Лабораторный практикум по электротехническим измерениям в среде Electronics Workbench

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИМ ИЗМЕРЕНИЯМ В СРЕДЕ ELECTRONICS WORKBENCH

 

 

для студентов специальности

09.02.01 - Компьютерные системы и комплексы

 

Составитель:

Юлия Анатольевна Кончакова

 

 

Абакан, 2015

ВВЕДЕНИЕ

Лабораторный практикум является пособием для подготовки студентов к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Электротехнические измерения» специальности 09.02.01 «Компьютерные системы и комплексы» отделения информатики колледжа педагогического образования, информатики и права ХГУ им. Н. Ф. Катанова, а также может быть рекомендован студентам специальности 09.02.01 «Компьютерные системы и комплексы» при изучении основ электротехники и прикладной электроники, и соответствует содержанию рабочей программы учебной дисциплины, а так же ФГОС СПО по специальностям.

Изучение общепрофессиональной дисциплины «Электротехнические измерения» эффективно лишь тогда, когда наряду с овладением основ теории студенты в условиях проведения лабораторного эксперимента знакомятся на практике с основными принципами и методами измерений, источниками питания, осциллографами и измерительными приборами. Основной задачей лабораторного практикума является приобретение студентами практических навыков измерения электрических величин с помощью аналоговых и цифровых измерительных приборов, обработки экспериментальных данных, построение характеристик устройств. Наряду с натуральными экспериментами в настоящее время широкое распространение получило компьютерное моделирование в таких программах, как Electronics Workbench, LabVIEW, NI Multisim и др. На этапе начального освоения студентами моделирования электронных устройств наиболее приемлемым средством является программная среда Electronics Workbench.

Система схемотехнического моделирования Electronics Workbench предназначена для моделирования и анализа аналоговых, цифровых и цифро-аналоговых схем большой степени сложности. Имеющиеся в программе библиотеки включают в себя большой набор широко распространенных электронных компонентов. Есть возможность подключения и создания новых библиотек компонентов.

Параметры компонентов можно изменять в широком диапазоне значений. Простые компоненты описываются набором параметров, значения которых можно изменять непосредственно с клавиатуры, активные элементы - моделью, представляющей собой совокупность параметров и описывающей конкретный элемент или его идеальное представление. Модель выбирается из списка библиотек компонентов, параметры модели также могут быть изменены пользователем.

Широкий набор приборов позволяет производить измерения различных электрических величин, задавать входные воздействия, строить графики. Все приборы изображаются в виде, максимально приближенном к реальному, поэтому работать с ними просто и удобно.

Моделирование электрических схем устройств в компьютерном классе или дома и визуализация результатов в виде осциллограмм, графиков характеристик, показаний виртуальных приборов способствует лучшему пониманию принципов измерений.

В практикуме в описании каждой лабораторной работы сформулирована ее цель, приведены основные расчетные соотношения между электрическими величинами и задание на моделирование электрических схем устройств, даны рекомендации к выполнению экспериментов, обработке полученных данных и составлению отчетов по работам.

Приведенные в лабораторном практикуме теоретические сведения охватывают минимум материала, необходимый для выполнения лабораторной работы, поэтому в ходе подготовки к работе предполагается, что, прежде чем приступить к моделированию, студент самостоятельно проработал лекционный материал по теме, изучил основные теоретические положения и расчетные соотношения, указанные в пособии. С целью закрепления рассмотренного материала в конце каждой лабораторной работы приведен список контрольных вопросов.

Краткие описания и инструкции работы в среде Electronics Workbench приведены в 1 главе лабораторного практикума.

 

Основы работы с программой Electronics Workbench версии 5.12

Источники тока

В общем случае источники тока могут быть представлены в виде генератора напряжения или генератора тока. Источники тока делятся на источники постоянного тока, переменного тока и управляемые (функциональные) источники. Кроме того, они подразделяются на измерительные источники и источники для электропитания, а также на источники немодулированных и модулированных сигналов.

Источники постоянного и переменного тока и напряжения, используемые в программе EWB, расположены в поле Sources. Некоторые из них показаны на рис. 1.6:

Рис. 1.6. Источники тока

Мультиметр

Мультиметр (рис. 1.8) – универсальный измерительный прибор, с помощью которого можно выполнять измерения тока, напряжения, сопротивления и относительного уровня напряжения. Прибор перетаскивается на рабочий стол курсором мышки при нажатой левой клавише. Подключение проводников выполняется к выводам прибора в уменьшенном изображении, настройка режима

работы и снятие показаний выполняется на увеличенном изображении прибора появляющемся при двойном щелчке мышкой на малом изображении.

На увеличенном изображении нажатием левой кнопки мыши выбирается: измеряемая величина по единицам измерения – A, V, Ω или dB, вид измеряемого сигнала – переменный или постоянный, например, на рисунке 1.8 установлен режим измерения постоянного напряжения, режим установки параметров мультиметра.

