|
|
Изучение лабораторного оборудованияСтр 1 из 9Следующая ⇒ и методов измерения параметров
Цель работы: изучение аппаратных и программных средств, на базе которых выполняются лабораторные работы, изучение способов применения измерительных приборов и их моделей для измерения напряжений, токов, амплитудных и временных параметров импульсных и гармонических сигналов, для измерения основных параметров источников ЭДС, электрических схем, логических элементов.
Общие сведения 1. Универсальные стенды-конструкторы на лицевой панели содержат условные обозначения элементов, которые помещены за лицевой панелью, причем стенд позволяет при необходимости менять элементную базу, а некоторые логические элементы коммутируются электронным путем и требуют при этом только замены карты с условными обозначениями и дополнительной коммутации с помощью проводов для их перенастройки. Универсальные стенды-конструкторы содержат следующие В левой части стенда имеется стрелочный измерительный прибор магнитоэлектрической системы, позволяющий в зависимости от положения переключателя режима работы измерять напряжение постоянного тока в пределах до 20 В, 10 В, 2 В, напряжение переменного тока до 40 В, 20 В, 4 В, постоянный ток до 20 мА и до 2 мА. Подлежащее измерению напряжение следует подавать на гнезда, помеченные символом U В с учетом полярности. Для измерения тока имеются также соответствующие гнезда. Схема построена так, что цепь тока не разрывается и в случае, когда прибор не поставлен в режим измерения именно этого тока. Стрелочный прибор является микроамперметром, который подключается с помощью резисторов для измерения напряжения или тока. При расчетах этот микроамперметр заменяется схемой замещения, которая представляет последовательную цепь собственно микроамперметра с известным максимальным измеряемым током I max
а) б)
в) г)
Рис. 1.1. Схемы вольтметра (а) и его условное обозначение (б) и амперметра (в) с условным обозначением (г)
В схеме вольтметра R 1 – дополнительный резистор, сопротивление которого определяет диапазон измерения U Д. При максимальном напряжении через микроамперметр должен течь максимальный для микроамперметра ток I max. Поскольку внутреннее сопротивление микроамперметра включено последовательно с внешним добавочным резистором с сопротивлением R 1, по закону Ома справедливо равенство: U Д = I max (R 1 + R вн). В схеме амперметра R 2 – шунт, который пропускает через себя основную часть измеряемого тока и определяет диапазон измерения по току I Д. При максимальном измеряемом токе через микроамперметр должен течь ток I max,а через шунт должен течь ток, равный разности: I Д- I max. При этом падение напряжения на резисторе R 2 будет равно произведению I max и внутреннего сопротивления микроамперметра R вн. В левой части стенда имеются также катушка индуктивности L 1, две катушки индуктивности L 2и L 3, две линии задержки, имитирующие длинные линии, с указанными на панели временем задержки t з и волновым сопротивлением ρ, тумблеры включения питания +5 В и ±12 В, резисторы для работы с линиями задержки, два конденсатора емкостью 0,33 и 0,68 мкФ, генератор гармонического и импульсного сигнала с возможностью изменения амплитуды A выходного гармонического сигнала и частоты выходных сигналов f. Формируемые этим генератором импульсы имеют уровень логического нуля, близкий к нулю В, а уровень логической единицы, близкий к +5 В. Под генератором расположены четыре тумблера, формирующие логические уровни нуля U 0 £ 0,4 В (нуль вольт или напряжение, меньшее 0,4 В) и единицы U 1 ³ 2,4 В (напряжение положительной полярности, большее 2,4 В), что соответствует логическим уровням элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). В верхней части стенда имеются элементы световой индикации, выполненные на основе светодиодов с красным свечением. Эти элементы предназначены для индикации логического состояния входного цифрового сигнала. Если светодиод светится, то на входном гнезде индикаторного элемента присутствует уровень логической единицы. Обратите внимание на свечение светодиода в том случае, когда вход элемента свободен. Это говорит о том, что свободный вход используемых в стенде элементов ТТЛ воспринимается как вход, на который подается уровень логической единицы. Если на входное гнездо подать уровень логического нуля (соединив его коммутационным проводом, например, с общим проводом стенда), то светодиод не будет светиться. Рядом с индикаторами имеются тумблеры выключения питания этих элементов. В центральной части стенда имеются карточки с условными обозначениями элементов, спрятанных за лицевой панелью. Расположенные по краям этих карточек (парами) гнезда позволяют коммутационными проводами осуществлять коммутацию этих элементов. Между собой каждые два гнезда, образующие пару, соединены внутри, что расширяет возможности коммутации деталей и элементов. Функциональный состав крайней правой карточки может меняться путем замены карточки и настройкой внутренней схемы с помощью одного-двух проводов на выбранную карточку. На карточке указаны цепи необходимой коммутации. В нижней части стенда имеются потенциометры сопротивлением примерно 680 Ом, два связанных с общим проводом стенда источника разнополярного напряжения E 1 > 0 В и E 2 < 0 В, конденсаторы с емкостями в 240 пФ и 1 мкФ. В процессе испытания цифровых схем в статике (т.е. состояния входных переменных задаются с невысокой частотой, вручную, например) на лабораторном стенде входные переменные задаются с тумблеров, расположенных в нижней части стенда, а выходные сигналы подаются на элементы световой индикации, расположенные в верхней части стенда, причем верхнее положение тумблеров принято за единицу, нижнее положение соответствует логическому нулю. Тумблеры включены таким образом, что с верхних гнезд снимаются значения переменных, а с нижних - отрицания переменных. С помощью кнопок Кн1, Кн2, Кн3 задаются синхронизирующие сигналы на испытываемые узлы. В отличие от тумблеров кнопки снабжены антидребезговыми схемами. Нажатие на кнопку равносильно подаче уровня логической единицы. В центре в нижней части стенда имеется генератор взаимосвязанных импульсных сигналов с выходами F, F 2, F 4, F 8, F 16, которые формируют логические уровни ТТЛ. На выходе F наблюдаются импульсы с максимальной частотой, примерно равной 1 МГц. Временные диаграммы формируемых сигналов подобны предложенным на рис. 1.2 сигналам. Временные диаграммы – способ изображения поведения электрических сигналов во времени. Поскольку генератором формируются цифровые сигналы, соответствующие двоичной системе счисления, в изображении сигналов используются два четко различимых уровня напряжения, один из которых принимается за логический нуль (U 0), а другой – за логическую единицу (U 1). Можно заметить, что поведение сигналов F 16, F 8, F 4, F 2соответствуют работе счетчика импульсов, который считает число импульсов генератора F, причем сигнал F 16 соответствует старшему разряду, а F 2 – младшему. При исходном состоянии 0000 после первого импульса сигнала F состояние меняется на 0001, после второго – на 0010 и так далее (проверьте правильность сказанного, записав последующие состояния отмеченных сигналов и переведя двоичный код в десятичный для каждого состояния). В правом нижнем углу стенда имеется резервный генератор импульсов с уровнями ТТЛ, помеченный символом f. Источники питания стенда включаются с помощью переключателя на боковой стенке стенда. Непосредственно на стенд требуемые напряжения питания 5 и 12 В подаются тумблерами в левом нижнем углу стенда.
Рис. 1.2. Временные диаграммы цифровых сигналов генератора стенда
Для наблюдения формы сигналов, для измерения длительности фронтов и задержек сигналов, для построения временных диаграмм, для измерения амплитудных параметров сигналов используется осциллограф, у которого в качестве экрана часто выступает электронно-лучевая трубка. Электронно-лучевая трубка содержит электронную пушку, которая формирует управляемый сфокусированный поток электронов. Пушка располагается перпендикулярно экрану, на внутренней стороне которого нанесен люминофор. Под действием падающих в вакууме электронов люминофор светится, что видит оператор с другой стороны стеклянного экрана. Для управления электронным лучом в осциллографе с электронно-лучевой трубкой используются горизонтально и вертикально отклоняющие электронный луч пластины, которые управляются с помощью усилителей двух каналов: горизонтального и вертикального отклонения луча (рис. 1.3). Если на все отклоняющие пластины подается нулевое напряжение, то светящаяся точка формируется в идеальном случае точно посередине экрана. Если на левую горизонтально отклоняющую пластину (см. рис. 1.3) подается отрицательное напряжение, а на правую подается положительное напряжение, то луч во время движения
Рис. 1.3. Структура осциллографа
Канал горизонтального отклонения луча (канал развертки, канал X) представляет генератор пилообразного напряжения, осуществляющий периодическое смещение луча по горизонтали, формируя ось времени. Меняя положение соответствующего переключателя, можно менять скорость изменения пилообразного сигнала, тем самым менять масштаб по времени. Для получения устойчивого изображения необходимо согласовать момент начала развертки, т.