Применение программы моделирования электрических и электронных устройств Electronics Workbench. Учебно-методическое пособие 9785392309641

Table of contents :
105249_titul
105249_оборот
105249

Citation preview

МОСКОВСКИЙ ГОС УД АРС ТВЕННЫЙ ЛИНГВИС ТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕ Т

М. М. Лавриненко

ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ ELECTRONICS WORKBENCH Учебно-методическое пособие

Москва 2020

УДК 621.3(075.8) ББК 32.844я73 Л13

Электронные версии книг на сайте www.prospekt.org

Автор: Лавриненко М. М., кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры международной информационной безопасности МГЛУ. Рецензент: Ромашкова О. Н., доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой международной информационной безопасности МГЛУ.

Лавриненко М. М. Л13

Применение программы моделирования электрических и электронных устройств Electronics Workbench : учебно-методическое пособие. — Москва : Проспект, 2020. — 64 с. ISBN 978-5-392-30964-1 DOI 10.31085/9785392309641-2020-64 Учебно-методическое пособие подготовлено в соответствии с программой курса «Электротехника» и предназначено для бакалавриата направления подготовки 10.03.01 «Информационная безопасность», но может оказаться полезным и всем желающим освоить программу моделирования электрических и электронных устройств Electronics Workbench. Пособие было опробовано при проведении занятий по дисциплине «Электротехника» МГЛУ и показало свою эффективность при овладении студентами знаниями и практическими навыками работы с программой моделирования электрических и электронных устройств Electronics Workbench.

УДК 621.3(075.8) ББК 32.844я73

Учебное издание Лавриненко Михаил Михайлович ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ ELECTRONICS WORKBENCH Учебно-методическое пособие Подписано в печать 10.12.2019. Формат 60×90 1/16. Печать цифровая. Печ. л. 4,0. Тираж 1000 (1-й завод 100) экз. Заказ № ООО «Проспект» 111020, г. Москва, ул. Боровая, д. 7, стр. 4.

ISBN 978-5-392-30964-1 DOI 10.31085/9785392309641-2020-64

© Московский государственный лингвистический университет, 2019 © Оформление. ООО «Проспект», 2019

КРАТКОЕ ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ............................................................................................................................................ 4 Часть 1.

Методические указания по использованию программы моделирования электрических и электронных устройств Electronics Workbench ............................................................................................... 5

Часть 2.

Лабораторные работы курса «Электротехника» по теме «Электрические цепи переменного тока» ......................................................31

Библиографический список .........................................................................................................50 Приложения ........................................................................................................................................51

ВВЕДЕНИЕ Учебно-методическое пособие подготовлено в соответствии с программой курса «Электротехника» и предназначено для бакалавриата направления подготовки 10.03.01 «Информационная безопасность». В пособии рассматривается одна из наиболее простых и популярных программ моделирования электрических и электронных устройств на компьютере Electronics Workbench. Данная программа является разновидностью САПР (Системы Автоматизированного Проектирования) электронных устройств. Данное учебное пособие состоит из двух частей. В первой части даются основные элементы программы Electronics Workbench, а также рассматривается работа с виртуальными контрольно-измерительными приборами. Во второй части приведено описание двух лабораторных работ курса Электротехника по теме «Электрические цепи переменного тока». В конце каждой работы приведены контрольные вопросы, способствующие более полному усвоению студентами изучаемого материала. В приложении имеются бланки отчета лабораторных работ, дающие возможность систематизировать полученные при проведении экспериментов данные. Изучение материалов данного учебного пособия направлено на достижение общепрофессиональной (ОПК-3) и профессиональной (ПК-11) компетенций. Учебное пособие было опробовано при проведении занятий по дисциплине «Электротехника» в МГЛУ и показало свою эффективность при овладении студентами практическими навыками работы с программой моделирования электрических и электронных устройств Electronics Workbench.

Часть 1. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ПРОГРАММЫ.. МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ ELECTRONICS WORKBENCH 1. Основные элементы программы 1.1. Интерфейс Система схемотехнического моделирования Electronics Workbench (EWB) предназначена для моделирования и анализа электрических схем. Программа EWB позволяет моделировать аналоговые, цифровые и цифро-аналоговые схемы большой степени сложности. Имеющиеся в программе библиотеки включают в себя большой набор широко распространенных электронных компонентов, параметры которых можно изменять в широком диапазоне значений. Программа EWB использует стандартный интерфейс Windows. На рис. 1.1 представлен внешний интерфейс пользователя программы EWB.

Рис. 1.1. Внешний вид экрана компьютера при работе с программой EWB

6

Часть 1. Методические указания по использованию программы...

Интерфейс пользователя состоит из полоски меню, панели инструментов и рабочей области. 1.1.1. Основные меню и команды Полоса меню состоит из следующих компонентов: меню работы с файлами (File), меню редактирования (Edit), меню работы с цепями (Circut), меню анализа схем (Analysis), меню работы с окнами (Window), меню работы с файлами справок (Help). Меню File (Файл) используется для работы с документами. В это меню входят: ► New — для создания новых документов; ► кнопка

и команда Open — для открытия документов;

► кнопка

и команда Save — для сохранения документов;

► кнопка

и команда Print — для печати документов.

Меню Edit (Правка) для редактирования документов. В это меню входят: ► кнопка кументов;

и команда Cut — для вырезания фрагментов до-

► кнопка и команда Copy — для копирования фрагментов документов; ► кнопка ментов.

и команда Paste — для вставки фрагментов доку-

Меню Circut (Цепь) для подготовки схем и задания параметров моделирования. В это меню входят: ► кнопка схем;

и команда Rotate — для вращения компонентов

► кнопка и команда Flip Horizontal — для зеркального отображения компонентов схем по горизонтали; ► кнопка и команда Flip Vertical — для зеркального отображения компонентов схем по вертикали;

1. Основные элементы программы

7

► кнопка и команда Zoom Out — для уменьшения компонентов и схем; ► кнопка и схем.

и команда Zoom In — для увеличения компонентов

Меню Analysis (Анализ) позволяет выполнить различные анализы. Анализ будет выполнен только в том случае, когда это возможно для данной схемы. Меню Window (Окно) позволяет осуществить операции работы с окнами. В это меню входят: ► команда Arrange — команда аккуратно расставляет открытые окна и может выполняться при одновременном нажатии клавиш CTRL+W; ► команда Circuit (Цепь) — команда переносит окно схемы на передний план; ► команда Description (Описание) — команда открывает окно описания, при этом, если окно описания уже открыто, переносит его на передний план. Операция также может выполняться при одновременном нажатии клавиш CTRL+D. Меню Help (Помощь) предоставляет вызов файла-справки и может быть осуществлено нажатием клавиши F1. 1.1.2. Панели инструментов Панель инструментов состоит из «быстрых кнопок», имеющих аналоги в меню кнопок запуска и приостановки схем, набора радиоэлектронных аналоговых и цифровых деталей, индикаторов, элементов управления и инструментов. На рис. 1.2 представлен внешний вид строки групп компонентов схем.

Рис. 1.2. Строка основных групп компонентов схем

Кнопка и группа компонентов Sources — для моделирования источников питания электрических схем. Нажатие на эту кнопку вызывает появление панели источников, в которую входят 23 компонента. На рис. 1.3 представлен внешний вид строки группы Sources.

8

Часть 1. Методические указания по использованию программы...

