Исследование простейших электронных схем в Electronics Workbench

 

Министерство образования Республики Беларусь

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра математического моделирования и управления

Отчет по лабораторной работе

По предмету: Физика ЭВМ

Исследование простейших электронных схем в Electronics Workbench

студента 4 курса 6 группы

Преподаватель

Хорячкин Владимир Викторович

доцент кафедры ТП,

канд. физ.-мат. наук

Минск 2013

Вариант индивидуального задания

№ варианта№ варианта задания 2.1№ варианта задания 2.2№ варианта задания 3№ варианта задания 4101710367

Задание 1

Понять назначение и возможности пакета Electronics Workbench. Изучить интерфейс пользователя. Ознакомиться с основными специальными терминами и понятиями.

Задание 2

Исследовать поведение емкости и индуктивности в цепях постоянного (задание 2.1) и переменного тока (задание 2.2). Получить навыки работы с контрольно-измерительными приборами. Научиться читать и собирать простейшие электронные схемы.

1. Емкость и индуктивность в цепях постоянного тока

Рисунок 1 - Серия опытов с емкостью в цепях постоянного напряжения

Таблица 1 - Серия опытов с емкостью в цепях постоянного напряжения

n/nE1 источник питанияC1 емкостьR1 резисторI токU Падение напряжения1220В0.5 мкФ10 кОм0 А0 В210 В1000 мкФ50.5МОм0 А0 В

Вывод: показания амперметра и вольтметра равны нулю, так как конденсатор в цепях с постоянным током представляет собой разрыв в цепи, что видно из формул:

;

Заменим конденсатор в цепи на катушку индуктивности:

Рисунок 2 - Серия опытов с индуктивностью в цепях постоянного напряжения

Таблица 2 - Серия опытов с индуктивностью в цепях постоянного напряжения

n/nE1 источник питанияL1 емкостьR1 резисторI токU Падение напряженияВывод1220 В50 мкГн10 кОм22.22 мА220 ВНапряжение не изменилось210 В150 мкГн50.5 Ом10.20 мкА10.00 ВНапряжение не изменилось

Вывод: в цепи постоянного тока катушка индуктивности имеет лишь небольшое сопротивление, поэтому она не влияет на показания приборов. Значение падения напряжения в цепи совпадает с напряжением источника. Это можно подтвердить формулами:

.

То есть U не меняется. Тогда

.

2. Конденсатор в цепях переменного напряжения

Соберем схему с источником переменного тока и конденсатором.

Рисунок 3 - Схема с источником переменного тока

Определим значение переменного тока, снимем осциллограммы в контрольных точках электронной схемы, определим сдвиг фаз снятых сигналов.

Для начала проведем исследования, изменяя значение емкости конденсатора при фиксированной частоте. Затем - изменяя частоту источника переменного напряжения при фиксированной емкости конденсатора.

Разность фаз вычисляется по следующей формуле

.

Таблица 3 - Серия опытов с емкостью и индуктивностью в цепях переменного напряжения

n/nПараметрыОсциллограммыСерия №1. Частота переменного тока фиксирована, меняется емкость конденсатора 1U15 Вf100 ГцC1400пФR1250 кОмIR11.2615 мкАj1-j23,204 рад2U15 Вf100 ГцC14000пФR1250к ОмIR110,78 мАj1-j23,232 рад3U15 Вf100 ГцC14 мкФR1250к ОмIR120,59 мАj1-j20 рад4U15 Вf100 ГцC1400 мкФR1250к ОмIR120,59 мАj1-j20 радСерия №2. Емкость конденсатора фиксирована, меняется частота переменного тока1 U1 5 В f 50 Гц C1 0,015 мкФ R1 250к Ом IR1 15,58 мкА j1-j2 9,18 рад 2 U1 5 В f 50 кГц C1 0,015 мкФ R1 250к Ом IR1 20,5 мкА j1-j2 0 рад 3 U1 5 В f 5 МГц C1 0,015 мкФ R1 250к Ом IR1 20,63 мкА j1-j2 0 рад 4U15 Вf500 МГцC10,015 мкФR1250к ОмIR120,64 мкАj1-j20 рад

Вывод: в цепи переменного тока при фиксированном значении частоты источника переменного тока максимальный сдвиг фаз наблюдается при минимальной емкости конденсатора.

Для обоснования полученных результатов используем следующие формулы:

, , .

Вычислим силу тока для самого первого опыта.

Опытным путем с помощью мультиметра был получен такой же результат.

Отметим, что разность фаз с возрастанием частоты или ёмкости становится меньшей. Это объясняется следующей формулой:

,

понятно, что будет верным следующий предельный переход:

.

