схема). 40

Коли моделювання закінчиться перемикач живлення автоматично вимкнеться і результати вимірювання будуть зафіксовані на приєднаних вимірювальних приладах. 40

Для зупинки роботи схеми слід перевести за допомогою мишки перемикач живлення в положення вимкнено, або активізувати команду Stop (Вимкнути), або активізувати команду Pause (Призупинити) з пункту меню Circuit (Схема). 40

Моделювання схеми 41

Коли включається схема, EWB моделює її роботу шляхом обчислення в контрольних точках значень струмів, напруг, виходячи з установок в діалоговому вікні Analysis Options (Параметри аналізу) при заданих параметрах кола. Вирахувані значення відображаються на приладах, приєднаних до схеми. 41

Після завершення моделювання можна підстроїти установки приладів або перемкнути мультиметр, вольтметр, осцилограф або логічний аналізатор до іншої контрольної точки. Якщо були змінені електронні характеристики схеми (наприклад, вилучені деякі елементи або змінені їх значення або моделі), якщо амперметр, або графічний пристрій, або інший прилад був перемкнутий, необхідно знову включити схему. 41

Рекомендації 41

Приклади схем 41

Гарячі клавіші 41

Використання миші і клавіатури 42

Збирається і тестується схема за допомогою мишки. При цьому можна: 42

Переміщати елементи схеми і прилади по екрану. 42

Виділяти або вибирати елементи схеми, кнопки і інші об’єкти вказівкою на них мишкою і натисканням її лівої кнопки. 42

Виділяти кілька об’єктів одночасно. 42

Швидко відкривати вікно властивостей об’єктів подвійним натисканням лівої кнопки миші на зображенні об’єкту. 42

Використовувати клавіатуру іноді необхідно для введення тексту або для натискання «гарячих» клавіш. 42

Про кнопки мишки 42

Більшість необхідних дій здійснюються за допомогою лівої кнопки мишки. Використовувати праву кнопку може знадобитися тільки в одному випадку – при виділенні додаткових елементів або приладів. Середня кнопка мишки не використовується. 42

Вказівник мишки і натискання кнопок мишки 42

Коли мишку переміщати по деякій поверхні, вказівник мишки переміщається в тому ж напрямі по екрану комп’ютера. Форма вказівника міняється для підказки можливих дій. Наприклад, коли встановлюється вказівник на елемент, то він (вказівник) приймає вид руки, показуючи цим, що можна переміщати цей елемент. Коли комп’ютер обробляє інформацію, вказівник приймає вид пісочного годинника. 42

Подвійне натискання 43

Подвійне натиснення передбачає, що необхідно вказати мишкою на деякий об’єкт і двічі швидко натиснути на ліву кнопку мишки. 43

Подвійне натискання прискорює роботу при: 43

Установці значення або моделі елементу. (Для елементів, що не мають значень, або моделей можна встановити мітку.) 43

Збільшити інструмент або іконку підсхеми. 43

Встановити колір лінії з’єднання. 43

Виділяти і вибирати елементи і прилади. 43

Терміни «виділяти» і «вибирати» обидва означають, що належить поставити вказівник мишки на об’єкт і натиснути ліву кнопку мишки. 43

«Виділення» має на увазі натискання на об’єкті лівої кнопки мишки, після чого він виділиться кольором і можна буде проводити з ним певні дії. Наприклад, щоб встановити мітку на елементі, він виділяється і потім вибирається команда Label (Мітка) з меню Circuit (Схема). 43

«Вибір» означає натискання лівої кнопки миші на об’єкті для виконання певної дії. Наприклад, при виборі команди з меню. 43

Підказка: Натиснення клавіші Alt блокує виводи елементів і робить виділення більш легким. 43

Виділення кількох об'єктів 43

Існує два способи для виділення кількох елементів схеми або іконок приладів. 43

Після виділення першого об’єкту натисканням лівої кнопки миші, виділяються додаткові об’єкти натисканням правої кнопки мишки. 43

Встановити вказівник мишки трохи лівіше і вище за найлівіший і верхній об’єкт в групі, натиснути ліву кнопку мишки і, не відпускаючи її, перемістити вказівник по діагоналі вниз. Під час переміщення на екрані буде видний прямокутник. Коли прямокутник перекриє всі об’єкти для виділення, слід відпустите кнопку мишки. 43

Виділення відразу декількох об’єктів прискорює такі операції як копіювання, обертання і створення підсхем. 43

