МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА, ЭЛЕКТРОНИКА

И СХЕМОТЕХНИКА

Методические указания к

лабораторным занятиям и

к самостоятельной работе

ПЕНЗА 2012

Удк 621.38

Предложены методические указания по выполнению лабораторных работ и самостоятельному освоению основных теоретических положений дисциплины «Электротехника, электроника и схемотехника». Методические указания подготовлены на кафедре «Вычислительная техника» и предназначены для студентов направления 23.01.00 (Информатика и вычислительная техника).

Составитель: Л.А.Брякин

Введение

Лабораторные работы по дисциплине «Электротехника и электроника» выполняются как на универсальных стендах-конструкторах, так и с использованием программ моделирования электронных схем «Electronics Workbench». Почти каждая лабораторная работа состоит из двух частей, одна из которых выполняется на стендах с привлечением реального оборудования, другая предполагает применение моделирующих программ с использованием при этом виртуального оборудования.

Предлагаемые в лабораторных работах краткие теоретические сведения достаточно полно освещают изучаемый вопрос и могут служить в качестве материала для самостоятельного начального знакомства с дисциплиной.

Лабораторная работа №1

Изучение лабораторного оборудования

и методов измерения параметров электрических

схем и приборов

Цель работы: изучение аппаратных и программных средств, на базе которых выполняются лабораторные работы, изучение способов применения измерительных приборов и их моделей для измерения напряжений, токов, амплитудных и временных параметров импульсных и гармонических сигналов, для измерения основных параметров источников ЭДС, электрических схем, логических элементов.

Общие сведения

1. Универсальные стенды-конструкторы на лицевой панели содержат условные обозначения элементов, которые помещены за лицевой панелью. Причём, стенд позволяет при необходимости менять элементную базу, а некоторые логические элементы коммутируются электронным путём и требуют при этом только замены карты с условными обозначениями и дополнительной коммутации с помощью проводов для их перенастройки. Вид лицевой панели предложен на рисунках 1.1, а, б, в.

а)

б)

в)

Рис. 1.1. – Лицевая панель стендов

Универсальные стенды-конструкторы содержат следующие узлы.

В левой части стенда (рис. 1.1,а) имеется стрелочный измерительный прибор магнитоэлектрической системы, позволяющий в зависимости от положения переключателя режима работы измерять напряжение постоянного тока в пределах до 20В, 10В, 2В, напряжение переменного тока до 40В, 20В, 4В, постоянный ток до 20мА и до 2мА. Подлежащее измерению напряжение следует подавать на гнёзда, помеченные символом UВ с учётом полярности. Для измерения тока имеются также соответствующие гнёзда. Схема построена так, что цепь тока не разрывается и в случае, когда прибор не поставлен в режим измерения именно этого тока.

Стрелочный прибор является микроамперметром, который подключается с помощью резисторов для измерения напряжения или тока. При расчётах этот микроамперметр заменяется схемой замещения, которая представляет последовательную цепь собственно микроамперметра с известным максимальным измеряемым током и резистора, заменяющего внутреннее сопротивление прибора. Схемы включения микроамперметра для измерения напряжения и тока предложены на рисунке 1.2.

а) б)

в) г)

Рис. 1.2. – Схемы вольтметра (а) и его условное обозначение (б) и

амперметра (в) с условным обозначением (г)

В схеме вольтметра R1 – дополнительный резистор, сопротивление которого определяет диапазон измерения, а в схеме амперметра R1 – шунт, который пропускает через себя основную часть измеряемого тока и определяет диапазон измерения по току.

В левой части стенда имеются также катушка индуктивности L1, импульсный трансформатор T с двумя обмотками W1200виткам и W2=50виткам, две линии задержки, имитирующие длинные линии, с указанными на панели временем задержки t_з и волновым сопротивлением ρ, тумблеры включения питания +5В и ±12В, резисторы для работы с линиями задержки, два конденсатора ёмкостью 0.33мкФ и 0.68мкФ, генератор гармонического и импульсного сигнала с возможностью изменения амплитуды A выходного гармонического сигнала и частоты выходных сигналов f. Формируемые этим генератором импульсы имеют уровень логического нуля близкий к нулю Вольт, а уровень логической единицы, близкий к +5В. Под генератором расположены четыре тумблера, формирующие логические уровни нуля U ⁰ 0.4В (нуль вольт или напряжение, меньшее 0.4В) и единицы U ¹ 2.4В (напряжение положительной полярности, большее 2.4В).