. Исследовать и сравнить свойства емкостей и индуктивностей в цепях постоянного и переменного напряжений

Рисунок 4 - Схема эксперимента

Таблица 4 - Результаты эксперимента

nПараметрыОсциллограммыИспытание №1. Частота переменного тока 50 Гц1E1V124 Вf150 ГцE2V236 ВС115 мкФR13 кОмV323,94ВV439,86мВE1V124 Вf150 ГцE2V236 ВL1400 мГнR13 кОмV323,98ВV435,96ВИспытание №2. Частота переменного тока 50 кГц2E1V136 Вf150 кГцE2V232 ВС115 мкФR13 кОмV324ВV437,98мВE1V136 Вf150 кГцE2V232 ВL1400 мГнR13 кОмV3562,1мВV436 ВИспытание №3. Частота переменного тока 50 МГц3E1V136 Вf150 МГцE2V232 ВС115 мкФR13 кОм V324 ВV420,01 мВE1V136 Вf150 МГцE2V232 ВL1400 мГнR13 кОм V3562,3 мкВV436 В

Вывод: подсчитаем напряжение, которое при правильном проведении опытов мы должны получить, используя приведенные ниже формулы. Будем находить величину напряжения V3 для первого испытания.

.

В нашем случае r = 3 кОм, L = 400 мГн и меняется за счет изменения частоты f от опыта к опыту.

Найдем величину напряжения V3 для испытания №1.

Теоретические данные согласуются с результатом, полученным опытным путем.

Заметим, что во всех опытах с использованием конденсатора значения на вольтметре V4, измеряющем постоянное напряжение, очень малы, а с использованием катушки индуктивности равны 36 В - значению на источнике постоянного напряжения. Также в опытах с катушкой значения напряжения на вольтметре V3 тем меньше, чем больше частота f. Это легко следует из следующей цепочки формул:

4. Исследовать схему делителя напряжения и освоить новые функциональные возможности сложных приборов

1. Исследование схемы делителя напряжения

Таблица 5 - Задания пункта 4.1

№ вариантаUвх, ВFвх, МГцR1, кОмR2, кОм7103101

Рисунок 5 - Схема делителя напряжения

Таблица 6 - Результаты измерений

№ПараметрыОсциллограммы1Uвх, В10fвх, МГц3R1, кОм10R2, кОм1Uвых, В12.95мВ

Вывод: в цепи с делителем напряжения на два последовательно соединенных резистора подается высокочастотный переменный ток. Поскольку сопротивления резисторов равны, напряжение источника делится на них поровну, и, как видно на первой осциллограмме таблицы 9, при масштабе каналов осциллографа 2:1 входной и выходной сигналы полностью совпадают. Измерения, представленные на второй осциллограмме в таблице 9, также показывают, что амплитудные значения выходного сигнала 2,98 В в 2 раза меньше, чем амплитуда входного сигнала 5, 96 В. Мультиметр, настроенный на работу с переменным током показывает действующее значение напряжения, которое по определению в раз меньше амплитудного. При заданном значении амплитудного напряжения на генераторе, равном 6 В, после прохождения через делитель на выходе получаем амплитудное напряжение 3 В, а действующее значение составляет 2,12 В, что хорошо согласуется со значением, измеренным мультиметром и представленном на рисунке 6.

2. Для обоснования полученных результатов воспользуемся следующими функциональными зависимостями:

5. Исследовать схему последовательного колебательного контура

индуктивность напряжение колебательный контур

Для заданных значений RLC найти резонансную частоту контура. Определить добротность и характеристическое сопротивление контура. Выясните поведение тока для относительно малых (f(?w0)) и очень больших расстроек (?f) частоты генератора от резонансной частоты контура (fr). То есть, оцените полосу пропускания последовательного колебательного контура.

Рисунок 6 - Схема последовательного колебательного контура

Найдем резонансную частоту контура:

Тогда:

Определим характеристическое сопротивление контура:

Определим добротность контура:

Коэффициент затухания:

Оценим полосу пропускания. Для этого найдем верхнее и нижнее значение частоты:

Данные сведем в таблицу:

Таблица 7 - Опыт в RLC-цепи

nПараметрыВычисленияИспытание №1. Частота переменного тока 50 Гц1U124 Вf150 ГцС115 мкФL1400 мГнR13 кОмИспытание №2. Частота переменного тока 50 кГц2U124 В f150 кГцС115 мкФL1400 мГнR13кОмИспытание №3. Частота переменного тока 50 МГц3U124 Вf150 МГцС115 мкФL1400 мГнR13 кОм

Вывод: в цепи последовательного колебательного контура наблюдается резонанс напряжений при определенной частоте.

Таблица 8

fr - ?ffr - f(?w0)frfr + f(?w0)fr + ?fUl5,826 мВ537 В7,945 В23,02 В23,97 ВUc1,144 В10,54 В7,736 В7,584 В841,2 мВUr23,96 В22,09 В24 В266,6 мВ3,149 мВIr2,287 мА21,09 мА48,02 мА15,18 мА1,683 мА

Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра математического моделирования и управления

Больше работ по теме: