Измерение параметров сигнала с помощью осциллографа, вольтметра и измерителя диаграмм Боде

ВВЕДЕНИЕ

Изучение курсов, посвященных электронной технике таких как: «Электроника», «Электротехника», «Системы автоматического управления и регулирования», «Электропитание электронных устройств», «Теория дискретных устройств», «Линейные электрические цепи» является неотъемлемой частью подготовки специалистов специальностей 190402.65 «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте» и 190401.65 «Электроснабжение железных дорог».

Проведение лабораторных и практических работ по данным курсам у группы студентов с использованием действующего учебного оборудования связано с большими материальными затратами.

С развитием средств вычислительной техники и методов математического моделирования, роль компьютерных программ моделирования различных процессов в учебном процессе возрастает. Среди программ схемотехнического моделирования в учебном процессе целесообразно использование известной программы электронного моделирования Electronics Workbench (EWB).

Моделирование и исследование цифровых и аналоговых схем в программе EWB основано на функционировании электронных устройств различного назначения: функционального генератора сигналов различной формы, измерительных приборов: мультиметра, осциллографа, измерителя частотных характеристик цепей.

Получению навыков работы с данными электронными устройствами программы EWB посвящены методические указания к лабораторной работе №1. Учащиеся в соответствии с индивидуальными заданиями на реальных схемах знакомятся с работой приборов, с методиками снятия основных параметров сигналов и частотных характеристик цепей.

Вторая работа открывает цикл лабораторных работ, посвященных изучению полупроводниковых элементов (диодов, стабилитронов, транзисторов, тиристоров), являющихся в настоящее время основой построения всех микроэлектронных устройств.

Устройства современной электроники изготавливаются из полупроводниковых материалов. Поэтому в работе рассматриваются процессы проводимости чистых и примесных полупроводников, физические процессы в p-n-переходе при равновесном и смещенном состояниях.

Так как p-n-переход является основой большинства полупроводниковых диодов, то в работе особое внимание уделено именно этим приборам. Учащиеся исследуют работу полупроводниковых диодов в качестве выпрямительных приборов.

Освоение изложенного в методических указаниях материала предполагает наличие у учащихся знаний по элементарной математике, физике и основам электрических цепей.

Лабораторная работа № 1

Измерение параметров сигнала с помощью осциллографа, вольтметра и измерителя диаграмм Боде

Цель работы: получение навыков работы с основными приборами программы Electronics Workbench V. 5.12.

Задания на экспериментальные исследования

И методика их выполнения

Задание 1. Измерение параметров генератора синусоидальных колебаний с помощью осциллографа и вольтметра

1. Осуществить выбор варианта в соответствии с назначением преподавателя (табл. 1).

Таблица 1

Исходные данные

Номер варианта (Задание 1)	Форма сигнала	Номер варианта (Задание 2)	Форма сигнала	Частота сигнала	Амплитуда сигнала	Скважность сигнала – s
				2 кГц	5 В	2.5
				3 кГц	3.2 В	1.5
				1 кГц	500 мВ	1.7
				7 кГц	750 мВ
				600 Гц	7 В	2.2
				750 Гц	3.3 В
				2500 Гц	9 В	1.6
				3400 Гц	2.2 В	1.1
				6300 Гц	4.7 В	1.6
				8 кГц	5000 мкВ	2.9
				10 кГц	2.5 В	3.2
				9 кГц	12 В
				855 Гц	100 мВ	2.3
				5600 Гц	12.5 В	2.2
				12.5 кГц	5.5 В	1.9
				9.5 кГц	130 мкВ	2.7
				4.7 кГц	27000 мкВ
				3.8 кГц	3.4 В	2.8
				15 кГц	700 мВ
				860 Гц	2.1 В	3.1
				458 Гц	5.7 В	3.2
				760 Гц	2.7 В
				5.8 кГц	130 мВ	2.5
				2.1 кГц	1500 мВ
				3700 Гц	4 В	2.2
				6700 Гц	6 В	2.4

Окончание табл. 1

Номер варианта (Задание 1)	Форма сигнала	Номер варианта (Задание 2)	Форма сигнала	Частота сигнала	Амплитуда сигнала	Скважность сигнала – s
				645 Гц	230 мкВ	3.2
				730 Гц	24000 мкВ	1.8
				1300 Гц	50 мкВ
				11 кГц	3 В
				7300 Гц	15 В	2.6
				2.2 кГц	24 В	2.8

2.
Собрать схему измерения (рис.1).