Перетягування 43

Щоб перемістити (перетягнути) об’єкт, слід поставити на нього вказівник мишки, натисніть її ліву кнопку і, не відпускаючи її, пересувати мишку. Коли об’єкт опиниться в потрібному місці, відпустите кнопку мишки. 43

Щоб перетягнути групу виділених об’єктів в робочому просторі, слід встановити вказівник на один з них, натиснути ліву кнопку мишки і, не відпускаючи її, перемістите об’єкти в потрібне місце робочого простору. 44

Підказка: Також можна переміщати виділені об’єкти натисканням клавіш управління курсором. 44

Прокрутка (скролінг) робочого простору 44

Залежно від роздільної здатності екрану, робочий простір може бути в чотири рази більше, ніж вікно, в якому воно відображається. 44

Щоб побачити решту частини робочого простору, слід поставити в вказівник мишки на бігунок лінійки прокрутки (скролінгу) і переміщувати його. При цьому видима область робочого простору у вікні також переміщуватиметься. 44

Перетягування лінії з’єднання або більш ніж одного елементу або іконки приладу за межі видимості робочого простору також призводить до його скролінгу. (Проте, переміщення елементу назад в палітру елементів або приладу на палітру вимірювальних приладів просто вилучає його з робочого простору.) 44

Використання вікон 44

Робочий простір, прилади, підсхеми, область обміну, вікно опису і, нарешті, довідкова інформація розміщені з вікнах. 44

Не всі вікна однакові, але вони мають багато загального. Щоб пересунути вікно можна перетягнете його за заголовок. 44

Щоб закрити вікно слід двічі натиснути на іконці управління в його верхньому лівому кутку. 44

Щоб змінити розміри вікна можна пересунути його сторони або кути. (У вікон довідки може бути змінена тільки висота.) 44

Щоб перегорнути вікно слід перетягнути бігунок скролінгу на його правій стороні. Щоб активізувати вікно можна клацнути лівою кнопкою мишки на будь-якій його видимій на екрані частині. Можна перемістити вікно на перший план (поверх решти вікон) натисканням лівої кнопки миші на його заголовку. Всі ці операції можна зробити за допомогою команд меню Window (Вікно). 44

Випрямляння ліній з’єднань 44

Якщо сполучна лінія проходить не рівно або кругами існує декілька способів її випрямити. Вибір способу залежить від конкретної проблеми. 44

Якщо елементи розташовуються не на одній лінії слід виділити один з них і за допомогою клавіш управління курсором встановите їх на одну лінію. 44

Якщо лінія сполучення проходить по якому-небудь елементу схеми можна також переміщати елементи або перетягнути лінію з’єднання. 44

Іноді обертання елементу призводить до найбільш акуратного з’єднання. 45

Набір тексту 45

Вилучення з’єднання 45

Щоб вилучити лінію, що сполучає виводи елементів, слід поставити вказівник мишки на один з цих виводів (він виділиться), натиснути ліву кнопку мишки, перетягнути лінію на вільне місце в робочому просторі і відпустити кнопку миші. 45

Підказка: Якщо вилучається елемент схеми або вимірювальний прилад перетягуванням його назад в палітру елементів або приладів, всі лінії з’єднання, які підходили до нього, будуть вилучені автоматично. 45

Приєднання приладів до схеми 45

Для приєднання приладу до схеми, слід поставити вказівник на вивід приладу, він виділиться кольором. Потім натиснути ліву кнопку мишки і, не відпускаючи її, переміщати вказівник в точку схеми, до якої приєднується цей вивід (Контрольну точку). Відпустити кнопку миші. 45

Також можна встановлювати з’єднання в зворотному порядку – від виводів елементів схеми до виводу приладу. 45

Зміна положення приладів 45

Коли збільшується іконка приладу, прилад відображається у вікні. Щоб змінити його положення, можна перетягнути його за заголовок вікна. 45

Якщо прилад прихований, можна перемістити його на передній план натисканням лівої кнопки мишки на його заголовку. 45

Щоб закрити вікно приладу, слід двічі натиснути іконку меню управління в його верхньому лівому кутку. Для вилучення приладу із схеми слід перетягнути його назад на палітру приладів. 45

Використання буфера обміну для перенесення зображення схем 45

Можна використовувати буфер обміну для перенесення зображення схем з EWB в інші програми-додатки, що сприймають графічні зображення в BMP форматі. 46

