Федеральное агентство рф по связи и информатизации

ГОУ ВПО «Сибирский государственный университет

телекоммуникаций и информатики»

Уральский технический институт связи и информатики (филиал)

Е. С. Тарасов основы теории цепей

Методические указания по выполнению лабораторной работы по теме: «Изучение реальных элементов цепей, с помощью лабораторно установки NI ELVIS» для студентов всех форм обучения направлений

550400 Телекоммуникации и

654200 Радиотехника

Екатеринбург 2010

1. Цель работы:

Ознакомление с методикой проведения основных измерений, осуществляемых при прохождении лабораторного практикума, а также с устройством лабораторной установки NI ELVIS.

2. Литература.

2.1. Бакалов В.П. Основы теории цепей: Учебник для вузов/ В.П.Бакалов, В.Ф. Дмитриков, Б.И. Крук. – М.: Радио и связь, 2007.

3. Основное оборудование.

3.1. Лабораторная установка NI ELVIS.

3.2.Осциллограф С1-73.

3.3. Персональный компьютер с программой виртуальных приборов «NI ELVISmx Instrument Launcher».

4. Подготовка к работе.

4.1. Повторить правила пользования осциллографом.

4.2. Повторить правила работы с лабораторной установкой NI ELVIS.

4.3. Повторить порядок работы с программой виртуальных приборов «NI ELVISmx Instrument Launcher»

4.4. Изучить описание лабораторной работы и продумать методику проведения экспериментов.

4.5. Выполнить задания из пункта «Расчетная часть».

4.6. Ответить на контрольные вопросы.

5. Задание.

5.1. Расчетная часть.

5.1.1. Для последовательной RC-цепи рассчитать сдвиг фаз между током и приложенным напряжением на частотах 5 кГц, 10 кГц, 15 кГц, 20 кГц. Значение R и С узнать у преподавателя.

5.1.2. Вывести формулу для определения внутреннего сопротивления генератора R₀ по результатам измерений, по схеме 1.18.

5.2. Экспериментальная часть.

5.2.1. Подготовка к работе.

1. Включить компьютер.

2. Зайти под учетной записью «student». Пароль «student».

3.На задней панели включить питание лабораторной установки NI ELVIS.

4. Включить питание макетной платы. Кнопка находиться у правого верхнего угла платы.

5. На компьютере, с рабочего стола, запустить программу виртуальных приборов «NI ELVISmx Instrument Launcher». Должно открыться окно, показанное на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Линейка виртуальных приборов для лабораторной установки NI ELVIS.

5.2.2. Изучение работы с виртуальным мультиметром.

1. В программе «NI ELVISmx Instrument Launcher» запустить виртуальный мультиметр, нажав на кнопку DMM. Появиться окно мультиметра, показанное на рисунке 1.2.

2. По рисунку 1.2 изучить органы управления виртуального мультиметра.

Окно выбора устройства, с которого подается сигнал

Окно выбора пределов измерения

Схема подключения мультиметра к NI ELVISE

Кнопки выбора режима работы

Экран мультиметра

Включение мультиметра

Выключение мультиметра

Значение предела измерения

Рисунок 1.2 – Окно виртуального мультиметра.

5.2.3. Измерение сопротивления резистора.

1. Собрать на макетной плате схему измерения, показанную на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 – Схема измерения сопротивления резистора

Для этого необходимо выполнить следующее:

1. Исследуемый резистор установить одним выводом на шину «+», а вторым на шину «-».

2. Согласно схеме подключения (рисунок 1.4) сигнал для мультиметра снимается с группы гнезд DMM «V и COM». На данной лабораторной установке эти гнезда соединены с двумя гнездами «BANANA», соответственно разъем «V» подключен к разъему «BANANA А», а разъем «COM» подключен к разъему «BANANA В». В свою очередь, разъемы «BANANA» выведены на гнезда левого блока гнезд «Terminal Strips», обозначенный «Р2». Разъем «BANANA А» выведен на 38 ряд гнезд, подписанный «BANANA А», разъем «BANANA В» выведен на 39 ряд гнезд, подписанный «BANANA В». Таким образом, проводниками, необходимо соединить 38 ряд гнезд с вертикальной шинной «+», куда включен один вывод резистора, и 39 ряд гнезд, с вертикальной шиной «-», куда включен второй вывод резистора.