Рис. 1.8. Две формы отображения прибора Multimeter в программе EWB

Установка вида измеряемой величины производится нажатием соответствующей кнопки на увеличенном изображении мультиметра. Нажатие кнопки с символом «~» устанавливает мультиметр для измерения действующего значения переменного тока и напряжения, постоянная составляющая сигнала при измерении не учитывается. Для измерения постоянных значений напряжения и тока нужно на увеличенном изображении мультиметра нажать кнопку с символом «–».

Для того чтобы использовать мультиметр для измерений напряжения, тока, сопротивления или уровня напряжения в децибелах, нужно нажать кнопку на увеличенном изображении мультиметра: А, V, Ω или dB соответственно.

В качестве амперметра и вольтметра мультиметр используется так же, как и стандартные приборы.

Мультиметр –  единственный в EWB стандартный прибор, предназначенный для измерения сопротивления. Для использования мультиметра в качестве омметра подсоедините его параллельно участку цепи, сопротивление которого нужно измерить, на увеличенном изображении мультиметра нажмите кнопку Ω и кнопку с символом «–» переключения в режим измерения постоянного тока. Включите схему. На табло мультиметра при этом появится измеренное значение сопротивления.

Чтобы избежать ошибочных показаний, схема должна иметь соединение с землёй и не иметь контакта с источниками питания. Источники питания должны быть исключены из схемы, причём идеальный источник тока должен быть заменён разрывом цепи, а идеальный источник напряжения – короткозамкнутым участком.

Нажатие клавиши Settings вызывает окно настройки параметров прибора (рис. 1.9), в котором можно задать внутреннее сопротивление вольтметра и амперметра, ток прибора в режиме измерения сопротивления и величину опорного напряжения, используемого в режиме измерения относительного уровня напряжения.

Рис. 1.9. Окно настройки параметров мультиметра

Осциллограф

Осциллограф – прибор, показывающий уровень напряжения исследуемого сигнала на специальном экране. Экран имеет градуировку, благодаря которой можно не только увидеть форму изменяющегося напряжения, но и измерить его величину и длительность. Это один из самых универсальных приборов в практике разработчика электронных схем. Существует несколько видов осциллографов. В EWB используется двухканальный цифровой запоминающий осциллограф (рис. 1.10, 1.11). Прибор имеет четыре вывода, подключение к которым выполняется на малом изображении осциллографа (рис. 1.10). Два нижних вывода –входы каналов А и В, работающих независимо друг от друга.

Рис. 1.10. Две формы отображения осциллографа в программе EWB

Верхний вывод справа – заземление, как правило, именно относительно этого вывода отсчитывается напряжение на входных зажимах, поэтому подключение заземления необходимо для правильной работы осциллографа. Нижний вывод справа – вход для сигнала внешней синхронизации (блок Trigger на рис. 1.10).

Обычно осциллограф работает в режиме внутренней синхронизации, в этом случае в блоке синхронизации установлен режим Auto, а на вывод синхронизации не подается никакого сигнала.

Скорость движения электронного луча осциллографа, формирующего изображение на экране (скорость развертки), задается установками в блоке Timebase(блок развертки). Шкала, нанесенная на экран осциллографа, по горизонтали имеет чуть больше 14 делений, в блоке Time base устанавливается время, за которое электронный луч проходит одно деление. Установки являются общими для двух каналов, т.е. по горизонтальной оси всегда откладывается время в одних и тех же единицах, как для канала А, так и для канала В. Если измерения должны начинаться не с момента включения питания, можно установить сдвиг по оси времени на соответствующее число делений, задав X position. Кроме того, здесь же можно кнопками задавать режим развертки луча. В режиме Y/T (обычный режим, включен по умолчанию) по вертикали откладывается напряжение сигнала, по горизонтали -время. В режимах В/А и А/В напряжение в одном канале управляет разверткой по горизонтали, а напряжение в другом канале отклоняет луч по вертикали, в режиме В/А по вертикали откладывается напряжение в канале В, а по горизонтали -в канале А; в режиме А/В наоборот.

Амплитуда наблюдаемого напряжения определяется установками, заданными в блоках А и В (ChannelA, ChannelB, рис. 1.10), амплитуда напряжения, также, как и в случае развертки, задается на одно деление вертикальной шкалы (всего вертикальная шкала имеет около 7 делений), причем в отсутствие входного сигнала луч проходит ровно посередине шкалы. Это сделано для того, чтобы одинаково отображались как положительное, так и отрицательное напряжения.

При отрицательном значении напряжения луч отклоняется вниз от средней линии, при положительном значении – вверх. Величина максимальной наблюдаемой амплитуды при этом уменьшается вдвое от полного размера экрана по вертикали. Регулировка амплитуды наблюдаемого напряжения выполняется для каждого канала отдельно и независимо. В случае наблюдения только одного напряжения, второй канал вообще не подключается к схеме. Если необходимо добавить к измеряемому сигналу определенный уровень постоянного напряжения, это можно сделать, задав смещение по вертикальной оси на соответствующее число делений в окне Y position. Внизу блока того и другого канала расположены три кнопки, управляющие режимом работы входного зажима. Режим DC (открытый вход) позволяет выполнять измерения постоянного и переменного сигнала, режим AC (закрытый вход) пропускает на вход осциллографа только переменный сигнал, отсекая постоянную составляющую (в этом режиме входной сигнал проходит через конденсатор), в режиме 0 входной зажим принудительно замыкается на «землю», показывая на экране осциллографа положение нулевого уровня напряжения.