Щоб списати в буфер вміст вікна EWB, слід натиснути клавіші ALT+PRINT SCREEN. (Якщо вікно EWB збільшене на весь екран, просто натисніть PRINT SCREEN.) Зображення вікна EWB у форматі BMP буде поміщено в буфер обміну. Можна вставити його безпосередньо в інші додатки, або використовуючи команду Clipboard Viewers Save (Зберегти вміст буфера обміну) зберегти його у файлі для подальшої обробки. 46

Повідомлення про помилки 46

Якщо схема некоректно зібрана або заземлена, то її робота не може бути промодельована. При цьому з’явиться повідомлення про помилку, яке може допомогти виявити джерело проблеми. Належить перевірити схему і усунути помилку, і потім знову її включите. Опис повідомлень про помилки і способів їх усунення знаходиться в книзі Electronics Workbench Product Support (Підтримка продукту Electronic Workbench). 46

Практичне заняття № 1 47

Тема: Ознайомлення з інтерфейсом та основними можливостями віртуальної електронної лабораторії – програмним комплексом Electronics WorkBench. 47

Практичне заняття № 2 52

Тема: Дослідження основних властивостей електричних кіл постійного струму. 52

Практичне заняття № 3 59

Тема: Дослідження простих і складних електричних кіл. 59

Практичне заняття № 4 67

Тема: Дослідження перехідних процесів у електричних колах постійного струму. 67

Практичне заняття № 5 71

Тема: Дослідження нерозгалужених електричних кіл змінного струму із активним і реактивним опорами. 71

Практичне заняття № 6 75

Тема: Ознайомлення з методами та обладнанням для дослідження амплітудно-частотних та фазово-частотних характеристик електричних кіл. 75

Практичне заняття № 7 79

Тема: Дослідження резонансних явищ в електричному RLC-колі змінного струму. 79

Практичне заняття № 8 83

Тема: Дослідження трифазних систем змінного струму. 83

Практичне заняття № 9 87

Тема: Дослідження діодних випрямлячів змінного струму. 87

Практичне заняття № 10 91

Тема: Дослідження роботи транзисторів у статичному і динамічному режимах. 91

Практичне заняття № 11 96

Тема: Дослідження роботи підсилювачів змінного струму. 96

Додаток А. 101

Зразок титульного листка у збірнику звітів до практичних занять 101

Витяг із робочої програми до навчальної дисципліни «Основи електротехніки і електроніки» тематичний план для студентів денної форми навчання

№ ЗМ	Тема змістового модулю (ЗМ)	Всього	Види занять і розподіл годин				Форми контролю
			Лекц.	Практ.	Мод. к/р	СРС
Семестр 2 (3). Модуль 2.1. Електричні кола постійного струму
2.1.1	Елементи і режими роботи електричних кіл.	16	4	4		8	Вибіркове опитування. Захист практичної роботи
2.1.2	Розрахунок електричних кіл постійного струму. Електромагнетизм.	16	4	4		8	Вибіркове опитування. Перевірка конспектів СРС. Захист практичних робіт
	Модульний контроль № 1	2			2		Захист розрахункової роботи
Всього за модуль 2.1		34	8	8	2	16
Семестр 2 (3). Модуль 2.2. Електричні кола змінного струму
2.2.1	Однофазні системи змінного струму.	18	4	6		8	Вибіркове опитування. Захист практичних робіт
2.2.2	Трифазні системи. Електромагнітні пристрої.	14	4	2		8	Вибіркове опитування. Захист практичної роботи
	Модульний контроль № 2	2			2		Захист розрахункової роботи
Всього за модуль 2.2		34	8	8	2	16
Семестр 2 (3). Модуль 2.3. Напівпровідникові електронні прилади та пристрої
2.3.1	Електричні властивості напівпровідників. Різновиди діодів та транзисторів	11	4			8	Вибіркове опитування. Перевірка конспектів СРС.
2.3.2	Випрямлячі змінного струму	11	2	2		8	Вибіркове опитування. Захист практичної роботи
2.3.3	Транзисторні підсилювачі і генератори електричних сигналів	14	2	4		8	Вибіркове опитування. Захист практичних робіт
	Модульний контроль № 3	2			2		Захист розрахункової роботи
Всього за модуль 2.3		40	8	6	2	24
Всього		108	24	22	6	56	Диф. залік