ЭлТехн-МетУказV1_00

ВВОДНОЕ ЗАНЯТИЕ

Цель занятия – получение общего представления о курсе «Электротехника и электроника», знакомство с лабораторным стендом в части работ по электротехнике, изучение и сдача правил техники безопасности (2 часа).

Курс «Электротехника и электроника» состоит из двух частей: курса ТОЭ и курса электроники. Курс «теоретические основы электротехники» (ТОЭ) является базовым общетехническим курсом для большинства электротехнических и электроэнергетических специальностей технических вузов. Курс ТОЭ обычно изучается два-три семестра и состоит из следующих основных частей: теории цепей (линейных и нелинейных, электрических и магнитных) и теории электромагнитного поля. Содержание курса и последовательность изложения материала в нем в целом соответствуют программе дисциплины ТОЭ для электротехнических и электроэнергетических специальностей вузов. И оно полностью соответствует стандарту дисциплины ОПД.Ф.02 (Федеральный компонент общепрофессиональных дисциплин) «Электротехника и электроника» государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 654600 – Информатика и вычислительная техника. Специальность – 230101: “Вычислительные машины, комплексы, системы и сети”. Однако, по сравнению с типовым курсом ТОЭ объем относящейся к электротехнике курса существенно сокращен. В основном это обусловлено тем, что целый ряд вопросов из общего курса ТОЭ вынесен в отдельные курсы специальных дисциплин.

В соответствии с государственным стандартом курс «Электротехника и электроника» должен содержать следующие темы:

Первая часть (ТОЭ):

основные законы теории электрических и магнитных цепей;

переходные процессы во временной области;

анализ установившегося режима в цепях синусоидального тока;

трехфазные цепи;

многополюсные цепи;

использование преобразования Лапласа для анализа цепей;

передаточная функция и ее связь с дифференциальным уравнением, с импульсной и частотными характеристиками;

дискретный спектр;

апериодические сигналы и их спектры;

11

основные понятия и математические модели теории электромагнитного поля;

Вторая часть (электроника):

схемы замещения, параметры и характеристики полупроводниковых приборов;

усилительные каскады переменного и постоянного тока;

частотные и переходные характеристики;

обратные связи в усилительных устройствах; операционные и решающие усилители;

активные фильтры;

компараторы, аналоговые ключи и коммутаторы;

вторичные источники питания, источники эталонного напряжения и тока;

цифровой ключ;

базовые элементы, свойства и сравнительные характеристики современных интегральных систем элементов;

методы и средства автоматизации схемотехнического проектирования электронных схем.

Цель первой части курса «Электротехника и электроника» состоит в том, чтобы дать студентам достаточно полное представление об электрических и магнитных цепях и их составных элементах, их математических описаниях, основных методах анализа и расчета этих цепей в статических и динамических режимах работы.

Задачи этой части курса заключаются в освоении теории физических явлений, положенных в основу создания и функционирования различных электротехнических устройств, а также в привитии практических навыков использования методов анализа и расчета электрических и магнитных цепей для решения широкого круга задач.

В результате изучения курса ТОЭ студент должен знать основные методы анализа и расчета установившихся процессов в линейных и нелинейных цепях с сосредоточенными параметрами, в линейных цепях несинусоидального тока, в линейных цепях с распределенными параметрами, основные методы анализа и расчета переходных процессов в указанных цепях и уметь применять их на практике.

Знания и навыки, полученные при изучении первой части данного курса, являются базой для освоения таких дисциплин, как теория автоматического управления, электроника, схемотехника ЭВМ, микропроцессорные системы, конструкторско-технологическое обеспечение производства ЭВМ, интерфейсы периферийных устройств, электрические измерения и т. д.

12

При изучении дисциплины предполагается, что студент имеет соответствующую математическую подготовку в области дифференциального и интегрального исчислений, линейной и нелинейной алгебры, комплексных чисел и тригонометрических функций, а также знаком с основными понятиями и законами электричества и магнетизма, рассматриваемыми в курсе физики.

Полная структура первой части курса «Электротехника и электроника», рассматриваемые в ней темы и перечень лабораторных работ приведены в памятке, приведенной в приложении А.

При подготовке лекционного курса были использованы известные учебники, сборники и пособия, а также методические разработки кафедры автоматики и вычислительных систем АлтГТУ, перечень которых приведен в списке литературы.

