Аппаратное и программное обеспечение

 

1 Рабочая станция локальной сети (персональный компьютер).

2 Графический манипулятор – мышь.

3 Программа Electronics Workbench 5.0.

 

Порядок выполнения работы

 

1 Проверка подготовки студентов к лабораторной работе по вопросам самопроверки.

2 Получить инструктаж по технике безопасности.

ВНИМАНИЕ! Аккуратно обращайтесь с персональным компьютером и его периферийными устройствами. Проверьте наличие устройств заземления.

3 Включить персональный компьютер, для этого:

3.1 Включить рабочую станцию компьютерной сети с помощью сетевого переключателя на системном блоке «Power».

3.2 Наблюдать загрузку компьютера.

3.3 Войти в программу Electronics Workbench 5.0. Получить изображение стандартного окна программы.

4 Ознакомиться с элементами, которые содержатся в библиотеках компонентов (см. приложение А).

5 Получить на экране осциллографа изображения сигналов различной формы. Собрать схему проведения исследований (рисунок 1.1).

 

 

Рисунок 1.1−Схема исследования формы сигнала

 

5.1 Кликнуть два раза по изображению генератора G. Установить режим генерации синусоидальных импульсов, нажав на соответствующее изображение в раскрывшемся окне лицевой панели генератора.

5.2. Установить частоту генератора равную 2 кГц, амплитуду (amplitude) – 10 В, длительность импульса (duty cycle) 50% от периода, постоянную составляющую (offset) сигнала на выходе генератора – равной нулю, изменяя эти данные в окошках напротив параметров в раскрывшемся окне лицевой панели генератора.

5.3 Щёлкнуть два раза на изображение осциллографа, чтобы открыть изображение лицевой панели данного прибора.

5.4 Включить режим анализа схемы, щелкнув мышью по изображению I включателя, расположенного в правом верхнем углу панели инструментов.

5.5 Щёлкнуть на изображение Expand лицевой панели осциллографа. Наблюдать временные диаграммы сигнала на расширенном экране.

5.6 Нажать мышью на надпись «Pause» на панели инструментов, остановив анализ построения программой временных диаграмм, или отключить формирование сигналов, нажав левой клавишей мыши на изображение 0 в правом верхнем углу окна.

5.7 Щелчками мышью, установить на лицевой панели осциллографа переключателем “Время на деление” (Time base) – время, соответствующее наблюдению двух периодов колебания.

5.8 Установить переключателем «Вольт на деление» (V/div) масштаб по оси амплитуд: размах сигнала на входе делителя напряжения в две клетки. Зарисовать полученное изображение в отчет.

5.9 С помощью курсора (см. приложение А) измерить период, максимальное значение и размах сигнала. Рассчитать частоту сигнала. Занести данные в отчет.

5.10 Установить режим генерации треугольных импульсов, нажав на соответствующее изображение в раскрытом окне лицевой панели генератора. Повторить пп. 5.2 – 5.9. Изменяя скважность сигнала (Duty cycle), убедиться, что можно изменить форму сигнала от треугольной до пилообразной. Зарисовать изображение сигнала пилообразной формы при скважности 10%.

5.11 Установить режим генерации прямоугольных импульсов. Повторить п. 5.10.

6 Проверить выполнение закона Ома. Собрать схему проведения исследований (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 − Схема исследования закона Ома

 

В данной схеме используются:

U – источник постоянного напряжения;

V – вольтметр, показывает напряжение на резисторе R;

А – амперметр, показывает ток в цепи.

6.1 Установить значение напряжения источника постоянного напряжения U = 10 В. Для этого два раза щелкнуть мышью на его изображение и в раскрывшемся окне поменять значение напряжения источника – Voltage (V). Установить значение сопротивления резистора R, Ом (R равно номеру записи студента в учебном журнале). Чтобы установить значение элемента, надо два раза щёлкнуть левой клавишей мыши на изображение элемента и поменять его значение в раскрывшемся окне. Нажать «OK», окно закроется, значение элемента изменится.

6.2 Установить в вольтметре и амперметре режим измерения постоянного тока. Для чего щёлкнуть два раза на изображение элемента и, в раскрывшемся окне, выбрать режим (Mode) – DC (постоянный ток).

6.3 По закону Ома рассчитать ток в цепи I. Занести результаты вычислений в таблицу 1.1.