В верхней части стенда (рис. 1.1,б, в) имеются элементы световой индикации, выполненные на основе светодиодов типа АЛ307 с красным свечением. Эти элементы предназначены для индикации логического состояния входного цифрового сигнала. Если светодиод светится, то на входном гнезде индикаторного элемента присутствует уровень логической единицы. Обратите внимание на свечение светодиода в том случае, когда вход элемента свободен. Это говорит о том, что свободный вход используемых в стенде элементов транзисторно-транзиторной логики (ТТЛ) воспринимается как вход, на который подаётся уровень логической единицы. Если на входное гнездо подать уровень логического нуля (соединив его коммутационным проводом, например, с общим проводом стенда), то светодиод не будет светиться. Рядом с индикаторами имеются тумблеры выключения питания этих элементов.

В центральной части стенда имеются карточки с условными обозначениями элементов, спрятанных за лицевой панелью. Расположенные по краям этих карточек гнёзда позволяют коммутационными проводами осуществлять коммутацию этих элементов. Функциональный состав крайней правой карточки может меняться путём замены карточки и настройкой внутренней схемы с помощью одного-двух проводов на выбранную карточку. На карточке указаны цепи необходимой коммутации.

В нижней части стенда имеются потенциометры сопротивлением примерно 680Ом, два связанных с общим проводом стенда источника разнополярного напряжения E10В и E20В, конденсаторы с ёмкостями в 240пФ и 1мкФ, источник гармонического сигнала с частотой 50Гц и амплитудой примерно 3В.

В процессе испытания цифровых схем в статике (то есть состояния входных переменных задаются с невысокой частотой, вручную, например) на лабораторном стенде входные переменные задаются с тумблеров, расположенных в нижней части стенда, а выходные сигналы подаются на элементы световой индикации, расположенные в верхней части стенда.

Верхнее положение тумблеров принято за единицу, нижнее положение соответствует логическому нулю. Тумблеры включены таким образом, что с верхних гнёзд снимаются значения переменных, а с нижних - отрицания переменных. При подаче уровня логической единицы на вход элемента индикации соответствующий светоизлучающий индикатор начинает светиться.

С помощью кнопок Кн1, Кн2, Кн3 задаются синхронизирующие сигналы на испытываемые узлы. В отличие от тумблеров кнопки снабжены антидребезговыми схемами. Нажатие на кнопку равносильно подаче уровня логической единицы.

В центре в нижней части стенда имеется генератор взаимосвязанных импульсных сигналов с выходами F, F2, F4, F8, F16. Если на управляющий вход генератора подать уровень нуля, то генерация прекратится. На выходе F наблюдаются импульсы с максимальной частотой, примерно равной 1МГц.

Временные диаграммы формируемых сигналов подобны предложенным на рисунке 1.3 сигналам.

Рис. 1.3. – Временные диаграммы цифровых сигналов генератора

стенда

В правом нижнем углу стенда имеется резервный генератор импульсов с уровнями ТТЛ, помеченный символом f.

Источники питания стенда включаются с помощью переключателя на боковой стенке стенда. Непосредственно на стенд требуемые напряжения питания 5В и 12В подаются тумблерами в левом нижнем углу 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 выступает электронно-лучевая трубка или жидкокристаллический индикатор.

Для управления электронным лучом в осциллографе с электронно-лучевой трубкой используются два канала: вертикального и горизонтального отклонения луча (рис. 1.4).

Рис. 1.4. – 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 развёртки, то есть 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. 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 развёртки. 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, подаётся 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 учётом 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 Герц, то есть 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 развёртки, то есть в процессе работы генератора пилообразного напряжения) вверх при положительном напряжении или вниз при отрицательном напряжении. Определив величину отклонения с помощью масштабной сетки экрана и умножив полученную величину на масштаб по вертикали легко оценить величину подаваемого на вход напряжения в вольтах.

