Практические работы по прикладной электронике

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ И МОЛОДЕЖНОЙ ПОЛИТИКИ ВОРОНЕЖСКОЙ ОБЛАСТИ

ГБПОУ ВО «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПРОФЕССИОНАЛЬНО-ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ»

КОМИССИЯ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ЦИКЛА КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ И КОМПЛЕКСЫ,  МАТЕМАТИЧЕСКИХ И ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫХ ДИСЦИПЛИН

Л. П.Чаплыгина

Лабораторные  работы

учебной дисциплины профессионального цикла

«Прикладная электроника»

Учебно-методическое пособие

Рекомендовано

советом учебно - методического центра

в качестве учебно-методического пособия по учебной дисциплине профессионального цикла «Прикладная электроника» для студентов специальностей среднего профессионального образования технического профиля

Воронеж, 2019

Рецензенты:

Савченко Е.А., - председатель  цикловой методической комиссии профессионального цикла специальностей «Компьютерные системы и комплексы,  математических и естественнонаучных дисциплин» ГБПОУ ВО «ВГППК».

Чаплыгина Л.П. - лабораторные работы по учебной дисциплине профессионального цикла «Прикладная электроника»: учебн.-метод. пособие для студ.– Воронеж: ГБПОУ ВО «ВГППК», 2019. - 59 с.

Данное пособие содержит материал для проведения экспериментальной и практической части работ по различным изучаемым темам студентами учебной дисциплины профессионального цикла «Прикладная электроника», а также теоретические вопросы различной степени сложности для защиты лабораторных и для самоконтроля.

Учебное пособие предназначено для студентов колледжа специальностей среднего профессионального образования технического профиля.

Библиограф.:  назв.

© Л. П. Чаплыгина

ГБПОУ ВО «ВГППК», 2019

Содержание

Пояснительная записка. 5

Цели и задачи лабораторных работ. 6

Описание средств (технических, программных и проч.), необходимых для выполнения практических работ. 7

Лабораторная  работа № 1. 8

Лабораторная  работа № 2. 11

Лабораторная  работа № 3. 17

Лабораторная  работа № 4. 23

Лабораторная  работа № 5. 23

Лабораторная  работа № 6. 26

Лабораторная  работа № 7. 29

Лабораторная  работа № 8. 30

Лабораторная  работа № 9. 31

Лабораторная  работа № 10. 32

Лабораторная  работа № 11. 33

Лабораторная  работа № 12. 34

Лабораторная  работа № 13. 38

Лабораторная  работа № 14. 39

Лабораторная  работа № 15. 43

Литература. 47

Пояснительная записка

В современном мире человеческая личность не может успешно самореализоваться лишь на основе успешного развития своих интеллектуальных способностей. Для выбора своей роли и места в современном мире человеку необходимо понимать, что собой представляет окружающий мир и по каким законам он развивается. Все более необходимы каждому и знания о современном технологическом мире как материальной основе благосостояния общества.

Таким образом, приобретение системы знаний о мире и его законах, умений применять эти знания на практике остается одной из целей обучения каждого студента.

Знание принципов использования электронных приборов для усиления, генерирования, преобразования электрических сигналов и владение методами анализа и расчета электронных цепей приобре­тает особую актуальность с развитием микроэлектроники.

В пособии основное внимание уделено изучению характеристик и параметров усилительных каскадов на транзисторах и операцион­ных усилителях. Лабораторные знания, приобретенные студентами в процессе выполнения данной работы, будут способствовать луч­шему усвоению теоретического материала, излагаемого в курсе "Прикладная электроника".

Цели и задачи практических работ.

  Лабораторные работы составляют важную часть профессиональной подготовки студентов. Они направлены на экспериментальное подтверждение теоретических положений и формирование общекультурных и профессиональных компетенций, практических навыков и умений.

  Выполнение студентами практических работ направлено на:

·        обобщение, систематизацию, углубление, закрепление полученных теоретических знаний по конкретным темам дисциплин;

·        формирование необходимых общекультурных и профессиональных компетенций, умений и навыков;

·        приобретение практических умений и навыков обращения с различными приборами, установками, лабораторным оборудованием, аппаратурой, которые могут составлять часть профессиональной практической подготовки, а также исследовательские умения (наблюдать, сравнивать, анализировать, устанавливать зависимости, делать выводы и обобщения, самостоятельно вести исследование, оформлять результаты).

Предлагаемые в пособии лабораторные работы содержат:

- рекомендации по выполнению экспериментальной части работы по темам, изучаемым на теоретических занятиях;

-рекомендации по выполнению практической части работы в виде контрольных вопросов;

Описание средств (технических, программных и проч.), необходимых для выполнения практических работ.

Оборудование учебных лабораторий:

·        посадочные места по количеству обучающихся – 10;

·        рабочее место преподавателя.

Технические средства обучения:

·        компьютеры – 11;

·        локальная сеть;

·        Internet подключение;

·        сканер;

·        мультимедийная система;

·        проекционное оборудование.

Программные средства:

·        операционная система Windows 7;

·        файловый менеджер (в составе операционной системы или др.);

·        антивирусная программа;

·        программа-архиватор;

·        программы для моделирования электронных схем;

·        интегрированное офисное приложение, включающее текстовый редактор, растровый и векторный графические редакторы, программу разработки презентаций и электронные таблицы;

·        мультимедиа проигрыватель (входит в состав операционных систем или др.).

·        браузер (входит в состав операционных систем или др.);

·        программа интерактивного общения;

·        программа EWB 5.0 C, MULTISIM;

·        простой редактор Web-страниц.

Лабораторная работа № 1

Тема: Применение биполярных и полевых транзисторов, тиристоров при построении электронных схем.

Цель: Научиться применять биполярные и полевые транзисторы, тиристоры при построении электронных схем.

Приборы и элементы:

-                   биполярный транзистор 2N3904;

-                   источник постоянной ЭДС;

-                   источник переменной ЭДС;

-                   амперметры;

-                   вольтметры;

-                   осциллограф;

-                   резисторы.

ХОД РАБОТЫ.

Задание 1. Исследование статических вольтамперных характеристик (ВАХ) транзистора, включенного по схеме с ОБ (с помощью амперметра-вольметра).

1.1. Снять входную ВАХ – I_э=F(U_эб)|_Uкб=const. Для этого собрать схему (рис.3.1). Все измерительные приборы поставить в режим измерения постоянного тока (режим DC).

Рис.3.1.

1.2. Изменяя ток эмиттера и регистрируя его величину амперметром А1 измерять напряжение U_эб. Данные занести в табл.1.

Таблица1.

Iэ(мА),  А1		0	2	4	6	8	10	20
Uкб=0B, V2	Uэб(В), V1
Uкб=15B, V2	Uэб(В), V1

При построение входных ВАХ биполярного транзистора входным сигналом берут ток (I_э, I_б) т.к. биполярный транзистор – прибор управляемый током.

По результатам измерений построить графики.

1.2. Собрать схему (рис.3.1) и снять выходную ВАХ – I_к=F(U_кб)|_Iэ=const. Данные занести в табл.2.

Таблица 2.

Uкб (В), V2		-0.5	0	2	4	6	8	10	20
Iэ=0мА, А1	Iк (мА), А2
Iэ=2мА, А1	Iк (мА), А2
Iэ=4мА, А1	Iк (мА), А2
Iэ=8мА, А1	Iк (мА), А2

По результатам измерений построить графики семейства выходных ВАХ.

Задание 2. Исследование статических вольтамперных характеристик (ВАХ) транзистора, включенного по схеме с ОБ (с помощью осциллографа).

3.1. Снять входную ВАХ – I_э=F(U_эб)|_Uкб=const I_б=F(U_бэ)|_Uкэ=const. Собрать схему (рис.3.3). Осциллограф поставить в режим В/А. Получить на экране изображение ВАХ, удобное для снятия показаний. Данные занести в таблицу аналогичную табл.1 или просто убедиться в их соответствии.

Рис.3.3.

3.2. Снять семейство выходных ВАХ – I_к=F(U_кб)|_Iэ=const. Собрать схему (рис.3.4).

Рис.3.4.

Получить на экране изображение ВАХ, удобное для снятия показаний. Данные занести в таблицу аналогичную табл.2 или просто убедиться в их соответствие.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА.

1.     Тема работы.

2.     Цель работы.

3.     Приборы и элементы.