6.4 Включить режим анализа схемы. Снять напряжение на резисторе U_R и ток в цепи I. Занести полученные данные в таблицу 1.1, проверить выполнение закона Ома.

6.5 Установить другое значение сопротивления резистора R₂ = R+50 Ом, повторить пп. 6.3. – 6.4.

 

Таблица 1.1 − Опытные и расчетные данные исследования закона Ома

Из опыта	Вычисления
R, Ом	UR, В	I, А	I, А
R =
R+50 =

 

6.7 Исследовать закон Ома для последовательного соединения резисторов. Собрать схему проведения исследований (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3−Схема исследования последовательного соединения резисторов

В данной схеме используются:

U – источник постоянного напряжения;

V1 – показывает напряжение на резисторе R1;

V2 – показывает напряжение на резисторе R2;

А – амперметр, показывает ток в цепи.

7.1 Установить R₁ = 2 Ом, R₂ = 8 Ом. Значение напряжения U, В установитьравным номеру записи студента в учебном журнале (см. п. 6.1). Установить в вольтметрах и амперметре режим измерения постоянного тока.

7.2 Включить режим анализа схемы. Снять показания напряжений на вольтметрах и тока в цепи. Занести полученные данные в таблицу 1.2.

 

Таблица 1.2 − Опытные и расчетные данные исследования последовательного соединения резисторов

 

R, Ом	U, В	I, А	Rэкв, Ом	I, А
R1=2 Ом
R2=8 Ом

 

7.3 Рассчитать эквивалентное сопротивление данной цепи, заменить два последовательно соединенных резистора одним эквивалентным. Включить режим анализа схемы, занести показания амперметра в таблицу 2.2. Сделать выводы.

8 Показать результаты выполнения работы преподавателю.

9 Выключить оборудование.

10 Составить отчет по работе.

 

Содержание отчета

 

1 Наименование и цель работы.

2 Схемы исследований (рисунки 1.1, 1.2, 1.3).

3 Осциллограммы сигналов.

4 Результаты измерений и вычислений (таблица 1.1, 1.2).

5 Ответы на контрольные вопросы (по заданию преподавателя).

6 Выводы по работе.

 

Контрольные вопросы

1 Нарисовать кривые переменных напряжений, изменяющихся по различным законам.

2 Чему равно общее напряжение цепи при последовательном соединении двух резисторов; трех резисторов?

Содержание зачета

Студент должен знать ответы на контрольные вопросы. Должен уметь проводить измерения, предусмотренные заданием на работу, анализировать результаты измерений.

 

Литература

 

1 Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC – М.: Солон-Р, 1999.− С. 22 – 50.

2 Китаев В. Е. Электротехника с основами промышленной электроники − М.: Высшая школа, 1985. − С. 20 – 66

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ИСТОЧНИКОВ

Цель работы: исследование свойств источников тока и источников напряжения; получить практические навыки работы с программой Electronics Workbench 5.0.

Подготовка к выполнению лабораторной работы

 

1 Изучить по [1], [2] нагрузочные характеристики источников тока и напряжения.

2 Подготовить ответы на вопросы самопроверки.

3 Подготовить бланк отчета (см.Содержание отчета).

4 Сделать предварительный расчет: рассчитать ток I, напряжение на зажимах источника напряжения U, мощность потребителя Р_н, а также КПД η.

Известно, что в цепи значение ЭДС Е, В равно номеру записи студента в учебном журнале; R_i = 320 Ом; сопротивление потребителя R = 1, 80, 160, 320, 1280, 3000, 5000,

∞ Ом.

Данные расчета занести в таблицу 3.1. По данным построить графики зависимости U, Р, η = f(R). При построении кривых наибольшее значение всех величин отложить по вертикали на одной высоте.

 

Таблица 3.1 − Расчетные данные

 

R, Ом	I, мА	U, В	Рн, мВт	η
1
80
160
320
1280
3000
5000
∞

Вопросы для самопроверки

 

1 Дайте определение источника напряжения.

2 Дайте определение источника тока.

3 Как измерить ЭДС источника?

4 Как на практике получить источник тока?

5 На какую величину отличается ЭДС источника от напряжения на его зажимах?

6 Дайте определения режимов холостого хода, короткого замыкания и согласованного режима.

7 Запишите закон Ома для замкнутого контура.

8 Чему равно напряжение на зажимах источника при согласованном режиме?