Рис. 1.3. Строка группы Sources

Далее рассмотрены некоторые компоненты группы Sources:

► кнопка и компонент «Земля» — компонент «Заземление» имеет нулевое напряжение и служит точкой для отсчета потенциалов; ► кнопка и компонент «Источник постоянного напряжения», величина которого задается с помощью соответствующего диалогового окна; и компонент «Источник постоянного тока», ве► кнопка личина которого задается с помощью соответствующего диалогового окна; ► кнопка и компонент «Источник переменного напряжения», величина которого задается с помощью соответствующего диалогового окна; ► кнопка и компонент «Источник переменного тока», величина которого задается с помощью соответствующего диалогового окна; ► кнопка и компонент «Источник напряжения, управляемый напряжением», коэффициент передачи которого задается с помощью соответствующего диалогового окна; и компонент «Источник тока, управляемый напря► кнопка жением», коэффициент передачи которого задается с помощью соответствующего диалогового окна;

1. Основные элементы программы

9

► кнопка и компонент «Генератор амплитудно-модулированных колебаний», напряжение, частота несущей, индекс и частота модуляции которого задается с помощью соответствующего диалогового окна; ► кнопка и компонент «Генератор фазомодулированных колебаний», напряжение, частота несущей, индекс и частота модуляции которого задается с помощью соответствующего диалогового окна. Кнопка и группа компонентов Basic для моделирования пассивных компонентов электрических схем. Нажатие на эту кнопку вызывает появление панели базовых компонентов, в которую входят 20 компонентов. На рис. 1.4 представлен внешний вид строки группы Basic.

Рис. 1.4. Строка группы Basic

Далее рассмотрены некоторые компоненты группы Basic:

► кнопка и компонент «Соединение» — точка соединения проводников, используемая также для введения надписей в схему; ► кнопка и компонент «Резистор», сопротивление которого задается с помощью соответствующего диалогового окна; ► кнопка и компонент «Потенциометр», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна; ► кнопка и компонент «Конденсатор», емкость которого задается с помощью соответствующего диалогового окна;

10

Часть 1. Методические указания по использованию программы...

► кнопка и компонент «Катушка», индуктивность которой задается с помощью соответствующего диалогового окна; ► кнопка и компонент «Воздушный трансформатор», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна; ► кнопка и компонент «Трансформатор с сердечником», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна; ► кнопка и компонент «Переключать, управляемый нажатием задаваемой клавиши клавиатуры», управляющая клавиша которого задается с помощью соответствующего диалогового окна; Кнопка и группа компонентов Diodes для моделирования полупроводниковых диодов. Нажатие на эту кнопку вызывает появление панели полупроводниковых диодов, в которую входят 8 компонентов. На рис. 1.5 представлен внешний вид строки группы Diodes.

Рис. 1.5. Строка группы Diodes

Далее рассмотрены некоторые компоненты группы Diodes: ► кнопка и компонент «Полупроводниковый диод», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна;

► кнопка и компонент «Стабилитрон», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна;

► кнопка и компонент «Светодиод», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна;

1. Основные элементы программы

11

► кнопка и компонент «Мостовой выпрямитель», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна.

Кнопка и группа компонентов Transistors для моделирования биполярных и полевых транзисторов. Нажатие на эту кнопку вызывает появление панели транзисторов, в которую входят 14 компонентов. На рис. 1.6 представлен внешний вид строки группы Transistors.

Рис. 1.6. Строка группы Transistors

Далее рассмотрены некоторые компоненты группы Transistors:

► кнопка и компонент «Биполярный транзистор типа n-p-n», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна;

► кнопка и компонент «Биполярный транзистор типа p-n-p», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна;

и компонент «Полевой транзистор с n-каналом ► кнопка и управляющим p-n переходом», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна;

► кнопка и компонент «Полевой транзистор с р-каналом и управляющим p-n переходом», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна;

► кнопка и компонент «Полевой транзистор на основе металлооксидной пленки (МОП — транзистор) с n-каналом», па-

12

Часть 1. Методические указания по использованию программы...

раметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна;

и компонент «Полевой транзистор на основе ме► кнопка таллооксидной пленки (МОП — транзистор) с р-каналом», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна.

Кнопка и группа компонентов Analog ICs для моделирования операционных усилителей. Нажатие на эту кнопку вызывает появление панели операционных усилителей, в которую входят 6 компонентов. На рис. 1.7 представлен внешний вид строки группы Analog ICs.

Рис. 1.7. Строка группы Analog ICs

Далее рассмотрены некоторые компоненты группы Analog ICs:

► кнопка и компонент «Линейная модель операционного усилителя», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна;

► кнопка и компонент «Нелинейная модель операционного усилителя», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна;

► кнопка и компонент «Компаратор — операционный усилитель, предназначенный для сравнения напряжений», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна. Кнопка и группа компонентов Mixed для моделирования аналого-цифровых схем. Нажатие на эту кнопку вызывает появление панели аналого-цифровых схем, в которую входят 5 компонентов. На рис. 1.8 представлен внешний вид строки группы Mixed.

1. Основные элементы программы

13

Рис. 1.8. Строка группы Mixed

Далее рассмотрены некоторые компоненты группы Mixed: ► кнопка и компонент «Аналого-цифровой преобразователь», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна; ► кнопка и компонент «Цифро-аналоговый преобразователь с внешним опорным источником тока», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна; ► кнопка и компонент «Цифро-аналоговый преобразователь с внешним опорным источником напряжения», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна; ► кнопка и компонент «Одностабильный мультивибратор», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна; ► кнопка и компонент «Таймер», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна. Кнопка и группа компонентов Digital ICs для моделирования цифровых устройств. Нажатие на эту кнопку вызывает появление панели цифровых устройств, в которую входят 6 компонентов. На рис. 1.9 представлен внешний вид строки группы Digital ICs.

Рис. 1.9. Строка группы Digital ICs

Кнопка и группа компонентов Logic Gates для моделирования логических элементов. Нажатие на эту кнопку вызывает появле-

14

Часть 1. Методические указания по использованию программы...

ние панели логических элементов, в которую входят 18 компонентов. На рис. 1.10 представлен внешний вид строки группы Logic Gates.

Рис. 1.10. Строка группы Logic Gates

Далее рассмотрены некоторые компоненты группы Logic Gates:

► кнопка и компонент «Логический элемент И», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна; ► кнопка и компонент «Логический элемент И-НЕ», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна; и компонент «Логический элемент ИЛИ», пара► кнопка метры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна; ► кнопка и компонент «Логический элемент ИЛИ-НЕ», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна; ► кнопка и компонент «Логический элемент НЕ», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна; ► кнопка и компонент «Триггер Шмитта», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна.

Кнопка и группа компонентов Digital для моделирования цифровых элементов. Нажатие на эту кнопку вызывает появление

1. Основные элементы программы

15

панели цифровых элементов, в которую входят 14 компонентов. На рис. 1.11 представлен внешний вид строки группы Digital.

Рис. 1.11. Строка группы Digital

Далее рассмотрены некоторые компоненты группы Digital: и компонент «RS-триггер», параметры которого ► кнопка задаются с помощью соответствующего диалогового окна; ► кнопка и компонент «JK-триггер», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна; ► кнопка и компонент «D-триггер», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна.

и группа компонентов Indicator для моделирования Кнопка индикаторных устройств. Нажатие на эту кнопку вызывает появление панели индикаторных устройств, в которую входят 9 компонентов. На рис. 1.12 представлен внешний вид строки группы Indicator.

Рис. 1.12. Строка группы Indicator

Далее рассмотрены некоторые компоненты группы Indicator: ► кнопка и компонент «Вольтметр», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна; ► кнопка и компонент «Амперметр», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна;

16

Часть 1. Методические указания по использованию программы...

► кнопка и компонент «Лампа накаливания», параметры которой задаются с помощью соответствующего диалогового окна; ► кнопка и компонент «Светоиндикатор», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна; ► кнопка и компонент «Семисегментный индикатор», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна. Кнопка и группа компонентов Control для моделирования аналоговых функциональных устройств. Нажатие на эту кнопку вызывает появление панели аналоговых функциональных устройств, в которую входят 12 компонентов. На рис. 1.13 представлен внешний вид строки группы Control.