4.     Ход работы:

-                     схема исследования для построения графиков ВАХ;

-                     таблица данных для графика выходной ВАХ;

-                     график выходной ВАХ;

-                     таблица данных для графика входной ВАХ;

-                     график входной ВАХ;

-                     схема исследования выходной ВАХ с показаниями осциллографа;

-                     схема исследования входной ВАХ с показаниями осциллографа;

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.                 Изобразить структуры транзисторов p-n-p и n-p-n типа. Объяснить их отличие.

2.                 Изобразить схемы включения транзисторов с ОБ и с ОЭ. Объяснить полярность питающих напряжений.

3.                 Объяснить физические процессы, происходящие в эмиттерном переходе транзистора.

4.                 Объяснить физические процессы, происходящие в базе транзистора.

5.                 Объяснить физические процессы, происходящие в коллекторном переходе.

 Лабораторная работа № 2

Тема. Применение полупроводниковых оптоэлектронных приборов при построении электронных схем.

 Цель: Исследование и построение вольтамперных характеристик полупроводниковых оптоэлектронных диодов.

Краткие теоретические сведения

Полупроводниковый диод – это прибор, который имеет два вывода и содержит один (или несколько) р – n переходов.

На рис.2.1 показано графическое изображение для  диода (а) и
р – n перехода (б).

а)                               б)

Рис.2.1

Электрод диода, подключенный к области р, называют анодом, а электрод, подключенный к n области – катодом. В полупроводниках n-типа преобладает электронный ток, в полупровдниках p-типа носителями заряда являются  дырки (в кристаллической решетке в одном из узлов отсутствует  один электрон).

Диод как элемент электрической цепи при работе в области низких частот представляет собой нелинейное несимметричное активное сопротивление, которое зависит от приложенных к диоду напряжения и его полярности.

Направление, в котором диод имеет малое сопротивление, называется прямым или проводящим, противоположное направление с большим сопротивлением называется обратным или запирающим.

Соответственно ток, протекающий через диод, в зависимости от полярности приложенного напряжения называется прямым или обратным.

Диод, сопротивление которого в прямом (проводящем) направлении равно нулю, а в обратном (непроводящем) – бесконечно велико, называют идеальным диодом.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) (зависимость постоянного тока от постоянного напряжения, подводимого к диоду) идеального диода приведена на рис. 2.2.

Рис.2.2. Вольт-амперная характеристика идеального диода

ВАХ реального диода приведена на рис.2.3. Различают две ветви ВАХ: прямую (она построена в первом квадранте) и обратную (построена в третьем квадранте). Для удобства прямую и обратную ветви строят в разных масштабах. Прямая ветвь ВАХ содержит два участка. На первом участке (обозначен цифрой I) диод имеет относительно высокое сопротивление.

При достижении прямым напряжением значения ∆υ_n, равного обычно нескольким десятым вольта (для германиевых диодов 0,2 В, для кремниевых 0,7 В), сопротивление диода резко падает и начинается участок малого сопротивления – П.

На обратной ветви ВАХ различают три характерных участка. Первый участок (цифра Ш) сравнительно невелик и соответствует еще довольно высокой проводимости.

На втором участке (отмечен цифрой IV) наступает явление насыщения, при котором рост обратного тока замедлен. Третий участок характеристики (V) определяется наступлением пробоя диода. При этом обратный ток резко возрастает, и в зависимости от типа диода и условий его работы наступает обратимый или необратимый пробой p-n перехода. Напряжение, при котором начинается резкое увеличение обратного тока, называется максимальным обратным напряжением U_{об,макс} .

Рис.2.3. Вольт-амперная характеристика реального диода

Кроме вольт-амперной характеристики параметры диода определяют значением сопротивления в рабочей точке. Значение сопротивления в очень большой степени зависит от выбора рабочей точки. В области прямого тока сопротивление лежит в интервале от нескольких Ом до нескольких десятков Ом, в области обратного тока достигает нескольких сотен кОм.

Сопротивление диода в рабочей точке называется статическим сопротивлением или сопротивлением по постоянному току и определяется как отношение напряжения на аноде диода к току, протекающему через диод в этой точке R_ст = U/I.

Во многих случаях при подведении переменного напряжения к диоду, работающему в определенной рабочей точке, необходимо определить сопротивление диода, указывающее ход характеристики вблизи рабочей точки.

В этом случае пользуются понятием динамического или дифференциального сопротивления, определяемого наклоном касательной к характеристике диода в рабочей точке. Наклон определяется как отношение приращений напряжения и тока вблизи этой точки

.

В справочных материалах не приводятся ВАХ диодов, т.к. они сильно отличаются даже для диодов одной партии. Основными эксплуатационными параметрами диодов, как правило, являются следующие:

1) I_пр,ср – средний прямой ток – это максимально допустимое значение тока, протекающего через диод в прямом направлении;

2) U_пр,ср – среднее прямое падение на диоде при заданном среднем значении прямого тока;

3) I_обр,ср – средний обратный ток диода – это среднее за период значение обратного тока;

4) U_обр – допустимое обратное напряжение – это значение напряжения, приложенного в обратном направлении, которое диод может выдержать в течение длительного времени без выхода из строя.

Приведенные параметры диода характерны для низких частот (до 50 Гц, если не оговорена иная частота). Для более высоких частот необходимо учитывать собственные емкости диода, различные для прямого и обратного напряжения и его величины).

Обычно плоскостные диоды работают на частотах до 10 кГц. Это связано с большой емкостью p-n перехода при обратном смещении (20-50 пкФ), определяемой  площадью p-n перехода. При увеличении частоты свыше 10 кГц потери в диоде резко увеличиваются, диод разогревается и может выйти из строя.

ВАХ диода можно получить используя программу моделирования «Electronics Workbench».

Прямую ветвь статической ВАХ можно построить применяя схему, изображенную на рис. 2.4 при исследовании реального диода последовательно – с ним в схему включать резистор, ограничивающий ток на уровне I_пр при максимальном значении входного напряжения.

Для эксперимента с моделью диода сопротивление переменного резистора выбирается в диапазоне 100 – 500 Ом путем задания этого параметра в меню.  Инкремент (шаг изменения сопротивления) выбрать равным 1%, клавишу клавиатуры для изменения сопротивления назначить по собственному желанию (парметр Key в меню, по умолчанию установлена буква R). Максимальному значению (100%) соответствует нижнее положение подвижного контакта резистора, то есть напряжение на диоде в этом случае равно нулю. Уменьшение сопротивления (при разомкнутой клавише Shift) в % ведет к росту напряжения, подаваемого на диод. Общее количество точек для диапазона изменения сопротивления от 100% до 5-3% выбрать равным 15-20 таким образом, чтобы на участке перегиба характеристики их было больше, чем на начальном и конечном участках. Для построения характеристики и оформления результатов, представленных в форме табл.1, можно воспользоваться, например, средствами Microsoft Excel.

Таблица 1

Параметр	Номер измерения
	1	2	3	…	…	…	….	…	20
R, Ом
I, (млА¸ мкА) отслеживать при измерениях
U, (млВ¸мкВ)

Для получения обратной ветви ВАХ используется схема, приведенная на рис.2.5. Напряжение источника питания в этом случае выбирается больше, чем U_обр. диода. В этом случае на характеристике можно получить участок обратимого электрического пробоя. Величина сопротивления переменного резистора выбирается в диапазоне
100 – 500 кОм. Количество точек выбирается произвольно таким образом, чтобы участок начала электрического пробоя (резкое возрастание обратного тока) был воспроизведен большим количеством точек. Значения токов и напряжений для обратной ветви ВАХ необходимо записывать со знаком минус.

Рис.2.4. Схема для прямой ветви ВАХ полупроводникового диода

Рис.2.5. Схема для обратной ветви ВАХ полупроводникового диода

Так как измерительные приборы EWB автоматически изменяют диапазон измерения необходимо внимательно следить за их показаниями и не путать мили- и микроамперы, мили- и микровольты.

Порядок выполнения работы

Используя программу моделирования «Electronics Workbench», соберите схему для исследования прямой ветви ВАХ полупроводникового диода в соответствии с рис.2.4. Полупроводниковый диод выберите из библиотеки по указанию преподавателя (General, Motorola, National, … ). Номер исследуемого диода в библиотеке должен соответствовать порядковому номеру студента в группе.

Руководствуясь указаниями по снятию прямой ветви ВАХ диода, занесите полученные данные в таблицу и постройте график прямой ветви вольтамперной характеристики.

Определите статическое сопротивление диода R_ст. как отношение U_пр./I_пр. в области рабочей точки. В качестве рабочей точки выбрать любую их точек в диапазоне U_пр. = 0.8 – 1В.

