Лабораторная работа № 2. Исследование способов включения трехфазных

Трансформаторов........................... 15

2.1 Цель работы 15

2.2 Литература 15

2.3 Пояснения к работе 15

2.4 Описание моделей трехфазного трансформатора 18

2.5 Порядок выполнения работы 19

2.6 Результаты работы 22

2.7 Контрольные вопросы 23

 

Лабораторная работа № 3. Исследование неуправляемых выпрямителей.... 24

 

3.1 Цель работы 24

3.2 Литература 24

3.3 Пояснения к работе 24

3.4 Порядок выполнения работы 37

3.4.1 Исследование однофазного мостового неуправляемого

выпрямителя 37

3.4.1.1 Результаты работы 41

3.4.1.2 Контрольные вопросы 41

3.4.2 Исследование трехфазного неуправляемого выпрямителя 42

3.4.2.1 Результаты работы 47

3.4.2.2 Контрольные вопросы 47

 

Лабораторная работа №4. Исследование пассивных сглаживающих

фильтров.................................. 48

4.1 Цель работы 48

4.2 Литература 48

4.3 Пояснения к работе 48

4.4 Порядок выполнения работы 52

4.4.1 Исследование LR сглаживающего фильтра 53

4.4.1.1 Результаты работы 58

4.4.1.2 Контрольные вопросы 58

4.4.2 Исследование RC сглаживающего фильтра 58

4.4.2.1 Результаты работы 64

4.4.2.2 Контрольные вопросы 64

4.4.3 Исследование LC сглаживающего фильтра 64

4.4.3.1 Результаты работы 69

4.4.3.2 Контрольные вопросы 69

 

Лабораторная работа № 5. Исследование активных сглаживающих

фильтров................................. 70

5.1 Цель работы 70

5.2 Литература 70

5.3 Пояснения к работе 70

5.4 Модели активных фильтров 72

5.5 Порядок выполнения работы 73

5.5.1 Исследование активного фильтра по схеме ОК 73

5.5.2 Исследование активного фильтра по схеме ОБ 76

5.6 Результаты работы 76

5.7 Контрольные вопросы 76

 

Лабораторная работа № 6. Исследование параметрического стабилизатора… 77

 

6.1 Цель работы 77

6.2 Литература 77

6.3 Пояснения к работе 77

6.4 Порядок выполнения работы 81

6.5 Результаты работы 84

6.6 Контрольные вопросы 84

 

Лабораторная работа № 7. Исследование компенсационного стабилизатора

напряжения.................................. 85

 

7.1 Цель работы 85

7.2 Литература 85

7.3 Пояснения к работе 85

7.4 Описание модели компенсационного стабилизатора 87

7.5 Порядок выполнения работы 88

7.6 Результаты работы 91

7.7 Контрольные вопросы 91

 

Лабораторная работа №8. Исследование импульсного регулятора

напряжения............................... 93

8.1 Цель работы 93

8.2 Литература 93

8.3 Пояснения к работе 93

8.4 Порядок выполнения работы 98

8.4.1 Исследование регулятора напряжения понижающего типа 98

8.4.1.1 Результаты работы 102

8.4.1.2 Контрольные вопросы 102

8.4.2 Исследование регулятора напряжения повышающего типа 103

8.4.2.1 Результаты работы 106

8.4.2.2 Контрольные вопросы 107

8.4.3 Исследование регулятора напряжения инвертирующего типа 107

8.4.3.1 Результаты работы 111

8.4.3.2 Контрольные вопросы 111

 

Введение

 

Разработка любого радиоэлектронного устройства сопровождается физическим или математическим моделированием. Физическое моделирование связано с большими материальными затратами, а часто просто невозможно из-за чрезвычайной сложности устройств. В этом случае прибегают к математическому моделированию с использованием средств и методов вычислительной техники. Примером такой моделирующей программы является Electronics Workbench (EWB). Она позволяет создавать на экране монитора принципиальные электрические схемы устройств, подключать контрольно-измерительные приборы, которые по характеристикам и внешнему виду близки к их промышленным аналогам, заносить результаты в текстовый файл. Моделирование начинается щелчком обычного выключателя. Программа EWB работает под управлением оболочки Windows-98, XP легко осваивается и удобна в пользовании (Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. – М.: Солон – Р, 2000; Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Лабораторный практикум на базе Electronics Workbench и MATLAB. – М.: Солон – Пресс, 2004.- 800с.).

В лабораторных работах предлагаются уже составленные, готовые схемы с подключенными контрольно-измерительными приборами. Работа над устройством заключается в изучении, протекающих в нём процессов, их количественном и качественном анализе.