Рис. 1.13. Строка группы Control

Далее рассмотрены некоторые компоненты группы Control: и компонент «Аналоговый умножитель», коэффи► кнопка циент передачи которого задается с помощью соответствующего диалогового окна; ► кнопка и компонент «Аналоговое устройство деления», коэффициент передачи которого задается с помощью соответствующего диалогового окна.

Кнопка и группа компонентов Miscellaneous для моделирования компонентов смешанного типа. Нажатие на эту кнопку вызывает появление панели компонентов смешанного типа, в которую входят 13 компонентов. На рис. 1.14 представлен внешний вид строки группы Miscellaneous.

1. Основные элементы программы

17

Рис. 1.14. Строка группы Miscellaneous

Далее рассмотрены некоторые компоненты группы Miscellaneous: ► кнопка и компонент «Плавкий предохранитель», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна; ► кнопка и компонент «Кварцевый резонатор», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна;

Кнопка и группа компонентов Instruments для моделирования контрольно-измерительных приборов. Нажатие на эту кнопку вызывает появление панели контрольно-измерительных приборов, в которую входят 7 компонентов. На рис. 1.15 представлен внешний вид строки группы Instruments.

Рис. 1.15. Строка группы Instruments

Далее рассмотрены некоторые компоненты группы Instruments: ► кнопка и компонент «Мультиметр», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна; ► кнопка и компонент «Функциональный генератор», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна; ► кнопка и компонент «Осциллограф», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна;

18

Часть 1. Методические указания по использованию программы...

► кнопка и компонент «Графопостроитель», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна; ► кнопка и компонент «Генератор слова», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна; ► кнопка и компонент «Логический анализатор», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна; ► кнопка и компонент «Логический преобразователь», параметры которого задаются с помощью соответствующего диалогового окна.

1.2. Рабочее поле В рабочем поле программы EWB располагается моделируемая схема с подключенными к ней иконками контрольно-измерительных приборов и кратким описанием схемы. При необходимости каждый из приборов может быть развернут для установки режимов его работы и наблюдения результатов.

2. Работа с контрольно-измерительными приборами 2.1. Мультиметр Мультиметр может измерять постоянные и переменные напряжения, величину сопротивления и уровень напряжения в децибелах. Для работы с мультиметром необходимо курсором перенести иконку прибора на рабочее поле и подключить проводниками к исследуемой схеме. Для приведения прибора в рабочее развернутое состояние необходимо дважды щелкнуть курсором по его иконке. На рис. 1.16 представлен внешний вид иконки мультиметра, а на рис. 1.17 — лицевая панель мультиметра.

Рис. 1.16. Внешний вид иконки мультиметра

2. Работа с контрольно-измерительными приборами

19

Рис. 1.17. Лицевая панель мультиметра

При использовании мультиметра в качестве амперметра на расширенном изображении мультиметра (рис. 1.17) необходимо нажать кнопку А. Для измерения тока мультиметр подключается последовательно в ветвь схемы, в которой нужно провести измерение. При использовании мультиметра в качестве вольтметра на расширенном изображении мультиметра необходимо нажать кнопку V. Для измерения напряжения мультиметр подключается параллельно участку схемы, на котором нужно измерить напряжение. При использовании мультиметра в качестве омметра необходимо подсоединить его параллельно участку цепи, сопротивление которого нужно измерить. На расширенном изображении мультиметра необходимо нажать кнопку ї и кнопку переключения в режим измерения постоянного тока. Для исключения ошибочных показаний схема должна иметь соединение с землей и не иметь контакта с источниками питания. Источники питания должны быть исключены из схемы, причем идеальный источник тока должен быть заменен разрывом цепи, а идеальный источник напряжения — короткозамкнутым участком.

2.2. Функциональный генератор Функциональный генератор является идеальным источником напряжения, вырабатывающим сигналы синусоидальной, прямоугольной или треугольной формы. На рис. 1.18 представлен внешний вид иконки функционального генератора, а на рис. 1.19 — лицевая панель функционального генератора. Функциональный генератор имеет два взаимно инверсных выхода. Средний вывод генератора при подключении к схеме обеспечивает общую точку для отсчета амплитуды переменного напряжения. Для отсчета напряжения относительно нуля необходимо общий вывод за-

20

Часть 1. Методические указания по использованию программы...

землить. Для приведения прибора в рабочее развернутое состояние необходимо дважды щелкнуть курсором по его иконке, при этом становится возможным выбирать частоту генератора от 0,1 Гц до 999 МГц и его выходное напряжение от 1 мкВ до 999 кВ.

Рис. 1.18. Внешний вид иконки функционального генератора

Рис. 1.19. Лицевая панель функционального генератора

На лицевой панели функционального генератора с помощью кнопки с соответствующим изображением выбирается требуемая форма выходного сигнала. Форму треугольного и прямоугольного сигналов можно изменить, уменьшая или увеличивая значение в поле DUTY CYCLE (скважность). Для треугольной формы напряжения он задает длительность (в процентах от периода сигнала) между интервалом нарастания напряжения и интервалом спада. Для прямоугольной формы напряжения этот параметр задает соотношение между длительностями положительной и отрицательной частей периода. Имеется возможность подключить к переменному напряжению постоянную составляющую. Постоянная составляющая переменного сигнала устанавливается в строке OFFSET при помощи клавиатуры или кнопок со стрелками. Она может иметь как положительное, так и отрицательное значение. Это позволяет получить, например, последовательность однополярных импульсов.

2.3. Осциллограф Осциллограф, имитируемый программой EWB, представляет собой аналог двухлучевого запоминающего осциллографа и имеет две модификации: простую и расширенную.

2. Работа с контрольно-измерительными приборами

21

На рис. 1.20 представлен внешний вид иконки осциллографа, на рис. 1.21 — лицевая панель простой модификации осциллографа, а на рис. 1.22 — лицевая панель расширенной модификации осциллографа.

Рис. 1.20. Внешний вид иконки осциллографа

Рис. 1.21. Лицевая панель осциллографа

Рис. 1.22. Лицевая панель расширенной модификации осциллографа

22

Часть 1. Методические указания по использованию программы...

На схему выводится уменьшенное изображение осциллографа, общее для обеих модификаций. На этом изображении имеются четыре входных зажима. Верхний правый зажим называют общим, так как потенциал на этом выводе является общей точкой, относительно которой осциллограф измеряет напряжение. Обычно этот вывод заземляют, чтобы осциллограф измерял напряжение относительно нуля. Поэтому на панели осциллографа этот вывод обозначен «ground». Нижний правый — вход синхронизации. Левый и правый нижние зажимы представляют собой соответственно вход канала А (channel А) и вход канала В (channel В). Двойным щелчком мыши по уменьшенному изображению открывается изображение передней панели простой модели осциллографа с кнопками управления, информационными полями и экраном. Настройка осциллографа производится при помощи полей управления, расположенных на панели управления. При настройке задаются вид зависимости отображаемых сигналов; нужный масштаб развертки по осям; смещение начала координат по осям; режим работы по входу: закрытый или открытый; режим синхронизации: внутренний или внешний. Вид зависимости отображаемых сигналов задается с помощью кнопок Y/T, А/В, В/А. При нажатии на кнопку Y/T по вертикальной оси откладывается напряжение, по горизонтальной оси — время, при нажатии на кнопку А/В по вертикальной оси откладывается амплитуда напряжения на входе канала А, по горизонтальной оси — канала В и при нажатии на кнопку В/А наоборот. При этом масштаб осей определяется установками соответствующих каналов. Масштаб развертки по осям в канале А и В отдельно задается дискретно в нижней части панели осциллографа от 10 mv/div до 5 Kv/div. Смещение начала координат по осям в каждом канале задается с помощью кнопок, расположенных в поле строки Y position. Режим работы по входу задается тремя нижними кнопками в каждом канале. Режим работы осциллографа с закрытым входом устанавливается нажатием на кнопку

