Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Введение
Данное руководство Предназначено для студентов МГТУ “МАМИ” всех специальностей, выполняющих лабораторные работы по курсу промышленной электроники.
Руководство составлено так, что при наличии необходимых учебников и конспекта лекций, даст возможность студенту подготовиться к лабораторному занятию и провести все исследования, предусмотренные заданием.
Лабораторные работы преследуют следующие цели:
приучить студента к экспериментальным исследованиям и выполнению их в соответствии с планом;
научить студента методам получения основных зависимостей опытным путём и экспериментальной проверке важнейших теоретических соотношений;
научить студента правильному обращению с измерительной аппаратурой и её применению для решения конкретной задачи;
научить студента правильно оформлять и анализировать результаты экспериментальных исследований;
закрепить в памяти студента теоретический материал, излагаемый на лекциях и в научной литературе, демонстрируя его применение в реальной обстановке экспериментальных исследований.
Правила подготовки студента к занятию.
Студент обязан подготовиться к занятию, пользуясь данным руководством, учебниками и конспектом лекций.
Подготовленным к занятию считается тот студент, который:
Преподаватель перед занятием проверяет подготовку студента к занятию устно или при помощи многовопросных тестов. Недостаточно подготовленный студент к выполнению лабораторной работы не допускается, о чём преподаватель отмечает в лабораторном журнале. Во время занятия в лаборатории этот студент готовится к занятию и подвергается после этого в конце занятия повторной проверке.
Пропущенную лабораторную работу студенту необходимо выполнить во внеурочное время по согласованию с преподавателем.
Перед началом первого лабораторного занятия студент должен быть ознакомлен с инструкцией по технике безопасности, обязаться выполнять её и расписаться об этом в журнале.
Инструкция по технике безопасности.
Правила выполнения лабораторных работ.
Правила оформления отчёта по лабораторной работе.
Правила сдачи лабораторных работ.
Лабораторная работа №1.
“ Измерительные приборы”.
Цель работы: Ознакомление с измерительными приборами, которые используются при исследовании электронных схем. Изучение схем и принципов работы электронного осциллографа, милливольтметра и генератора синусоидальных сигналов. Приобретение практических навыков при работе с приборами.
Электронный осциллограф – универсальный прибор, позволяющий производить различные измерения постоянных и переменных напряжений в электронных схемах с одновременным наблюдением формы исследуемых сигналов.
На рисунке 1 показан экран осциллографа с переменным сигналом в виде синусоиды. Измерения переменных сигналов производят, вычисляя расстояние между верхним и нижним пиковыми значениями. Первоначально измерения делают в клетках экрана. В данном случае напряжение размаха составляет шесть клеток (Uраз = 6 ). Затем вычисляют напряжение размаха в Вольтах, умножая количество клеток на масштаб клетки. Масштаб клетки зависит от положения переключателя «Вольт/деление». Так, например, если переключатель стоит в положении 0,5 Вольт/деление, то Uраз = 6 × 0,5 = 3 В.
Нижнее пиковое значение
рис. 1 Экран осциллографа
Для гармонических сигналов амплитудное значение напряжения Um определяется как половина размаха Um = Uраз :2 . В нашем случае Um = Uраз :2 = 3 В.
Осциллограф подсоединяется к измеряемым точкам электронной схемы с помощью стандартного измерительного кабеля, один конец которого подключается к гнезду осциллографа “ вход Y”. На свободном конце измерительного кабеля имеются два штекера. Один штекер соединяется с корпусом осциллографа, и таким образом является заземленным. Его также называют «общим». Другой штеккер соединяется с сигнальным проводом.
Для того, чтобы правильно подсоединить осциллограф к точкам измеряемой схемы, необходимо точно знать какой штекер является сигнальным, а какой общим (“землёй”). Обычно сигнальный конец бывает несколько короче общего, но для проверки необходимо дотронуться одной рукой сначала до одного, а потом до другого. При этом другой рукой нельзя дотрагиваться до заземленных предметов.
Данную проверку разрешается производить только в присутствии преподавателя. Переключатель осциллографа «Вольт/деление» необходимо поставить в положении –0,5В. При прикосновении к сигнальному проводу на экране можно увидеть сигнал от электромагнитных наводок. При прикосновении к «земле» на экране видна горизонтальная линия.