Лабораторный цикл по курсу “Электропитание устройств и систем связи” открывает Лабораторная работа №1, которая является ознакомительной. Её основная задача - изучение функциональных возможностей программы EWB и измерительных приборов. Другие лабораторные работы посвящены изучению основных узлов источников электропитания.

По каждой лабораторной работе оформляется отчет, который должен содержать:

– титульный лист;

– цель работы;

– cхему устройства;

– таблицы измерений и расчёты с формулами и подставленными

численными данными;

– графические результаты (осциллограммы, АЧХ, ФЧХ, графики и

др. с указанием осей и масштабов);

– выводы по работе.

 

 

Лабораторная работа № 1

Ознакомление с программой Electronics Workbench

Цель работы

Получение практических навыков работы с моделирующей программой Electronics Workbench (EWB). Изучение измерительных приборов, их схем

включения и приёмов использования.

 

Литература

 

1. В.А. Прянишников Электроника: Полный курс лекций. – 4–е изд. – СПб.: КОРОНА принт, 2004. – 416с., ил.

2. В.И. Карлащук Электронная лаборатория на IBM PC. Лабораторный практикум на базе Electronics Workbench и MATLAB. Издание 5–е. – М.: СОЛОН–Пресс, 2004. – 800 с.: ил. – (Серия «Системы проектирования»).

 

Пояснения к работе

В процессе выполнения лабораторных работ используется не весь набор измерительных приборов программы EWB, а только некоторая часть. К ним относятся: цифровой мультиметр, двухканальный осциллограф, измеритель АЧХ и ФЧХ и функциональный генератор. Все необходимые приборы

подключены к исследуемым схемам и следует только научиться правильно пользоваться ими.

 

Мультиметр (Multimeter).
Мультиметр представляет собой универсальный цифровой прибор для измерения постоянного и переменного напряжения и тока, сопротивления и ослабления. Условное изображение («значок») мультиметра имеет вид (рисунок 1.1.).

 

Рисунок 1.1 – Значок мультиметра

 

Двойным щелчком по значку мультиметра раскрывается передняя панель (рисунок 1.2.) и появляется доступ к настройке прибора. На панели расположен дисплей для цифрового отображения результатов, две клеммы подключения к схеме и кнопки управления. Назначение основных кнопок понятно из рисунка. Setting – режим установки параметров. После нажатия этой кнопки открывается

Рисунок 1.2 – Передняя панель мультиметра

 

диалоговое окно (здесь не приведено), в котором обозначено:

Ammeter resistance – внутреннее сопротивление амперметра;

Voltmeter resistance – входное сопротивление вольтметра;

Ohmmeter current – ток через контролируемый объект;

Decibel standard – установка эталонного напряжения V1 для

измерения усиления (ослабления) в dB;

по умолчанию V1=1В. К= 20 log (U/V1) [dB].

Мультиметр измеряет эффективное (действующее) значение переменного тока.

Осциллограф (Oscilloscope). Осциллограф имеет два канала (рисунок 1.3):

Рисунок 1.3 – Значек осциллографа

 

А и В с раздельной регулировкой чувствительности в диапазоне от 10 МкВ/дел (μV/DIV) до 5 кВ/дел (KV/DIV) и регулировкой смещения по вертикали (YPOS). Входы каналов могут быть закрытыми (АС – сигналы переменного тока), открытыми DC – сигналы с постоянной составляющей) или замкнуты на землю (0).

Двойным щелчком по значку осциллографа раскрывается передняя панель, которая имеет вид (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 – Передняя панель осциллографа

Здесь открыт доступ к регулировкам осциллографа. В блоке развертки

устанавливается режим развертки кнопками (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 – Кнопки установки развертки

 

В режиме Y/T (обычный режим, включен по умолчанию) по вертикали – напряжение, по горизонтали – время; в режиме B/A - по вертикали – сигнал канала B, по горизонтали – сигнал канала A; в режиме A/B – наоборот. В режиме Y/T длительность развертки может быть задана в диапазоне от 0,1 нс/дел (ns/div) до 1с/дел (s/div) с возможностью установки смещения по оси X (X POS). Предусмотрен также ждущий режим (TRIGGER) с запуском по

переднему или заднему фронту (рисунок 1.6):

 

Рисунок 1.6 – Кнопки установки запуска ждущего режима

 

Регулируемый уровень (LEVEL) запуска и режим AUTO, от канала A или B или внешнего источника (EXT).