. В этом режиме на вход не пропуска-

ется постоянная составляющая сигнала. При нажатии на кнопку осциллограф переходит в режим с открытым входом. В этом режиме на вход осциллографа пропускается как постоянная, так и переменная составляющая сигнала. При нажатии на кнопку вход осциллографа соединяется с общим выводом осциллографа, что позволяет определить положение нулевой отметки по оси Y. Настройка и управление синхронизацией осуществляется в поле управления TRIGGER и определяет момент начала отображения осциллограммы на экране осциллографа. В этом поле в строке

2. Работа с контрольно-измерительными приборами

23

EDGE можно задать момент запуска осциллограммы по фронту или по срезу импульса на входе синхронизации, а в строке LEVEL можно задать уровень, при превышении которого происходит запуск осциллограммы. Осциллограф имеет четыре режима синхронизации: • Автоматический режим (AUTO) — запуск осциллограммы производится автоматически при подключении осциллографа к схеме или при ее включении. Когда «луч» доходит до конца экрана, осциллограмма снова прописывается с начала экрана (новый экран). • Режимы запуска по входу «А» или «В», в которых запускающим сигналом является сигнал, поступающий на соответствующий вход. • Режим «Внешний запуск» (ЕХТ — external). В этом случае сигналом запуска является сигнал, подаваемый на вход синхронизации. Расширенная модификация осциллографа вызывается нажатием клавиши ZOOM на панели простой модели осциллографа. Панель расширенной модели осциллографа в отличие от простой модели расположена под экраном и дополнена тремя информационными табло, на которые выводятся результаты измерений. Кроме того, непосредственно под экраном находится линейка прокрутки, позволяющая наблюдать любой временной отрезок процесса от момента включения до момента выключения схемы. На экране осциллографа расположены два курсора, обозначаемые 1 и 2, при помощи которых можно измерить мгновенные значения напряжений в любой точке осциллограммы. Для измерения необходимо перетащить мышью курсоры за треугольники в их верхней части в требуемое положение. Координаты точек пересечения первого курсора с осциллограммами отображаются на левом табло, координаты второго курсора — на среднем табло. На правом табло отображаются значения разностей между соответствующими координатами первого и второго курсоров. Чтобы вернуться к простой модели осциллографа, необходимо нажать клавишу REDUCE. Для удобства визуального восприятия информации в ходе анализа работы схемы можно замедлить процесс моделирования. Для этого нужно увеличить количество расчетных точек на цикл, выбрав пункт Analysis Options в меню Circuit и установив в строке Time domain points per cycle требуемое значение (обычно достаточно 5000 точек). По умолчанию количество точек равно 100. Облегчить анализ осциллограмм может включение режима Pause after each screen (Пауза после каждого экрана). В этом режиме расчет схемы останавливается после того, как луч осциллографа проходит весь экран. Чтобы продолжить расчет схе-

24

Часть 1. Методические указания по использованию программы...

мы, необходимо выбрать пункт Resume (Продолжить) меню Circuit или нажать клавишу F9 на клавиатуре. Остановить процесс расчета схемы в любой момент времени можно нажатием клавиши F9 или выбором пункта Pause (Пауза) в меню Circuit.

2.4. Графопостроитель (Боде-плоттер) Графопостроитель используется для получения амплитудно-частотных (АЧХ) и фазочастотных (ФЧХ) характеристик схемы. Графопостроитель измеряет отношение амплитуд сигналов в двух точках схемы и фазовый сдвиг между ними. Отношение амплитуд сигналов может измеряться в децибелах. Для измерения графопостроитель генерирует собственный спектр частот, диапазон которого может задаваться при настройке прибора. Частота любого переменного источника в исследуемой схеме игнорируется, однако схема должна включать какой-либо источник переменного тока. На рис. 1.23 представлен внешний вид иконки графопостроителя, на рис. 1.24 — лицевая панель графопостроителя в режиме измерения АЧХ, а на рис. 1.25 — лицевая панель графопостроителя в режиме измерения ФЧХ.

Рис. 1.23. Внешний вид иконки графопостроителя

Боде-плоттер имеет четыре зажима: два входных (IN) и два выходных (OUT). Для измерения отношения амплитуд или фазового сдвига нужно подключить левые выводы входов IN и ОUТ к исследуемым точкам, а два других вывода заземлить. При двойном щелчке мышью по уменьшенному изображению графопостроителя открывается его увеличенное изображение. Для получения АЧХ необходимо нажать кнопку MAGNITUDE, для получения ФЧХ — кнопку PHASE.

Рис. 1.24. Лицевая панель графопостроителя в режиме измерения АЧХ

2. Работа с контрольно-измерительными приборами

25

Рис. 1.25. Лицевая панель графопостроителя в режиме измерения ФЧХ

Левая панель управления (VERTIKAL) задает: • начальное (I — initial) и конечное (F — final) значения параметров, откладываемых по вертикальной оси; • вид шкалы вертикальной оси — логарифмическая (LOG) или линейная (LIN). Правая панель управления (HORIZONTAL) настраивается аналогично. При получении АЧХ по вертикальной оси откладывается отношение напряжений: • в линейном масштабе от 0 до 109; • в логарифмическом масштабе от –200 до 200 dB. При получении ФЧХ по вертикальной оси откладываются градусы в диапазоне от –720 до 720°. По горизонтальной оси всегда откладывается частота в Герцах или в производных единицах. В начале горизонтальной шкалы расположен курсор. Его можно перемещать нажатием на кнопки со стрелками, расположенными справа от экрана, либо «тащить» с помощью мыши. Координаты точки пересечения курсора с графиком характеристики выводятся на информационных полях внизу справа. Графопостроитель позволяет строить топографическую диаграмму на комплексной плоскости для любой схемы.

2.5. Генератор слов Генератор слов используется для задания цифровых последовательностей. Двойным щелчком мыши открывается лицевая панель генератора слов. На рис. 1.26 представлен внешний вид иконки генератора слов, а на рис. 1.27 — лицевая панель генератора слов.

Рис. 1.26. Внешний вид иконки генератора слов

26

Часть 1. Методические указания по использованию программы...

Рис. 1.27. Лицевая панель генератора слов

Кодовые комбинации в генераторе слов задаются в шестнадцатеричном коде с помощью клавиатуры. Номер редактируемой ячейки фиксируется в окошке EDIT блока ADRESS. В генераторе слов содержится 2048 таких ячеек. В процессе работы генератора в отсеке ADRESS индицируется номер текущей ячейки (CORRENT), ячейки инициализации или начала работы (INITIAL) и конечной ячейки (FINAL). Формируемые на 16 выходах в нижней части генератора кодовые комбинации инициализируются в текстовом (ASCII) и в двоичном коде (BINARY). Генератор слов может работать в трех режимах: • пошаговый (при нажатии на кнопку STEP), при котором каждый раз после подачи очередного слова на выход генератор останавливается; • циклический (при нажатии на кнопку BURST), при котором на выход генератора однократно последовательно поступают все 16 слов; • непрерывный (при нажатии на кнопку CYCLE), при котором все слова циклически передаются на выход генератора в течение необходимого времени. Панель управления TRIGGER определяет момент начала работы генератора. Момент запуска может быть задан по положительному или отрицательному фронтам синхронизирующего импульса. В режиме INTERNAL генератор производит внутреннюю синхронизацию передачи слов на выход. В режиме передача слов на выход генератора синхронизируется с сигналом готовности данных (клемма DATA READY).

2. Работа с контрольно-измерительными приборами

27

Сигнал с этого выхода сопровождает каждую выдаваемую на выход кодовую комбинацию и используется с исследуемыми устройствами, обладающими свойствами подтверждения получения данных. В этом случае после получения очередной кодовой комбинации и сопровождающего его сигнала DATA READY исследуемое устройство должно выдать сигнал подтверждения получения данных, который подается на вход синхронизации генератора (клемма в блоке TRIGGER) и производит очередной запуск генератора. При нажатии на кнопку BREAKPOINT генератор слова прерывает свою работу в заранее выбранной на дисплее ячейке.