В лаборатории установлены два типа осциллографов С1-72 и С1-65. На рисунке 2 представлена структурная схема осциллографа С1-72.
рис. 2 Структурная схема осциллографа С1-72
Описание структурной схемы осциллографа и принцип его работы.
Основу осциллографа составляет электронно-лучевая трубка, передняя часть которой является экраном, на котором наблюдаются исследуемые сигналы. С внутренней стороны экран покрыт люминофором - веществом, которое начинает светиться под действием электронного луча. Поток электронов вылетает из катода К, расположенного в задней части трубки. Для обеспечения потока электронов необходимы два условия. Во-первых, термоэлектронная эмиссия, которая вызывается за счёт разогрева катода спиралью накала Н. Во-вторых, необходимо электрическое поле, способное разогнать электроны до нужной скорости в сторону экрана. Электрическое поле создаётся путём подачи положительного напряжения от источника питания на два анода А1 и А2. Напряжение на первом аноде А1 составляет несколько сот вольт, а на втором – несколько тысяч вольт. Модулятор М служит для уменьшения интенсивности потока электронов, вплоть до его полного прекращения путём подачи на него отрицательного напряжения относительно катода. Переменный резистор R1 позволяет изменять электрический потенциал на модуляторе и служит для регулировки яркости луча. На передней панели осциллографа это ручка с изображением значка солнышка. Конструкция анода А1 позволяет сфокусировать поток электронов, путём изменения напряжения на нем резистором R2. На передней панели осциллографа это ручка с изображением точки внутри кружка.
Для отклонения пучка по вертикали используется пара пластин, расположенных горизонтально, на которые подаётся сигнал от усилителя Y. Коэффициент усиления может изменяться вращением ручки усилителя Y на передней панели. Цифры на переключателе показывают, какое напряжение, поданное на вход Y ,вызывает отклонение луча по вертикали на 1 клетку.
Для отклонения луча по горизонтали используется пара пластин, расположенных вертикально, на которые подаётся сигнал треугольной формы Uразв от генератора развёртки. За время Тразв луч перемещается по экрану слева направо, а за время Тобр подаётся отрицательный импульс на модулятор, поэтому луч гаснет, его обратное движение невидимо. Время Тразв можно регулировать с помощью ручки время/деление. Цифры на переключателе показывают, за какое время, луч перемещается по горизонтали на одну клетку.
Для того чтобы картина на экране была чёткой, не двигалась и не троилась, используется блок синхронизации, который обеспечивает начало развёртки луча в те моменты времени, когда луч переместится по вертикали на заданную величину, а направление перемещения будет в одну сторону, например, снизу вверх. Синхронизация обеспечивается при условии Тразв = к Тсигнала, где к – целое число, а Тсигнала – период исследуемого гармонического сигнала. На рис. 2 показан случай синхронизации, когда Тразв= = Тсигнала , а для того чтобы обеспечить синхронизацию вводится задержка развертки Тзадержки.
Рис. 2
При этом развертка начинается в те моменты, когда перемещение луча снизу вверх достигнет величины Uу = 0.
При настройке осциллографа добиваются синхронизации путем вращения ручек “стабильность” и “уровень”. Сначала ставят ручку “уровень” в среднее положение, а ручку “стабильность” поворачивают против часовой стрелки. В этом случае экран гаснет. Затем плавно поворачивают ручку “стабильность” по часовой стрелке до момента появления картинки исследуемого сигнала на экране. Если картинка двоится или не стоит на месте, нужно вращать вправо-влево ручку “уровень”.
Калибраторы предназначены для калибровки чувствительности канала Y путём подачи стандартного напряжения на вход Y (калибратор амплитуды) и длительности развёртки путём подачи импульсов напряжения со стандартным периодом на модулятор ЭЛТ (калибратор длительности). Калибраторы предназначены для калибровки чувствительности.
На осциллографе С1-65 имеются дополнительные ручки, позволяющие плавно изменять чувствительность по горизонтали и вертикали. Для студенческой работы их вращать не следует, и они всегда должны быть повёрнуты по часовой стрелке до упора. Также никогда не следует ставить переключатель “ ” в положение “0,2”.