Для выбранной рабочей точки, не изменяя сопротивления резистора, включите последовательно с источником постоянного напряжения источник переменного напряжения с амплитудой сигнала 1В, частотой 50 Гц. Амперметр и вольтметр переключите на измерение переменной составляющей сигнала (AC). Активизируйте схему и определите динамическое сопротивление диода r_дин. в области рабочей точки, как отношение показаний вольтметра и амперметра. Так как
r_дин. = du/di » DU/DI, то выполненные измерения при малых значениях амплитуды переменной составляющей входного сигнала достаточно корректны.

Сравните значения статического и динамического сопротивления, объясните результат.

Установите частоту источника переменного напряжения равной 50 кГц. Снимите показания приборов и рассчитайте r_дин.. Увеличьте частоту до 500 кГц и еще раз определите r_дин.. Объясните полученные результаты.

Трансформируйте схему к виду (рис.2.5) для снятия обратной ветви вольтамперной характеристики.

Руководствуясь указаниями по снятию обратной ветви ВАХ диода, занесите полученные данные в таблицу и постройте график обратной ветви вольтамперной характеристики.

Определите обратное статическое сопротивление диода на участке характеристики, далеком от зоны электрического пробоя, как отношение R_обр. = U_обр./I_обр..

Вычислите соотношение между обратным и прямым статическими сопротивлениями.

Содержание отчета

1.     Тема работы.

2.     Цель работы.

3.     Приборы и элементы.

4.     Схемы для исследования ВАХ.

5.     Таблицы экспериментальных данных.

6.     Графики прямой и обратной ветвей ВАХ.

7.     Расчетные формулы и примеры расчетов.

8.     Выводы по работе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.     Какие носители заряда имеют место в полупроводниках n- и p- типа?

2. Что представляет собой полупроводниковый диод?

3. Что понимается под вольт-амперной характеристикой диода.
    В чем отличие ВАХ идеального диода от реального диода?

4. Как следует подключить диод,  чтобы через него протекал ток?

5. Как определяется статическое сопротивление диода?

6. Что понимают под динамическим или дифференциальным сопротивлением диода?

7. Назовите основные эксплуатационные параметры  диодов.

  Лабораторная  работа № 3.

Тема. Применение аналоговых и импульсных источников питания, стабилизаторов напряжения при построении электронных схем. Цель работы: научиться применять аналоговые и импульсные источники питания, стабилизаторы напряжения при построении электронных схем.

Краткие теоретические сведения.

·        Параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне

Рисунок 3.1 - Параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне

Применяется для стабилизации напряжения в слаботочных схемах, так как для нормальной работы схемы ток через стабилитрон D1 должен в несколько раз (3-10) превышать ток в стабилизируемой нагрузке R_L. Часто такая схема линейного стабилизатора применяется как источник опорного напряжения в более сложных схемах стабилизаторов. Для снижения нестабильности выходного напряжения, вызванной изменениями входного напряжения, вместо резистора R_V применяется источник тока. Однако эта мера не уменьшает нестабильность выходного напряжения, вызванную изменением сопротивления нагрузки.

Последовательный стабилизатор на биполярном транзисторе

Рисунок 3.2 - Параметрический стабилизатор напряжения с усилителем мощности

U_out = U_z — U_be.

По сути, это рассмотренный выше параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне, подключённый ко входу эмиттерного повторителя. В нём нет цепей обратной связи, обеспечивающих компенсацию изменений выходного напряжения.

Его выходное напряжение меньше напряжения стабилизации стабилитрона на величину U_be, которая практически не зависит от величины тока, протекающего через p-n переход, и для приборов на основе кремния приблизительно составляет 0,6В. Зависимость U_be от величины тока и температуры ухудшает стабильность выходного напряжения, по сравнению с параллельным параметрическим стабилизатором на стабилитроне.

Эмиттерный повторитель (усилитель тока) позволяет увеличить максимальный выходной ток стабилизатора, по сравнению с параллельным параметрическим стабилизатором на стабилитроне, в β раз (где β - коэффициент усиления по току данного экземпляра транзистора). Если этого недостаточно, применяется составной транзистор.

При отсутствии сопротивления нагрузки (или при токах нагрузки микроамперного диапазона), выходное напряжение такого стабилизатора (напряжение холостого хода) возрастает на 0,6В за счёт того, что U_be в области микротоков становится близким к нулю. Для преодоления этой особенности, к выходу стабилизатора подключают балластный нагрузочный резистор, обеспечивающий ток нагрузки в несколько мА.

·        Последовательный компенсационный стабилизатор с применением операционного усилителя

Рисунок 3.3 - Последовательный компенсационный стабилизатор с применением операционного усилителя

Часть выходного напряжения U_out, снимаемая с потенциометра R2, сравнивается с опорным напряжением U_z на стабилитроне D1. Разность напряжений усиливается операционным усилителем U1 и подаётся на базу регулирующего транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя. Для устойчивой работы схемы петлевой сдвиг фазы должен быть близок к 180°+n*360°. Так как часть выходного напряжения U_out подаётся на инвертирующий вход операционного усилителя U1, то операционный усилитель U1 сдвигает фазу на 180°, регулирующий транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, который фазу не сдвигает. Петлевой сдвиг фазы равен 180°, условие устойчивости по фазе соблюдается.

Рисунок 3.4 - Схема  с регулируемым  выходным напряжением

Рисунок 3.5 - Схема двуполярного источника

Порядок выполнения работы

А)   На рисунках  10.6  -  10.8 представлен поэтапный процесс сборки и настройки (подбор компонентов) стабилизатора напряжения с параметрами  - выходное напряжение 5В, ток нагрузки 1А, величина пульсации напряжения не более 0.05В.

Необходимо собрать схемы, представленную на рисунке - 10.6, 10.7, 10.8  Зарисовать осциллограммы выходного напряжения на каждом этапе.  Далее измерить величину пульсации напряжения рисунок 10.9

Рисунок 3.6 - Этап 1. Получение двухполупериодного напряжения.

Рисунок 3.7 - Этап 2. Сборка стабилизатора напряжения без настроек на заданные параметры.

 Рисунок 3.8 - Этап 3. Итоговая схема стабилизатора напряжения.

Рисунок 3.9 - Этап 4. Измерение величины пульсации напряжения.

Б) Собрать схему рисунок 10.10 и получить ступенчатое выходное напряжение.

Рисунок 3.10 - Параллельный параметрический на нескольких стабилитронах

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

·        К основным параметрам стабилизаторов напряжения относятся: выходное сопротивление, коэффициент стабилизации, коэффициент полезного действия стабилизатора. Объяснить каждый параметр.

·        На рисунке  показана зависимость выходного напряжения этого же стабилизатора от силы тока нагрузки. Объяснить падение напряжения при уменьшении сопротивления нагрузки Рисунок 10.11

Рисунок 3.11 – Падение выходного напряжения в зависимости от увеличения тока нагрузки

Сделать выводы о работе.

Лабораторная  работа № 4

Тема. Определение рабочей точки усилительного элемента с нагрузкой

Цель: научиться определять рабочую точку усилительного элемента с нагрузкой

Краткие теоретические сведения:

Точку пересечения нагрузочной прямой со статической характеристикой при заданном токе базы, определяемым источником смещения, называют рабочей точкой, а ее начальное положение на нагрузочной прямой (при отсутствии входного переменного сигнала) – точкой покоя (или начальной рабочей точкой –  н.р.т.). Точка покоя однозначно определяет ток покоя выходной цепи I_{К. П.} и напряжение покоя  U_{К.Э. П.}.  Режим работы транзистора, при котором рабочая точка не выходит за пределы участка  нагрузочной прямой, называют линейным или усилительным режимом. При этом при изменении входного тока (тока базы) пропорционально изменяется выходной ток (ток коллектора). Если входной ток I_{Б. max.} равен току базы насыщения  I _{Б. НАС.} (точка ), то дальнейшее его увеличение не приводит к росту коллекторного тока, который достигает тока насыщения I_{К. НАС.}. При этом напряжение на коллекторе U_{К.Э. НАС}. невелико (0,1 – 0,3 В) и, следовательно,  U_{К.Э. НАС}.Е_П.. В режиме насыщения оба перехода транзистора смещаются в прямом направлении.

Условие насыщения транзистора: I_{Б. max}.I _{Б. НАС.}. 

Ток коллектора в режиме насыщения: I_{К. НАС.} = E_П. / R_К. определяется только параметрами внешней цепи.

