Исследование простейших электрических цепей постоянного тока

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
изменяет траекторию и сместится вправо относительно центра в сторону положительно заряженной пластины на величину, пропорциональную разности приложенных напряжений, т.е. светящаяся точка сместится вправо относительно центра. Если к горизонтально отклоняющим пластинам приложить пилообразный сигнал, то точка сместится от крайнего левого положения к крайнему правому положению со скоростью изменения сигнала. Если в это время с выходов канала вертикального отклонения луча подается меняющееся во времени напряжение, то на экране останется светящийся след, форма которого повторяет поведение входного сигнала на интервале времени роста пилообразного сигнала.

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
рис. 1.2. Согласование (или синхронизация) осуществляется с помощью подстройки уровня запуска специальной ручкой и применением одного из способов синхронизации: внутренняя и внешняя синхронизация. Режим синхронизации осциллографа определяется положением соответствующего переключателя. Для осуществления внешней синхронизации на вход канала горизонтального отклонения луча (вход X) необходимо подать запускающий импульс. По положительному или отрицательному фронту этого импульса (в зависимости от положения соответствующего переключателя) запускается генератор пилообразного напряжения. В режиме внутренней синхронизации наблюдаемый на экране сигнал, подаваемый на вход Y канала вертикального отклонения луча, внутри осциллографа поступает на запуск канала развертки. В этом режиме можно измерять амплитудные и временные параметры только того сигнала, который в данный момент поступает на вход Y.

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
диаграммы его работы

При измерении с помощью осциллографа динамических свойств цифровых элементов или узлов обращается внимание на длительности фронтов включения (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.

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 . Скорость, с которой изменяется состояние цифрового сигнала, определяется продолжительностью нарастающего и спадающего фронта .

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 CH1 и CH2 и разъем для внешней синхронизации EXT/TRIG. Каждый канал содержит потенциометры смещения положения луча по вертикали, помеченные двунаправленными в вертикальном направлении стрелками.
С их помощью можно определить начальное положение луча, которое может считаться за уровень нулевого сигнала по этому каналу. Чтобы при этом не отключать входной сигнал от разъема, предусмотрены специальные переключатели, расположенные ниже упомянутых ручек потенциометров смещения по вертикали.

Эти переключатели имеют три состояния, которые индици-руются на экране. Чтобы подать ноль на вход канала, надо поста-
вить переключатель в режим, помечаемый символом заземления (рис. 1.6,а).

а) б) в)

Рис. 1.6. Символы режимов работы переключателей
входов каналов

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
определяется положением переключателя «ВРЕМЯ/ДЕЛ» и ручки потенциометра смещения по горизонтали, помеченной двунаправленной стрелкой в горизонтальном положении. С помощью этого потенциометра во многих случаях целесообразно располагать изображение сигналов так, чтобы с левой стороны экрана видеть начало изображения. Масштаб по времени выводится в верхнем правом углу экрана и определяет число миллисекунд, микросекунд или наносекунд, которые приходятся на интервал примерно в 1 см по горизонтали.

Переключатель «ВЕРТ. РЕЖИМ» позволяет с помощью дополнительных клавиш, расположенных правее экрана, вывести на экран информацию первого (CH1), второго (CH2) 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 F9).

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
некоторых библиотек

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
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 ее 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. Выделенные после двойного щелчка правой клавишей мышки линии можно раскрасить. В этом случае осциллограммы соответствующих сигналов также окажутся раскрашены.

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
решений и результатов моделирования. Сопроводительный текст может быть выполнен в том же редакторе или написан от руки на
оставленном при печати месте. При копировании результатов моделирования можно воспользоваться командой Copybits (или Ctrl + I) из пункта меню Edit.

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.

б)

а)

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
общего провода COM противоположные по фазе сигналы.

а)

б)

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).

а)

б)

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.

б)

а)

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.

а)

б)

Рис. 1.12. Вольтметр (а) и амперметр (б)

Источники питанияимеются 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.