Рис. 1. Принципиальная схема измерения параметров сигнала

с помощью мультиметра и осциллографа

3. Двойным нажатием левой кнопки мыши раскрыть панель функционального генератора и осуществить его настройку в соответствии с вариантом, назначенным преподавателем.

4. Нарисовать в отчете временную диаграмму гармонического сигнала с заданными параметрами, показав единицы измерения по осям, а также амплитуду и период.

5. Получить на экране осциллографа устойчивое, неограниченное сверху, по оси Y, изображение 2–3-х периодов гармонического сигнала в пределах всего экрана по оси х.

Это достигается путем регулировки чувствительности канала А по оси Y (переключатель V/Div), времени развертки по оси Х (переключатель s/div) и установки осциллографа в режим внутренней синхронизации по каналу А с запуском развертки по положительному перепаду входного сигнала.

6. Измерить осциллографом амплитуду гармонического сигнала. Измерение амплитуды сводится к расчету ее по формуле

(1)

где амплитуда изображения сигнала в делениях шкалы по оси Y;

масштабный множитель по оси Y (значение переключателя V/Del).

7. Измерить осциллографом амплитуду сигнала в режиме увеличенной передней панели. Измерения проводятся с помощью визирной линии. Сравнить полученный результат с измеренным ранее значением.

8. измерить вольтметром амплитуду гармонического сигнала. На дисплее мультиметра отображается действующее (эффективное) значение переменного напряжения . Амплитуду сигнала рассчитать по формуле

(2)

и сравнить с измеренным ранее значением.

9. Измерить с помощью осциллографа период и вычислить частоту исследуемого сигнала.

Измерение периода сводится к расчету его по формуле (рис. 2)

(3)

где изображение периода в делениях шкалы по оси Х;

масштабный множитель по оси Х (значение переключателя s/div).

Частоту сигнала рассчитать по формуле

(4)

Рис. 2. Определение периода и амплитуды гармонического сигнала с помощью масштабных осей свернутой панели осциллографа

10. Измерить период сигнала в режиме увеличенной передней панели осциллографа. Измерения проводить с помощью визирных линий, путем их ориентирования по двум соседним максимумам гармонической функции и фиксирования значений изменения фазы сигнала (рис. 3).

Для приведенного на рис. 3 сигнала период составляет мкс, а частота . Сравнить полученный результат с измеренным ранее значением.

Рис. 3. Измерение периода гармонического сигнала с помощью визирных линий

Задание 2. Измерение параметров генератора прямоугольных импульсов с помощью осциллографа

1. Осуществить выбор варианта из табл. 1 в соответствии с номером задания.

2. Собрать схему измерения (см. рис. 1).

3. Нарисовать временную диаграмму последовательности прямоугольных импульсов с заданными параметрами: амплитудой, частотой и длительностью импульсов, показав единицы измерения по осям, а также амплитуду, период и длительность импульса (рис. 4). Длительность импульса можно определить через скважность сигнала:

(5)

4. Установить на выходе генератора сигнал в виде последовательности прямоугольных импульсов с заданными: амплитудой, частотой и коэффициентом заполнения. Значение коэффициента заполнения в процентах есть величина, обратная скважности и умноженная на 100 %:

(6)

Рис. 4. Период и длительность импульса прямоугольного сигнала

5. Поставить по входу осциллограф в режим наблюдения переменного сигнала (режим АС) и измерить с его помощью основные параметры сигнала на выходе генератора, зарисовав его временную диаграмму и показав на ней все параметры.

Задание 3. Измерение с помощью двухканального

В простейших RC (RL)–цепях

1. Собрать схему, приведенную на рис. 5. Установить параметры элементов схемы в соответствии с вариантом (см. табл. 2).

2. На выходе генератора установить гармонические колебания с заданной амплитудой и частотой.

3. На экране осциллографа получить устойчивое не искаженное изображение обоих сигналов и определить их фазовый сдвиг .

Фазовый сдвиг можно определить с помощью следующей формулы:

(9)

где период сигнала (рис. 6);

начальные фазы входного и выходного сигналов;

временной сдвиг между сигналами (рис. 7).

Рис. 6. Измерение периода сигнала

Временной сдвиг на экране осциллографа можно измерить, используя визирные линии, которые ориентируют по максимуму гармонической функции, как показано на рис. 7. Величину временного сдвига можно прочесть в окне под экраном (см. рис. 7).