Область насыщения расположена левее неуправляемого участка статической характеристики (левее точки ). Ток насыщения I_{К. НАС.} для сохранения нормального теплового режима не должен превышать максимально допустимого коллекторного тока транзистора I_{К. max.}, заданного в справочнике.                                           

Если оба перехода транзистора смещены в обратном направлении, то через них могут проходить обратные неуправляемые токи. При этом в коллекторной цепи проходит ток I_К. =  I_{К..Б. 0}, а в базовой цепи I_Б. = – I_{К.Б. 0}. Напряжение на коллекторе U_{К.Э. ОТСЕЧКИ} практически равно E_П.. Область отсечки расположена правее неуправляемого участка статической характеристики (левее точки ).                  

Режимы работы транзистора – насыщения и отсечки используются в импульсных устройствах промышленной электроники.

Порядок выполнения работы.

Исследование параметров рабочей точки при задании тока базы с помощью дополнительного источника в цепи эмиттера.

1.     Создать файл по схеме, изображенной на рис. 13. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора, тока эмиттера, 25 напряжения коллектор-эмиттер и напряжения на базе. Вычислить статический коэффициент передачи β DC . Рис. 13

2. Для схемы на рис. 13 по формулам из раздела «Краткие сведения из теории» вычислить напряжение в точке UБ по измеренному ранее значению тока базы, рассчитать ток эмиттера и вычислить ток коллектора по величине тока эмиттера ( UБЭ 0≈0.7В ). Вычислить значение напряжения коллектор–эмиттер по полученным значениям тока эмиттера и тока коллектора.

3. Для схемы рис. 13 построить нагрузочную прямую на выходной характеристике транзистора 2N3904. По результатам определить рабочую точку (Q) и отметить ее положение на графике.

4. Двойным щелчком на изображении транзистора открыть диалоговое окно выбора модели транзистора. Строка с наименованием транзистора 2N3904 будет подсвечена. Чтобы редактировать параметры модели транзистора, нажмите 26 Edit. Измените коэффициент передачи по току (bF) с 200 до 100, потом нажмите Accept. Нажмите Accept еще раз, чтобы вернуться к схеме. Изменение коэффициента b позволяет убедиться, что замена транзисторов приводит к изменению тока коллектора. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер.

5. По новым значениям напряжения база-эмиттер и тока коллектора определить положение рабочей точки на нагрузочной прямой, построенной в пункте 3, и отметить ее положение на графике.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1.      Что называют рабочей точкой?

2.      Изменится ли положение рабочей точки при изменении статического коэффициента передачи тока?

3.       Какие условия необходимо выполнить, чтобы перевести транзистор в режим отсечки?

4.      Чему равно напряжение коллектор-эмиттер в режиме насыщения?

5.      Какова связь между током коллектора и током эмиттера?  

Содержание отчета.

1.     Тема.

2.     Цель.

3.     Ход работы (схема исследования в EWB, показания осциллографа и вольтметра, пояснения по схеме и выводы по результатам.)

4.     Ответы на контрольные вопросы.

  Лабораторная  работа № 5

Тема. Применение датчиков в электронных схемах.

Цель: узнать виды аналоговых датчиков, рассмотреть схемы включения различных датчиков, построить ВАХ датчика давления, датчика освещённости, датчика температуры.

Собрать схему демонстрации работы фоторезистора в управлении оборотами слаботочных двигателей.

Краткие теоретические сведения:

Датчики являются элементом технических систем, предназначенных для измерения, сигнализации, регулирования, управления устройствами или процессами. Датчики преобразуют контролируемую величину (давление, температура, расход, концентрация, частота, скорость, перемещение, напряжение, электрический ток и т. п.) в сигнал (электрический, оптический, пневматический), удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации информации о состоянии объекта измерений.

Определения понятия датчик

·                     датчиком называется часть измерительной или управляющей системы, представляющая собой конструктивную совокупность измерительных преобразователей, включающую преобразователь вида энергии сигнала, размещенную в зоне действия влияющих факторов объекта и воспринимающий естественно закодированную информацию от этого объекта.

·                     датчик — конструктивно обособленная часть измерительной системы, содержащая один или несколько первичных преобразователей, а также один или несколько промежуточных преобразователей.

Классификация по измеряемому параметру

Датчики давления, датчики расхода, уровня, температуры, датчик концентрации, радиоактивности (также именуются детекторами радиоактивности или излучений), перемещения, положения, фотодатчики, датчик углового положения, датчик вибрации, датчик механических величин, датчик влажности, датчик дуговой защиты.

Классификация по принципу действия

·                     Оптические датчики (фотодатчики)

·                     Магнитоэлектрический датчик (На основе эффекта Холла)

·                     Пьезоэлектрический датчик

·                     Тензо преобразователь

·                     Ёмкостной датчик

·                     Потенциометрический датчик

·                     Индуктивный датчик

Классификация по характеру выходного сигнала

·                     Дискретные

·                     Аналоговые

·                     Цифровые

·                     Импульсные

Порядок выполнения работы.

Собрать схему согласно рисунка 14.1. Построить график зависимости измеряемой температуры и выходного напряжения. Для измерения достаточно 15 замеров с шагом 20 градусов. Представить график.

Рисунок 14.1 – Схема для исследования датчика температуры.

Собрать схему согласно рисунка 14.2. Построить график зависимости измеряемого давления и выходного напряжения. Для измерения достаточно 15 замеров с шагом 20 градусов. Представить график.

Рисунок 14.2 – Схема для исследования датчика давления

Собрать схему согласно рисунка 14.3. Построить график зависимости измеряемого сопротивления и выходного напряжения. Для измерения достаточно 15 замеров с шагом 20 градусов. Представить график.

Рисунок 14.3 – Схема для

исследования фоторезистора

 

 

Рисунок 14.4 – Схема для исследования фоторезистора как элемента управления слаботочным двигателем

	Сопротивление
Напряжение

Собрать схему и заполнить таблицу с параметрами сопротивление – напряжения и построить график зависимости

Сделать выводы

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1.     Приведите примеры аналоговых датчиков

2.     Диапазон выходных параметров аналоговых датчиков

3.     Какие схемы можно порекомендовать для усиления сигнала и почему.

4.     Предложите датчик для измерения силы ветра -  датчик ветра

5.     Для получения цифровых данных с аналоговых датчиков, какие приборы необходимы? 

6.     Предложите варианты датчиков уровня.

Содержание отчета.

5.     Тема.

6.     Цель.

7.     Ход работы (схема исследования в EWB, показания осциллографа и вольтметра, пояснения по схеме и выводы по результатам.)

8.     Ответы на контрольные вопросы.

  Лабораторная  работа № 6

Тема. Исследование работы усилительного каскада

Цель: Исследование  работы схем транзисторных усилителей средствами программного пакета EWB.

Ход работы.

Рассмотрим выполнение работы на примере моделирования трехкаскадного транзисторного усилителя.

Собираем в программе следующую схему:

В качестве источника сигнала берём элемент “AC Voltage Source” (источник переменного напряжения). Для помещения его на схему достаточно перейти в окно Passive, поместить на необходимый элемент (в нашем случае источник напряжения) курсор, нажать на левую кнопку мыши и перетащить элемент в свободное место окна Circuit. То же самое надо сделать со всеми элементами, которые необходимы нам в схеме – 11 резисторами и 3 конденсаторами (из набора Passive), 3 транзисторами (набор Active), батареей на 16 вольт (набор Passive) и, конечно, основным элементом – «землёй». Для того, чтобы соединить элементы между собой, достаточно провести мышкой линию между ними. В случае необходимости объект можно повернуть с помощью комбинации клавиш Ctrl-R. Чтобы ввести параметры элемента, достаточно дважды щёлкнуть на нём мышкой.

Для измерения характеристик созданного прибора надо ввести в схему измерительный прибор. Для наших целей лучше всего подходит обыкновенный осциллограф. Один из его каналов подключаем ко входу схемы, выделяем соединение синим цветом (смысл объяснён позже). Второй канал подключаем к выходу усилителя, выделив соединение красным цветом.

Для начала эксперимента достаточно щёлкнуть тумблером в правом верхнем углу экрана. На экране осциллографа (рис 2.2.5.2) видим две синусоиды: одну – синего, другую- красного цвета, что по ранее принятым нами обозначениям соответствуют входному и выходному сигналам нашего устройства (вот зачем мы раскрашивали соединения «осциллограф – вход усилителя» и «осциллограф – выход усилителя»

Задания для выполнения.

При выполнении заданий необходимо  подобрать номиналы резисторов, а также оптимальное сочетания транзисторов, постоянно отслеживая эффективность производимых изменений по состояниям входного и выходного сигналов, искажениям и т.д.

Изменяя настройки в меню Circuit/Analysis Options, можно подобрать такую конфигурацию системы, которая будет наиболее удобна для исследования именно этой схемы.