Наличие двух независимых каналов для входного сигнала позволяет одновременно выполнять измерение напряжения в двух различных точках схемы, сравнивая их между собой. Это значительно облегчает анализ работы сложных электронных схем, работающих с изменяющимися во времени сигналами.

Нажатие кнопки Expand на увеличенной модели осциллографа (рис. 1.10) открывает режим цифрового двухканального осциллографа (рис. 1.11). В этом режиме на панели осциллографа появляются три цифровых шкалы, показания которых определяются положением вертикальных меток Т1 и Т2. Метки могут перетаскиваться курсором мышки при нажатой левой кнопке. Первая шкала показывает уровень напряжения для обоих каналов и положение метки на оси времени для метки Т1, вторая – такие же показания для метки Т2, третья шкала отображает разность первых двух показаний. Кроме того, под экраном появляется линейка прокрутки, позволяющая наблюдать любой временной отрезок от момента включения до момента выключения схемы. В этом режиме измерения, выполненные с помощью осциллографа, могут быть очень точными. Три управляющие клавиши в правом нижнем углу лицевой панели осциллографа выполняют следующие функции:

1. Reduce – возвращает режим простого двухканального осциллографа (рис. 1.10);

2. Reverse – обращает цвет фона изображения (черный вместо белого);

3. Save – позволяет сохранить отображаемую осциллограмму во внешний файл специального типа *.SCP.

Рис. 1.11. Третья форма отображения осциллографа – цифровой осциллограф

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИМ ИЗМЕРЕНИЯМ В СРЕДЕ ELECTRONICS WORKBENCH

 

 

для студентов специальности

09.02.01 - Компьютерные системы и комплексы

 

Составитель:

Юлия Анатольевна Кончакова

 

 

Абакан, 2015

ВВЕДЕНИЕ

Лабораторный практикум является пособием для подготовки студентов к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Электротехнические измерения» специальности 09.02.01 «Компьютерные системы и комплексы» отделения информатики колледжа педагогического образования, информатики и права ХГУ им. Н. Ф. Катанова, а также может быть рекомендован студентам специальности 09.02.01 «Компьютерные системы и комплексы» при изучении основ электротехники и прикладной электроники, и соответствует содержанию рабочей программы учебной дисциплины, а так же ФГОС СПО по специальностям.

Изучение общепрофессиональной дисциплины «Электротехнические измерения» эффективно лишь тогда, когда наряду с овладением основ теории студенты в условиях проведения лабораторного эксперимента знакомятся на практике с основными принципами и методами измерений, источниками питания, осциллографами и измерительными приборами. Основной задачей лабораторного практикума является приобретение студентами практических навыков измерения электрических величин с помощью аналоговых и цифровых измерительных приборов, обработки экспериментальных данных, построение характеристик устройств. Наряду с натуральными экспериментами в настоящее время широкое распространение получило компьютерное моделирование в таких программах, как Electronics Workbench, LabVIEW, NI Multisim и др. На этапе начального освоения студентами моделирования электронных устройств наиболее приемлемым средством является программная среда Electronics Workbench.

Система схемотехнического моделирования Electronics Workbench предназначена для моделирования и анализа аналоговых, цифровых и цифро-аналоговых схем большой степени сложности. Имеющиеся в программе библиотеки включают в себя большой набор широко распространенных электронных компонентов. Есть возможность подключения и создания новых библиотек компонентов.

Параметры компонентов можно изменять в широком диапазоне значений. Простые компоненты описываются набором параметров, значения которых можно изменять непосредственно с клавиатуры, активные элементы - моделью, представляющей собой совокупность параметров и описывающей конкретный элемент или его идеальное представление. Модель выбирается из списка библиотек компонентов, параметры модели также могут быть изменены пользователем.

Широкий набор приборов позволяет производить измерения различных электрических величин, задавать входные воздействия, строить графики. Все приборы изображаются в виде, максимально приближенном к реальному, поэтому работать с ними просто и удобно.

Моделирование электрических схем устройств в компьютерном классе или дома и визуализация результатов в виде осциллограмм, графиков характеристик, показаний виртуальных приборов способствует лучшему пониманию принципов измерений.

В практикуме в описании каждой лабораторной работы сформулирована ее цель, приведены основные расчетные соотношения между электрическими величинами и задание на моделирование электрических схем устройств, даны рекомендации к выполнению экспериментов, обработке полученных данных и составлению отчетов по работам.

Приведенные в лабораторном практикуме теоретические сведения охватывают минимум материала, необходимый для выполнения лабораторной работы, поэтому в ходе подготовки к работе предполагается, что, прежде чем приступить к моделированию, студент самостоятельно проработал лекционный материал по теме, изучил основные теоретические положения и расчетные соотношения, указанные в пособии. С целью закрепления рассмотренного материала в конце каждой лабораторной работы приведен список контрольных вопросов.

Краткие описания и инструкции работы в среде Electronics Workbench приведены в 1 главе лабораторного практикума.