Рис. 1.28. Окно предустановок генератора слов

При нажатии на кнопку PATTERN в появляющемся меню (рис. 1.28) можно выбрать следующие команды: • Clear buffer — стереть содержимое всех ячеек; • Open — загрузить кодовые комбинации; • Save — записать все набранные на экране комбинации в файл; • Up counter — заполнить буфер экрана кодовыми комбинациями, начиная с 0 в нулевой ячейке и далее с прибавлением 1 в каждой последующей ячейке; • Down counter — заполнить буфер экрана кодовыми комбинациями, начиная с FFFF в нулевой ячейке и далее с уменьшением на 1 в каждой последующей ячейке; • Shift right — заполнить каждые четыре ячейки комбинациями 1–2–4–8 со смещением их в следующих четырех ячейках вправо; • Shift left — заполнить каждые четыре ячейки комбинациями 1–2–4–8 со смещением их в следующих четырех ячейках влево. Частоту импульсов генератора слов можно установить в окне FREQUENSY в пределах от 1 Гц до 999 МГц.

28

Часть 1. Методические указания по использованию программы...

2.6. Логический анализатор Логический анализатор предназначен для отображения на экране монитора 16-разрядных кодовых последовательностей одновременно в 16 точках схемы. На рис. 1.29 представлен внешний вид иконки логического анализатора, а на рис. 1.30 — лицевая панель логического анализатора. Анализатор снабжен двумя визирными линейками, позволяющими получать точные отсчеты временных интервалов Т1, Т2 и Т2–Т1, а также линейкой прокрутки по горизонтали. В блоке Clock имеются клеммы для подключения как обычного (External), так и избирательного (Qualifier) источника запускающих сигналов, параметры которых задаются с помощью соответствующего диалогового окна, вызываемого кнопкой Set.

Рис. 1.29. Внешний вид иконки логического анализатора

Рис. 1.30. Лицевая панель логического анализатора

2. Работа с контрольно-измерительными приборами

29

Запуск логического анализатора можно производить по переднему (Positive) или заднему (Negative) фронту запускающего сигнала с использованием внешнего (External) или внутреннего (Internal) источника. В окне Clock можно установить значение логического сигнала (0, 1 или Х), при котором производится запуск анализатора.

2.7. Логический преобразователь Логический преобразователь предназначен для выполнения различных функциональных преобразований в схеме. На рис. 1.31 представлен внешний вид иконки логического преобразователя, а на рис. 1.32 — лицевая панель логического преобразователя.

Рис. 1.31. Внешний вид иконки логического преобразователя

Рис. 1.32. Лицевая панель логического преобразователя

С помощью логического преобразователя можно осуществлять следующие операции: ► кнопка исследуемой схемы;

— получение таблицы истинности

► кнопка — преобразование таблицы истинности в логическое выражение;

30

Часть 1. Методические указания по использованию программы...

► кнопка — преобразование таблицы истинности в минимизированное логическое выражение; — преобразование логического вы► кнопка ражения в таблицу истинности; ► кнопка — создание логических схем по заданному логическому выражению; — синтез логических схем на элемен► кнопка тах И-НЕ по заданному логическому выражению.

Контрольные вопросы 1. Как измерить сопротивление с помощью мультиметра? 2. Какие требования предъявляются к схеме, в которой производится измерение сопротивлений с помощью мультиметра? 3. Чем отличаются выходы функционального генератора? 4. Каким образом в функциональном генераторе можно получить однополярный сигнал? 5. Каким образом с помощью осциллографа можно получить значения амплитуды сигнала и его частоты? 6. Каким образом можно получить разноцветные осциллограммы сигналов на экране осциллографа и как их разнести по вертикали для удобства наблюдения? 7. Какие режимы синхронизации имеет осциллограф и  что они определяют? 8. Как можно получить точные значения коэффициента усиления и фазового сдвига на данной частоте с помощью графопостроителя АЧХ и ФЧХ? 9. Каким образом в генераторе слов задаются двоичные комбинации сигналов? 10. Какие операции можно осуществить с помощью логического преобразователя?

Часть 2. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ КУРСА « ЭЛЕКТРОТЕХНИКА »..ПО ТЕМЕ « ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА » Лабораторная работа № 1 ИССЛЕДОВАНИЕ ПАССИВНОГО ДВУХПОЛЮСНИКА В ЦЕПИ СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА Цель работы: исследование пассивного двухполюсника в цепи синусоидального тока. 1.1. Подготовка к работе • Повторить раздел: «Электрические цепи синусоидального тока». • Повторить основные меню и элементную базу программы «Electronics Workbench», ознакомиться с принципом работы и настройки электронного осциллографа. • Выбрать согласно варианту параметры схем (табл. 1.1 и 1.2). • Определить параметры электрических схем, заполнив строку «Расчет» всех таблиц. • Для экспериментов № 4 и 5 определить значение входного комплексного сопротивления цепи. Таблица 1.1

Варианты числовых значений напряжений, индуктивности и емкостей Последняя цифра зачетной книжки

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

U, B

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

L, Гн

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,6

0,7

0,8

С, мкФ

50

40

30

20

10

20

10

40

50

30

32

Часть 2. Лабораторные работы курса «Электротехника»... Таблица 1.2

Варианты числовых значений частоты и сопротивлений Предпоследняя цифра зачетной 0 книжки R, Ом 100 f, Гц 50

1

2

3

4

5

6

7

8

9

50 100

110 50

60 100

120 50

70 100

130 50

80 100

140 50

90 100

1.2. Порядок выполнения работы Эксперимент 1. Резистор на переменном токе 1.2.1. Собрать схему согласно с рис. 2.1. На схеме выставить согласно варианту значения R, U, f. 1.2.2. Снять показания приборов и занести значение тока I в строку «Эксперимент» табл. 1.3 бланка отчета приложения. Таблица 1.3 I

φ

Р

Расчет Эксперимент

Рис. 2.1. Исследование цепи с активным сопротивлением

Q

Лабораторная работа № 1

33

Рис. 2.2. Лицевая панель осциллографа

1.2.3. Установить настройки осциллографа согласно рис. 2.2. 1.2.4. В бланке отчета приложения изобразить осциллограмму тока и входного напряжения в цепи с активным сопротивлением. 1.2.5. По разности Т 2 и Т 1 осциллограмм определить угол  φ = (Т2 – Т1) . 360° . f и занести значение угла  в строку «Эксперимент» табл. 1.3 приложения. 1.2.6. Сравнить экспериментально полученные значения с расчетными значениями. 1.2.7. Собрать схему согласно с рис. 2.3. На схеме выставить согласно варианту значения R, U, f. 1.2.8. Установить настройки осциллографа согласно рис. 2.4.

34

Часть 2. Лабораторные работы курса «Электротехника»...

Рис. 2.3. Измерение мощности в цепи с активным сопротивлением

Рис. 2.4. Лицевая панель осциллографа

1.2.9. В бланке отчета приложения изобразить осциллограмму мощностей Р и Q, согласовав ее по фазе с осциллограммой входного напряжения.

Лабораторная работа № 1

35

1.2.10. Пользуясь осциллограммой, определить значения модулей мощностей Р и Q и записать результат в строку «Эксперимент» табл. 1.3 бланка отчета приложения. p(t) = UI cos ωt – UI cos (2ωt + ) = P – S cos(2ωt + ); P = (pmax – }pmin})/2; S = pmax – P = pmax – (pmax –}pmin})/2 = (pmax + }pmin})/2; Q = (S2 – P2)0,5 = (pmax }pmin})0,5, где P, Q, S – соответственно модули активной, реактивной и полной мощностей цепи; pmax и pmin – соответственно максимальное и минимальное значения мгновенной мощности.