Все лабораторные работы по курсу выполняются с применением универсального стенда, включающего общие, специализированные модули и персональный компьютер.

Кобщим модулям стенда относятся модуль управления, модуль лабораторных источников тока и напряжения, модуль электронных компонентов (резисторов, конденсаторов и проч.), модуль измерительных генераторов и модуль измерительных приборов.

Общие модули используются при выполнении большинства ра-

бот.

Кспециализированным модулям относятся модули микропроцессора, температурного регулятора, элементов автоматики, логических элементов, операционных усилителей, транзисторных усилителей и т.д. Пока стенд находится в стадии разработки и изготовления, поэтому данные модули используются для выполнения всего нескольких работ.

Компьютер служит для моделирования электронных и электрических схем, а также для программирования микропроцессоров и управления отдельными элементами стенда. На стадии неполной готовности модулей стенда компьютер может также использоваться в качестве источника тест – сигналов.

Кроме того, для выполнения отдельных работ дополнительно выдается раздаточный материал. К нему относятся универсальные платы для макетирования электрических схем, инструмент для монтажа таких схем (пинцет, паяльник с подставкой, флюс, припой, бокорезы), радиоэлектронные компоненты, монтажный провод. В то же время часть работ может выполняться только на компьютере. Это позволяет отставшим студентам наверстать отставание за счет выполнения

13

большей части таких работ дома, либо в неспециализированных лабораториях при наличии на них соответствующего ПО.

Раздаточный материал выдается под студенческий билет на время выполнения лабораторной работы. Кроме того, наряду с данным руководством для ряда работ необходимо применять вспомогательные файлы для упрощения процесса моделирования и расчета. Эти файлы могут находиться на компьютере преподавателя, на компьютере универсального стенда, либо прилагаться к данному руководству.

При составлении отчета нужно руководствоваться предъявляемыми к нему требованиями, перечисленными при описании каждой лабораторной работы. Отчет составляется один на бригаду студентов, выполнявших работу. Каждая работа выполняется по индивидуальному заданию, выдаваемому одно на бригаду. Для работ, выполняемых только на компьютере, без использования материалов, инструментов и лабораторного оборудования, индивидуальное задание выдается каждому студенту. Главное требование к отчету – правильность содержания. Для ускорения подготовки весь материал можно делать от руки, если это будет быстрее. Все, что можно, нужно копировать в отчет из данного руководства. При этом стоит только не забывать отражать в отчете все требуемые пункты, наносить на графики и схемы всю необходимую информацию, а также указывать номер варианта задания и нумеровать страницы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Цель работы

1.Изучить основные понятия метрологии, научиться рассчитывать погрешность измерения электроизмерительным прибором различных электрических величин.

2.Изучить устройство, принцип действия, область применения электроизмерительных электромеханических приборов аналогового типа со стрелочными отсчетными устройствами и с электромеханическими счетчиками и научиться читать их шкалы.

3.Изучить принцип работы электронного осциллографа, его основные органы управления, классификационные признаки осциллографов, их основные типы и реализуемые функции.

4.Изучить способы включения основных электроизмерительных приборов: амперметра, вольтметра, тестера, электросчетчика.

14

5.Получить навыки практического измерения токов, напряжений, электрических активных сопротивлений и параметров периодических сигналов. Научиться считывать показания со шкал стрелочных приборов и с дисплеев цифровых электроизмерительного приборов.

6.Изучить и научиться применять на практике теоретический материал разделов электротехники и электрических измерений, связанных с расчетом погрешностей, возникающих из-за неидеальности свойств электроизмерительных приборов.

7.Усвоить вопросы, связанные с экспериментальным исследованием разброса номинальных значений пассивных элементов радиоэлектронной аппаратуры.

Теоретические сведения

Теоретические сведения, относящиеся к данной работе, в целом относятся к изучению основ метрологии и измерительной техники, в которых можно выделить следующие основные части:

классификация погрешностей, их основные параметры и методы расчета (общее представление);

классификация средств измерений, их основные параметры и характеристики;

принципы работы, сравнительные характеристики и области применения аналоговых и цифровых измерительных приборов, предназначенных для измерения токов и напряжений (общее представление);

сравнительная характеристика и принцип работы различных измерительных механизмов стрелочных приборов.