Вариант 1.

Выполнить исследование работы схемы транзисторного усилителя по схеме с общим эмиттером.

Вариант 2.

Выполнить исследование работы схемы транзисторного усилителя по схеме с общим коллектором.

Вариант 3.

Выполнить исследование работы схемы транзисторного усилителя по схеме с общей базой.

Вариант 4.

Выполнить исследование работы схемы многокаскадного   усилителя с последовательной ООС.

Вариант 5.

Выполнить исследование работы схемы многокаскадного   усилителя с параллельной ООС.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1.     Что такое усилитель?

2.     Поясните принцип усиления.

3.     Какой каскад (ОЭ, ОБ, ОК) не обладает усилением по току?

4.     Какой каскад (ОЭ, ОБ, ОК) обладает максимальным усилением по току?

5.     Какие сигналы получаются на выходе фазоинверсного каскада?

6.     Назовите достоинства и недостатки трансформаторного фазоинверсного каскада.

7.     Назовите виды обратной связи.

8.     Как влияет отрицательная обратная связь на коэффициент усиления и его стабильность?

9.     Как определяется глубина отрицательной обратной связи?

Содержание отчета.

9.     Тема.

10. Цель.

11. Ход работы (схема исследования в EWB, показания осциллографа и вольтметра, пояснения по схеме и выводы по результатам.)

12. Ответы на контрольные вопросы.

  Лабораторная  работа № 7

Тема. Исследование работы мультивибратора с УНЧ

Цель работы: Построение схемы и изучение принципа работы мультивибратора с УНЧ.

Краткие теоретические сведения

Мультивибратор — релаксационный генератор сигналов электрических прямоугольных колебаний с короткими фронтами. Термин предложен голландским физиком ван дер Полем, так как в спектре колебаний мультивибратора присутствует множество гармоник — в отличие от генератора синусоидальных колебаний («моновибратора»). Впервые мультивибратор был описан Икклзом и Джорданом в 1918 году.

Рисунок 1 – Схема мультивибратора на транзисторах

Мультивибратор является одним из самых распространённых генераторов импульсов прямоугольной формы, представляющий собой двухкаскадный резистивный усилитель с глубокой положительной обратной связью. В электронной технике используются самые различные варианты схем мультивибраторов, которые различаются между собой по типу используемых элементов (ламповые, транзисторные, тиристорные, микроэлектронные и так далее), режиму работы (автоколебательный, ждущие синхронизации), видам связи между усилительными элементами, способам регулировки длительности и частоты генерируемых импульсов и так далее.

Порядок выполнения работы

1.       Собрать схему мультивибратора на ОУ, изображенную на рисунке 2.



Рисунок 2 – Схема для исследования мультивибратора на ОУ

2. Установить значения параметров элементов в соответствии со схемой (рекомендуется использовать полученные при расчете).
3. Включить схему.
4. Развернуть и настроить осциллограф, изменяя чувствительность и длительность развертки. На экране можно наблюдать изменение напряжения на конденсаторе и выходной сигнал (рисунок 3)


Рисунок  3 – Осциллограммы напряжения на конденсаторе и выходного сигнала
5. Используя показания осциллографа рассчитать параметры выходного импульсного сигнала..
6. Изменяя значения сопротивления резисторов R1 и R2 , а затем емкости конденсатора С1, проследить за изменениями выходного сигнала.

7. Собрать схемы, измерить частоты, зарисовать графики осциллограмм.

Рисунок 4 - Схема мультивибратора  на транзисторах

Рисунок 5 -  Схема мультивибратора, собранного на элементах И-НЕ:


КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.     Что такое релаксационный генератор?

2.     Принцип работы мультивибратора на транзисторе.

3.     Принцип работы генераторов на ИС.

4.     Что такое положительная обратная связь?

5.     Назначение и принцип работы кварцевого резонатора.

Содержание отчета.

1.     Тема.

2.     Цель.

3.     Ход работы (схема исследования в EWB, показания осциллографа и вольтметра, пояснения по схеме и выводы по результатам.)

4.     Ответы на контрольные вопросы.

  Лабораторная  работа № 8

Тема. Исследование работы мультивибратора с переменной частотой колебания

Цель: Исследовать работу мультивибратора с переменной частотой колебания

Краткие теоретические сведения

Мультивибратор — релаксационный генератор сигналов электрических прямоугольных колебаний с короткими фронтами. Термин предложен голландским физиком ван дер Полем, так как в спектре колебаний мультивибратора присутствует множество гармоник — в отличие от генератора синусоидальных колебаний («моновибратора»). Впервые мультивибратор был описан Икклзом и Джорданом в 1918 году.

Рисунок 8.1 – Схема мультивибратора на транзисторах

Мультивибратор является одним из самых распространённых генераторов импульсов прямоугольной формы, представляющий собой двухкаскадный резистивный усилитель с глубокой положительной обратной связью. В электронной технике используются самые различные варианты схем мультивибраторов, которые различаются между собой по типу используемых элементов (ламповые, транзисторные, тиристорные, микроэлектронные и так далее), режиму работы (автоколебательный, ждущие синхронизации), видам связи между усилительными элементами, способам регулировки длительности и частоты генерируемых импульсов и так далее.

Рисунок 8.1 – Схема мультивибратора с переменной частотой колебания

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.     Что такое мультивибратор? Каково его назначение?

2.     Нарисуйте схему мультивибратора с переменной частотой колебания. Поясните принцип работы схемы.

3.     Какие еще импульсные генераторы вам известны. В чем их отличия?

Содержание отчета.

1.     Тема.

2.     Цель.

3.     Ход работы (схема исследования в EWB, показания осциллографа и вольтметра, пояснения по схеме и выводы по результатам.)

4.     Ответы на контрольные вопросы.

Лабораторная  работа № 9

Тема. Исследование работы ждущего мультивибратора

Цель: Исследовать работу ждущего мультивибратора

Краткие теоретические сведения

Мультивибратор — релаксационный генератор сигналов электрических прямоугольных колебаний с короткими фронтами. Термин предложен голландским физиком ван дер Полем, так как в спектре колебаний мультивибратора присутствует множество гармоник — в отличие от генератора синусоидальных колебаний («моновибратора»). Впервые мультивибратор был описан Икклзом и Джорданом в 1918 году.

Рисунок 9.1 – Схема мультивибратора на транзисторах

Мультивибратор является одним из самых распространённых генераторов импульсов прямоугольной формы, представляющий собой двухкаскадный резистивный усилитель с глубокой положительной обратной связью. В электронной технике используются самые различные варианты схем мультивибраторов, которые различаются между собой по типу используемых элементов (ламповые, транзисторные, тиристорные, микроэлектронные и так далее), режиму работы (автоколебательный, ждущие синхронизации), видам связи между усилительными элементами, способам регулировки длительности и частоты генерируемых импульсов и так далее.

Обычное назначение ждущего мультивибратора – получение одиночного импульса заданной длительности. Отсчет длительности импульса начинается от фронта (или уровня) специального запускающего импульса. Для того, чтобы перейти от схемы автоколебательного к схеме ждущего мультивибратора, необходимо ввести дополнительно цепь запуска и цепь “торможения”.

Рисунок 9.2 – Схема ждущего мультивибратора на транзисторах

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.     Что понимают под импульсным режимом работы аппаратуры?

2.     Какие виды импульсов вам известны?

3.     Назовите и поясните параметры периодических импульсов.

4.     Как определить скважность импульсов? Как называется величина, обратная скважности?

5.     Что такое мультивибратор? Каково его назначение?

6.     Нарисуйте схему мультивибратора на транзисторах. Поясните принцип работы схемы.

7.     Какие еще импульсные генераторы вам известны. В чем их отличия?

8.     Выполните расчет мультивибратора на ОУ по данным, предложенным преподавателем.

Содержание отчета.

1.     Тема.

2.     Цель.

3.     Ход работы (схема исследования в EWB, показания осциллографа и вольтметра, пояснения по схеме и выводы по результатам.)

4.     Ответы на контрольные вопросы.

 Лабораторная  работа № 10

Тема. Исследование работы мультивибратора с одним время задающим конденсатором.

Цель: Исследовать работу мультивибратора с одним время задающим конденсатором.

Краткие теоретические сведения

Мультивибратор — релаксационный генератор сигналов электрических прямоугольных колебаний с короткими фронтами. Термин предложен голландским физиком ван дер Полем, так как в спектре колебаний мультивибратора присутствует множество гармоник — в отличие от генератора синусоидальных колебаний («моновибратора»). Впервые мультивибратор был описан Икклзом и Джорданом в 1918 году.