В результате на макетной плате должна получиться схема, показанная на рисунке 1.4.

Рисунок .1.4 - Схема измерения для определения сопротивления резистора, с помощью лабораторной установки NI ELVIS и виртуального мультиметра.

2. Определить сопротивление установленного резистора. Для этого, виртуальный мультиметр, переключить в режим измерения сопротивления, нажав на кнопку «Ω». Затем, включить мультиметр, нажав кнопку «Run». В результате, на экране мультиметра появиться результат измерения (рисунок 1.5).

3. Внести полученные показания в таблицу 1.1 строка «Измеренное значение»

Рисунок 1.5 – Настройка мультиметра и измерения сопротивления.

Таблица 1.1

Элемент	R1, кОм	R2, кОм	R3, кОм	R4, кОм	R5, кОм
Номинальное значение
Измеренное значение

4. Аналогичным способом произвести измерения еще 4 – х резисторов, полученных у преподавателя, и занести результаты в таблицу 1.1.

5. По маркировке резисторов определить номинальные значения сопротивлений и внести эти данные в таблицу 1.1 в строку «Номинальное значение».

6. По таблице 1.1 сделать вывод о точности проведения измерения.

5.2.4. Изучение работы с виртуальным генератором.

1. В программе «NI ELVISmx Instrument Launcher» запустить виртуальный генератор, нажав на кнопку FGEN. Появиться окно генератора, показанное на рисунке 1.6.

2. Изучить назначение органов управления функциональным генератором, с помощью рисунка 1.6.

Изменение постоянного напряжения

Выбор типа модуляции сигнала

Включение колебания с изменяющейся частотой

Выбор шага изменения частоты

Рисунок 1.6 – Назначение органов управления виртуального генератора.

5.2.5. Изучение работы с виртуальным осциллографом.

1. В программе «NI ELVISmx Instrument Launcher» запустить виртуальный осциллограф, нажав на кнопку Scope. Появиться окно осциллографа, показанное на рисунке 1.7.

2. Изучить назначение органов управления виртуальным осциллографом с помощью рисунка 1.7.

Рисунок 1.7 – Назначение органов управления виртуального осциллографа.

5.2.6. Измерение параметров гармонических колебаний, с помощью виртуальных приборов.

1. На лабораторной установке NI ELVIS собрать схему, показанную на рисунке 1.8.

Рисунок 1.8 – Схема измерения для определения параметров сигнала

Для этого, необходимо соединить проводниками следующие гнезда макетной платы:

1. На левом блоке гнезд «Terminal Strips», обозначенный «Р2», 33 ряд гнезд, подписанный «FGEN», с первым рядом гнезд, подписанный, как «AI 0 +». Тем самым соединяется информационный провод генератора «FGEN» с информационным проводом нулевого канала осциллографа.

2. На этом же блоке гнезд соединить 53 ряд гнезд, подписанный «GROUND», со вторым рядом гнезд, подписанных как «AI 0 -». Тем самым соединяются общие провода генератора и нулевого канала осциллографа.

В результате на макетной плате должна получиться схема, показанная на рисунке 1.9.

Рисунок 1.9 - Схема измерения для определения параметров сигнала, с помощью лабораторной установки NI ELVIS и виртуального осциллографа.

2. На виртуальном генераторе установить параметры выходного колебания f = 20кГц и U = 3В.

Для этого, необходимо сделать следующее:

1. Открыть окно виртуального генератора, или активизировать его, если оно открыто.

2. С помощью ручки «Frequency» установить частоту колебания 20 кГц. Для этого наведите курсор мышки на ручку, нажать на левую кнопку мыши, и, не отпуская ее, начинать плавно перемещать мышку. При этом ручка будет вращаться, а в окошке «Hz», расположенное под ручкой, будет изменяться значение частоты (рисунок 1.10). Установить частоту можно и по-другому. Для этого, необходимо выделить мышкой значение частоты в окне «Hz» и с клавиатуры ввести необходимое значение.