схемы подключения измерительных устройств для измерения токов и напряжений и метод расчета оценки погрешностей, возникающих в процессе таких измерений;

принципы работы электронных осциллографов, предназначенных для наблюдения и исследования формы электрических сигналов, виды осциллографов и его основные функциональные узлы (общее представление).

Данные сведения содержатся, например, в [5, 6], в [2] (стр.172-

179, 188-193), в [11] (стр.146-176), а также в следующих источниках:

1.Измерения в электронике. Справочник./В.Н. Кузнецов и др. 1987 (абонемент научной литературы АлтГТУ).

2.Электрические измерения (с лабораторными работами) / В.Н.Малиновский и др. под ред. В.Н.Малиновского, 1982 (читальный зал учебной литературы АлтГТУ).

15

3.Электронные копии фрагментов из трех книг по электрическим измерениям.

Используемые элементы, приборы и принадлежности

1.Стрелочный мультиметр М1015В

2.Цифровой мультиметр М300

3.Цифровой мультиметр MS8215

4.Электронный осциллограф OS-5030

5.Набор из 10 резисторов широкого применения (МЛТ-0.5, МЛТ-1 или МЛТ-2)

6.Набор прецизионных резисторов (С32 и им подобные)

7.Источник питания персонального компьютера с напряжениями

+12В, +5В,-5В, -12В

Примечание. Мультиметры М-1015В и М300 встроены в универсальный измерительный стенд.

Задание

1.Изучить работу, основные характеристики, параметры и классификацию измерительных устройств, и другие вопросы, связанные с расчетом погрешностей измерения и измерением таких электрических величин, как ток, напряжение и мощность.

2.Разобраться с назначением органов управления и основными характеристиками применяемых в работе приборов, используя их описание, приведенное в приложении Б.

3.Замерить напряжения источников питания (+5 и +12В) на различных пределах измерений с применением всех средств измерений, включая электронный осциллограф. Занести результаты измерения в первую строку таблиц 1 и 2 (соответственно для 5 и 12 В) в соответствии с информацией о типе используемого прибора, номинальном значении измеряемого напряжения, установленного на приборе пределе измерения (или масштаба шкалы для осциллографа). В этой таблице через обозначена абсолютная погрешность измерения прибора.

4.Пользуясь приведенными в приложении Б данными о метрологических характеристиках использованных в работе средств измерений, оценить абсолютную погрешность измерения ими напряжений источника питания ∆U для случаев, когда эта погрешность имеет положительный и отрицательный знак. По результатам расчета определить диапазон возможных истинных значений измеряемого напряжения для всех приборов. Выяснить, перекрываются ли эти диапазоны для всех устройств. Выделить приборы, для которых вычисленные значения диапазонов возможных истинных значений напряжения не перекрываются с диапазонами, рассчи-

16

танными для других приборов и исключить полученные для них данные из дальнейших расчетов. Из перекрывающихся диапазонов выделить главный, представляющий собой пересечение множеств значений истиной величины, задаваемых соответствующими диапазонами, вычисленными для каждого средства измерения. Результаты вычислений внести в незаполненные строки таблиц 1, 2.

5.С помощью электронного осциллографа определить размах напряжения пульсаций на выходах источников питания 5 и 12 В и зарисовать форму сигнала.

6.С помощью электронного осциллографа определить размах индустриальной помехи, действующей на входе ЭО, амплитуду и частоту ее основной гармоники и амплитуду и частоту высокочастотной помехи. Оценить погрешность измерения перечисленных параметров. Результаты измерений занести в таблицу3. Зарисовать форму сигнала.

7.Замерить по одному резистору из предоставленных для выполнения работы наборов всеми подходящими для этих целей средствами измерений. Занести результаты измерения в таблицу 1.4.

8.Замерить все резисторы во всех наборах прибором MS8215. Занести результаты измерения в таблицу 1.5. и занести результаты измерения в соответствующие колонки таблицы 1.5.

9.Найти среднее значение Rср, максимальные абсолютные ΔRс, ΔRн и относительные δRс, δRн отклонения от среднего (индекс «с») и от номинального (индекс «н») значений отдельно для каждого из двух наборов резисторов.

