Краткие теоретические сведения

 

 

На начальном этапе изучения электроники и на этапе проверки работоспособности разработанных электронных схем специалистом, уже овладевшим хотя бы частью знаний электроники, весьма полезным и экономически оправданным оказывается применение программных средств моделирования электронных схем. В методическом плане и в простоте использования выделяется система Electronics Workbench (Электронный рабочий стол или верстак ), применение которой и предполагается при выполнении лабораторных работ . Запуск программ моделирования Electronics Workbench осуществляется с помощью файла WEWB 32.EXE. На экране появляется изображение монтажного стола, в верхней левой части которого располагаются друг под другом строка меню, строка пиктограмм приборов, имеющихся в единичном экземпляре, и строка пиктограмм отделов в магазине электронных компонентов. а в верхней правой части располагается изображение выключателя, с помощью которого щелчком мыши может быть включена или выключена набранная в рабочем поле экрана электронная схема. Включение схемы может осуществляться и командой Activate из пункта меню CIRCUIT ( или нажатием Ctrl + Q ), а выключение - командой Stop ( или Ctrl + T ). Приостановить работу схемы можно командой Pause ( или F9 ).

Слева в вертикально расположенной полосе имеются условные обозначения компонентов ( деталей, измерительных приборов, генераторов сигналов разной формы и с устанавливаемыми оператором параметрами, источников питания, логических элементов и узлов и т.д. ), которые содержатся в выбранном отделе магазина. Щелчком мыши на пиктограмме отдела магазина компонентов или командами с соответствующим названием в пункте меню WINDOW можно вызвать условные обозначения определённой группы компонентов.

Рабочее поле занимает основную часть экрана, на которой собирается схема. В процессе построения схемы необходимые компоненты и приборы с помощью мыши при нажатой левой клавише смещаются в рабочее поле и располагаются требуемым способом в момент отпускания клавиши. При необходимости повернуть изображение компонента на 90 градусов достаточно выделить компонент щелчком мыши и в пункте меню CIRCUIT выполнить команду Rotate ( или нажать Ctrl + R). При необходимости задания параметров компонента следует двойным щелчком на его изображении открыть соответствующее окно, которое и позволит выполнить необходимые действия. Таким же образом задаются режимы работы приборов. При подведении указателя мыши к условному обозначению вывода компонента появляется соединительная точка. Нажатие левой клавиши мыши позволяет осуществить подключение конца соединительного провода к данному выводу. Соединительная линия будет тянуться за указателем, если клавиша не отпущена. Оператор должен подвести второй конец соединительной линии к месту её подключения и отпустить в момент появления соединительной точки. Местом соединения может быть или вывод компонента, или уже имеющаяся соединительная линия. Взаимное расположение компонентов схемы и соединительных проводов можно менять с помощью мышки и левой клавиши. Предусмотрена возможность выделенные линии раскрасить с помощью команды Wire color из пункта CIRCUIT. В этом случае осциллограммы соответствующих сигналов также окажутся раскрашены.

В этой работе познакомимся с измерительными приборами и генераторами, модели которых входят в состав Electronics Workbench и которые будут использованы на лабораторных работах по электронике. Каждый прибор в схеме представлен своим условным обозначением, двойной щелчок левой клавиши мышки на котором позволяет раскрыть лицевую панель этого прибора. С помощью клавиш на панели задаются режимы работы приборов. В большинстве случаев и индикация результатов работы прибора находится на развёрнутом изображении его панели. На рисунках, сопровождающих предлагаемые ниже описания приборов, представлены условные обозначения приборов на схемах ( а ) и лицевые панели ( б ) с пояснениями назначений клавиш.

Мультиметр ( рисунок 3 ) предназначен для измерения величины тока, напряжения, сопротивления или отношения двух величин.

Функциональный генератор( рисунок 4 ) предназначен для формирования сигналов синусоидальной, пилообразной или прямоугольной формы, симметричных относительно уровня постоянного смещения (OFFSET). На выходах + и - формирует

,

Рисунок 3 – Панель мультиметра

 

относительно общего провода COM противоположные по фазе сигналы.

