РОСЖЕЛДОР
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Ростовский государственный университет путей сообщения
(РГУПС)
В. М. Духанин
ЭЛЕКТРОНИКА
Методические указания к лабораторным работам
Ростов-на-Дону
2007
УДК 621:38
Духанин В.М. Электроника: Методические указания к лабораторным работам. – Ростов н/Д: РГУПС, 2007. -36 с.
Изложены методические указания к лабораторным работам, выполняемым в виртуальной электронной лаборатории на базе программного комплекса Electronics Workbench.
Предназначено для студентов специальностей 210700 «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте», 201000 «Многоканальные телекоммуникационные системы» и 101800 «Энергоснабжение железных дорог».
© Ростовский государственный университет
путей сообщения, 2007
Лаборатория электронных устройств
1. Цель лабораторной работы
Познакомиться с особенностями экспериментального исследования реальных электрических цепей и моделирования схем электронных устройств на ЭВМ.
После выполнения лабораторной работы студент должен уметь собирать схемы на универсальном лабораторном стенде, иметь представление об особенностях интерфейса пользователя, элементной базы и составления схем в виртуальной лаборатории, знать основы методики подготовки к экспериментальным исследованиям и требования к оформлению результатов эксперимента.
2. Содержание работы
На первом занятии преподаватель знакомит студентов с особенностями лаборатории «Электронные устройства», с общими требованиями и порядком выполнения лабораторных работ [1], с учебной литературой, справочниками и стандартами, имеющимися в библиотеке лаборатории, которыми необходимо пользоваться при самостоятельной работе, при изучении лекционного материала, при подготовке к лабораторным и практическим занятиям.
В лаборатории «Электронные устройства» при экспериментальных исследованиях используются реальный физический эксперимент и компьютерные программы, моделирующие процессы в электрических схемах. Лабораторные работы проводятся фронтальным методом, когда все студенты одновременно выполняют однотипные исследования.
При физическом эксперименте используются электрические цепи, содержащие реальные компоненты, собранные на универсальном лабораторном стенде. Исследования реальных электрических цепей проводятся как универсальными контрольно-измерительными приборами [1], так и с помощью виртуального измерительного комплекса на базе ЭВМ. В состав виртуального измерительного комплекса входят программное обеспечение и автономный процессорный блок или внутренний процессорный модуль, устанавливаемый в ЭВМ. Аппаратная часть комплекса состоит из устройств ввода-вывода аналоговых сигналов и их цифровой обработки. Входящие в состав измерительного комплекса виртуальные измерительные приборы позволяют генерировать гармонические сигналы, испытательные сигналы специальной формы и шумы, наблюдать на экране виртуального двухканального запоминающего осциллографа форму сигнала и измерять его параметры, исследовать спектральный состав сигналов и частотные характеристики реальных устройств.
Для моделирования процессов в электрических схемах и измерения параметров сигналов при выполнении лабораторных исследований используется программный комплекс Electronics Workbench (EWB) [2], представляющий собой виртуальную электронную лабораторию на базе ЭВМ, содержащую контрольно-измерительные приборы и широкий набор библиотечных компонентов от резисторов, конденсаторов, транзисторов и других компонентов до интегральных микросхем и функциональных узлов автоматики, телемеханики и связи.
Виртуальные контрольно-измерительные приборы по внешнему виду их лицевых панелей и функциональным возможностям практически совпадают с аналогичными контрольно-измерительными приборами, используемыми при реальном эксперименте. Комплекс EWB позволяет составлять схемы электронных устройств из библиотечных компонентов программы, устанавливать и корректировать параметры компонентов в соответствии с их справочными данными, проводить анализ схем на постоянном и переменном токе, исследовать статические характеристики на постоянном токе, исследовать частотные характеристики и переходные процессы, проводить спектральный анализ напряжений в различных узлах и оценивать нелинейные искажения, выполнять анализ схем при одновременном изменении параметров компонентов, параметров сигналов, температуры и др.
Специфика первого занятия состоит в том, что основные исследования проводит сам преподаватель, обучая студентов методике организации и проведения эксперимента. Поэтому, выяснив со студентами цели и задачи эксперимента, преподаватель должен рассказать об особенностях реальных исследований на универсальном лабораторном стенде и специфике моделирования схем на ЭВМ с использованием элементной базы из библиотеки виртуальной лаборатории. Следует показать на примере сходство и отличие реальных и виртуальных компонентов и контрольно-измерительных приборов.
Особенность цепей электронных устройств – наличие компонентов с нелинейными статическими вольтамперными характеристиками (ВАХ). Поэтому необходимо обратить внимание на то, что при исследовании характеристик целесообразно фиксировать результаты измерений сразу в виде точек на графике, а не чисел в таблице. Числовые значения измеряемых величин следует записывать только в тех случаях, когда использование графиков приводит к получению результатов с недопустимо большой погрешностью. Например, для расчёта дифференциального сопротивления r=dU/dI≈∆U/∆I=(U2-U1)/(I2-I1) нелинейного элемента схемы величины напряжений U2, U1 и токов I2, I1 из-за возможности появления больших погрешностей при считывании численных значений с вольт-амперных характеристик необходимо записывать по показаниям измерительных приборов, а не брать из графиков.
Следует обратить внимание студентов на то, что при изучении электроники у них, как правило, возникают трудности практического применения знаний, полученных при изучении теоретических дисциплин: физики, теоретических основ электротехники и теории электрических цепей. Поэтому при изучении теоретического материала, при подготовке к лабораторным работам и при их выполнении следует использовать учебно-методическое пособие [3], в котором в наглядной форме показаны практическое использование теории электрических цепей при анализе преобразований сигналов в электронных устройствах и методы исследования схем в виртуальной электронной лаборатории.
Самостоятельно проверить качество усвоения материала и подготовиться к защите лабораторных работ поможет учебно-методическое пособие [4], содержащее тестовые задания к программированному обучению и контролю знаний.