Рисунок 1.10 – Настройка частоты и амплитуды генератора.

с. С помощью ручки «Amplitude» установить амлитуду колебания 3В. Принцип установки амплитуды колебания, аналогичен установки частоты. При этом необходимо учитывать, что на генераторе устанавливается не сама амплитуда, а размах сигнала, т. к. около значения амплитуды стоит обозначение «Vpp». Следовательно, что бы получить амплитуду напряжения 3В, необходимо установить на генераторе значение 6В. Внешний вид настроенного генератора показан на рисунке 1.10.

d. Заполнить строку «Расчетные данные» в таблице 1.2.

Таблица 1.2

Параметр		f, кГц	Т, мкс	Um, В	Uр, В
Расчетные данные
Экспериментальные данные	Виртуальный осциллограф
	Реальный осциллограф

3. Настроить виртуальный осциллограф для измерения.

Для этого, необходимо выполнить следующее:

1. Открыть окно виртуального осциллографа, или активизировать его, если оно открыто.

2. В окне «Source», где по умолчанию написано «Scope CH 0» нажать на стрелочку и выбрать «AI 0». Тем самым определяется, что сигнал для канала «CH 0» будет сниматься с гнезд макетной платы «AI 0».

3. Все остальные органы управления остаются без изменений (рисунок 1.11).

Рисунок 1.11 – Настройка виртуального осциллографа.

4. Определить параметры колебания.

Для этого, необходимо выполнить следующее:

1. Включить виртуальный генератор, для этого необходимо нажать на кнопку «Run». В результате, в верхней части окна генератора появиться значение частоты колебания (рисунок 1.12).

Рисунок 1.12 – Включение генератора.

2. Включить виртуальный осциллограф, аналогично, включению генератора. В результате, в поле экрана осциллографа должен появиться сигнал (рисунок 1.13).

Рисунок 1.13 – Включение осциллографа.

c. Поворотом ручки «Time/Div» получаем синусоиду. Что бы остановить движение синусоиды необходимо нажать кнопку «Stop» (рисунок 1.14).

d. По полученному изображению определяем параметры колебания. Частота и размах напряжения показаны под изображением колебания, соответственно параметры «Freg» и «vp-p» (рисунок 1.14). Для определения периода необходимо включить курсор, поставив галочку «Cursors On» в левом нижнем углу экрана осциллографа. При этом, у левой стороны экрана осциллографа появится линия (рисунок 1.15). После этого, необходимо навести курсор мышки на курсор осциллографа, и, нажав левую кнопку мыши, повести курсор в необходимую точку осциллограммы. Желтая надпись «dT», под экраном осциллографа, покажет время относительно начала экрана (рисунок 1.15). Таким образом, отмечая две точки на осциллограмме, путем не сложных вычислений, можно определить период.

5. Нарисовать в масштабе осциллограмму и показать на ней следующие параметры: Т, U_p, U_m. Написать показания ручек осциллографа «Tim/Div» и «Volts/Div»

6. Заполнить строчку «Виртуальный осциллограф» таблицы 1.2.

7. После проведения всех измерений виртуальные приборы можно закрыть.

Рисунок 1.14 – Настройка синусоидального колебания.

Рисунок 1.15 – Включение курсора виртуального осциллографа.

5.2.7. Измерение параметров колебания с помощью реального осциллографа.

1. На лабораторной установке NI ELVIS собрать схему, показанную на рисунке 1.8.

Для этого, необходимо соединить проводниками следующие гнезда макетной платы:

1. На левом блоке гнезд «Terminal Strips», обозначенный «Р2», 33 ряд гнезд, подписанный «FGEN», с 43 рядом гнезд, подписанный, как «BNC 1 +». Тем самым соединяется информационный провод виртуального генератора «FGEN» с информационным проводом разъема BNC1, который соединен со входом канала «Х» (канала А) реального осциллографа.

2. На этом же блоке гнезд соединить 53 ряд гнезд, подписанный «GROUND», со 44 рядом гнезд, подписанных как «BNC 1 -». Тем самым соединяются провода заземления генератора и проводом заземления разъема BNC1, который соединен со входом канала «Х» (канала А) реального осциллографа.