Рисунок 4 – Панель генератора

 

Осциллограф( рисунок 5 )позволяет наблюдать зависимость двух сигналов. подаваемых на входы каналов A и B, от времени ( режим Y/T ) или зависимость одного сигнала от другого ( режимы A/B или B/A ).

Рисунок 5 - Панель осциллографа

 

В последнем случае осциллограф выступает в качестве характериографа. Сигналы при этом подаются на входы A и B.

В осциллографе предусмотрено четыре режима синхронизации: автоматический ( AVTO ), от сигнала на входе канала A, от сигнала на входе канала B и внешняя синхронизация от сигнала, подаваемого на специальный вход. Порог срабатывания или уровень синхронизации устанавливается при необходимости клавишами LEVEL. Желательно перед включением схемы выбрать масштаб по времени, соизмеримый с периодом ожидаемых сигналов. Если увеличить масштаб экрана нажатием клавиши ZOOM, то появится возможность точного измерения времени и напряжения с помощью цветных вертикальных меток.

Измеритель частотных характеристик( рисунок 6 ) предназначен для измерения в заданном диапазоне частот амплитудно-частотной или фазо-частотной характеристик испытываемой схемы. При этом на схему должен подаваться сигнал с какого-либо генератора, вход схемы следует подключить к входу измерителя IN, а выход - к входу измерителя OUT. На экране отражается общий вид измеряемой характеристики. Для точного измерения значений параметров в отдельных точках следует пользоваться меткой, изображаемой на экране в виде вертикальной черты, положение которой меняется с помощью клавиш со стрелками, расположенными в нижней части панели.

При этом текущая частота и значение измеряемого параметра отражаются в соответствующих окнах панели.

Рисунок 6 – Панель измерителя частотных характеристик

 

Для представленных ниже приборов предлагаются лишь условные обозначения на схемах, двойным щелчком мыши на которых можно вывести на экран соответствующую панель с целью установки параметров прибора.

Вольтметр (рисунок 7, а ) позволяет измерять постоянное напряжение или действующее значение переменного напряжения и располагается как компонент в отделе Indicator.

 

 

Рисунок 7 – Вольтметр и амперметр

Амперметр( рисунок 7, б ) позволяет измерять величину тока и располагается в отделе Indicator. Количество используемых вольтметров и амперметров может быть больше единицы. Расположение выводов можно менять командой Rotate.

Источники питанияимеются в магазине компонентов в разделе Passive. Обратим внимание на наличие генераторов постоянного ( рисунок 8, а ) и переменного ( рисунок 8, б ) напряжения и генераторов постоянного ( рисунок 8, в ) и переменного ( рисунок 8, г ) тока.

Рисунок 8 – Источники питания

 

В изучаемых программных средствах имеются модели управляемых источников питания или преобразователей ( рисунок 9 ) типа “напряжение/ напряжение” ( а ), “напряжение/ток” ( б ), “ток/ напряжение” ( в ) и “ток/ток” ( г ). Наличие таких компонентов позволяет легко моделировать схемы измерения статических характеристик полупроводниковых приборов или строить их модели.

Рисунок 9 - Преобразователи

 

Динамические свойства электронных схем анализируются при воздействии на вход периодических прямоугольных импульсов или при воздействии гармонического сигнала. В первом случае измеряются длительности фронтов и времена задержки выходных сигналов, а во втором - измеряются амплитудно- и фазо-частотные характеристики цепи.

В электронных схемах широкое применение находят интегрирующая ( рисунок 10, а ) и дифференцирующая ( рисунок 10, б ) цепи, динамические свойства которых изучим, используя программные средства.

Рисунок 10 – Интегрирующая и дифференцирующая цепи

 

Для этих цепей определяют постоянную времени t = R*C и граничную частоту f гр = 1/2pt, на которой коэффициент передачи интегрирующей цепи уменьшается на 3 дБ или до уровня 1/Ö2 » 0, 707 по сравнению с коэффициентом на нулевой частоте, равным единице. Для дифференцирующей цепи равный единице коэффициент передачи наблюдается на частоте, стремящейся к бесконечности, а на граничной частоте он уменьшается на 3 дБ.

В цифровой технике широкое применение находят транзисторные ключи, выходной сигнал которых принимает всего два значения напряжения, одно из которых принимается за логический нуль ( например, U 0 £ 0,4 В ), а второе значение принимается за логическую единицу ( например, U 1 ³ 2,4 В ). На рисунке 11 предложено простейшее схемное решение транзисторного ключа, импульсные

Рисунок 11 – Транзисторный ключ

 

параметры и статическую передаточную характеристику которого рассмотрим в этой работе.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Формирование и измерение параметров сигналов.

Собрать предложенную на рисунке 12,а схему. Задать параметры функционального генератора с учётом требований таблицы 1.

Скважность - отношение периода импульсов T к длительности импульса Tи : S = T/Tи . Процент заполнения, требуемый при установке параметров генератора, определится из выражения:

100/ S %.

а. Измерьте с помощью осциллографа период и длительность

Таблица 2.

№ бригады
частота, кГц
амплиту-да, В
скваж-ность, S 1,5 2,5 2,5

 

Рисунок 12 - Схемы для экспериментов

 

прямоугольных импульсов, рассчитайте частоту этих сигналов.

б. Попытайтесь измерить длительности фронтов формируемых импульсов, максимально изменяя временной масштаб осциллографа.

в. Задайте другие возможные формы сигнала генератора и наблюдайте их на экране.

г. Измените цвет соединительной цепи схемы и опишите, что при этом изменилось.

д. Измените уровень смещения генератора и объясните изменения, наблюдаемые на экране осциллографа. При ненулевом смещении измените режим работы входной цепи осциллографа на “AC” и объясните поведение прибора.

е. Подключите второй канал осциллографа к второму выходу генератора, задайте режим формирования гармонического сигнала. Что при этом показывает осциллограф?

ж. Меняя режим работы осциллографа добейтесь того, чтобы изображение сигнала канала A располагалось в верхней половине экрана, а канала B - в нижней. При этом смещение генератора должно быть равно нулю, а по обоим входам осциллографа установите режим “DC”.

 

 

2. Изучение динамических свойств электронных схем.

 

В данной работе изучаются динамические свойства интегрирующей и дифференцирующей цепи и транзисторного ключа. В предыдущем пункте устанавливалась определённая длительность импульса Tи в соответствии с заданной скважностью. Считая, что сопротивление резистора в анализируемых цепях равно 1 Ком, необходимо рассчитать ёмкость конденсатора для интегрирующей и дифференцирующей цепи с учётом неравенства: 3t£ Tи .

2.1. Измерение импульсных параметров цепей.

Для измерения импульсных параметров цепей в общем случае может использоваться предложенная на рисунке 10,б схема. В этой схеме вместо элемента SCH можно включать любую цепь, способную передать на выход импульсный сигнал. Для осциллографа выбирается режим Y/T, то есть режим наблюдения зависимости сигналов от времени. Синхронизируется осциллограф от сигнала с генератора, который формирует прямоугольные импульсы. Выполнить необходимо следующие пункты задания:

а. Измерьте длительности фронтов и задержки для интегрирующей цепи, объясните её поведение.

б. Изменяя частоту импульсного сигнала в широких пределах относительно заданного в таблице 1 значения, проконтролируйте и объясните поведение интегрирующей цепи.

в. Измерьте длительности фронтов и задержки для транзисторного ключа ( рисунок 13 ), выбрав модель реального транзистора с учётом предложения преподавателя.

2.2. Измерение частотных свойств электронных схем.

Чтобы измерить частотные свойства цепей достаточно в схему рисунок 10,б подключить измеритель частотных характеристик с учётом требований на его подключение. Функциональный генератор настройте на режим выдачи гармонического сигнала. Выполнить необходимо следующие пункты задания:

а. С помощью осциллографа определить поведение интегрирующей цепи на двух частотах: f гр и 10*f гр , то есть измерить амплитудные значения входного и выходного сигналов и задержку выходного сигнала относительно входного. Рассчитать с использованием полученных результатов коэффициент передачи и фазовую задержку в градусах.

б. Измерьте амплитудно-частотную характеристику интегрирующей цепи, точно определив коэффициент передачи на трёх частотах: 0,001 Гц, f гр и 10*f гр . Сравните результаты с результатами предыдущего пункта.

в*. Измерьте фазовую задержку интегрирующей цепи на отмеченных выше частотах и сравнить результат с полученным в пункте а.

г. Повторите предложенные в пунктах а, б, в эксперименты над дифференцирующей цепью.

3. Измерение статических характеристик электронных схем.

При измерении статических характеристик осциллограф используется в режиме A/B или B/A, то есть в режиме характериографа. Желательно, чтобы развёртка по горизонтальной оси осциллографа осуществлялась от входного сигнала изучаемой схемы, а по вертикальной оси - от выходного.

3.1. Измерение передаточной характеристики.

Передаточной характеристикой в статике называют зависимость выходного напряжения от входного. Схема измерения передаточной характеристики предложена на рисунке 10,б. Но при применении её для указанной цели необходимо изменить режим работы осциллографа.

а. Измерьте передаточную характеристику транзисторного ключа ( рисунок 9 ) и объясните его поведение. При каком входном напряжении обеспечивается равенство входного и выходного сигналов?

б. Измерьте передаточную характеристику какого-либо логического элемента серии ТТЛ, имеющегося в магазине компонентов. Сравните с результатами предыдущего пункта.

3.2. Измерение входной характеристики.

Входная характеристика - зависимость входного тока от входного напряжения. Схема измерения входной характеристики транзисторного ключа предложена на рисунке 13.

а. Измерьте входную характеристику транзисторного ключа. Определите максимальную величину входного тока.

Рисунок 13 – Схема для измерения входной характеристики

 

Использованный в схеме преобразователь входного тока I в напряжение U, которое подаётся на вход B осциллографа, обладает программируемым коэффициентом преобразования: H = U/I. Единицей измерения этого коэффициента будет Ом. Если необходимо получить при токе в 1 мА выходное напряжение в 1В, то H = 1В/!мА = 1000 Ом. Именно такой коэффициент передачи следует установить для этого преобразователя. Тогда при масштабе по вертикали канала B осциллографа в 2В на деление масштаб по току ( а именно ток на входе элемента SCH будет вызывать смещение по вертикали в режиме работы осциллографа B/A ) окажется равен 2 мА на деление.

б. Измерьте входную характеристику логического элемента из магазина компонентов серии ТТЛ. Определите максимальную величину входного тока.

 

Требования к отчёту по работе

 

В отчёте должно быть название работы, цель, наименование выполняемого пункта задания, схема эксперимента, результаты в виде копий экрана с определением масштабов по осям, числовые результаты, необходимые при выполнении работы расчётные соотношения, результаты расчётов, выводы как по каждому пункту, так и при сравнении результатов при выполнении нескольких пунктов, если это оговорено заданием. Пункты задания, помеченные звёздочкой, выполняются, если это сочтёт необходимым преподаватель или если студенты захотят это выполнить в добавление к остальным пунктам.

 

Контрольные вопросы

 

1. Какой командой можно восстановить схему в ее первоначальном виде после вне­сенных изменений?

2. Какой командой можно скопировать изображение схемы в отчет по лаборатор­ной работе, подготавливаемый в текстовом редакторе Word?

3. Какой командой можно присвоить компоненту позиционное обозначение (С1, С2, R1 и т.д.) и какое правило используется при присвоении позиционных обо­значений однотипных компонентов?

4. Какими командами можно изменить цвет проводника и для чего это нужно?

5. Каким образом на схеме обозначаются контрольные точки (номера узлов), для чего они нужны и в каких случаях их нужно знать?

6. Каким образом можно менять шрифт символов и его атрибуты?

7. Какая команда используется для установки параметров моделирования общего характера?

8. Какая команда используется для задания параметров моделирования переходных процессов?

9. Какая команда используется для задания параметров расчета частотных характеристик?