9 Как изменяется напряжение на зажимах источника при увеличении сопротивления потребителя?

10 По каким формулам можно рассчитать мощности потребителя, нагрузки и потери внутри источника?

11 Запишите формулы для расчета КПД.

12 Каков КПД в электрической цепи при согласованном режиме?

13 Является ли экономически выгодным согласованный режим работы?

 

Аппаратное и программное обеспечение

 

1 Рабочая станция локальной сети (персональный компьютер).

2 Графический манипулятор мышь.

3 Программа Electronics Workbench 5.0.

 

Порядок выполнения работы

1 Проверка подготовки студентов к лабораторной работе по вопросам самопроверки.

2 Получить инструктаж по технике безопасности.

ВНИМАНИЕ! Аккуратно обращайтесь с персональным компьютером и его периферийными устройствами. Соблюдайте требования эргономики. Проверьте наличие устройств заземления.

3 Включить персональный компьютер, для этого:

3.1 Включить рабочую станцию компьютерной сети с помощью сетевого переключателя на системном блоке «Power».

3.2 Наблюдать загрузку компьютера.

3.3 Войти в программу Electronics Workbench 5.0. Получить изображение стандартного окна программы.

4 Собрать схему проведения исследований (рисунок 2.1). Для этого из библиотек программы достать необходимые элементы. Элемент переносится из каталога на рабочее поле движением мыши при нажатой левой кнопке, после чего кнопка отпускается. После того, как все необходимые элементы будут вызваны из библиотек, производится соединение их выводов проводниками.

Для соединения необходимо нажать левую клавишу манипулятора мышь в точке соединения в момент появления стрелки. Удерживая клавишу, перемещать манипулятор мышь по коврику. Отпустить клавишу необходимо в момент появления другой точки в нужном месте соединения. Появляющаяся линия – подтверждение правильности соединения. Аналогично включить все элементы схемы.

Рисунок 2.1 – Схема исследования источника напряжения

 

В данной схеме используются:

V – вольтметры (показывают действующее значение напряжения);

А – амперметр (показывает действующее значение тока);

Е – генератор гармонических колебаний.

4.1 Установить значения параметров генератора гармонических колебаний. Для этого два раза щёлкнуть на изображение источника и в раскрывшемся окне установить значения: ЭДС источника (Voltage) – Е (см. Подготовку к выполнению лабораторной работы п. 4), частоты (Frequency) 60 Гц (задана по умолчанию), начальной фазы (Phase) 0⁰ (задана по умолчанию), изменяя эти параметры в соответствующих окошках.

Установить R_i=320 Ом, R=1 Ом. Чтобы установить значение элемента, надо два раза щёлкнуть левой клавишей мышью по изображению элемента и поменять его значение в раскрывшемся окне с помощью мыши. Нажать «OK», окно закроется, значение элемента изменится.

4.2 Установить в вольтметре и амперметре режим измерения переменного тока. Для чего щёлкнуть манипулятором мышь два раза на изображение элемента и в раскрывшемся окне выбрать режим (Mode) – АС (переменный ток).

5 Исследовать нагрузочные характеристики источника напряжения:

5.1 Включить режим анализа схемы, снять показания вольтметра и амперметра, затем выключить рабочий режим схемы. Полученные данные занести в таблицу 2.2.

5.2 Изменять сопротивление резистора R (R = 80, 160, 320, 1280, 3000, 5000, ∞ Ом), согласно таблицу 2.2. Чтобы установить режим холостого хода (R= ∞), необходимо удалить линию, обозначенную на рисунке 2.1 – (1).

После каждого изменения сопротивления включать режим анализа схемы. Результаты измерений напряжения и тока занести в таблицу 2.2. Сделать вычисления.

 

Таблица 2.2 − Опытные и расчетные данные при исследовании источника напряжения

 

Задано	Из опыта	Вычисления
R, Ом	R/ Ri	Е=;Ri=	Imax = А; Pmax = Вт
U, В	I, мА	I/Imax	U/Umax	P, мВ	P/ Pmax	η
1
80
Продолжение таблицы 2.2
160
320
1280
3000
5000
R=∞

 

5.3 По результатам расчета построить графики зависимостей: I/I_max, U/U_max, P/P_max, η = f(R/R_i). При построении кривых отношение R/R_i откладывать по горизонтали в масштабе, при котором одинаковый линейный отрезок соответствует удваивающейся величине R/R_i.

5.4 Преобразовать источник напряжения в источник тока. Для этого к источнику напряжения подключить очень большое внутреннее сопротивление R_i = 10 кОм. Изменять сопротивление резистора R (R =1, 80, 160, 320, 1280 Ом) и измерять ток в цепи. Результаты измерений занести в таблицу 2.3.

 

Таблица 2.3 − Опытные данные при преобразовании источника напряжения в источник тока

 

R, Ом	I, мА
1
80
160
320
1280

 

6 Показать результаты выполнения работы преподавателю.

7 Выключить оборудование.

8 Составить отчет по работе.

 

Содержание отчета

 

1 Наименование и цель работы.

2 Решение задачи раздела «Подготовка к выполнению лабораторной работы» п. 4:

- расчетные данные;

- заполненная таблица 2.1;

- графики зависимости U, Р, η = f(R).

3 Схемы исследований (рисунки 2.1 и 2.2).

4 Результаты измерений и вычислений (таблицы 2.2, 2.3 и 2.4).

5 Графики зависимостей I/I_max, U/U_max, P/P_max, η = f(R/R_i).

6 Ответы на контрольные вопросы (по заданию преподавателя).

7 Выводы по работе.

 

Контрольные вопросы

 

1 Как опытным путем измеряется ЭДС источника?

2 Как на практике получить режим холостого хода, короткого замыкания, согласованный режим?

3 При каком условии отдача мощности во внешнюю цепь будет максимальной?

4 В каком режиме ток цепи максимален?

5 Дано Е = 20 В, U = 18 В, I = 2A. Найти внутреннее сопротивление источника R_i.

6 Какими свойствами обладает источник напряжения? Источник тока?

 

Содержание зачета

 

Студент должен знать ответы на контрольные вопросы; должен уметь проводить измерения, предусмотренные заданиями по лабораторной работе, анализировать результаты измерений.

 

Литература

1 Агасьян М. В., Орлов Е. А. Электротехника и электрические измерения. – М.: Радио и связь, 1983. – С. 46 – 52.

2 Добротворский И. Н. Теория электрических цепей. – M.: Радио и связь, 1989. – С.82 – 86, 101 – 104.

3 Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC – М.: Солон-Р, 1999. – С. 22 – 50.

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ RL - и RC - ЦЕПЕЙ ПРИ ГАРМОНИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

 

Цель работы: исследовать соотношения между напряжением и током при последовательном соединении резистивного и реактивного сопротивлений и воздействии гармонического сигнала; экспериментально проверить основные соотношения для цепей RL и RC.

 

Домашнее задание

 

1 Изучить по [1], [3] процессы в электрической цепи, состоящей из резистивного и реактивного сопротивлений.

2 Подготовить ответы на вопросы самопроверки.

3 Подготовить бланк отчета (см. раздел «Содержание отчета»).

4 Рассчитать входное сопротивление Z, действующее значение тока I_д, действующее значение напряжения на резисторе U_Rд и реактивном сопротивлении (для цепи RC – U_Cд; для цепи RL – U_Lд), определить мощность, построить векторные диаграммы напряжений:

- для последовательного соединения RC при U_{вх max}= 3 В, R= 100 Ом, f = 20 кГц, значении емкости конденсатора C, нФ, равном номеру записи студента в учебном журнале. Данные расчета занести в таблицу 3.1;

- для последовательного соединения RL при U_{вх max} = 3 В, R = 100 Ом, f = 1 кГц, значении индуктивности L, мГн, равном номеру записи студента в учебном журнале. Данные расчета занести в таблицу 3.2.

 

 

Вопросы для самопроверки

 

1 Запишите выражения для определения реактивного сопротивления конденсатора и индуктивности.

2 Запишите выражение входного сопротивления последовательного соединения R и C в комплексном виде.

3 Запишите выражение входного сопротивления последовательного соединения R и L в комплексном виде.

4 Запишите закон Ома для цепей RC и RL для максимальных и действующих значений тока и напряжения.

5 Запишите закон Ома в комплексном виде для цепей RC и RL.

6 Запишите формулы для расчета напряжений на активном и реактивном элементах для цепей RC и RL.

7 Что такое треугольник сопротивлений, зарисуйте его.

8 Что называется коэффициентом мощности?

9 Как определяется активная мощность цепей RC и RL?

10 Как найти реактивную и полную мощности цепей RC и RL?