В результате на макетной плате должна получиться схема, показанная на рисунке 1.16.

Рисунок 1.16 – Схема измерения для определения параметров сигнала, с помощью лабораторной установки NI ELVIS и реального осциллографа.

2. Настройка реального осциллографа.

1. Переключатель «РЕЖИМ», которых находиться в поле управления каналами «А» и «В», установить в положение «А», что обозначает, что сигнал на экране будет выводиться с канала «А».

2. На блоке «СИНХРОНИЗАЦИЯ» переключатель «РЕЖИМ» установить в положение «АВТО», а переключатель «ИСТОЧНИК» в положение «А».

3. Изменяя положение переключателей «ВРЕМЯ/ДЕЛ» и «ВОЛЬТ/ДЕЛ» для канала «А», добиться четкого изображения синусоиды.

3. Найти параметры колебания и занести результаты в таблицу 2 в строчку «Реальный осциллограф».

5.2.8. Сделать вывод по результатам выполнения пунктов 5.2.6 – 5.2.7.

5.2.9. Определение внутреннего сопротивления генератора.

1. Схема для исследования представлена на рисунке 1.17. Необходимо определить внутреннее сопротивление генератора R₀. Для этого, сначала необходимо измерить сопротивление резистора R₂, как описано в пунктах 4.2 – 4.3.

Р исунок 1.17 – Схема измерения, для определения сопротивления.

2. На макетной плате лабораторной установки NI ELVIS необходимо собрать схему, показанную на рисунке 1.17. Для этого необходимо выполнить следующее:

1. Установить резистор R₁, одним выводом на шину «+», а вторым на шину «-».

2. Подключить виртуальный генератор, согласно рисунку 1.18. Подключение генератора к схеме описано в пункте 4.6.

3. Подключить мультиметр. Подключение мультиметра описано в пункте 4.3.

4. После сборки, на макетной плате должна получиться схема, показанная на рисунке 1.18.

BANANA A-39

BANANA A-38

Общий провод

R₁

Е

V

Рисунок 1.18 - Схема измерения для определения сопротивления, с помощью лабораторной установки NI ELVIS и реального осциллографа.

3. Запустить виртуальный генератор и мультиметр.

4.Настроить генератор на частоту f=5кГц и напряжение U=3В.

5. Включить мультиметр на измерение переменного напряжения, нажав на кнопку, как показано на рисунке 1.19.

Рисунок 1.19 – Переключение мультиметра в режим измерения переменного напряжения.

6. Включить генератор и мультиметр.

7. По результатам измерения, а так же по выведенной дома формуле, рассчитать сопротивление резистора R₁.

8. Определить номинальное значение сопротивление резистора R₁ и сделать вывод, почему расчетное (измеренное) значение сопротивления резистора R₁ и номинальное не совпадают.

5.2.10. Измерение разности фаз, с помощью реального осциллографа.

1. Для измерения разности фаз на макетной плате необходимо собрать схему, показанную на рисунке 1.20.

Рисунок 1.20 – Схема измерения для определения сдвига фаз.

1. Установить резистор R, одним выводом на шину «+», а вторым на блок гнезд, которые находятся справа от шин «+» и «-». Каждая строка этого блока имеет запараллеленные гнезда, т. е. 5 гнезд одного ряда являются одной точкой. Каждая вертикаль этого блока подписана буквой (А, B, C, D, E, F, G, H, I, J). Допустим, второй вывод резистора будет установлен в 20 ряд на вертикаль А.

2. Установить конденсатор С. Один его вывод должен быть соединен с выводом резистора R. Поэтому подключим этот вывод в 20-ый ряд, допустим, в вертикаль Е. Другой вывод можно включить в любой другой ряд. Допустим в 27-ой ряд вертикаль Е.

3. Подключить виртуальный генератор. Информационный провод необходимо подключить к резистору R, а общий к конденсатору, согласно рисунку 1.20. Подключение генератора к схеме описано в пункте 5.2.6.

4. Подключить реальный осциллограф. Соединить входы реального осциллографа с макетной платой можно через разъемы BNC1 и BNC2. К этим разъемам можно подключиться через контакты 42-43(разъем BNC1) и 44-45 (разъем BNC2) блока контактов Terminal Strips.

