Эксперимент 7. Влияние емкости конденсатора на выходное напряжение дифференциатора

а) Восстановите в схеме (рис. 13.5) первоначальные значения пара- метров схемы, а величину емкости конденсатора установите равной 0.1

мкФ. Включите схему. После установления процесса зарисуйте осцил- лограммы входного и выходного напряжения в разделе «Результаты экспериментов». По полученным осциллограммам определите ско- рость изменения входного напряжения и амплитуду выходного напря- жения. Результат запишите в раздел «Результаты экспериментов». Сравните осциллограмму выходного напряжения, полученную в дан- ном эксперименте, с осциллограммой, полученной в предыдущем экс- перименте.

б) По заданным параметрам схемы и найденному значению скоро- сти изменения входного напряжения рассчитайте амплитуду выход- ного напряжения. Результат запишите в раздел «Результаты экспери- ментов».

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ А

(справочное)

ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ELECTRONICS WORKBENCH

А.1 Структура окна и система меню

Главное окно программы EWB показано на рис. А.1.1. Оно содер- жит ряд элементов и полей, которые имеют тоже назначение, что и в окне Windows. Поэтому на них подробно останавливаться не будем. Кроме того, далее приведем только описание тех элементов и компо- нентов программы, которые используются в лабораторном практикуме [4].

 

Окно программы содержит поле меню, панель инструментов, ли- нейку контрольно-измерительных приборов и библиотек компонентов. В рабочем поле программы располагается моделируемая схема с подключенными к ней иконками контрольно-измерительных прибо- ров и краткое описание схемы на английском языке. Каждый из прибо- ров может быть развернут для установки режимов его работы и наблю- дения результатов. Линейки прокрутки используются только для пере- мещения схемы в рабочем поле. Заметим также что все кнопки имеют

подсвечиваемые подсказки их назначения.

В библиотеку элементов программы Electronics Workbench входят аналоговые, цифровые и цифро-аналоговые компоненты, которые об- разуют следующие группы: Favorites, Sources, Basic, Diodes, Transis- tors, Analog ICs, Mixed ICs, Digital ICs, DIGITAL, Indicators, Controls, Miscellaneous.

 

А.2 Библиотека компонентов

Перед описанием библиотеки компонентов следует заметить, что многие компоненты не вполне соответствуют той группе, в которую они входят.

Favorites – размещаются подсхемы, если они имеются в данной схеме (в исходном состоянии раздел пуст). Заполнение раздела моде- лями компонентов или подсхем осуществляется программой автомати- чески одновременно с загрузкой схемного файла и очищается после окончания работы с ним.

Sources – источники сигналов (рис. А.2.1). Здесь под источниками сигналов подразумеваются источники питания и управляемые источ- ники.

 

Раздел Sources содержит следующие компоненты:

Заземление – исходная точка для отсчета потенциалов. Схемы, содер- жащие операционный усилитель, трансформатор, управляемый источ- ник, осциллограф, должны быть обязательно заземлены. В противном случае приборы либо не будут производить измерения, либо показания их окажутся неправильными.

 Батарея, источник постоянного напряжения. ЭДС источника по- стоянного напряжения или батареи измеряется в Вольтах и зада-

ется производными величинами (от мкВ до кВ). Короткой жирной чер-

той в изображении батареи обозначается вывод, имеющий отрицатель- ный потенциал по отношению к другому выводу.

Источник постоянного тока. Ток источника постоянного тока измеряется в Амперах и задается производными величинами (от

мкА до кА). Стрелка указывает направление тока (от «+» к «-»).

 Источник переменного напряжения. Действующее значение напряжения источника измеряется в Вольтах и задается производ-

ными величинами (от мкВ до кВ). Имеется возможность установки ча- стоты и начальной фазы. Напряжение источника отсчитывается от вы- вода со знаком «~».