Измерительные генераторы служат для получения напряжения синусоидальной формы калиброванного как по амплитуде, так и по частоте. Генераторы обладают следующими свойствами:
-Широкий диапазон генерируемых частот.
-Возможность в больших пределах изменять выходное напряжение (аттенюация).
-Стабильность частоты.
-Низкое значение выходного сопротивления.
Чем меньше выходное сопротивление измерительного генератора, тем меньше влияние оказывает исследуемая схема на его градуировку, как по частоте, так и по амплитуде.
Блок-схема генератора.
выход
Основной элемент, – задающий генератор, работающий по схеме RC.
Диапазон генерируемых частот: 20…200000 Гц
поддиапазон х1 20…200 Гц
поддиапазон х10 200…2000 Гц
поддиапазон х1000 2000…20000 Гц
поддиапазон х10000 20000…200000 Гц
Переключение диапазона осуществляется ручкой “множитель”. Плавное изменение частоты осуществляется ручкой “частота Hz”.
Ручка “Рег. Выхода” – плавное регулирование амплитуды напряжения.
Ручка “Пределы шкал”, “ослабление” – обеспечивает общее ослабление выходного сигнала на 100 ДБ. Ступенями через каждые 10 ДБ. К – относительное ослабление, выраженное в ДБ.
К=20 lg Uвых
Uвх
Стрелочный миливольтметр В3-38 является многодиапазонным прибором и предназначен для измерения среднеквадратического значения переменного напряжения (или, как иногда говорят, действующего или эффективного напряжения). Переключение с одного диапазона на другой производится поворотом ручки с указателем выбранного диапазона.
Диапазон, позволяющий измерить максимально возможное напряжение, является наиболее грубым и для вольтметра В3-38 составляет – 300 вольт. На этом диапазоне целесообразно измерять напряжения от 100 до 300 вольт. Для измерения напряжения менее 100В необходимо переключиться на более чувствительный диапазон. Так при включенном диапазоне 100В целесообразно измерять напряжения от 30В до 100В. При включенном диапазоне 30В измеряют напряжения от10В до 30В.
Таким образом, если в процессе измерения стрелка находится в первой трети шкалы, то необходимо переключиться на более чувствительный диапазон. При этом ни в коем случае нельзя допускать зашкаливания т.е. ухода стрелки за последнее деление до упора. В том случае, если в процессе измерений произойдет зашкаливание, то надо немедленно переключиться на более грубый диапазон, повернув ручку переключателя диапазонов по часовой стрелке.
Если порядок измеряемого напряжения заранее неизвестен, то сначала включают наиболее грубый диапазон – 300В и только после этого подключают два штекера измерительного кабеля к нужным точкам схемы. Штекер с более длинным концом провода, как правило, соединяется с корпусом прибора, поэтому его можно подключать только к заземленным точкам схемы. Нарушение этого правила приводит к тяжелым последствиям!
Второй, более короткий конец измерительного кабеля является сигнальным и может подключаться к любым точкам проверяемой схемы. Для проверки того, действительно ли короткий конец – сигнальный, а длинный – корпус прибора, необходимо включить диапазон – 10В и, не касаясь заземленных предметов, дотронуться одной рукой сначала до наконечника штекера с коротким концом. В этом случае стрелка должна отклониться от нуля. После этого, не касаясь заземленных предметов, дотронуться одной рукой до наконечника штекера с длинным концом. В этом случае стрелка должна оставаться на нуле.
Прибор В3-38 имеет три шкалы. Верхняя шкала имеет деления от 0 до 10 и используется для снятия показаний при включении диапазонов кратных 10, а именно 1, 10, и 100. Средняя шкала имеет деления от 0 до 30 (если точнее то до 31,6). Эта шкала используется для снятия показаний при включении диапазонов кратных 3, а именно 3, 30, и 300.
Запомните: Цифра на переключателе выбранного диапазона соответствует такому напряжению, которое вызывает отклонение стрелки на полную шкалу.
Если включен диапазон 1В, то показания по шкале 0 – 10 надо уменьшать в 10 раз. Если включен диапазон 100В, то показания по шкале 0 – 10 надо увеличивать в 10 раз.
Если включен диапазон 3В, то показания по шкале 0 – 30 надо уменьшать в 10 раз.
Если включен диапазон 300В, то показания по шкале 0 – 30 надо увеличивать в 10 раз.