е. начала формирования пилообразного сигнала, с моментом прихода на канал вертикального отклонения луча (канал Y) нарастающего или спадающего (активный фронт определяется положением соответствующего переключателя на лицевой панели осциллографа) фронта исследуемого сигнала. Фронт – интервал времени, в течение которого цифровой сигнал меняет свое состояние на противоположное. Если сигнал меняет состояние с уровня логического нуля на более высокое напряжение, соответствующее уровню логической единицы, то фронт нарастающий, а при изменении состояния с единицы на ноль – фронт спадающий. Длительности фронтов малы и на временных диаграммах часто изображаются как идеальные, не имеющие продолжительности по времени, как показано на временных диаграммах Если необходимо измерить временные соотношения нескольких импульсных сигналов между собой, время задержки сигналов в двух разных точках схемы относительно друг друга, необходимо использовать режим внешней синхронизации. При этом один из сигналов, формируемых в исследуемой схеме, подается на вход X. Момент прихода фронта именно этого сигнала определяет момент запуска генератора пилообразного напряжения. Если при этом по очереди на вход Y подавать сигналы с разных точек схемы, то с учетом масштаба по времени они будут на экране осциллографа располагаться именно в том порядке, который действительно существует в исследуемой схеме. Синхронизацию целесообразно осуществлять от сигнала минимальной частоты. Для удобства измерения временных и амплитудных параметров наблюдаемых сигналов на экране ЭЛТ присутствует специальная сетка. Положение ручек задания масштаба по горизонтали (ось времени) и по вертикали (ось напряжения) определяют цену деления этой сетки. Современные осциллографы имеют возможность измерения амплитудных и временных параметров наблюдаемых на экране сигналов с помощью специальных меток: линий, располагающихся горизонтально с возможностью изменения их положений при измерении уровней напряжения, и линий, располагающихся вертикально с возможностью изменения их положений при измерении временных параметров. Осциллограф позволяет измерять амплитудно-временные параметры как аналоговых, так и цифровых сигналов, полоса пропускания осциллографа обычно простирается от нуля Гц, т.е. с его помощью можно измерять и постоянное напряжение. При подаче на вход канала вертикального отклонения луча относительно корпуса осциллографа постоянного напряжения наблюдается смещение горизонтальной линии (формируемой на экране в процессе развертки, т.е. в процессе работы генератора пилообразного напряжения) вверх при положительном напряжении или вниз при отрицательном напряжении. Определив величину отклонения горизонтальной линии с помощью масштабной сетки экрана и умножив полученную величину на масштаб по вертикали, легко оценить величину подаваемого на вход напряжения в вольтах. Учитывая сказанное, следует обратить внимание на то, что осциллограф измеряет напряжение. Если необходимо использовать осциллограф для измерения величины тока, можно использовать косвенный метод измерения. При этом в цепь измерения тока включается последовательно низкоомный резистор с известным сопротивлением, а с помощью осциллографа или с помощью вольтметра измеряется падение напряжения на этом резисторе. После измерения величина тока рассчитывается по закону Ома. В некоторых осциллографах предусматривается специальный режим работы (режим характериографа), при котором положение луча по горизонтали зависит не от напряжения с выхода генератора пилообразного напряжения, а от величины внешнего электрического напряжения, подаваемого на канал горизонтального отклонения луча, т.е. если на входе X в режиме характериографа подается напряжение, то положение луча по горизонтали будет зависеть как от величины этого напряжения, так и от полярности этого напряжения относительно корпуса осциллографа. Подавая на вход горизонтального отклонения входной сигнал какой-либо электрической схемы, а на вход вертикального отклонения выходное напряжение этой же схемы и меняя входное напряжение схемы, можно с помощью осциллографа измерить зависимость выходного напряжения от входного, т.е. измерить статическую передаточную функцию схемы. Статическая передаточная функция не учитывает зависимость выходного сигнала от быстрых изменений входного сигнала. Чтобы автоматизировать процесс измерения и на экране наблюдать положение не отдельных точек, а непрерывную функцию, достаточно на вход изучаемой схемы и на горизонтальную развертку осциллографа подать периодический с небольшой частотой пилообразный или синусоидальный сигнал. Возможности осциллографа при наблюдении сигналов расширяются, если использовать двухканальный осциллограф. При этом, синхронизируя осциллограф от одного из наблюдаемых сигналов, можно измерить задержку второго сигнала относительно первого, не используя внешнюю синхронизацию. На рис. 1.4 предложены условное обозначение инвертора, т.е. логического элемента, выполняющего операцию «Отрицание» над входной переменной x, и возможная картина сигналов, формируемая на экране двухканального осциллографа при измерении его динамических свойств. Фронты в предложенном случае показаны в виде наклонных линий, похожих на реальные.