Исследование простейших электрических цепей постоянного тока

Закон Ома, или соотношение между силой тока, напряжением и сопротивлением, был открыт Георгом Омом в 1827 г. Закон Ома утверждает, что ток в электрической цепи прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению цепи. Это может быть выражено следующим образом:

где I – ток в амперах; U – напряжение в вольтах; R – сопротивление в омах.

Если две из этих трех величин известны, то третья всегда
может быть определена. Закон Ома справедлив для любого участка цепи и может применяться в любой момент времени.

В последовательной цепи (рис. 2.1,а) через всю цепь течет один и тот же ток:

I = I_R1= I_R2= I_R3=…= I_Rn.

а) б)

Рис. 2.1. Последовательная (а) и параллельная (б) цепи

Полное напряжение, приложенное к последовательной цепи, равно сумме падений напряжений на отдельных нагрузках (сопротивлениях) цепи:

U= U_R1 + U_R2+ U_R3+…+ U_Rn.

Общее сопротивление последовательной цепи равно сумме отдельных сопротивлений цепи:

R = R1 + R2 + R3 +…+ Rn.

В параллельной цепи (рис. 2.1,б) одинаковое напряжение прикладывается к каждой ветви цепи:

U= U_R1 = U_R2= U_R3=…= U_Rn.

Полный ток в параллельной цепи равен сумме токов отдельных ветвей цепи.

Величина, обратная полному сопротивлению, равна сумме обратных величин сопротивлений отдельных ветвей:

1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 +…+ 1/Rn.

Общее сопротивление параллельной цепи всегда меньше, чем наименьшее из сопротивлений отдельных ветвей.

Первый закон Кирхгофа можно сформулировать двояко:

· алгебраическая сумма токов в узле (узловой точке) равна нулю;

· сумма втекающих в узел токов равна сумме вытекающих из узла токов.

Основой для этого закона является тот факт, что носители заряда движутся по замкнутому пути под действием ЭДС, нигде не накапливаясь в течение сколь-либо продолжительного времени.

Второй закон Кирхгофа также формулируется двумя способами:

· в любом замкнутом контуре алгебраическая сумма падений напряжения равна алгебраической сумме источников ЭДС, входящих в этот контур;

· в любом замкнутом контуре алгебраическая сумма напряжений равна нулю.

Под напряжением в этом случае понимается как падение напряжения на компоненте схемы под действием протекающего тока, так и напряжение на выводах источников ЭДС, входящих в данный контур.

При определении неизвестных величин в цепи целесообразно придерживаться следующих правил:

1) нарисуйте схему цепи и обозначьте все известные величины;

2) проведите расчеты для эквивалентных цепей и перерисуйте цепь;

3) рассчитайте неизвестные величины.

Кроме силы тока, напряжения и сопротивления, существует четвертая величина, играющая важную роль при анализе электрических цепей. Эта величина называется мощностью.

Мощность – это скорость, с которой совершается работа. Мощность расходуется только при подключении цепи к источнику. Мощность прямо пропорциональна и току, и напряжению.

Мощность измеряется в ваттах. Ватт – это произведение напряжения в 1 В и тока в 1 А. Соотношение между мощностью, напряжением и током может быть записано следующим образом:

,

где Р – мощность в ваттах; I – ток в амперах; U – напряжение в вольтах.

Резистивные элементы цепи потребляют мощность. Для определения мощности, потребляемой элементом цепи, надо умножить падение напряжения на этом элементе на ток, протекающий через него, или воспользоваться следующими выражениями: или .

Полная мощность, потребляемая последовательной или параллельной цепью, равна сумме мощностей, потребляемых отдельными элементами. Это может быть выражено следующим образом:

P= P_R1 + P_R2+ P_R3+…+ P_Rn.

В любой электрической цепи должен соблюдаться баланс мощностей: алгебраическая сумма мощностей всех источников энергии должна равняться сумме мощностей всех приемников энергии.

Порядок выполнения работы.Работасостендом