Порядок выполнения работы.
Экспериментальная часть.
Опыт 1. Измерение среднеквадратического значения напряжения на выходе генератора ГЗ-33 ламповым милливольтметром ВЗ-38 и определение ошибки.
рис. 5 Схема подключения вольтметра.
1. Подключить милливольтметр к генератору согласно схеме на рисунке 5. Особое внимание обратить на то, чтобы выходная клемма "земля" генератора, помеченная значком -L- была обязательно подключена к "земляному" штекеру измерительного кабеля вольтметра. Обычно это более длинный провод или на нем может стоять знак заземления "L".
2. Для того, чтобы согласовать выходное сопротивления генератора с входным сопротивлением нагрузки включите тумблер "внутр. нагрузка" и поставьте переключатель в положение 600 Ом.
3. Установить на генераторе частоту 1000 Гц. Для этого установить множитель на деление 10, а ручку «Частота - Hz» в положение - 100.
4. Каждый студент устанавливает на выходе генератора по встроенному вольтметру пять величии напряжения в милливольтах, которые определяются по формуле:
U = 10 • N + 10 • i + 15 • n,
где N - номер группы, a i - порядковый номер по списку, n - порядковый номер опыта. Так, например, студент из третьей группы с 11 порядковым номером по списку должен установить в первом случае напряжение:
U = 10 • 3 + 10 • 18 + 15 • 1 = 225 мВ
Во втором U = 210 + 15 • 2 = 240 мВ
В пятом случае U = 210 + 15 • 5 = 285 мВ
5. Измерить в каждом случае выходное напряжение генератора ламповым вольтметром, а результат записать в таблицу 1.
Измерения всегда начинайте с более "грубого" диапазона, когда стрелка находится в первой трети шкалы, затем переходите на более чувствительный диапазон. При "зашкаливании" немедленно переключайтесь на предыдущий, более грубый диапазон.
6. Посчитайте относительную ошибку каждого измерения по формуле:
= (( Uген – Uвольт) / Uген) • 100%
результаты записать в таблицу 1.
7. Повторить пункты 4, 5 и 6 выключив тумблер "внутр. Нагрузка" и включая последовательно выходное сопротивление равное 5 Ом, 50 Ом, 600 Ом (и 5000 Ом у генератора ГЗ-54) Результаты записать в таблицу I.
Пример заполнения таблицы 1:
|
Состояние тумблера «внутр. нагрузка» |
Выходное сопротивл., Ом |
Задание по встроенному вольтметру генератора |
||||
|
300 mV |
315 mV |
330 mV |
345 mV |
360 mV |
||
|
Вкл |
600 Ом |
|||||
|
погрешность |
||||||
|
Выкл |
5 Ом |
|||||
|
погрешность |
||||||
|
50 0м |
||||||
|
погрешность |
||||||
|
600 0м |
||||||
|
погрешность |
Примечание: В таблице значения исходных напряжений - произвольные.
Опыт 2. Определение стабильности выходного напряжения генератора при изменении частоты от минимальной до максимальной.
1. Схема включения как в опыте 1.
2. Переключатель выходного сопротивления установите в положении 600 Ом, а тумблер "внутренняя нагрузка 600 Ом" в положение «Вкл».
3. Установите на выходе генератора напряжение, которое было в предыдущем опыте. В приводимом примере было 225 mV.
4. Изменяя частоту от 20 Гц до 200000 Гц, с фиксированными значениями, указанными в таблице 2 заполняйте графы, указывая положение переключателя «Множитель» и положение переключателя «Частота (Гц)».
5. Установив нужное значение частоты, уточните напряжение встроенного в генератор вольтметра и, если необходимо, подкорректируйте его, так, чтобы оно соответствовало вашему заданию.
6. Измеряйте выходное напряжение ламповым милливольтметром ВЗ-38 и результаты заносите в таблицу.