Рис. 1.4. Условное обозначение инвертора и временные
При измерении с помощью осциллографа динамических свойств цифровых элементов или узлов обращается внимание на длительности фронтов включения При нуле на входе инвертор формирует на выходе уровень логической единицы. При изменении состояния входного сигнала на единичное выходной сигнал устанавливается в нулевое состояние через время задержки Современные осциллографы выводят числовую информацию на экран и обеспечивают автоматическую синхронизацию при наличии входных периодических сигналов. При выполнении работы используется двухканальный осциллограф типа АСК-21103. Фотография лицевой панели осциллографа предлагается на рис. 1.5.
Рис. 1.5. Лицевая панель осциллографа
Осциллограф имеет два входных разъема для подачи изучаемых сигналов на каналы вертикальной развертки CH 1 и CH 2 и разъем для внешней синхронизации EXT/TRIG. Каждый канал содержит потенциометры смещения положения луча по вертикали, помеченные двунаправленными в вертикальном направлении стрелками. Эти переключатели имеют три состояния, которые индици-руются на экране. Чтобы подать ноль на вход канала, надо поста-
а) б) в)
Рис. 1.6. Символы режимов работы переключателей
Если переключатели перевести в режим измерения постоянного тока (рис. 1.6, б), то подача положительного напряжения на вход канала будет вызывать смещение горизонтальной линии относительно установленного нулевого положения вверх на величину, пропорциональную напряжению и установленного переключателем масштаба по вертикали выбранного канала, помеченного символом «V /ДЕЛ». Эти переключатели определяют число В, приходящихся на одно деление величиной в 1 см по вертикали. Измерив число делений, на которое отклонилась горизонтальная линия, и умножив на масштаб по вертикали, который указывается для каждого канала в нижней части экрана, можно измерить величину постоянного напряжения на входе. Отрицательное напряжение вызывает смещение вниз относительно исходного положения линии. В режиме измерения переменного тока (рис. 1.6, в) на входе канала помещается конденсатор, который не пропускает постоянное напряжение, но пропускает переменное напряжение на канал вертикального отклонения луча. При этом входной сигнал помещается вблизи начального положения луча. Положение сигнала по горизонтали и масштаб по времени Переключатель «ВЕРТ. РЕЖИМ» позволяет с помощью дополнительных клавиш, расположенных правее экрана, вывести на экран информацию первого (CH 1), второго (CH 2) или обоих (DUAL) каналов. Переключатель «ИСТОЧНИК ЗАП.» позволяет определить, от какого сигнала с какого канала производится развертка, т.е. запуск генератора пилообразного сигнала: от первого, второго канала или каждый канал запускает развертку самостоятельно, независимо от другого. В этом режиме нельзя определить правильное взаимное расположение во времени сигналов относительно друг друга. При использовании клавиши автоматического поиска и синхронизации сигналов «АВТОУСТ.» именно в этом режиме оказывается осциллограф. Поэтому необходимо выбрать, от какого канала будет происходить синхронизация осциллографа, если хотите наблюдать правильное расположение изображений сигналов на экране. С помощью потенциометра «КУРСОР» и клавиш «∆V / ∆T» и «ВЫБОР» на экран можно вывести вертикально (при измерении временных интервалов) или горизонтально (при измерении величины напряжения) расположенные пары линий, положением которых можно управлять, и таким образом выводить в верхней строчке экрана значения измеренных напряжений или интервалов времени. Выводится и значение частоты сигнала, если настроиться на измерение периода сигнала. 2. Программы моделирования электронных схем «Electronics Workbench» (Электронный рабочий стол, или верстак) отличаются простотой освоения, использования, наглядностью, позволяют моделировать как аналоговые, так и цифровые схемы. Кроме того, эти программы позволяют моделировать и компоненты аналого-цифровой техники (аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи), причем при моделировании элементов цифровой техники возможно использование моделей логических элементов, выполненных с использованием разных базовых схем и технологий. При выполнении лабораторных работ используется пятая версия программы. Но позволительно использовать и последние версии упомянутого продукта, имеющие, быть может, другие названия. При запуске программы на экране появляется изображение монтажного стола, 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 Analyses (или нажатием Ctrl + Q), а выключение – командой Stop (или Ctrl + T). Приостановить работу схемы можно командой Pause (или F 9). Рабочее поле занимает основную часть экрана, на которой собирается схема. Непосредственно над рабочим полем располагаются папки моделей цифровых и аналоговых элементов, компонентов, приборов, устройств индикации. На рис. 1.7 предложена часть изображения монтажного стола, на рабочем поле которого показано содержание основных библиотек моделей электронных компонентов, приборов, индикаторов, которые будут использоваться в лабораторных работах.