10.Оценить погрешность измерения токов и напряжений при различных положениях переключателей в двух электрических цепях, приведенных на рисунке 1.1. Первая цепь (рисунок 1.1а) состоит из вольтметра с внутренним сопротивлением Rд и амперметра с внутренним сопротивлением Rш, подключенных к источнику тока I с внутренним сопротивлением Rг. Вторая цепь (рисунок 1.1б) состоит из тех же самых амперметра и вольтметра, но подключенных уже к источнику э.д.с. с тем же внутренним сопротивлением Rг. Для упрощения внутренние сопротивления амперметра и вольтметра на рисунках не показаны. Для каждой схемы расчет выполнять для трех следующих, имеющих смысл, положений переключателей: 1) SI – выключен, SU – включен; 1) SI – включен, SU

– выключен и 1) SI – включен, SU – включен. Результаты расчетов занести в таблицу 1.7.

17

Указания к выполнению работы

1.Встроенный в стенд стрелочный прибор М-1015В не требует для своей работы подачи питания при измерении токов и напряжений,

Рисунок 1.1 – Схема для расчета погрешностей измерения токов и напряжения для источника тока (а) и источника напряжения (б)

поэтому часть работы с его применением можно выполнять без подачи на стенд питания.

2.Перед использованием стрелочного прибора в режиме измерения сопротивлений нужно предварительно установить на нуль его показания при закороченных выводах. Данную процедуру надо выполнять всякий раз при изменении диапазона измерения сопротивлений.

3.Перед подключением мультиметра к измерительной цепи, содержащей источник тока или напряжения, необходимо убедиться, что его переключатели установлены в положение, при котором контролируемый параметр не превысит установленного на мультиметре значения, а его тип соответствует установленному на муль-

тиметре типу. Особенно опасно, если на приборе установлен режим измерения тока, а он подключается непосредственно к ис-

точнику напряжения. В лучшем случае это приведет к перегоранию предохранителя, а в худшем – к выходу прибора из строя. При этом вся материальная ответственность за нанесенный ущерб возлагается на выполняющего работу студента.

4.При выполнении расчетов при обработке данных и решении задачи удобно воспользоваться электронной таблицей.

Содержание отчета

1.Номер варианта со всеми исходными данными.

2.Результаты измерения напряжений на клеммах источников питания для значений + 5 В и + 12 В и расчета погрешностей их измерения, сведенные в таблицы 1.1 и 1.2.

18

3.Результаты измерения параметров периодических сигналов, сведенные в таблицу 1.3. При расчете погрешностей учитывать как субъективный фактор, так и нормированные значения погрешностей измерения.

4.Результаты измерения и расчета двух наборов сопротивлений, сведенные в таблицы 1.4, 1.5.

5.Схема и исходные данные для решения задачи.

6.Результаты решения задачи, сведенные в таблицы 1.6 и 1.7. Таблица 1.1 – Результаты измерения напряжения и оценка погрешностей его измерения для выхода источника + 5В.

Диапазон (цена 1В/дел 5В/дел 10В 50В 20В 200В Авто деления)

Измеренное

-

значение

∆U >0

∆U <0

U+∆U

U+∆U

Попадает в интервал? (+/-)

Максимальное значение верхней оценки: max (U+∆U)

Минимальное значение верхней оценки: min (U+∆U)

Максимальное значение нижней оценки: max (U-∆U)

Минимальное значение нижней оценки: min (U-∆U)

Минимальное абсолютное значение интервальной оценки: min(U+∆U) – max(U-∆U)

Минимальное относительно значение интервальной оценки: (min(U+∆U) - max(U-∆U)) / (min(U+∆U) + max(U-∆U))*2

Таблица 1.2 – Результаты измерения напряжения и оценка погрешностей его измерения для выхода источника + 12 В.

Диапазон (цена

2В/дел 5В/дел 10В 50В 20В 200В Авто

деления)

Измеренное

-

значение

19

Таблица 1.3 – Результаты измерения периодических сигналов осциллографом

Примечание: Зарисовки или фотографии осциллограмм лучше вынести за пределы таблицы.

Таблица 1.4 – Результаты измерения сопротивлений сигналов различными измерительными приборами на различных диапазонах измерения

Таблица 1.5 – Результаты измерения сопротивлений наборов резисторов

Таблица 1.6 – Исходные данные для решения задачи по последнему пункту задания

Еи, В Iи, мА Rг, кОм Rш, Ом Rд, кОм

20