1.2.11. По результатам эксперимента, используя бланк отчета приложения, построить векторную диаграмму тока и входного напряжения. Эксперимент 2. Конденсатор на переменном токе 1.2.12. Собрать схему согласно рис. 2.5. На схеме выставить согласно варианту значения С, U, f.

Рис. 2.5. Исследование цепи с емкостным сопротивлением

1.2.13. Снять показания приборов и занести значение тока I в строку «Эксперимент» табл. 1.4 бланка отчета приложения.

36

Часть 2. Лабораторные работы курса «Электротехника»... Таблица 1.4 I

φ

Р

Q

Расчет Эксперимент

1.2.14. Установить настройки осциллографа согласно рис. 2.3. 1.2.15. В бланке отчета приложения изобразить осциллограмму тока и входного напряжения в цепи с емкостным сопротивлением. 1.2.16. По разности Т2 и Т1 осциллограмм определить угол  и занести его значение в строку «Эксперимент» табл. 1.4 бланка отчета приложения. 1.2.17. Сравнить экспериментально полученные значения с расчетными. 1.2.18. Собрать схему согласно рис. 2.6. На схеме выставить согласно варианту значения С, U, f.

Рис. 2.6. Измерение мощности в цепи с емкостным сопротивлением

1.2.19. Установить настройки осциллографа согласно рис. 2.4. 1.2.20. В бланке отчета приложения изобразить осциллограмму мощностей Р и Q, согласовав ее по фазе с осциллограммой входного напряжения. 1.2.21. Пользуясь осциллограммой, определить значения модулей мощностей Р и Q и записать результат в строку «Эксперимент» табл. 1.4 бланка отчета приложения.

Лабораторная работа № 1

37

1.2.22. По результатам эксперимента построить векторную диаграмму тока и входного напряжения. Эксперимент 3. Катушка индуктивности на переменном токе 1.2.23. Собрать схему согласно рис. 2.7. На схеме выставить согласно варианту значения L, U, f. 1.2.24. Снять показания приборов и занести значение тока I в строку «Эксперимент» табл. 1.5 бланка отчета приложения. Таблица 1.5 I

φ

Р

Расчет Эксперимент

Рис. 2.7. Исследование цепи с индуктивным сопротивлением

Q

38

Часть 2. Лабораторные работы курса «Электротехника»...

Рис. 2.8. Лицевая панель осциллографа

1.2.25. Установить настройки осциллографа согласно рис. 2.8. 1.2.26. В бланке отчета приложения изобразить осциллограмму тока и входного напряжения в цепи с индуктивным сопротивлением. 1.2.27. По разности Т2 и Т1 осциллограмм определить угол  и занести его значение в строку «Эксперимент» табл. 1.5 бланка отчета приложения. 1.2.28. Сравнить экспериментально полученные значения с расчетными значениями. 1.2.29. Собрать схему согласно рис. 2.9. На схеме выставить согласно варианту значения L, U, f. 1.2.30. Установить настройки осциллографа согласно рис. 2.4. 1.2.31. В бланке отчета приложения изобразить осциллограмму мощностей Р и Q, согласовав ее по фазе с осциллограммой входного напряжения (из-за особенностей работы программы изобразить осциллограмму мощностей Р и Q через 2 минуты после включения схемы и начала процесса моделирования). 1.2.32. Пользуясь осциллограммой, определить значения модулей мощностей Р и Q и записать результат в строку «Эксперимент» табл. 1.5 бланка отчета приложения. 1.2.33. По результатам эксперимента построить векторную диаграмму тока и входного напряжения.

Лабораторная работа № 1

39

Рис. 2.9. Измерение мощности в цепи с индуктивным сопротивлением

Эксперимент 4. RC-цепь на переменном токе 1.2.34. Собрать схему согласно рис. 2.10. На схеме выставить согласно варианту значения R, C, U, f.

Рис. 2.10. Исследование цепи с последовательно соединенными RC -элементами

40

Часть 2. Лабораторные работы курса «Электротехника»...

1.2.35. Вычислить значение входного комплексного сопротивления Z цепи. 1.2.36. Снять показания приборов. Занести значение тока I и напряжений на емкости UC и резисторе UR в строку «Эксперимент» табл. 1.6 бланка отчета приложения. 1.2.37. Установить настройки осциллографа согласно рис. 2.11.

Рис. 2.11. Лицевая панель осциллографа

1.2.38. В бланке отчета приложения изобразить осциллограмму тока и входного напряжения в цепи с последовательно соединенными RCэлементами. 1.2.39. По разности Т2 и Т1 осциллограмм определить угол  и занести его значение в строку «Эксперимент» табл. 1.6 бланка отчета приложения. Таблица 1.6 I

UC

UR

φ

Р

Q

S

Расчет Эксперимент

1.2.40. Сравнить экспериментально полученные значения с расчетными значениями. 1.2.41. Собрать схему согласно рис. 2.12. На схеме выставить согласно варианту значения R, C, U, f.

Лабораторная работа № 1

41

1.2.42. Установить настройки осциллографа согласно рис. 2.4. 1.2.43. В бланке отчета приложения изобразить осциллограмму мощностей Р и Q, согласовав ее по фазе с осциллограммой входного напряжения. 1.2.44. Пользуясь осциллограммой, определить значения модулей мощностей Р и Q и записать результат в строку «Эксперимент» табл. 1.6 бланка отчета приложения. 1.2.45. По результатам эксперимента построить топографическую диаграмму напряжений U, UC , UR на элементах цепи, указав на ней вектор тока I.

Рис. 2.12. Измерение мощности в цепи с последовательно соединенными RC-элементами

Рис. 2.13. Исследование цепи с последовательно соединенными RL-элементами

42

Часть 2. Лабораторные работы курса «Электротехника»...

Эксперимент 5. RL-цепь на переменном токе 1.2.46. Собрать схему согласно рис. 2.13. На схеме выставить согласно варианту значения R, L, U, f. 1.2.47. Вычислить значение входного комплексного сопротивления Z цепи. 1.2.48. Снять показания приборов. Занести значение тока I и напряжений на индуктивности UL и резисторе UR в строку «Эксперимент» табл. 1.7 бланка отчета приложения. 1.2.49. Установить настройки осциллографа согласно рис. 2.11. 1.2.50. В бланке отчета приложения изобразить осциллограмму тока и входного напряжения в цепи с последовательно соединенными RLэлементами. Таблица 1.7 I

UL

UR

φ

Р

Q

S

Расчет Эксперимент

1.2.51. По разности Т 2 и Т 1 осциллограмм определить угол и занести его значение в строку «Эксперимент» табл. 1.7 бланка отчета приложения. 1.2.52. Сравнить экспериментально полученные значения с расчетными значениями.

Рис. 2.14. Измерение мощности в цепи с последовательно соединенными RL-элементами

Лабораторная работа № 1

43

1.2.53. Собрать схему согласно рис. 2.14. На схеме выставить согласно варианту значения R, L, U, f. 1.2.54. Установить настройки осциллографа согласно рис. 2.4. 1.2.55. В бланке отчета приложения изобразить осциллограмму мощностей Р и Q, согласовав ее по фазе с осциллограммой входного напряжения. 1.2.56. Пользуясь осциллограммой, определить значения модулей мощностей Р и Q и записать результат в строку «Эксперимент» табл. 1.6 бланка отчета приложения. 1.2.57. По результатам эксперимента построить топографическую диаграмму напряжений U, UL, UR на элементах цепи, указав на ней вектор тока I.