Рис. 1.7. Изображение части монтажного стола и содержание
В процессе построения схемы необходимые компоненты и приборы из выбранной библиотеки 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 Чтобы не возникли проблемы при моделировании, необходимо в каждой собранной схеме иметь хотя бы одну точку, соединенную с символом «Общий». В данной работе предполагается, что студенты осваивают материал в процессе работы за компьютером, поэтому многие особенности применения программ моделирования осваиваются самостоятельно или с помощью преподавателя. Минимальная информация об отдельных используемых приборах и компонентах будет предложена в описаниях лабораторных работ. Оформление отчета удобно вести с помощью текстового редактора Microsoft Word параллельно с выполнением работы путем перетаскивания в отчет набранных в Electronics Workbench схемных Познакомимся с измерительными приборами и генераторами, модели которых входят в состав Electronics Workbench и которые будут использованы на лабораторных работах. 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 развернутом 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 (рис. 1.8) предназначен для измерения величины тока, напряжения, сопротивления или отношения двух величин.
Рис. 1.8. Мультиметр
Функциональный генератор (рис. 1.9) предназначен для фор-мирования сигналов синусоидальной, пилообразной или прямоугольной формы, симметричных относительно уровня постоянного смещения (OFFSET). На выходах + и – формирует относительно
Рис. 1.9. Функциональный генератор Осциллограф (рис. 1.10)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).
Рис. 1.10. Осциллограф
В последнем случае осциллограф выступает в качестве характериографа. Сигналы при этом подаются на входы A и B, а на экране строится зависимость одного входного сигнала от другого. В осциллографе предусмотрены 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 (рис. 1.11) предназначен для измерения в заданном диапазоне частот амплитудно-час-тотной (АЧХ) или фазочастотной (ФЧХ) характеристик испытываемой схемы, т.е. зависимости амплитуды выходного сигнала или фазы от частоты. При этом на схему, частотные свойства которой подлежат изучению, должен подаваться сигнал с какого-либо генератора, вход схемы следует подключить ко входу измерителя IN, а выход – ко 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.
Рис. 1.11. Измеритель 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 (рис. 1.12, а) позволяет измерять постоянное напряжение или действующее значение переменного напряжения и располагается как компонент в отделе Indicator. Амперметр (рис. 1.12, 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.
Рис. 1.12. Вольтметр (а) и амперметр (б)
Источники питания имеются в магазине компонентов в разделе Sources. Обратим внимание на наличие генераторов постоянного и переменного напряжения (рис. 1.13, а и б, соответственно) и генераторов постоянного и переменного тока (рис. 1.13, в и г, соответственно).
а) б) в) г)
Рис. 1.13. Генераторы постоянного и переменного напряжения и тока
В изучаемых программных средствах имеются модели управляемых источников питания или преобразователей (рис. 1.14) 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.
а) б) в) г)
Рис. 1.14. Модели измерительных преобразователей
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 измеряют реакцию схемы на гармонический сигнал с изменяемой частотой, т.е. изучают частотные свойства схемы. Порядок выполнения работы
Работасостендом   Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...  Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...  Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...  ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры... Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
|
(спадающий фронт, показывающий процесс формирования на выходе уровня логического нуля) и выключения 
(нарастающий фронт выходного сигнала, фронт формирования на выходе уровня логической единицы) элемента, на время задержки распространения сигнала при включении 
и при выключении 
. Процедуры измерения указанных динамических параметров инвертора показаны на рис. 1.4.