Действующее значение напряжения V_RMS, вырабатываемое источником переменного синусоидального напряжения, связано с его амплитудным значением V_PEAK следующим соотношением:

V RMS =  V PEAK         .

 Источник переменного тока. Действующее значение тока источ- ника измеряется в Амперах и задается производными величинами

(от мкА до кА). Имеется возможность установки частоты и начальной фазы. Ток источника отсчитывается от вывода со знаком «~».

Действующее значение тока I_RMS, вырабатываемое источником переменного синусоидального тока, связано с его амплитудным значением I_РЕАK следующим соотношением:

I RMS =  I PEAK   .

 Генератор тактовых импульсов. Генератор вырабатывает после- довательность прямоугольных импульсов. Можно регулировать

амплитуду импульсов, коэффициент заполнения (скважность) и ча- стоту следования импульсов. Отсчет амплитуды импульсов генератора производится от вывода, противоположного выводу «+».

 Источник напряжения, управляемый напряжением. Выходное напряжение источника зависит от входного напряжения, прило-

женного к управляющим зажимам.

Отношение выходного напряжения к входному определяется коэффициентом пропорциональности Е, который задается в мВ/В, В/В и кВ/В:

E =  V OUT V IN,

V_OUT – выходное напряжение источника, V_IN – входное напряжение ис- точника.

 Источник тока, управляемый напряжением. Величина тока источ- ника         зависит от входного напряжения, приложенного

к управляющим зажимам.

Отношение выходного тока к управляющему напряжению – коэффициент G, измеряется в единицах проводимости (1/Ом или сименс):

G =  I OUT V IN,

где I_OUT – выходной ток источника, V_IN – напряжение, приложенное к управляющим зажимам источника.

 Источник тока, управляемый током. Величина тока источника за- висит от величины входного тока (тока в управляющей ветви).

Входной и выходной токи связаны коэффициентом пропорционально- сти F, который определяет отношение выходного тока к току в управляющей ветви, коэффициент F задается в мА/А, А/А и кА/А.

F =  I OUT I IN,

где I_OUT – выходной ток источника, I_IN – входной ток источника.   Источник напряжения, управляемый током. Величина напряже-

ния источника зависит от величины входного тока (тока в управ-

ляющей ветви). Входной ток и выходное напряжение образуют пара- метр, называемый передаточным сопротивлением Н, который пред- ставляет собой отношение выходного напряжения к управляющему току. Передаточное сопротивление имеет размерность сопротивления и задается в мОм, Ом и кОм.

H =  V OUT I IN,

где V_OUT – выходное напряжение источника, I_IN – входной ток источника.

Замечание. При подключении управляемых источников необходимо соблюдать полярность и направление токов в подклю- чаемых цепях. Стрелка указывает направление тока от «+» к «-», значком «+» указан положительный вывод источника напряжения.

Basic – раздел, в котором собраны все пассивные компоненты, а также коммутационные устройства (рис. А.2.2).

 

Раздел Basic содержит следующие компоненты:

 Точка соединения проводников, используемая также для введения на схему надписей длиной не более 14 символов (других способов

введения текста в EWB не существует). Например, если на схеме тре- буется указать значение тока в какой-либо ветви, то на проводнике этой ветви ставится точка, затем двойным щелчком по точке вызывается

диалоговое окно, в котором и выполняется соответствующая надпись.

 Резистор. Сопротивление резистора измеряется в Омах и задается производными величинами (от Ом до Мом).

 Переменный резистор. Положение движка переменного резистора устанавливается при помощи специального элемента – стрелки-

регулятора. В диалоговом окне можно установить сопротивление, начальное положение движка (в процентах) и шаг приращения (также в процентах). Можно изменять положение движка при помощи кла- виш-ключей.

Используемые клавиши-ключи: буквы от А до Z, цифры от 0 до 9, клавиша Enter на клавиатуре, клавиша пробел [Space].

Для изменения положения движка необходимо нажать клавишу- ключ. Для увеличения значения положения движка необходимо одно- временно нажать [Shift] и клавишу-ключ, для уменьшения – клавишу- ключ.

 Конденсатор. Емкость конденсатора измеряется в Фарадах и зада- ется производными величинами (от пФ до Ф).

 Переменный конденсатор допускает возможность изменения ве- личины емкости, которую устанавливают аналогично сопротив-

лению переменного резистора, используя клавиши-ключи (смотри ра- нее).

 Электролитический конденсатор. Емкость конденсатора измеря- ется в Фарадах и задается производными величинами (от пФ до

Ф). При подключении конденсатора следует соблюдать полярность. Вывод «+» необходимо подключать к «+» источника напряжения.

 Катушка индуктивности. Индуктивность катушки (дросселя) из- меряется в Генри и задается производными величинами (от мкГн

до Гн).

 Трансформатор используется для преобразования напряжения V 1 в напряжение V 2. Коэффициент трансформации n равен отноше-

нию напряжения V I на первичной обмотке к напряжению V 2 на вто- ричной обмотке. Параметр n может быть установлен в диалоговом окне свойств модели трансформатора. Трансформатор может быть вы- полнен с отводом средней точки. Схема, содержащая трансформатор, должна быть заземлена.

 Ключ, управляемый клавишей. Ключ, может быть, замкнут или разомкнут при помощи управляющей клавиши подобно тому, как

это делается при изменении сопротивления переменного резистора (смотри ранее).

Diodes – раздел, содержащий различные типы полупроводнико- вых диодов и мостов на их основе (рис. А.2.3).

 

Раздел Diodes содержит следующие компоненты:

 Диод полупроводниковый. Ток через диод может протекать только в одном направлении – от анода А к катоду К. Состояние

диода (проводящее или непроводящее) определяется полярностью приложенного напряжения.

 Стабилитрон. Для стабилитрона (диода Зенера) рабочим является отрицательное напряжение. Обычно этот элемент используют для

стабилизации напряжения в цепи.

 Светодиод (светоизлучающий диод) – излучает видимый свет, ко- гда проходящий через него ток превышает пороговую величину.

 Выпрямительный мост предназначен для выпрямления перемен- ного напряжения.

 Диод Шоттки. Отличается от обычного полупроводникового ди- ода тем, что находится в непроводящем состоянии до тех пор, пока

напряжение на нем не превысит фиксированного порогового уровня.   Тиристор (управляемый вентиль). Дополнительный  управля-

ющий вывод позволяет управлять моментом перехода тиристора в

проводящее состояние. Вентиль отпирается, когда ток управляющего электрода превысит пороговое значение, а к анодному выводу не будет приложено положительное смещение. Тиристор остается в открытом состоянии, пока к анодному выводу не будет приложено отрицательное напряжение.

 Динистор симметричный – управляемый анодным напряжением двунаправленный переключатель. Прибор не проводит ток

в обоих направлениях до тех пор, пока напряжение на нем не превысит напряжения переключения, тогда динистор переходит в проводящее состояние.

 Симистор или триак (двунаправленный управляемый вентиль). Симистор способен проводить ток в двух направлениях. Он запи-

рается при изменении полярности протекающего через него тока и отпирается при подаче следующего управляющего импульса.

Transistors – раздел содержащий различные типы биполярных и полевых транзисторов (рис. А.2.4).

 

Раздел Transistors содержит следующие компоненты:

 Биполярный n-p-n транзистор. Полупроводниковый усилитель- ный прибор, управляемый током. Транзистор n-p-n типа имеет две

n -области.

 Биполярный p-n-p транзистор. Полупроводниковый усилитель- ный прибор, управляемый током. Транзистор p-n-p типа имеет две

p -области.

 Полевой (униполярный) n -канальный транзистор с управляющим

p-n- переходом (JFET). Транзистор, управляемый  напряжением,

в котором для управления током используется наведенное электриче- ское поле, зависящее от напряжения затвора.