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 рисунке 1.5 предложено условное обозначение инвертора, то есть логического элемента, выполняющего операцию «Отрицание» над входной переменной x, и возможная картина сигналов, формируемая на экране двухканального осциллографа при измерении его динамических свойств.

Рис. 1.5. – 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 (формирования на выходе уровня логического нуля) и выключения (формирования на выходе уровня логической единицы) элемента, на время задержки распространения сигнала при включении и при выключении .

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 с комментариями предлагается на рисунке 1.6.

Рис. 1.6. – Лицевая панель осциллографа

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 преобразователи и цифроаналоговые преобразователи). Причём, при моделировании элементов цифровой техники возможно использование моделей логических элементов, выполненных с использованием разных базовых схем и технологий. При выполнении лабораторных работ используется 5 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 рисунке 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 её 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, соединённую 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 отчёта удобно вести с помощью текстового редактора Microsoft Word параллельно с выполнением работы путём перетаскивания в отчёт 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 развёрнутом 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.

Рис. 1.8. – Мультиметр

Функциональный генератор (рис.1.9) предназначен для формирования сигналов синусоидальной, пилообразной или прямоугольной формы, симметричных относительно уровня постоянного смещения (OFFSET). На выходах + и - формирует относительно общего провода COM противоположные по фазе сигналы.

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).

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 предусмотрено 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-частотной (АЧХ) или фазо-частотной (ФЧХ) характеристик испытываемой схемы, то есть 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 к входу измерителя IN, а выход - к 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.

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.

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

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.

Источники питания имеются 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, то есть изучают частотные свойства схемы.

Порядок выполнения работы

1. Работа со стендом

1. Измерение и расчёт параметров источника (генератора) постоянной ЭДС.

Источник характеризуется величиной ЭДС на холостом ходу E и внутренним сопротивлением R_вн. Процедура определения параметров может быть следующей.

1.1. С помощью осциллографа и вольтметра измерьте напряжения относительно общего провода на источниках E1, E2. Запишите с учётом полярности и сравните результаты. Зарисуйте схему включения этих источников с учётом их соединения с общим проводом стенда. (Если внутреннее сопротивление используемых вольтметров считать бесконечно большим, то имеем дело с режимом холостого хода в работе источников напряжения).

1.2. Создайте режим короткого замыкания поочерёдно для каждого источника с помощью миллиамперметра, предварительно задайте диапазон измерения тока миллиамперметром равный 20 мА. Измерьте ток короткого замыкания прямым методом или косвенным методом, используя вспомогательный резистор с сопротивлением 10Ом. При косвенном методе падение сопротивления на резисторе следует измерять с помощью осциллографа.

1.3. Учитывая результат измерения напряжения по пункту 1.1 с помощью осциллографа, рассчитайте внутреннее сопротивление каждого источника напряжения.

1.4. Подключив к каждому источнику поочерёдно резистор (с учётом номера варианта и таблицы 1.1) и измерив осциллографом выходное напряжение, рассчитайте внутреннее сопротивление каждого источника и сравните с предыдущими результатами. Сделайте выводы. (такой порядок расчёта внутреннего сопротивления исключает необходимость применения режима короткого замыкания, которая не всегда допустима)

Таблица 1.1.

№ бригады	1	2	3	4	5	6	7	8
R1, кОм	0.51	1	1.5	2	3	5.1	3.5	1.1

2. Измерение и расчёт параметров источника (генератора) гармонического сигнала, имеющегося в составе стенда.

Для этого подключите к выходу осциллограф и выполните следующие пункты.

2.1. Измерьте период и рассчитайте частоту, задав максимальную и минимальную частоты выходного сигнала.

2.2. Установите среднюю частоту на выходе генератора и измерьте диапазон изменения амплитуды. Для максимальной выходной амплитуды A_макс рассчитайте действующее значение напряжения A из выражения: .