Контрольные вопросы 1. Каковы основные характеристики гармонического сигнала? 2. Чем различаются понятия фазового сдвига и начальной фазы для гармонических сигналов? 3. Какова связь между действующим, средним и амплитудным значениями гармонического сигнала? 4. Для каких значений переменных сигналов (мгновенных, действующих, средних, амплитудных) справедливы законы Кирхгофа? 5. Какова связь между частотой f, периодом Т и угловой частотой? 6. Как изображается гармоническое колебание с помощью вектора? Что такое векторная диаграмма, топографическая диаграмма напряжений? 7. Как сдвинуты друг относительно друга векторы тока и напряжения для резистора, конденсатора и катушки индуктивности? 8. В чем заключается идея символического метода расчета? 9. Как изображаются гармонические токи и напряжения в комплексной форме (алгебраическая и показательная формы)? 10. Как представляются гармонические токи и напряжения на комплексной плоскости? 11. Можно ли применять все методы расчета цепей постоянного тока для расчета цепей символическим методом? 12. Что такое комплексное сопротивление конденсатора и катушки индуктивности, как записать его в алгебраической и показательной формах? 13. Как по комплексному изображению гармонического сигнала определить оригинал? 14. Какими мощностями характеризуются цепи при гармоническом воздействии? Каковы их определения? 15. Как получить осциллограмму мгновенной мощности для пассивного двухполюсника? Какова частота колебаний мгновенной мощности? 16. Как по графику мгновенной мощности определить полную, активную и реактивную мощности пассивного двухполюсника?

Часть 2. Лабораторные работы курса «Электротехника»...

44

17. Как записывается полная комплексная мощность цепи через комплексы тока и напряжения? 18. Как связана полная комплексная мощность с активной и реактивной мощностями? 19. По каким формулам можно рассчитать полную, активную и реактивную мощности? 20. Как измерить активную мощность в программе Eitctronics Workbench? 21. Как измерить фазовый сдвиг между двумя сигналами, используя осциллограф?

Лабораторная работа № 2 ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗОНАНСНЫХ СХЕМ В ЦЕПИ СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА Цель работы: исследование последовательно и параллельно соединенных RLC-элементов в цепи синусоидального тока. 2.1. Подготовка к работе • Повторить раздел «Резонанс в электрических цепях». • Повторить основные меню и элементную базу программы «Electronics Workbench», ознакомиться с принципом работы и настройки электронного осциллографа. • Выбрать согласно варианту параметры схем (табл. 2.1 и 2.2). • Рассчитать значение резонансной частоты f0. Таблица 2.1

Варианты числовых значений напряжений и индуктивности Последняя цифра зачетной книжки

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

U, B

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

L, Гн

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,6

0,7

0,8

Лабораторная работа № 2

45

Таблица 2.2

Варианты числовых значений емкостей Предпоследняя цифра зачетной книжки

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

С, мкФ

5

4

3

2

1

2

1

4

5

3

2.2. Порядок выполнения работы Эксперимент 1. Исследование последовательного колебательного контура 2.2.1. Рассчитать резонансную частоту f0. 2.2.2. Собрать схему согласно рис. 2.15. На схеме выставить согласно варианту значения L, С, U и рассчитанное значение резонансной частоты f0. Указать их на схеме в бланке отчета.

Рис. 2.15. Исследование последовательной RLC-цепи

2.2.3. Снять показания приборов и занести величины тока I и напряжений UL, UC при разных значениях частоты в табл. 2.3 бланка отчета приложения. 2.2.4. В бланке отчета приложения построить на одном графике зависимости I(f), UL(f) , UC(f), UR(f). 2.2.5. Установить настройки осциллографа согласно рис. 2.16. Таблица 2.3 Параметр I UL UC UR

0,5 f0

0,75 f0

f0

1,25 f0

2 f0

46

Часть 2. Лабораторные работы курса «Электротехника»...

Рис. 2.16. Лицевая панель осциллографа

2.2.6. В бланке отчета приложения изобразить три осциллограммы тока и входного напряжения в цепи при значениях частоты 0,5f0, f0 и 2f0. По разности Т 2 и Т 1 осциллограмм определить величину фазового сдвига цепи  и занести результаты в табл. 2.4 бланка отчета приложения. φ = (Т 2 – Т 1) . 360° . f. 2.2.7. В бланке отчета приложения по данным таблиц 2.3 и 2.4 построить на частотах f = 0,5f0, f = f0 и f = 2f0 три топографические диаграммы напряжений UL, UC, UR с вектором тока I, приняв начальную фазу тока ψi = 0. Таблица 2.4 Параметр 

0,5 f0

f0

2 f0

2.2.8. Снять амплитудно-частотную характеристику цепи с последовательно соединенными RLC-элементами, установив частоту входного напряжения f = f0. На лицевой панели измерителя АЧХ и ФЧХ включить режим «Magnitude», в зоне «Vertical» установить диапазоны F = 1, I = 0,1, а в зоне «Horizontal» установить в Гц значение частоты F = 2f0, I = 50 Гц. Лицевая панель измерителя АЧХ и ФЧХ показана на рис. 2.17.

Лабораторная работа № 2

47

Рис. 2.17. Лицевая панель измерителя АЧХ и ФЧХ

2.2.9. Установить частоту входного напряжения f = f0 и изобразить амплитудно-частотные характеристики цепи при трех значениях резистора R = 1 k Ohm/100%, R = 1 k Ohm/50%, R = 1 k Ohm/25%.

Рис. 2.18. Лицевая панель измерителя АЧХ и ФЧХ

2.2.10. Снять фазочастотную характеристику цепи с последовательно соединенными RLC-элементами, для чего на лицевой панели измерителя АЧХ и ФЧХ включить режим «Phase», в зоне «Vertical» установить диапазоны F = 90o, I = –90o, а в зоне «Horizontal» установить в Гц значение частоты F = 2f0, I = 50 Гц. Лицевая панель измерителя АЧХ и ФЧХ показана на рис. 2.18. 2.2.11. Установить частоту входного напряжения f = f0 и изобразить фазочастотные характеристики цепи при трех значениях резистора R = 1 k Ohm/100%, R = 1 k Ohm/50%, R = 1 k Ohm/25%. Эксперимент 2. Исследование параллельного колебательного контура 2.2.12. Рассчитать резонансную частоту f0. 2.2.13. Собрать схему согласно рис. 2.19. На схеме выставить согласно варианту значения L, С, U и рассчитанное значение резонансной частоты f0. Указать их на схеме в бланке отчета.

48

Часть 2. Лабораторные работы курса «Электротехника»...

Рис. 2.19. Исследование параллельной RLC-цепи

2.2.14. Установить внутренние сопротивления амперметров в цепи индуктивности L и емкости С равными 1 Ом. 2.2.15. Снять показания приборов и занести величины тока I, IL, IC при разных значениях частоты в табл. 2.5 бланка отчета приложения. Таблица 2.5 Параметр I

0,5 f0

0,75 f0

f0

1,25 f0

2 f0

IL IC

2.2.16. В бланке отчета приложения построить на одном графике зависимости I(f), IL(f) , IC(f). 2.2.17. Установить настройки осциллографа согласно рис. 2.20. 2.2.18. В бланке отчета приложения изобразить две осциллограммы тока и входного напряжения цепи соответственно при значениях частоты 0,5f0 и 2f0. По осциллограмме при этих же значениях частоты по разности Т 2 и Т 1 осциллограмм определить величину фазового сдвига цепи  и занести результаты в табл. 2.6 бланка отчета приложения. φ = (Т 2 – Т 1) . 360° . f. Таблица 2.6 Параметр



0,5 f0

2 f0

Лабораторная работа № 2

49

Рис. 2.20. Лицевая панель осциллографа

2.2.19. По данным табл. 2.5 и 2.6 построить на частотах f = 0,5f0 и f = 2f0 две векторные диаграммы токов IL, IC, I с вектором напряжения U, приняв внутренние сопротивления амперметров в цепях индуктивности и емкости равными 1 Ом. 2.2.20. Снять амплитудно-частотную характеристику цепи с параллельно соединенными RLC-элементами, установив частоту входного напряжения f = f0. На лицевой панели измерителя АЧХ и ФЧХ включить режим «Magnitude», в зоне «Vertical» установить диапазоны F = 1, I = 0,01, а в зоне «Horizontal» установить в Гц значение частоты F = 2f0, I = 50 Гц. Лицевая панель измерителя АЧХ и ФЧХ показана на рис. 2.21. 2.2.21. Изобразить амплитудно-частотную характеристику цепи в бланке отчета приложения. 2.2.22. Снять фазочастотную характеристику цепи с параллельно соединенными RLC-элементами, для чего на лицевой панели измерителя АЧХ и ФЧХ включить режим «Phase», в зоне «Vertical» установить диапазоны F = 90o, I = –90o, а в зоне «Horizontal» установить в Гц значение частоты F = 2f0, I = 50 Гц. Лицевая панель измерителя АЧХ и ФЧХ показана на рис. 2.18.

