лабораторные работы на NI ELVIS

ИПУ Digital Multimeter можно использовать для широкого круга задач. В данном пособии знаком DMM[X] мы будем обозначать измерение параметра X. Нажмите кнопку [Ω] для использования функции цифрового омметра DMM[Ω]. Произведите измерения R1, R2 и R3. Нажав на кнопку [-| |-] и используя те же проводники, измерьте емкость конденсатора с помощью функции DMM[C]. Заполните следующую таблицу:

Среднее значение вычисляется по формуле:

ср = ∑ ,

где xi – значение в параллельном опыте; n – число параллельных опытов.

Насколько хорошо измеренное значение согласуется с вычисленным?

*Примечание. При использовании электролитических конденсаторов убедитесь, что положительный контакт конденсатора присоединен к положительному токовому вводу DMM, и затем нажмите кнопку electrolytic в

режиме DMM[C].

Упражнение 1.2. Создание схемы делителя напряжения на макетной плате

Используя два резистора R1 И R2, соберите следующую схему на макетной плате NI ELVIS. Резистор считается соединенным с другим резистором, если один из его контактов расположен рядом с контактом другого на макетной сетке по горизонтали (в качестве примера далее по тексту приводится фотография схемы на макете). Для соединения резисторов с источником питания и землей используются идущие в комплекте проводники.

Входное напряжение V0 подается с контакта [+5 V], а общий провод присоединяется к контакту [Ground] (земля) NI ELVIS. Внешние проводники присоедините к входам напряжения (HI) н (LO) цифрового мультиметра на лицевой панели рабочей станции NI ELVIS.

Примечание. NI ELVIS имеет различные входные контакты для проведения измерений напряжения и импеданса/тока.

Проверьте схему и включите напряжение питания макетной платы, переводя выключатель питания Power в верхнее положение. После этого должны загореться светодиодные индикаторы +15V, -15V и +5V.

Примечание. Если какой-либо из этих индикаторов не загорелся, в то время как другие горят, то, вероятно, перегорел предохранитель этой линии.

Присоедините проводники, идущие с лицевой панели DMM, к V0 и измерьте входное напряжение с помощью DMM[V]. Из теории электрических цепей известно, что напряжение V1 должно равняться R2/(R1+R2) * V0. Используя измеренные значения R1, R2 и V0, вычислите V1. Затем с помощью ИПУ DMM[V] измерьте реальное напряжение V1.

Сравните вычисленное значение V1 со средним значение этого напряжения измеренным при помощи ИПУ. Повторите эти же расчеты и измерения для делителей напряжения с R1 = 2,2 кОм; R2 = 1МОм и R1 = 1 кОм; R2 = 1 МОм. Результаты расчетов сведите в таблицу:

Насколько хорошо измеренное значение согласуется с вычисленным?

Упражнение 1.3. Использование цифрового мультиметра для измерения тока

Из закона Ома следует, что ток I, текущий в использованной выше схеме равен V1/R2. Таким образом, измерив значения V1 и R2. можно вычислить этот ток. Теперь давайте выполним непосредственные измерения. Для этого подключите внешние проводники к токовым (Current) входам DMM HI и LO на лицевой панели рабочей станции.

Остальные подключения выполните в соответствии с показанной ниже схемой.

Выберите функцию DMM[A—] и произведите измерения тока. Таблица 3

Насколько хорошо измеренное значение согласуется с вычисленным?

Упражнение 1.4. Наблюдение переходной характеристики RC-цепи

Конденсатор представляет собой электроэлемент, который накапливает электричество в форме электрического поля. Когда к конденсатору прикладывается постоянное напряжение, электроны покидают одну обкладку конденсатора и скапливаются на другой обкладке под действием внешней силы напряжения. Это приводит к заряду конденсатора до напряжения, равного приложенному напряжению.

Положительный заряд на одной обкладке конденсатора и отрицательный заряд на другой обкладке конденсатора создают сильное электрическое поле между обкладками в диэлектрике. Такой заряд удерживается даже в том случае, если источник напряжения отсоединяется. Конденсатор может разряжаться соединением его выводов друг с другом для нейтрализации заряда на обкладках.