Рисунок 10.1 – Схема мультивибратора на транзисторах

Мультивибратор является одним из самых распространённых генераторов импульсов прямоугольной формы, представляющий собой двухкаскадный резистивный усилитель с глубокой положительной обратной связью. В электронной технике используются самые различные варианты схем мультивибраторов, которые различаются между собой по типу используемых элементов (ламповые, транзисторные, тиристорные, микроэлектронные и так далее), режиму работы (автоколебательный, ждущие синхронизации), видам связи между усилительными элементами, способам регулировки длительности и частоты генерируемых импульсов и так далее.

Рисунок 10.1 – Схема мультивибратора с одним время задающим конденсатором.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

4.     Что такое мультивибратор? Каково его назначение?

5.     Нарисуйте схему мультивибратора на транзисторах. Поясните принцип работы схемы.

6.     Какие еще импульсные генераторы вам известны. В чем их отличия?

Содержание отчета.

1.     Тема.

2.     Цель.

3.     Ход работы (схема исследования в EWB, показания осциллографа и вольтметра, пояснения по схеме и выводы по результатам.)

4.     Ответы на контрольные вопросы.

  Лабораторная  работа № 11

Тема: Применение интегральных схем. Применение ЦАП и АЦП в электронных схемах.

Цель работы:  Ознакомиться с принципами построения и действия, исследовать работу АЦП, ЦАП

Основное оборудование

1.     Персональный компьютер

2.     пакет программ Electronic Workbench

Краткие теоретические сведения

Преобразование между аналоговыми и цифровыми величинами – основная операция в вычислительных и управляющих системах, поскольку физические параметры, такие, как температура, перемещение, и напряженность магнитного поля, являются аналоговыми, а большинство практических методов обработки, вычисления и визуального представления информации – цифровыми. Путем преобразования в цифровую форму с помощью АЦП, расположенных в оконечном устройстве, реализуются высокоскоростные, малошумящие, устойчивые и дешевые системы передачи данных на большие расстояния.

ЦАП можно представить как цифровой управляемый потенциометр, который создают на выходе аналоговый сигнал (напряжение или ток), отображающий нормированную часть его заданной полной шкалы. Выходное напряжение или ток зависят от значения опорного напряжения, выбираемого для задания полной шкалы выходного сигнала. Если опорное напряжение изменяется в соответствии с аналоговым сигналом, то выходной сигнал пропорционален произведению цифрового числа и аналогового входного сигнала. Полярность произведения зависит от полярности аналогового сигнала, цифровой системы кодирования и характера преобразования. Если ЦАП воспринимает опорные сигналы как положительной, так и отрицательной полярности и цифровой сигнал биполярный, то происходит четырехквадрантное умножение.

В АЦП цифровое число на выходе зависит от отношения преобразуемого входного сигнала к опорному сигналу, соответствующему полной шкале. Если опорный сигнал изменяется согласно изменению второго входного аналогового сигнала, то цифровой сигнал на выходе будет пропорционален отношению аналогового и опорного сигналов. Таким образом «измеритель отношений» АЦП может быть представлен как делитель аналоговых сигналов с цифровым выходом.

Для согласования работы ЦАП и АЦП необходимы разнообразные элементы как аналоговой, так и цифровой техники.

Благодаря широкому внедрению в современную электронную аппаратуру микропроцессоров, ЦАП, выпущенные в виде БИС, стали необходимыми элементами при проектировании блоков вычислительной техники, в робототехнике, в системах отображения информации, в системах цифровой связи, в измерительных приборах, системах синтеза аналоговых сигналов и т.д.

Преобразование аналоговой величины в цифровой код применяется довольно часто: в цифровых приборах с индикацией результатов измерения в привычном десятичном счислении, для ввода в цифровой форме параметров технологического процесса в ЭВМ, которая не допускает их выхода за установленные пределы, при передаче информации по линии с целью повышения её помехозащищенности и т.д.

Обратное – цифроаналоговое – преобразование в ряде случаев сопровождает аналогово-цифровое. Кроме того, их сочетание позволяет осуществлять цифровую обработку аналоговой величины, предварительно преобразованной в цифровую форму, и последующее преобразование к исходному аналоговому виду.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами.

Принципиально не исключена возможность непосредственного преобразования различных физических величин в цифровую форму, однако эту задачу удается решить лишь в редких случаях из-за сложности таких преобразователей. Поэтому в настоящее время наиболее рациональным признается способ преобразования различных по физической природе величин сначала в функционально связанные с ними электрические, а затем уже с помощью преобразователей «напряжение-код» – в цифровые. Именно эти преобразователи имеют обычно в виду, когда говорят об АЦП.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для преобразования числа, определенного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные значению цифрового кода. Схемотехника цифро-аналоговых преобразователей весьма разнообразна.

Схемы применения цифро-аналоговых преобразователей относятся не только к области преобразования код – аналог. Пользуясь их свойствами можно определять произведения двух или более сигналов, строить делители функций, аналоговые звенья, управляемые от микроконтроллеров, такие как аттенюаторы, интеграторы. Важной областью применения ЦАП являются также генераторы сигналов, в том числе сигналов произвольной формы.

Задание

1.     Исследовать работу схемы ЦАП.

2.     Исследовать работу АЦП.

Порядок выполнения работы

Исследовать библиотечные АЦП, ЦАП

1.      Соберите схему, представленную на рисунке 6.3.1, используя библиотечные АЦП, ЦАП

Рисунок 1 - схема для исследования библиотечных АЦП, ЦАП

2 . В отчете опишите назначение каждого элемента схемы, ответьте на вопросы:

Какой элемент схемы задает амплитуду и частоту аналогового входного сигнала?

Какой элемент схемы определяет «точность» преобразования аналогового сигнал в цифровой:

Примечание для пункта 2:

Обозначение АЦП в программном пакете Electronicworkbench

Назначение входов:

VIN- вход для источника преобразуемого сигнала;

VREF+;VREF- - вход для источника опорного напряжения;

SOC- Вход синхронизации;

OE- разрешение на выдачу двоичной комбинации на выходыD0...D7;

EOC- сигнал готовности данных (например, при выдаче данных на ЭВМ)

3.      Установите параметры входного сигнала: Амплитуда: 5 Вольт, частота 1 Герц

Установите частоту, с которой сигнал будет оцифровываться, равной 1 Гц (вход синхронизации)

Получите осциллограмму цифрового и аналогового сигнала на осциллографе, занесите её в отчет.

Увеличивая частоту на входе синхронизации АЦП получите осциллограммы для частот:

2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 Гц (рисунок 3.2)

Рисунок 3.2 - пример оцифрованного сигнала

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.     Назначение ЦАП и АЦП.

2.     Этапы аналого-цифрового преобразования.

3.     Принцип действия АЦП последовательного приближения и АЦП параллельного типа, схемы, отличия, преимущества (письменно).

4.     Схемы ЦАП, основные виды, принцип действия?

Содержание отчета

1.     Наименование работы

2.     Цель работы

3.     Исследуемая схема ЦАП и АЦП.

4.     Осциллограммы и графики согласно задания.

5.     Выводы по работе ЦАП и АЦП

6.     Ответы на контрольные вопросы в письменном виде.

Лабораторная  работа № 12

Тема: Изучение полупроводниковых диодов, биполярных и полевых транзисторов, тиристоров на схемах и в изделиях.

Цель: Экспериментальное получение характеристик тиристора.

Приборы и элементы:

-         управляемый тиристор KY1018;

-         источники постоянной ЭДС;

-         амперметр;

-         вольтметр;

-         мультиметр;

-         потенциометр;

-         резисторы.

Ход работы:

АНАЛИЗ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ В ПРОГРАММЕ MULTISIM

1. Приступая к выполнению анализа работы электрических схем средствами MULTISIM необходимо запустить программу MULTISIM. После запуска интерфейс программы будет выглядеть следующим образом:

Рисунок 13 – Интерфейс программы MULTISIM

Для того, чтобы собрать схему исследования необходимые компоненты из библиотек программы размещают на рабочем поле. Разделы библиотек программы поочередно вызывают с помощью иконок. Каталог библиотеки располагается в вертикальном окне справа или слева от рабочего поля. Необходимый символ компонента переносится из каталога на рабочее поле программы движением мыши при нажатой левой кнопке, после чего кнопку отпускают (для фиксирования символа) и производят двойной щелчок по знаку компонента. В раскрывающемся диалоговом окне устанавливают требуемые параметры.