(Действующее значение синусоидального напряжения равно такому постоянному напряжению, приложение которого к активной нагрузке (например, к резистору) приведёт к выделению на ней такой же мощности, что и переменное напряжение)

2.3. На средней частоте при максимальной амплитуде подключите резистор согласно таблице 1.1 и измерьте амплитуду выходного сигнала. Рассчитайте внутреннее сопротивление источника переменного напряжения.

2.4.* Между выходом генератора и нагрузочным резистором подключите конденсатор ёмкостью 0,33мкФ или 0,66мкФ и измерьте фазовую задержку в микросекундах сигнала на резисторе относительно выходного сигнала генератора. Считая, что период сигнала соответствует 360º, рассчитайте фазовую задержку в градусах и в радианах.

2.5. Наблюдая с помощью двухлучевого (двухканального) осциллографа выходной сигнал с генератора и с импульсного выхода генератора, постройте временные диаграммы наблюдаемых сигналов и измерьте времена задержки между фронтами импульсов и моментами пересечения выходного сигнала с генератора уровня нулевого напряжения. Покажите на временных диаграммах измеренные интервалы.

3.* Измерение передаточной функции логического инвертирующего элемента в статике.

Для этого сформируйте с помощью потенциометра на входе инвертора напряжение, которое можно менять в диапазоне от нуля до E1 (положительное относительно общего провода напряжение), подключите входы осциллографа к входу и выходу инвертора и плавно меняйте входное напряжение от нуля до момента начала изменения выходного напряжения. Запишите величины напряжений. Продолжая медленно увеличивать входное напряжение, снимите на интервале быстрого изменения выходного сигнала 4-5 точек и постройте график зависимости выходного напряжения от входного, то есть передаточную функцию. Определите величину порогового напряжения логического элемента, то есть величину напряжения на входе, при котором на выходе формируется точно такое же напряжение. Отметьте эту точку на графике передаточной функции. Учитывая, что осциллограф выполнял роль двух вольтметров, предложите схему эксперимента в отчёте.

4. Измерение и построение временных диаграмм импульсного генератора.

Используя двухканальный осциллограф или внешнюю синхронизацию в случае одноканального осциллографа, постройте временные диаграммы взаимного расположения сигналов F, F2, F4, F8, F16. При этом следует помнить, что из двух сигналов, взаимное расположение во времени которых определяется осциллографом, следует для синхронизации осциллографа выбирать сигнал с наименьшей частотой. В противном случае возможна нестабильность изображения. Измерьте период и длительности фронтов сигнала F. Рассчитайте его частоту и сравните частоты всех анализируемых при этом сигналов между собой. Измерьте задержку сигнала F2 относительно сигнала F. Сделайте выводы.

2. Работа с компьютером

5. Измерьте параметры полученных с генератора сигналов.

Соберите предложенную на рис. 1.15,а схему. Задайте параметры функционального генератора с учётом требований таблицы 1.2.

Скважность - отношение периода импульсов T к длительности импульса T_и : S = T/T_и . Процент заполнения, требуемый при установке параметров генератора, определится из выражения: 100/ S %.

5,а. Измерьте с помощью осциллографа период и длительность прямоугольных импульсов, рассчитайте частоту этих сигналов.

Таблица 1.2

№ бригады	1	2	3	4	5	6	7	8
частота, кГц	100	200	400	250	150	500	300	600
амплитуда, В	4	6	8	5	10	4	6	8
скваж-ность, S	3	4	1,5	2,5	2	4	2,5	2

Рис. 1.15. – Используемые в работе схемы

5,б. Задайте другие возможные формы сигнала генератора и наблюдайте их на экране.

5,в. Измените уровень смещения генератора и объясните изменения, наблюдаемые на экране осциллографа. При ненулевом смещении измените режим работы входной цепи осциллографа с режима измерения на постоянном токе “DC” на режим работы с переменным током “AC” и объясните поведение прибора.