Зарядка и разрядка конденсатора до определенного напряжения занимает конечный период времени (называемый постоянной времени τ); это время зависит в основном от емкости конденсатора и включенного последовательно сопротивления и вычисляется по формуле:

τ = RC

Время, которое требуется конденсатору, чтобы полностью зарядиться до приложенного напряжения или полностью разрядиться до нуля, приблизительно равно пятикратной постоянной времени, то есть 5τ.

Соберите RC-цепь, как показано на рисунках ниже. В ней используется схема делителя напряжения, в которой резистор R1 заменен на резистор R3 (сопротивлением 1 МОм), a R2 заменен на конденсатор С емкостью 1 мкФ. Проводники на лицевой панели рабочей станции снова присоедините к входам напряжения (Voltage) DMM и выберите функцию DMM[V].

Примечание. Первая версия рабочей станции NI ELVIS имеет ограниченный входной импеданс (1 МОм) канала DMM. Для считывания правильных значений напряжения в данном упражнении необходимо согласовать входное напряжение. Простейшее решение этой задачи - использование повторителя, выполненного на базе операционного усилителя (ОУ) на полевых транзисторах. В будущих версиях NI ELVIS это ограничение будет устранено. Обратите внимание, что эта проблема не возникает при использовании входных аналоговых каналов DAQ платы.

После подачи питания в схему напряжение на конденсаторе будет возрастать экспоненциально. Включите питание и понаблюдайте за изменением напряжения на индикаторе DMM. Увеличение напряжения займет примерно 5 секунд, после чего достигнет равновесного состояния V0. После обесточивания схемы напряжение на конденсаторе экспоненциально спадет до 0 вольт.

Интересно было бы понаблюдать такую переходную характеристику на графике зависимости напряжения на конденсаторе от времени.

Для того чтобы четко увидеть этапы разрядки и зарядки простейшей RCцепи на нее подают прямоугольный сигнал. При этом отклик будет иметь вид:

Такой тип возбуждения схемы - прямоугольным сигналом - позволяет четко увидеть этапы зарядки и разрядки простейшей RC-цепи.

Используя законы Кирхгофа, легко показать, что напряжение заряда конденсатора Vc имеет следующую временную зависимость:

= (1 − exp(− ),

а напряжения разряда

=exp(− ).

Когда напряжение конденсатора станет равным э. д. с. источника энергии, зарядный ток прекратится. В электрическом поле конденсатора за счет энергии внешнего источника будет запасена энергия

2

Как, используя график циклов заряда/разряда конденсатора, найти постоянную времени цепи?

Рассчитайте постоянную времени схемы и время, которое требуется для полной разрядки конденсатора, и запишите Ваши данные в таблицу:

Далее, используя исходное напряжение источника питания, определите величину напряжения, до которого разрядится конденсатор за одну постоянную времени.

при R=1 Мом, C = 1 мкФ, U(τ) = ___________ В

и так для трех схем включения.

Примечание: перед тем как повторять эксперимент, удаляйте резистор и полностью разряжайте конденсатор, прежде чем приступать к каждому дополнительному измерению.

Соблюдайте полярность при подключении электролитического конденсатора.

Приложите измерительные выводы к выводам конденсатора, свободный конец резистора присоедините к выводу +5В источника питания. В момент присоединения запустите Ваш секундомер или начните отсчет времени при помощи секундной стрелки Ваших часов. Когда напряжение на конденсаторе начнет расти, замечайте его величину. Когда напряжение на конденсаторе достигнет значения, которое Вы рассчитали (U(τ)), заметьте время по секундомеру или по секундной стрелке. Запишите это значение в качестве измеренной постоянной времени в таблицу 4.

Затем измерьте время полной зарядки конденсатора.

Поскольку измерение τ в зависимости от параметров RC цепи может оказать затруднительным, то можно измерять время полной зарядки 5τ, а затем делить полученное значение на 5.