После размещения компонентов производят соединение их выводов проводниками. Для выполнения подключения курсор мыши подводят к выводу компонента, и после появления прямоугольной площадки нажимают левую кнопку и появляющийся при этом проводник протягивают к выводу другого компонента до появления на нем такой же прямоугольной площадки.

                  Рисунок 14 –  Пример схемы исследования с развернутой панелью осциллографа.

Подключение к схеме  контрольно-измерительных приборов производят аналогично. Причем соединения целесообразно проводить цветными проводниками.

2. Для работы необходимо собрать  следующую схему исследования.

При изменении напряжения Е2 находится точка включения динистора т.е. резкого увеличения тока в цепи.

Все показания оформляются в виде таблицы и графика.

АНАЛИЗ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ СРЕДСТВАМИ

ПРОГРАММЫ ELECTRONICS WORKBENCH.

1. Приступая к анализу работы схем необходимо запустить программу ELECTRONICS WORKBENCH. После запуска она будет выглядеть следующим образом:

2. Для работы необходимо собрать  следующую схему исследования.

3. Чтобы схема начала функционировать, необходимо нажать кнопку в верхнем правом углу .

4.   Изменяя переменным резистором (при нажатии клавиши <R> сопротивление уменьшается, при нажатии комбинаций клавиш <shift>-<R> сопротивление увеличивается) напряжение питания, снимите вольтамперную характеристику триодного тиристора Iпр=f(Uпр) при токах в управляющем электроде 5, 10, 15 мА, управляющий ток устанавливается с помощью переменного резистора.

5.   По данным измерений построить вольтамперные характеристики триодного тиристора.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.              Дать определение динистора.

2.              Дать определение тринистора

3.              Почему тиристоры относятся к классу многослойных полупроводниковых структур? 

4.              Виды тринисторов.

5.              Какими условными знаками обозначают динисторы на схемах? 

6.              Какими условными знаками обозначают тринисторы на схемах? 

7.              Объясните физический смысл ВАХ динистора

8.              Объясните физический смысл ВАХ тринистора. 

9.              Почему тиристор называют переключающим прибором? Объяснить  с помощью ВАХ прибора.

10.          Какие процессы в структуре тиристора приводят к его переключению из запертого в проводящее состояние ?

11.          Какое влияние на работу тиристора оказывает управляющий электрод ? Пояснить с помощью ВАХ тиристора

12.          Какова структура, ВАХ и УГО  симметричного диодного тиристора?

13.          Какова структура, ВАХ и УГО  симметричного триодного тиристора?

14.          Каково назначение тиристоров разных типов?

15.          Каково назначение симметричных тиристоров?

ЗАДАНИЯ  ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ

Вариант 1.  Выполняется исследование  работы динистора средствами программы MULTISIM  В качестве контрольных выбираются вопросы с нечетными номерами.

Вариант 2.  Выполняется исследование  работы тринистора средствами программы ELECTRONICS WORKBENCH  В качестве контрольных выбираются вопросы с четными номерами

Содержание отчета.

1.     Тема работы.

2.     Цель работы.

3.     Приборы и элементы.

4.     Ход работы:

-                схема исследования;

-                таблица данных;

-                график ВАХ.

       5. Ответы на контрольные вопросы.

  Лабораторная  работа № 13

Тема: Изучение назначения и свойств основных функциональных узлов аналоговой электроники: усилителей, генераторов в схемах.

Цель работы: Построение схемы и изучение принципа работы генератора гармонических колебаний.

Порядок выполнения работы

1. Собрать схему автогенератора, изображенную на рисунке 1.




Рисунок 1 – Схема для исследования автогенератора, собранного по схеме емкостной трехточки

2. Установить значения параметров элементов в соответствии со схемой (рекомендуется использовать полученные при расчете). 
3. Включить схему.
4. Развернуть и настроить осциллограф, изменяя чувствительность и длительность развертки. 
5. Остановить процесс.
6. Нажать на осциллографе кнопку Expand.
7. На экране можно просмотреть запись осциллограммы, начиная от момента включения схемы (рисунок 2).



Рисунок 2 – Наблюдение самовозбуждения генератора

8. Произвести расчет схемы для заданной частоты (Предлагается преподавателем или рассчитывается по формуле f = [Ваш номер по журналу] × 1000 Гц)
9. Подставить в схему полученные значения.
10. Повторить пункты 3 – 6.
11. Установить маркеры 1 и 2 (синий и красный) так, как показано на рисунке 36, добиваясь, чтобы разность VA2-VA1 была как можно ближе к нулю.
12. Определив период колебаний из строки Т2-Т1, рассчитать частоту генерации и сравнить результат с расчетным.
13. Собрать схему автогенератора, изображенную на рисунке 3




Рисунок 3 – Схема для исследования автогенератора на ОУ с мостом Вина

14. Установить значения параметров элементов в соответствии со схемой. 
15. Включить схему.
16. Развернуть и настроить осциллограф, изменяя чувствительность и длительность развертки. 
17. Настроить генератор, изменяя сопротивление переменного резистора с помощью клавиш [R] (уменьшение сопротивления) и комбинации [Shift]+[R] (увеличение сопротивления).
18. Остановить процесс.
19. Нажать на осциллографе кнопку Expand.



Рисунок 4 – Осциллограммы напряжения на конденсаторе и выходного сигнала 

20. Установить визирные линии 1 и 2 (синяя и красная) так, как показано на рисунке 36, добиваясь, чтобы разность VA2-VA1 была как можно ближе к нулю.
21. Определив период колебаний из строки Т2-Т1, рассчитать частоту генерации.
22. Рассчитать частоту генерации, используя параметры элементов схемы. Сравнить результаты с полученными опытным путем.
23. Сделать вывод.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое генератор гармонических колебаний? Каково его назначение
2. Нарисуйте структурную схему автогенератора. Поясните назначение элементов схемы.
3. Назовите условия самовозбуждения генератора. Расскажите подробно о каждом из них.
4. Как получить на выходе синусоидальный сигнал определенной частоты?

5. Нарисуйте и поясните работу RC-генератора с мостом Вина

Содержание отчета.

1.     Тема.

2.     Цель.

3.     Ход работы (схема исследования в EWB, показания осциллографа и вольтметра, пояснения по схеме и выводы по результатам.)

4.     Ответы на контрольные вопросы.

 

 

Лабораторная  работа № 14

Тема: Использование операционных усилителей для построения различных схем.

 Цель: исследовать принцип работы инвертирующего,  неинвертирующего усилителя на ОУ.

Краткие теоретические сведения

Операционный усилитель (ОУ, OpAmp) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.  Напряжение на выходе может превышать разность напряжений на входах в сотни или даже тысячи раз.

Рисунок 14.1 – Схема операционного усилителя

На рисунке обозначены три самых главных вывода ОУ - два входа и выход. Два входа ОУ - Инвертирующий и Неинвертирующий названы так по присущим им свойствам. Если подать сигнал на Инвертирующий вход, то на выходе мы получим инвертированный сигнал, то бишь сдвинутый по фазе на 180 градусов - зеркальный; если же подать сигнал на Неинвертирующий вход, то на выходе мы получим фазово не измененный сигнал.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

2.                 Собрать схему инвертирующего усилителя на ОУ, изображенную на рисунке 14.2

Рисунок 16.2 – Схема для исследования инвертирующего усилителя на ОУ

2. Установить значение сопротивления резистора R1=1кОм.
3. Рассчитать значение сопротивления резистора R2 для коэффициента усиления КU = [Ваш номер по журналу] × 5.
4. Установить значение сопротивления резистора R2.
5. Установить мультиметр на измерение переменного напряжения.
6. Включить схему.
7. Записать показания мультиметра и рассчитать коэффициент усиления.
8. Развернуть и настроить осциллограф, изменяя чувствительность и длительность развертки. На экране можно наблюдать входной и выходной сигналы (Рисунок 16.3)


Рисунок 14.3 – Осциллограммы входного и выходного сигналов
9. Собрать схему неинвертирующего усилителя на ОУ, изображенную на рисунке 14.4.

Рисунок 14.4 – Схема для исследования неинвертирующего усилителя на ОУ
10. Установить значение сопротивления резистора R1=2кОм.
11. Рассчитать значение сопротивления резистора R2 для коэффициента усиления, предложенного в пункте 3.
12. Установить значение сопротивления резистора R2.
13. Установить мультиметр на измерение переменного напряжения.
14. Включить схему.
15. Записать показания мультиметра и рассчитать коэффициент усиления.
16. Развернуть и настроить осциллограф, изменяя чувствительность и длительность развертки. На экране можно наблюдать входной и выходной сигналы (рисунок 16.5)

Рисунок 14.5 – Осциллограммы входного и выходного сигналов
17. Собрать схему компаратора на ОУ, изображенную на рисунке 14.6.