50

Часть 2. Лабораторные работы курса «Электротехника»...

Рис. 2.21. Лицевая панель измерителя АЧХ и ФЧХ

2.2.23. В бланке отчета приложения изобразить фазочастотную характеристику цепи, установив частоту входного напряжения f = f0.

Контрольные вопросы 1. Дайте определение явления резонанса в электрических цепях переменного тока. 2. Назовите условия, характеризующие возникновение в  электрической цепи явления резонанса. 3. В каких областях техники резонансные явления находят наибольшее применение? 4. В каких электрических цепях возможен резонанс напряжений? 5. В каких электрических цепях возможен резонанс токов?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. 12-е изд. М.: Юрайт, 2017. 2. Касаткин А. С. Электротехника / А. С. Касаткин, М. В. Немцов. М.: Высшая школа, 2003. 544 с. 3. Волынский В. А. и др. Электротехника / Б. А. Волынский, Е. Н. Зейн, В. Е. Шатерников: учеб. пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 2007. 528 с. 4. Штеренлихт Д. В. Электротехника и основы электроники: учеб. пособие. М.: Лань, 2016. 5. Электротехника и электроника: в 3 кн. / под ред. В. Г. Герасимова. Кн. 1. Электрические и магнитные цепи. М.: Высшая школа, 2006. 6. Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. М.: Солон-Р, 2000.

ПРИЛОЖЕНИЯ БЛАНК ОТЧЕТА. Лабораторная работа № 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАССИВНОГО ДВУХПОЛЮСНИКА В ЦЕПИ СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА Таблица 1.1

Варианты числовых значений напряжений, индуктивности и емкостей Последняя цифра зачетной книжки

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

U, B

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

L, Гн

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,6

0,7

0,8

С, мкФ

50

40

30

20

10

20

10

40

50

30

Таблица 1.2

Варианты числовых значений частоты и сопротивлений Предпоследняя цифра зачетной книжки

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

R, Ом

100

50

110

60

120

70

130

80

140

90

f, Гц

50

100

50

100

50

100

50

100

50

100

52

Приложения

Эксперимент 1. Резистор на переменном токе

Таблица 1.3 Параметр Расчет Эксперимент

I

φ

Осциллограммы

Векторная диаграмма

Р

Q

Бланк отчета. Лабораторная работа № 1

53

Эксперимент 2. Конденсатор на переменном токе

Таблица 1.4 Параметр Расчет Эксперимент

I

φ

Осциллограммы

Векторная диаграмма

Р

Q

54

Приложения

Эксперимент 3. Катушка индуктивности на переменном токе

Таблица 1.5 Параметр Расчет Эксперимент

I

φ

Осциллограммы

Векторная диаграмма

Р

Q

Бланк отчета. Лабораторная работа № 1

55

Эксперимент 4. RC-цепь на переменном токе

Расчетное значение входного комплексного сопротивления цепи: Z = Таблица 1.6 Параметр

I

UC

UR

φ

Расчет Эксперимент Осциллограммы

Векторная диаграмма

Р

Q

S

56

Приложения

Эксперимент 5. RL-цепь на переменном токе Расчетное значение входного комплексного сопротивления цепи: Z = Таблица 1.7 I

UL

UR

φ

Расчет Эксперимент

Осциллограммы

Векторная диаграмма

Р

Q

S

Бланк отчета. Лабораторная работа № 2

57

БЛАНК ОТЧЕТА. Лабораторная работа № 2. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗОНАНСНЫХ СХЕМ В ЦЕПИ СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА Таблица 2.1

Варианты числовых значений напряжений и индуктивности Последняя цифра зачетной книжки

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

U, B

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

L, Гн

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,6

0,7

0,8

Таблица 2.2

Варианты числовых значений емкостей Предпоследняя цифра зачетной книжки

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

С, мкФ

5

4

3

2

1

2

1

4

5

3

Эксперимент 1. Исследование последовательной RLC-цепи

Значения параметров цепи: U = В, L = Гн, C = мкФ Резонансная частота контура f0 = Гц

58

Приложения Таблица 2.3 Параметр I

0,5 f0

0,75 f0

f0

1,25 f0

2 f0

UL UC UR Графики зависимости I(f), UL(f) UC(f), UR(f)

0,5f0

0,75f0

f0

1,25f0

2 f0

f

Осциллограмма при f = f0

Осциллограмма при f = 0,5f0

Осциллограмма при f = 2f0

Бланк отчета. Лабораторная работа № 2

59

Таблица 2.4 Параметр φ

0,5 f0

f0

2 f0

Диаграмма при f = 0,5f0

Диаграмма при f = f0

Диаграмма при f = 2f0

АЧХ (R = 1 k Ohm/100%)

АЧХ (R = 1 k Ohm/50%)

АЧХ (R = 1 k Ohm/25%)

ФЧХ (R = 1 k Ohm/100%)

ФЧХ (R = 1 k Ohm/50%)

ФЧХ (R = 1 k Ohm/25%)

60

Приложения

Эксперимент 2. Исследование последовательной RLC-цепи

Значения параметров цепи: U = В, L = Гн, C = мкФ Резонансная частота контура f0 = Гц Таблица 2.5 Параметр I

0,5 f0

0,75 f0

f0

1,25 f0

2 f0

IL IC Таблица 2.6 Параметр

0,5 f0

2 f0

 Графики зависимости I(f), IL(f) IC(f)

0,5f0

0,75f0

f0

1,25f0

2f0

Бланк отчета. Лабораторная работа № 2 Осциллограмма при f = 0,5f0

Диаграмма при f = 0,5f0

АЧХ (R = 1 k Ohm/50%)

Осциллограмма при f = 2f0

Диаграмма при f = 2f0

ФЧХ (R = 1 k Ohm/50%)

61

ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ............................................................................................................................................ 4 Часть 1. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ПРОГРАММЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ ELECTRONICS WORKBENCH 1. Основные элементы программы ......................................................................... 5 1.1. Интерфейс ............................................................................................................ 5 1.2. Рабочее поле .....................................................................................................18 2. Работа с контрольно-измерительными приборами...................................18 2.1. Мультиметр ........................................................................................................18 2.2. Функциональный генератор .......................................................................19 2.3. Осциллограф .....................................................................................................20 2.4. Графопостроитель (Боде-плоттер) ............................................................24 2.5. Генератор слов ..................................................................................................25 2.6. Логический анализатор.................................................................................28 2.7. Логический преобразователь......................................................................29 Контрольные вопросы..................................................................................................30 Часть 2. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ КУРСА « ЭЛЕКТРОТЕХНИКА » ПО ТЕМЕ « ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА » Лабораторная работа № 1. Исследование пассивного двухполюсника в цепи синусоидального тока ..................................................31 Контрольные вопросы..................................................................................................43 Лабораторная работа № 2. Исследование резонансных схем в цепи синусоидального тока ...................................................................................44 Контрольные вопросы..................................................................................................50 Библиографический список .........................................................................................................50 Приложения Бланк отчета. Лабораторная работа № 1. Исследование пассивного двухполюсника в цепи синусоидального тока ..................................................................................................51 Бланк отчета. Лабораторная работа № 2. Исследование резонансных схем в цепи синусоидального тока ..............57