Подобные измерения и расчеты можно повторить для случая, когда входное напряжение составляет +15В.

Лабораторная работа №2

Цель работы: исследование влияния температуры на сопротивление резисторов.

Теоретическая часть

При замыкании электрической цепи, на зажимах которой имеется разность потенциалов, возникает электрический ток. Свободные электроны под

влиянием электрических сил поля перемещаются вдоль проводника. В своем движении свободные электроны наталкиваются на атомы проводника и отдают им запас своей кинетической энергии.

Таким образом, электроны, проходя по проводнику, встречают сопротивление своему движению. При прохождении электрического тока через проводник последний нагревается.

Электрическим сопротивлением проводника (оно обозначается латинской буквой r или R) обусловлено явление преобразования электрической энергии в тепловую при прохождении электрического тока по проводнику.

За единицу сопротивления принят 1 Ом. Ом часто обозначается греческой прописной буквой Ω (омега). Поэтому, вместо того чтобы писать: «Сопротивление проводника равно 15 ом», можно написать просто: r = 15 Ω.

(1 кОм, или 1 к Ω; 1 МОм, или 1 MΩ).

Прибор, обладающий переменным электрическим сопротивлением и служащий для изменения тока в цепи, называется реостатом. Как правило, реостат изготовляется из проволоки того или иного сопротивления, намотанной на изолирующем основании. Ползунок или рычаг реостата ставится в определенное положение, в результате чего в цепь вводится нужное сопротивление.

Длинный проводник малого поперечного сечения создает току большое сопротивление. Короткие проводники большого поперечного сечения оказывают току малое сопротивление.

Если взять два проводника из разного материала, но одинаковой длины и сечения, то проводники будут проводить ток по-разному. Это показывает, что сопротивление проводника зависит от материала самого проводника.

Температура проводника тоже оказывает влияние на его сопротивление. С повышением температуры сопротивление металлов увеличивается, а сопротивление жидкостей и угля уменьшается. Только некоторые специальные металлические сплавы (манганин, константан, никелин и др.) с увеличением температуры своего сопротивления почти не меняют.

Полупроводникии — материалы, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения. Основным свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с ростом температуры

Термистор представляет собой устройство, сделанное из полупроводникового материала и имеющее два выходных провода. Он имеет нелинейную зависимость выходного сопротивления и обладает отрицательным температурным коэффициентом. Термисторы являются идеальным выбором для измерения температуры в широком динамическом диапазоне и успешно применяются в схемах сигнализаторов перегрева.

Удельное электрическое сопротивление, или просто удельное сопротивление вещества характеризует его способность проводить электрический ток.

Единица измерения удельного сопротивления в СИ — Ом·м; также измеряется в Ом·см и Ом·мм²/м. Физический смысл удельного сопротивления в СИ: сопротивление однородного куска проводника длиной 1 м и площадью токоведущего сечения 1 м².

В технике часто применяется в миллион раз меньшая производная единица: Ом·мм²/м, равная 10−6 от 1 Ом·м: 1 Ом·м = 1×106 Ом·мм²/м. Физический смысл

удельного сопротивления в технике: сопротивление однородного куска проводника длиной 1 м и площадью токоведущего сечения 1 мм2.

Величина удельного сопротивления обозначается символом ρ (ро).

Сопротивление проводника с удельным сопротивлением ρ, длиной l и

площадью сечения S может быть рассчитано по формуле: .

Интерактивные панели управления (ИПУ), используемые в данной лабораторной работе

Цифровой омметр DMM[Ω] и цифровой вольтметр DMM[V], а также API ПИП.

Компоненты, используемые в данной лабораторной работе

Резистор R1 номиналом 10 кОм (коричневый, черный, оранжевый)

Термистор RT сопротивлением 10 кОм

Задание 2.1

Измерьте сопротивление резисторов в зависимости от температуры.

Запустите NI ELVIS, выберите функцию Digital Multimeter и нажмите кнопку Ohms, или произведите измерения с использованием мультиметра. Сначала