7. Определите среднее значение выходного напряжения по формуле:
Uср = (U1 + ... + Un) / n
где U1, ..., Un результаты измерений ламповым милливольтметром ВЗ-38, а n - количество измерений. Определите максимальную абсолютную погрешность:
U= Umax - Umin,
Определите относительную погрешность:
= ( U / Ucp ) • 100%
Ттаблица 2.
|
Заданное значение частоты, Hz |
Положение переключателя «Множитель» |
«Частота (Гц)» |
измеренное вольтметром, В |
|
20 |
|||
|
50 |
|||
|
100 |
|||
|
200 |
|||
|
500 |
|||
|
1000 |
|||
|
2000 |
|||
|
5000. |
|||
|
10000 |
|||
|
20000 |
|||
|
50000 |
|||
|
100000 |
|||
|
200000 |
Опыт 3. Измерение синусоидальных сигналов осциллографом.
рис. 6 Схема подключения осциллографа.
1. Подключите осциллограф к генератору согласно схеме на рис. 6. На генераторе должно быть установлено выходное сопротивление Rвых = 600 Ом, включена внутренняя нагрузка -600 Oм.
Проверьте правильность подключения проводов. При проверке проводов измерительного кабеля осциллографа ручка "вольт/делен" должна находится в положении IV. При касании "заземленного" провода на экране видна прямая линия, а при касании сигнального провода -гармонический сигнал сложной формы.
2. Порядок настройки осциллографа смотрите в разделе "Описание структурной схемы осциллографа и принцип работы". Диапазон время/дел надо выбрать так, чтобы на экране было видно 2-3 периода сигнала.
3. Установите на выходе генератора напряжение, которое было последним в первом опыте. В приводимом примере это - 285 мВ.
4. Установите на выходе генератора частоту, которая определяется по формуле:
f = 1000 • N + 50 • i + 1000 •n,
где N - номер группы, i - порядковый номер по списку, n - порядковый номер опыта. Так, например, студент из третьей группы с ,18 порядковым номером по списку должен установить в первом случае:
f = 1000 • 3 + 50 • 18 + 1000 = 4900 Гц.
5. Определите период сигнала Т. Сначала на осциллографе определите период в делениях, а потом в секундах или миллисекундах. Для определения периода картинку можно немного сдвигать вверх-вниз ручкой ↕ или вправо-влево ручкой ↔. Результаты занесите в таблицу 3.
6. Определите частоту сигнала. Рассчитайте частоту f= 1/T. Если Т в миллисекундах, получаем f в килогерцах. Определите ошибку f = fген - fосц.
|
Заданная частота |
Кол-во периодов на экране |
Число делений в 1 периоде |
Время деления (t1) |
Период Т |
Частота f |
|
5000Гц |
2 |
4 |
50мкс |
200 мкс |
5 кГц |
7. Определить сначала размах сигнала в клетках. Рассчитайте амплитудное значение сигнала в клетках как половину размаха, а потом в вольтах или милливольтах Um. Рассчитайте среднеквадратическое значение по формуле U = 0,707 Um. Определить абсолютную ошибку измерения:
U= Uген – Uосц,
|
Размах сигнала |
Усилитель Y Вольт/дел |
Амплитудное напряжение um |
Средне квадратичное напряжние U |
Ошибка измерения U |
|
6 |
0,5 |
1.5 В |
1,065В |
Литература.
1. Вольтметр ВЗ-38. Паспорт.
2. Генератор ГЗ-56/1. Паспорт.
3. Осциллограф С1-68. Паспорт.
4. Харитонов В.И. Методические указания к лабораторным работам по курсу "Промышленная электроника " №75.
3. Контрольные вопросы.
1. Каким требованиям должны удовлетворять приборы, используемые при исследовании схем промышленной электроники?
2. Назначение и принцип работы электронного осциллографа.
3. Пояснить предназначение ручек управления, смонтированных на передней панели осциллографа.
4. Каковы назначение и принцип работы лампового вольтметра?
5. Пояснить предназначение ручек управления, смонтированных на передней панели вольтметра.
6. Каковы назначение и принцип работы генератора сигналов?
7. Пояснить предназначение ручек управления, смонтированных на передней панели генератора.
Генератор
ГЗ-33
«земля»
Сигнальный провод
Осциллограф
С1-72 или С1-65
Генератор
ГЗ-33
«земля»
Сигнальный провод
Ламповый вольтметр
ВЗ-38
Верхнее пиковое значение
Размах колебаний
(Uраз)
Выходное
устройство
Аттенюа-
тор
Выходной
усилитель
Задающий
генератор
Встроенный
вольтметр
Внешний ламповый
вольтметр для
проверки