После сборки, на макетной плате должна получиться схема, показанная на рисунке 1.21.

Рисунок 1.21 - Схема измерения для определения сдвига фаз, с помощью лабораторной установки NI ELVIS и реального осциллографа.

2. Запустить виртуальный генератор. Настроить его на напряжение U=3В и частоту f=5кГц.

4. Включить реальный осциллограф. Настроить его следующим образом:

1. В блоке управления синхронизацией переключатель «ИСТОЧНИК» установить в положение «ВНЕШ.».

2. Переключатель «Время/дел.» установить в положение «Х-Y».

3. Переключатель «РЕЖИМ» в блоке управления каналами установить в положение А+В.

Эти настройки обеспечивают подачу сигналов со входа и выхода схемы на соответствующие входы осциллографа. В результате, на осциллографе должно получиться изображение, показанное на рисунке 1.22.

Рисунок 1.22 – Измерение фазового сдвига.

4. По овалу определить сдвиг фаз, как показано на рисунке 1.22 и пользуясь формулой 1.1.

(1.1)

5. Нарисовать, в масштабе, осциллограмму и показать на ней принцип определения сдвига фаз, как показано на рисунке 1.22.

6. Повторить эксперимент для частот 10кГц, 15кГц, 20кГц.

7. Заполнить таблицу 1.3, строку «Осциллограф».

Таблица 1.3

Частота, кГц		5	10	15	20
Искомый параметр		φ
Расчетные данные
Экспериментальные данные	Осциллограф
	Программный построитель ФЧХ

8. Построить график зависимости φ(f).

5.2.11. Изучить работу программного построителя АЧХ и ФЧХ.

1. В программе «NI ELVISmx Instrument Launcher» запустить построитель АЧХ и ФЧХ, нажав на кнопку «Bode». Появиться окно, показанное на рисунке 1.22.

2. Изучить, по рисунку 1.23, назначение органов управление построителем АЧХ и ФЧХ.

5.2.12. Построить ФЧХ с помощью виртуального построителя.

1. Для построения ФЧХ на макетной плате необходимо собрать схему, показанную на рисунке 1.24. Здесь необходимо учитывать, что внешний источник напряжения не нужен, т.к. программный построитель сам генерирует необходимое напряжение. Кроме того, неподписанные выводы конденсатора и резистора, на рисунке 1.24, включаются в гнезда вертикалей A, B, C, D, E, F, G, H, I, J на усмотрение того, кто собирает схему.

2. Настроить программный построитель. Для этого необходимо сделать следующее:

1. В окне «Stimulus Channel» выберете «AI 0».

2. В окне «Response Channel» выберете «AI 1».

3. С помощью окошек «Start Frequency» и «Stop Frequency», установите диапазон частот, в котором будет производиться измерение. В нашем случае, диапазон от 5 кГц до 20 кГц.

4. В окне «Steps», установите нужное количество точек на графике. Чем больше точек, тем точнее будут измерения. В нашем случае установите число 10. При необходимости его можно поменять.

5. Включите построитель, нажав на кнопку «Run». На экранах построителя должны появиться графики (рисунок 1.25).

3. По нижнему графику определите сдвиг фазы на частотах 5, 10, 15 и 20 кГц. Для этого необходимо сделать следующее:

1. Поставьте галочку у «Cursors On». На экранах с графиками появиться курсор с красным перекрестием.

2. Перемещая курсор, по точкам на графике, с помощью желтых надписей, в нижней части экрана, можно определить частоту и фазу, в данной точке. Курсор можно перемещать с помощью кнопок «Position» на блоке «Cursor Settings» (рисунок 1.25).

4. Заполните таблицу 1.3, строку «Программный построитель ФЧХ».

Рисунок 1.23 – Окно программного построителя АЧХ и ФЧХ.

Рисунок 1.24 - Схема измерения для определения сопротивления, с помощью лабораторной установки NI ELVIS и реального осциллографа.

Рисунок 1.25 – Настройка и работа построителя АЧХ и ФЧХ.