5,г. Подключите второй канал осциллографа к второму выходу генератора, задайте режим формирования гармонического сигнала. При необходимости растащите наблюдаемые сигналы на экране по вертикали для более удобного наблюдения и объясните различия в сигналах. При этом смещение генератора должно быть равно нулю, а по обоим входам осциллографа установите режим “DC”.

6. Измерьте динамические параметры инвертора.

Для измерения динамических параметров цепей в общем случае может использоваться предложенная на рис. 1.15, б схема. В этой схеме вместо элемента SCH можно включать любую цепь, способную на выходе формировать реакцию на входной сигнал. Для осциллографа задайте режим Y/T, то есть режим наблюдения зависимости сигналов от времени. Синхронизируется осциллограф от сигнала с генератора, который для анализа динамических параметров инвертора должен формировать прямоугольные импульсы, установившиеся уровни которых должны соответствовать логическим уровням изучаемых элементов. Требуемые значения логических уровней можно определить, анализируя параметры выбранного из библиотеки Gates элемента. Обратите внимание на величину порогового напряжения выбранного элемента. Тип инвертора выберите с учётом требований таблицы 1.3 или по согласованию с преподавателем.

Таблица 1.3

№ бригады	1	2	3	4	5	6	7	8
Тип инвертора	CMOS-4000-5V	CMOS-4000-9V	ttl-LS	CMOS-4000-10V	ttl-LS-BUF	CMOS-4000-12V	ttl-LS	ttl-LS -BUF
R1, Ком	10	2	3	2.4	2	3	12	11
R2,КОм	20	10	12	9.6	22	15	24	33

Выберите частоту генератора с таким расчётом, чтобы при наблюдении на экране осциллографа обоих фронтов входного сигнала различима была бы задержка выходного сигнала относительно входного сигнала.

Измерьте длительности фронтов и задержки для выбранного инвертора. В отчёте предложите схему измерения задержки с конкретным элементом и результаты измерения его динамических свойств.

Измените форму сигнала с генератора на пилообразную и объясните наблюдаемое поведение инвертора. Сделайте выводы по результатам.

7. Измерьте статическую передаточную функцию модели инвертора.

Под статической передаточной функцией схемы понимают зависимость выходного напряжения от входного. Измерения проводятся на низкой частоте изменения входного сигнала, чтобы динамические свойства схемы не влияли на результат. Схема измерения передаточной функции предложена на рис. 1.15, б. При измерении необходимо уменьшить частоту входного сигнала до нескольких герц, форму сигнала выберите пилообразную, осциллограф используйте в режиме характериографа, то есть выберите режим B/A или A/B (определите, какой режим более подходит). Желательно, чтобы развёртка по горизонтальной оси осциллографа осуществлялась от входного сигнала изучаемой схемы, а по вертикальной оси - от выходного. Объясните результаты эксперимента.

8. Измерьте частотные свойства электронной схемы.

Чтобы измерить частотные свойства цепей достаточно в схему рис. 1.15, б подключить измеритель частотных характеристик с учётом требований на его подключение. Функциональный генератор настройте на режим выдачи гармонического сигнала. Произведите измерение амплитудно-частотной характеристики масштабирующего усилителя, собранного по предложенной на рисунке 1.16 схеме с использованием операционного усилителя типа LM112.

Рис.1.16. – Схема масштабирующего усилителя с использованием

операционного усилителя

Сопротивления резисторов выберите из таблицы 1.3. Выберите масштаб по вертикали у измерителя частотных характеристик линейный, а по частоте - логарифмический. На низкой частоте определите коэффициент усиления усилителя и постарайтесь установить его зависимость от отношения используемых резисторов. Определите ту частоту сигнала, на которой коэффициент усиления усилителя уменьшится до 70% по сравнению с коэффициентом на низкой частоте. Эта частота называется граничной частотой усиления усилителя.

Обратите внимание на наличие фазовой задержки сигнала на выходе относительно входного, используя осциллограмму обоих сигналов, и на инвертирующие свойства усилителя (инвертируется полярность сигнала, а не логический уровень). Измерьте задержку выходного сигнала на граничной частоте усилителя и сравните с фазовыми свойствами при наблюдении фазочастотной характеристики.