 Полевой (униполярный) p -канальный транзистор с управляющим

p-n- переходом (JFET). Транзистор, управляемый напряжением, в

котором для управления током используется наведенное электрическое поле, зависящее от напряжения затвора.

Analog ICs – раздел, содержащий аналоговые микросхемы (рис. А.2.5).

 

В раздел Analog ICs входят следующие компоненты:

 Операционный усилитель (ОУ) – усилитель, предназначенный для работы с обратной связью. Вход «+» – неинвертирующий,

а вход «-» – инвертирующий. Линейная модель ОУ позволяет задавать ряд основных параметров. Входные и выходные сигналы ОУ должны быть заданы относительно земли.

 Операционный усилитель (нелинейная модель) – позволяет учи- тывать эффекты второго порядка ограничения выходного напря- жения и тока. Два дополнительных вывода для подключения положи-

тельного и отрицательного напряжения источника питания.

 Компаратор – позволяет производить сравнение уровней двух ана- логовых             сигналов, поступающих на его инвертирующий «-»

и неинвертирующий «+» вход. При переключении компаратора, в зави- симости от результата сравнения, на его выходе формируется сигнал низкого либо высокого уровня.

Mixed ICs – раздел с микросхемами смешанного типа (рис. А.2.6)

В раздел Mixed ICs входят следующие компоненты: 8-разрядный АЦП (ADC), два типа ЦАП (DAC) с внешними опорными источниками тока или напряжения, мультивибратор (MONO) и инте- гральный таймер (555 timer).

Digital ICs – цифровые микросхемы (рис. А.2.7). В группу входят модели цифровых ИМС серий SN74 и CD4000 (соответствуют отече- ственным сериям 155 и 176). Для выбора конкретных ИМС вместо сим- волов «хх» указываются соответствующие номера.

Logic Gates – логические цифровые микросхемы (рис. А.2.8). Группа состоит из моделей базовых логических элементов и моделей ТТЛ- и КМОП-серий. Кроме того в группу входит элемент НЕ на базе триггера Шмитта.

 

DIGITAL – цифровые микросхемы (рис. А.2.9). В разделе объединены компоненты комбинационного и последовательностного типа: полусумматоры, сумматоры, серийные ИМС мультиплексоров, декодеров / демультиплексоров, кодеров, арифметико-логических устройства; RS-, JK- и D-триггеры, серийные ИМС триггеров, регистров, счетчиков.

 

Indicators – содержит индикаторные устройства (рис. А.2.10).

 

В раздел Indicators входят следующие компоненты:

 Вольтметр для измерения напряжения в режиме постоянного или переменного тока. Имеется возможность выбора режима измере-

ния и внутреннего сопротивления.

 Амперметр для измерения постоянного или переменного тока.

Имеется возможность выбора режима измерения и внутреннего

сопротивления.

Кроме того, в группу входит лампа накаливания, светоиндикатор, семисегментный индикатор, семисегментный индикатор с дешифратором, зуммер, линейка из десяти независимых светодиодов и линейка светодиодов со встроенным АЦП.

Controls – аналоговые вычислительные устройства (рис. А.2.11).

 

 

 

Раздел содержит компоненты, из которых укажем на следующие: дифференциатор, интегратор, масштабирующее звено, множительное и делительное устройство.

Miscellaneous – компоненты смешанного типа (рис. А.2.12).

 

Раздел Miscellaneous содержит ряд компонентов, из которых укажем на следующие:

 Предохранитель разрывает цепь, если ток в ней превышает максимальный. Имеется возможность выбора максимального тока

от мА до кА.

 Кварцевый резонатор (КР) – прибор, принцип действия которого основан на обратном пьезоэффекте. КР широко используется для

стабилизации частоты колебаний в генераторах гармонических и импульсных сигналов. Имеется возможность изменения основных параметров КР и выбора прибора стандартного типа.