При нажатии кнопки EXPAND лицевая панель существенно меняется – увеличивается размер экрана, появляется возможность прокрутки изображения по горизонтали и его сканирования с помощью вертикальных визирных линий, которые за треугольные ушки можно установить в любое место экрана. При этом в индикаторных окошках под экраном приводятся результаты измерения напряжения, временных интервалов и их приращений между визирными линиями. Изображение можно инвертировать нажатием кнопки REVERSE и

записать данные в файл нажатием кнопки SAVE. Возврат к исходному состоянию – нажатием кнопки REDUCE в правом нижнем углу лицевой панели осциллографа.

 

Измеритель АЧХ и ФЧХ (Bode Plotter). Условное изображение (значок) измерителя имеет вид (рисунок 1.7).

Рисунок 1.7 – Значок измерителя АЧХ и ФЧХ

 

Подключение к исследуемой схеме осуществляется с помощью зажимов IN (вход) и OUT (выход). Левые клеммы зажимов подключают соответственно ко входу и выходу устройства, а правые – к общей шине. Двойным щелчком по

значку раскрывается передняя панель измерителя и открывается доступ к настройке прибора (рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 – Передняя панель измерителя АЧХ и ФЧХ

 

Измеритель предназначен для анализа АЧХ (нажата кнопка MAGNITUDE) и ФЧХ (нажата кнопка PHASE) при логарифмической (кнопка LOG, включена по умолчанию) или линейной (кнопка LIN) шкале по осям Y (VERTICAL) и X (HORIZONTAL).

Настройка измерителя заключается в выборе пределов измерения коэффициента передачи и вариации частоты с помощью кнопок в окошках F – максимальное и I – минимальное значение.

Частота и соответствующее значение коэффициента передачи или фазы индицируются в окошках в правом нижнем углу измерителя. Значения этих величин в отдельных точках АЧХ и ФЧХ можно получить с помощью вертикальной визирной линии, находящейся в исходном состоянии в начале координат и перемещаемой по графику мышью или кнопками (рисунок 1.9).

Рисунок 1.9 – Кнопки перемещения вертикальной визирной линии

 

Результаты измерения можно записать в текстовый файл. Для этого необходимо нажать кнопку SAVE и в диалоговом окне указать имя файла (по умолчанию предполагается имя схемного файла). В полученном таким образом текстовом файле (с расширением.bod) АЧХ и ФЧХ представляются в табличном виде.

 

Функциональный генератор (Function Generator). Условное изображение (значка) генератора имеет вид (рисунок 1.10).

 

Рисунок 1.10 – Значок функционального генератора

При заземлении клеммы COM (общий) на выходах «– «и «+ «получаем парафазный сигнал.

Двойным щелчком по значку генератора раскрывается передняя панель (рисунок 1.11).

Рисунок 1.11 – Передняя панель функционального генератора

 

Назначение клавиш: выбор формы выходного сигнала: синусоидальный (по умолчанию), треугольный или прямоугольный; установка частоты выходного сигнала в герцах; установка коэффициента заполнения в %, для импульсных сигналов это отношение длительности импульса к периоду; для треугольных сигналов – соотношение между длительностями переднего и заднего фронтов; установка амплитуды выходного сигнала в вольтах; установка смещения (постоянной составляющей выходного сигнала).

Все измерительные приборы включаются автоматически при включении исследуемой схемы выключателем в правом верхнем углу экрана.

Порядок выполнения работы

 

1 На рабочем столе оболочки Windows-98 находим ярлык Wewb 32 и двойным

щелчком запускаем программу EWB.

2 Выбираем опцию «Папка открыть» и в ней двойным щелчком открываем папку ЭПУС. Появится окно «Open Circuit File» с перечнем файлов различных схем, подлежащих изучению.

3 Выбираем файл SWWOD и двойным щелчком открываем его. На экране появляется схема параллельного колебательного контура с подключенными контрольно-измерительными приборами (рисунок 1.12). Вернуться в окно «Open Circuit File» можно нажатием клавиши на опции «Папка открыть».

Внимание!

- Программа EWB выполняет анализ электронных схем расчётным путём, используя математические модели электрорадиокомпонентов и разнообразные численные методы для решения систем линейных и нелинейных уравнений. Результаты расчетов запоминаются, поэтому при длительном времени непрерывного анализа все ресурсы памяти ЭВМ достаточно быстро исчерпываются и машина зависает, что недопустимо.

Рисунок 1.12 – Схема параллельного колебательного контура

(файл SWWOD)

 

Во избежание зависания ЭВМ рекомендуется:

а) включать схему только на время выполнения измерений и после установления показаний либо выключать схему, либо пользоваться опцией «pause»;

б) ввести принудительный останов анализа (автоматический переход в режим «pause») при заполнении экрана осциллографа.

Это поможет избежать патовых ситуаций и, в итоге, экономит Ваше время.

- Для определения (или изменения!) параметра элемента его следует выделить однократным нажатием левой клавиши в момент значка «рука» на данном элементе. Элемент активизируется, меняет цвет на красный. Далее двойным щелчком открываем окно Properties, в котором опциями Models, Edit, …,Value можно изменить параметры элемента. Завершить изменения следует нажатием клавиши «ОК».

4 Проверьте настройку измерительных приборов. Для этого двойным щелчком по значку нужного прибора откройте его переднюю панель и убедитесь в том, что:

генератор – прямоугольный сигнал, 100 Гц, 10 В, 50%;

осциллограф – открытые входы (DC), развёртка 0,5 ms/div, режим развёртки ждущий с синхронизацией по заднему фронту канала А; чувствительность по каналу А – 10 V/div, по каналу В - 500 mV/div; начальные смещения равны нулю;

измеритель АЧХ и ФЧХ – режим АЧХ, масштабы логарифмические, диапазоны по вертикали F = 00 dB, I = – 100 dB, а по горизонтали F = 1 MГц,

I = 1 Гц. Закройте измеритель АЧХ и ФЧХ.

5 Двойным щелчком откройте осциллограф и включите схему клавишей в правом верхнем углу экрана. После заполнения экрана осциллографа выключите схему. Установите развёртку 0,1 ms/div, нажатием клавиши EXPAND раскройте экран осциллографа и измерьте период колебательного процесса. Соответствует ли он частоте резонанса контура?

Нажатием на клавишу Reduce вернитесь в малый масштаб осциллографа. Установите развертку 1 ms/div и зарисуйте вид переходного процесса. Погасите осциллограф.

6 Двойным щелчком откройте измеритель АЧХ. С помощью мыши захватите сплошную вертикальную линию в левой стороне экрана измерителя и подведите ее к точке резонанса. Запишите значение этой частоты (и затухание!) из окошка измерителя. Сравните её с частотой, полученной в предыдущем пункте.

7 В измерителе АЧХ установите линейные масштабы и такие пределы: по вертикали F = 1, I = 0; по горизонтали F = 10 кГц, I = 1 кГц. Включите и выключите схему. Зарисуйте форму АЧХ. С помощью вертикальной линии измерьте резонансную частоту. Запишите результаты.

8 Измеритель АЧХ переведите в режим измерения фазы путём нажатия кнопки Phase. Масштабы логарифмические: по вертикали F =135 , I= – 135 ; по горизонтали F = 10 кГц, I = 3 кГц. Включите и выключите схему. Зарисуйте форму ФЧХ. С помощью вертикальной линии определите частоту, соответствующую минимальному фазовому сдвигу.

9 В измерителе ФЧХ установите линейные масштабы: по вертикали F = 135 , I= – 135 ; по горизонтали F = 6 кГц, I = 4 кГц. Включите и выключите схему. Зарисуйте ФЧХ и определите частоту, соответствующую минимальному (по модулю) фазовому сдвигу.

 

Результаты работы

 

Все измерения частоты сведите в таблицу 1.1.

 

Таблица 1.1. – Результаты расчета и измерения частоты контура

 

Способ измерения	Теоре-тический	По осцилло-графу	По АЧХ LOG	По АЧХ LIN	По ФЧХ LOG	По ФЧХ LIN
Частота, (кГц)	х	х	х	х	х	х
Погрешность абс., (Гц)		х	х	х	х	х
Погрешность отн., (%)		х	х	х	х	х

 

Теоретическое значение частоты определяется через параметры колебательного контура L1C1: .

Абсолютная и относительная погрешности, соответственно, рассчитываются по формулам:

.

Напишите выводы по проделанной работе, в которых сравните результаты расчёта и измерения частоты контура по временным характеристикам, АЧХ и ФЧХ логарифмического и линейного масштабов. Объясните результаты.

1.6 Контрольные вопросы

1. Дайте определение абсолютной и относительной погрешности? Каковы единицы измерения погрешности?

2. Какие виды резонансов Вы знаете? Какую частоту принято называть резонансной?

3. Дайте определение ширины полосы пропускания контура. Что на нее влияет?

4. Дайте определение чувствительности прибора?

5. Дайте понятие мгновенного, среднеквадратического (действующего) и средневыпрямленного значений напряжения? Укажите способы их измерения или расчета.

6. Что такое частотная характеристика четырехполюсника?

7. Какой может быть характер переходного процесса в LC контуре?

 

Лабораторная работа № 2