Рисунок 14.6 – Схема для исследования компаратора на ОУ

18. Установить значения опорного и входного напряжения, в соответствии с рисунком 14.5.
19. Включить схему.
20. Развернуть и настроить осциллограф, изменяя чувствительность и длительность развертки. На экране можно наблюдать входной и выходной сигналы (Рисунок 14.7)



Рисунок 16.7 – Осциллограммы входного и выходного сигналов

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.                 Что такое операционные усилители? Каково их назначение?
2. Почему эти усилители называют операционными?
3. Как называются и для чего предназначены входы ОУ?
4. Назовите основные параметры ОУ.
5. Нарисуйте условное графическое обозначение ОУ. Запишите названия его выводов.
6. Нарисуйте структурную схему ОУ. Расскажите о назначении компонентов схемы.
7. Нарисуйте схему инвертирующего усилителя на ОУ. Чем определяется коэффициент усиления такого усилителя, по какой формуле его можно рассчитать.
8. Нарисуйте схему неинвертирующего усилителя на ОУ. Чем определяется коэффициент усиления такого усилителя, по какой формуле его можно рассчитать.

Содержание отчета.

1.     Тема.

2.     Цель.

3.     Ход работы (схема исследования в EWB, показания осциллографа и вольтметра, пояснения по схеме и выводы по результатам.)

4.     Ответы на контрольные вопросы.

  Лабораторная  работа № 15

Тема: Применение логических элементов, для построения логических схем, выбор их параметров и схем включения.

Цель: Получить навыки построения и анализа работы схем цифровых устройств на основе базовых логических элементов средствами EWB.

Приборы и элементы:

-         источники постоянной ЭДС;

-         ключи

-         биполярные транзисторы

-         полевые транзисторы

-         логические элементы

-         логический анализатор

Ход работы:

 Приступая к выполнению данной лабораторной  работы необходимо запустить программу ELECTRONICS WORKBENCH. После запуска она будет выглядеть следующим образом:

Для примера выполним построение базового логического элемента И-НЕ.

Выбираем в панели инструментов меню Transistors и перетаскиваем на рабочий лист 3 транзистора типа 4-Terminal Enhancement N-MOSFET. Также перетаскиваем 3 элемента питания - в панели инструментов Sources, элемент +Vcc Voltage Source, из этого же меню взять элемент заземления - Ground. В меню Basic найти и перенести на лист 2 ключа - Switch, и присвоить им клавиши, при нажатии которых ключи открываются или закрываются (это можно сделать 2 раза щелкнув по ключу и на вкладке Value присвоить желаемую клавишу). Из имеющихся на листе элементов собираем схему с подключенными через ключи элементами питания к каждому транзистору. На этом сборка логического элемента на МДП транзисторах закончена.

Далее в меню Logic Gates выбираем и переносим на лист логический элемент И-НЕ - 2-Input NAND Gate, помещая его ниже схемы на транзисторах. Входы логического элемента подключаем после ключей, но до транзисторов - это обеспечит одинаковые входные сигналы, как на логическом элементе, так и на элементе на транзисторах.

Для того чтобы снять показаниях с выходов элементов переносим на лист логический анализатор (Logic Analyzer), который находится в меню Instruments. Анализатор предназначен для отображения на экране монитора кодовых последовательностей одновременно в 16 точках схемы, а также в виде двоичных чисел на входных клеммах-индикаторах Анализатор снабжен также двумя визирными линейками, что позволяет получать точные отсчеты временных интервалов, а также линейкой прокрутки по горизонтали, что позволяет анализировать процессы на большом временном интервале. Подключаем верхний вход анализатора к выходу схемы на транзисторах, а нижний вход к выходу логического элемента. Для большего удобства можно подключиться ко второму и третьему сверху входу анализатора и местом после ключей - это даст возможность видеть значения входных сигналов на показаниях логического анализатора. Также можно изменить цвет соединительных проводов.

На этом вся схема собрана (рисунке 1). Для того чтобы посмотреть, как это функционирует,  2 раза щелкаем по логическому анализатору и в верхнем правом углу экрана включаем питание.

Рисунок 1 - Схема функционирования элемента И-НЕ, выполненная на n-МДП транзисторах и в виде логического элемента.

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ.

В соответствии с номером варианта, который выбирается согласно порядкового номера по списку, выполнить следующее:

-         проанализировать функцию F и реализовать её в EWB по соответствующей технологии.

№ варианта	Функция F	Логика	№ варианта	Функция F	Логика
1		ТТЛ	9		КМДП
2		n-МДП	10		ТТЛ
3		КМДП	11		n-МДП
4		ТТЛ	12		КМДП
5		n-МДП	13		ТТЛ
6		КМДП	14		n-МДП
7		ТТЛ	15		КМДП
8		n-МДП	16		ТТЛ

-         синтезировать комбинационную схему, у которой на выходе выдаётся следующая последовательность сигналов (таблица 3). В таблице 2 даны сигналы, поступающие на входы комбинационной схемы. Реализовать схему в EWB по соответствующей технологии.

Таблица 2 - Входные сигналы

Вход	Последовательность  импульсов на входе
X1	0	1	0	1	1	0	1
X2	0	0	1	0	0	1	1
X3	1	0	1	1	0	0	0
X4	1	0	0	0	1	0	0

 Таблица 3- Выходные сигналы

№ варианта	Логика	Выход	Последовательность  импульсов на выходе
1	n-МДП	Y	1	1	1	0	0	1	0
2	КМДП	Y	0	0	1	0	1	1	0
3	ТТЛ	Y	1	0	0	0	0	1	1
4	n-МДП	Y	1	1	0	0	1	0	1
5	КМДП	Y	0	0	0	1	1	1	1
6	ТТЛ	Y	0	1	0	1	0	1	0
7	n-МДП	Y	1	0	1	0	1	0	1
8	КМДП	Y	1	1	0	0	0	1	1
9	ТТЛ	Y	0	1	1	0	1	1	0
10	n-МДП	Y	1	0	0	1	0	0	1
11	КМДП	Y	1	1	1	0	1	1	1
12	ТТЛ	Y	1	0	0	1	0	0	1
13	n-МДП	Y	0	0	0	1	0	1	0
14	КМДП	Y	0	0	1	1	1	0	1
15	ТТЛ	Y	1	0	0	0	1	0	1
16	n-МДП	Y	1	0	1	0	1	0	0

Содержание отчета.

1.     Тема работы.

2.     Цель работы.

3.     Приборы и элементы.

4.     Ход работы:

5.     Ответы на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1.            Основные технологии (логики) построения схем базовых логических элементов ИМС.

2.            Что такое комплиментарные транзисторы?

3.            В чем отличие потенциальных логических элементов от импульсных?

4.            В каких основных режимах работают транзисторы в схемах базовых логических элементов ИМС?

5.            За счет чего формируется сигнал на выходе схем базовых логических элементов ИМС?

Литература

Учебные издания:

1.       Бобровников, Л. З. Электроника в 2 ч. Часть 1 : учебник для академического бакалавриата / Л. З. Бобровников. — 6-е изд., испр. и доп. — Москва : Издательство Юрайт, 2019. — 288 с.

2.       Бобровников, Л. З. Электроника в 2 ч. Часть 2 : учебник для академического бакалавриата / Л. З. Бобровников. — 6-е изд., испр. и доп. — Москва : Издательство Юрайт, 2019. — 275 с.

 Интернет-ресурсы:

1. Российская государственная библиотека [Электронный ресурс] / Центр информ. технологий РГБ; ред. Власенко Т. В. ; Web-мастер Козлова Н. В. — Электрон. дан. — М. : Рос. гос. б-ка, 1997 — Режим доступа: http//www.rsl.ru, свободный. — Загл. с экрана. — Яз. рус., англ.

Дополнительные источники:

1.        Электротехника и электроника в 3 т. Том 3. Основы электроники и электрические измерения : учебник и практикум для среднего профессионального образования / Э. В. Кузнецов, Е. А. Куликова, П. С. Культиасов, В. П. Лунин ; под общей редакцией В. П. Лунина. — 2-е изд., перераб. и доп. — Москва : Издательство Юрайт, 2019. — 234 с.

2.        Миловзоров, О. В. Электроника : учебник для прикладного бакалавриата / О. В. Миловзоров, И. Г. Панков. — 6-е изд., перераб. и доп. — Москва : Издательство Юрайт, 2019. — 344 с.