Лабораторная работа № 1 основы работы в среде Electronics Workbench.

ОСНОВЫ РАБОТЫ В СРЕДЕ ELECTRONICS WORKBENCH.

ИЗМЕРЕНИЕ ВОЛЬТАМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПАССИВНЫХ КОМПОНЕНТОВ ЭЛЕКТРОНИКИ

 

Цель

Освоить работу с основными компонентами Workbench и получить вольтамперные характеристики резисторов при различном соединении.

Задание

1.1. Изучить основные компоненты Electronics Workbench.

1.2. Для заданного варианта N собрать схему измерения и, используя Workbench, получить вольтамперные характеристики (ВАХ) двух отдельных резисторов, а также их последовательного и параллельного соединений. Номинальные значения резисторов выбирать по номеру варианта: R1 = N×100, кОм, и R2 = N×33, кОм, из ближайших промышленно выпускаемых стандартных значений резисторов.

1.3. Построить графики ВАХ и проанализировать полученные результаты.

Общие сведения

Программа Еlectronics Workbench применяется в большинстве высших учебных заведений мира с целью замены дорогостоящего экспериментального оборудования. Она предназначена для проектирования электрических цепей (аналоговых и цифровых) средней и высокой сложности и анализа их электрических параметров в различных режимах. Входные воздействия моделируются с помощью генераторов напряжения разной формы (гармонические колебания, прямоугольные и треугольные импульсы). Реакции цепи можно наблюдать с помощью осциллографа (осциллоскопа), мультиметра, вольт- и амперметров, логического анализатора, светодиодов, сегментных индикаторов, ламп накаливания, динамика. Можно легко получать амплитудную и фазовую частотные характеристики электронных аналоговых устройств автоматики с помощью частотного графопостроителя (bode plotter). С помощью логического анализатора и конвертера легко и быстро можно изучать, исследовать и улучшать работу цифровых логических устройств.

В целом, практика использования программы в вузах стран СНГ показала ее эффективность и высокую степень гибкости для изучения и моделирования работы электронных узлов автоматики и техники.

Electronics Workbench реализована как реальная лаборатория, в которой имеются перед глазами все компоненты и инструменты, готовые к использованию. При наведении мышки на элемент меню и непродолжительном ожидании появляется подсказка с названием элемента. Имеется также текстовая помощь (на английском языке).

Основная панель Electronics Workbench 5.12 показана на рис. 1.1.

 

 

Рис. 1.1. Основная панель Electronics Workbench

 

Команды можно выбирать из следующих, разделов меню:

Файл (File), Правка (Edit), Схема (Circuit), Анализ (Analysis), Окно (Window), Помощь (Help).

Следующие пиктограммы обозначают возможные режимы работы (и горячие клавиши):

Создать (^N), Открыть (^O), Сохранить (^S), Печатать (^P) документ.

Вырезать (^X), Копировать (^C), Вставить (^V).

 

Повернуть (^R), «Flip Horizontal»– отразить вправо, «Flip Vertical» – отразить вниз, «Create Sub circuit» – создать подсхему (^B), «Display Graphs» – графики.

«Component Properties» – свойства компонентов, «Zoom Out» – уменьшить масштаб, «Zoom In» – увеличить масштаб, Масштабирование в процентах.

1 «Help» – Помощь – вызов справки о данной панели.

Дополнительные пиктограммы 1–14 на рис. 1.1 обозначают различные наборы электронных компонентов, основные из которых раскрыты ниже. Кнопка 15 (Пуск) служит для включения или выключения,
а кнопка 16 (Пауза) – для приостановки процесса работы устройства.

Поясним обобщенно основные наборы компонентов Electronics Workbench, которые понадобятся при выполнении заданий.

 

2 – Sources – источники сигналов:

 

 

21– общая шина (заземление),

22– источники напряжения

 

3 – Basic – основные, пассивные компоненты:

 

 

31– точка присоединения,

32 – резистор,

33 – конденсатор

 

4 – Diodes – диоды:

 

 

41 – полупроводниковый диод,

42 – стабилитрон,

43 – тиристор

5 – Transistors – транзисторы биполярные и полевые:

 

 

51 – транзистор биполярный n-p-n-типа,

52 – транзистор биполярный p-n-p-типа,

53 – полевой транзистор c P-N-переходом (c N-каналом)

 

6 – Analog ICs – аналоговые интегральные схемы (ИС):

операционные усилители, компаратор, цепь фазовой синхронизации

 

 

61– операционный усилитель

 

7 – Mixed ICs – cмешанные ИС:

 

 

аналогоцифровые и цифроаналоговые преобразователи, ждущий (одностабильный) мультивибратор, таймер

 

8 –Digital ICs – цифровые ИС:

 

 

81 – RS-триггеры,

82 – JK-триггеры,

83 – D-триггеры

9 – Logic Gates – логические элементы (внимательно их выбирайте!!!):

 

 

91 – И (AND),

92 – НЕ (NOT),

93 – ИЛИ (OR),

94 – И-НЕ (NAND)

 

11 – Indicators – индикаторные приборы:

 

 

111 – вольтметр,

112 – амперметр,

113 – красный индикатор уровня,

114 – семисегментный индикатор,

115 – динамик

 

14 – Instruments – приборы:

 

 

141 – мультиметр,

142 – функциональный генератор,

143 – двухлучевой осциллограф,

144 – построитель АЧХ (bode plotter),

141 142 143 144 145 146 147 145 – генератор цифровых слов (кодов) (word generator),

146 – логический анализатор (logic analizer),

147 – логический преобразователь (logic converter).

Основные компоненты меню программы Workbench показаны
на рис. 1.2.

 

 

Рис. 1.2. Основные компоненты меню программы Electronics Workbench:

1 – общая шина; 2 – источники напряжения; 3 – точка присоединения; 4 – операционный усилитель; логические элементы: 5 – 2И, 6 – НЕ, 7 – 2И-НЕ, 8 – 2ИЛИ, 9 – 2ИЛИ-НЕ; 10 – вольтметр; 11 – амперметр; 12 – красный индикатор уровня; 13 – семисегментный индикатор; 14 – динамик; 15 – мультиметр; 16 – функциональный генератор; 17 – двухлучевой (двухвходовый) осциллограф; 18 – построитель амплитудно-частотных характеристик (bode plotter); 19 – генератор цифровых слов (кодов) (word generator); 20 – логический анализатор; 21 – логический преобразователь (конвертер) (Logic conventer); 22 – тумблер включения макета («ПУСК»); 23 – кнопка «ПАУЗА»

При запуске Workbench автоматически создается и открывается новый файл, который следует сохранить, используя команду File –Save as. Используя манипулятор «мышь», перенести необходимые элементы на рабочую область. Для этого нужно выбрать раздел на панели элементов и приборов (рис. 1.1, 1.2), в котором находится нужный элемент.

Для соединения двух выводов необходимо щелкнуть по одному из них левой кнопкой мыши и, не отпуская кнопку, довести курсор до вывода другого элемента.

Для изменения параметров (например, значения напряжения питания у источника питания или номинального значения у резистора, или количества входов у двухвходовых логических элементов) следует нажать правую кнопку мыши на компоненте, выбрать и изменить Component properties – свойства компонента.

Когда схема собрана следует, нажать на тумблер 15 – ПУСК – в верхнем правом углу рабочей области Workbench. Повторное нажатие приведет к остановке расчета. Следует отметить, что наличие элемента «Заземление» в схеме является обязательным условием ее работы.

Применение соответствующих приборов позволяет выполнить необходимые измерения, расчеты и вывести результаты.

Пассивные компоненты электроники (резисторы R, конденсаторы C и катушки индуктивности L) не требуют источника энергии (источника питания) для их работы. Вольтамперная характеристика (ВАХ) – зависимость тока I, протекающего через компонент от приложенного к нему напряжения V, – является важнейшей характеристикой.

 

Порядок выполнения работы

1.1. Изучив компоненты и работу в Workbench, собираем принципиальную электрическую схему измерения ВАХ, например, для варианта с номером N = 30 (R1 = 30*100 = 3000 кОм = 3Мом):

Изменяя значения источника питания U1, измеряем значения тока I через резистор R1 амперметром I1 и напряжения V на резисторе вольтметром V1. Результаты заносим в таблицу, например, в программе Excel. Далее повторяем измерения для второго резистора R2 = 30*33 = 990 (выбираем ближайшее значение по шкале промышленно выпускаемых номинальных значений R2 = 1000 кОм = 1 Мом), затем для последовательного и параллельного их соединения.

 

 

1.2. В программе Excel строим графики полученных ВАХ и анализируем их, используя известные соотношения, вытекающие из закона Ома и расчета общего значения сопротивления при различных соединениях резисторов.

1.3. Отвечаем письменно на контрольные вопросы и задания. Вопросы для самопроверки не требуют письменного ответа.

Контрольные вопросы и задания

1.1. По графическим зависимостям, используя выражение для расчета относительной погрешности рассчитать максимальную относительную погрешность при различном соединении резисторов.

1.2. Линейным или нелинейным элементом является резистор и различные соединения резисторов?

1.3. Как в среде Workbench автоматизировать процесс измерения ВАХ резисторов?

Вопросы для самопроверки

1.1. Что такое ВАХ?

1.2. Как маркируются резисторы и конденсаторы?

1.3. Как изменяется сопротивление неполупроводникового резистора при его нагревании?

1.4. Какие требования к внутреннему сопротивлению приборов должны быть при измерении токов, напряжений и сопротивлений?