Рис. 7. Измерение временного сдвига двух гармонических сигналов

Для случая, приведенного на рис. 6-7, величина фазового сдвига двух гармонических сигналов составит

4. Результаты измерений и расчетов занести в отчет.

Следует отметить, что выходной сигнал может отставать по фазе от входного сигнала и тогда он располагается справа от входного (см. рис. 7). Фазовый сдвиг в этом случае берется со знаком минус. В случае опережения выходного сигнала (он располагается слева от входного) фазовый сдвиг берется положительным. На рис. 7 . Выходной сигнал отстает по фазе от входного на .

Задание 5. Измерение частотных характеристик

Диаграмм Боде

Частотными характеристиками цепи называют функции, характеризующие реакцию цепи на синусоидальное входное воздействие в установившемся режиме. Данные характеристики имеют очень большое значение при анализе работы цепи. Кратко охарактеризуем каждую из характеристик.

Если на вход цепи подается величина (рис. 8)

то на выходе в установившемся режиме получаем

где – амплитуда;

– фаза сигнала;

циклическая частота.

Рис. 8. Структурная схема исследуемой электрической цепи

Каждой гармонической функции времени можно поставить в соответствие комплексное число, называемое мгновенным комплексом гармонической функции (рис. 9):

Рис. 9. Мгновенный комплекс гармонической функции

Функцию называют амплитудно-фазовой частотной характеристикой цепи (АФЧХ). Функция называется соответственно амплитудно-частотной характеристикой цепи (АЧХ), – фазовой частотной характеристикой цепи (ФЧХ).

Функцию можно представить в виде

где и – соответственно вещественная и мнимая частотные характеристики. Исходя из этого, функции АЧХ и ФЧХ можно представить как:

Кроме частотных характеристик используются логарифмические частотные характеристики – логарифмическая амплитудно-частотная (ЛАЧХ) и логарифмическая фазовая частотная (ЛФЧХ) характеристики.

ЛАЧХ – это зависимость от логарифма частоты . При построении ЛАЧХ по оси абсцисс откладывают частоту в логарифмическом масштабе, а по оси ординат .

ЛФЧХ – это зависимость фазовой частотной функции от логарифма частоты . При ее построении по оси абсцисс откладывают частоту в логарифмическом масштабе, по оси ординат откладывают в градусах или радианах.

За единицу масштаба по оси абсцисс принимается декада – частотный интервал, соответствующий изменению частоты в 10 раз. Ось ординат при построении этих характеристик проводят через произвольную, удобную для рассматриваемой задачи, точку, а не через точку w=0, поскольку частоте w=0 соответствует бесконечно удаленная точка.

Единицей является децибел (дБ), равный одной десятой Бела. Бел – это единица десятичного логарифма коэффициента усиления мощности сигнала, т. е. 1 Бел соответствует усилению мощности в 10 раз. Поскольку мощность сигнала пропорциональна квадрату амплитуды, а , то усиление в Белах, выраженное через отношение амплитуд, равно . дБ означает, что на данной частоте при прохождении сигнала через цепь его амплитуда увеличивается в 10 раз.

ЛАЧХ и ЛФЧХ за счет использования логарифмических шкал более удобны при анализе работы цепи в широком диапазоне изменения частоты сигнала.

Измеритель диаграмм Боде предназначен для измерения АЧХ, ФЧХ, ЛАЧХ и ЛФЧХ электрических цепей.

1. Собрать схему, приведенную на рис. 10. Установить параметры элементов схемы в соответствии с вариантом (см. табл. 2).

Рис. 10. Схема измерения частотных характеристик цепи

2. На выходе генератора установить гармонические колебания с заданной амплитудой и частотой.

3. На экране измерителя диаграмм Боде получить устойчивое изображение ЛАЧХ или АЧХ цепи (рис. 11). С помощью визирной линии снять несколько значений ЛАЧХ (или АЧХ) и зарисовать ее в отчете. Сделать выводы.

RC-цепь, представленная на рис. 10, представляет собой пассивный фильтр низких частот. Конденсатор С1 для сигнала низкой частоты (ниже частоты среза) является большим сопротивлением, и сигнал поступает на выход фильтра. Для сигнала высокой частоты (выше частоты среза) конденсатор является хорошим проводником, и поэтому он шунтирует данный сигнал, не пропуская его на выход. Частотой среза называется частота, при которой напряжение на выходе фильтра падает до уровня 0, 707 от напряжения в полосе пропускания (т. е. падает на 3 дБ). Для случая, представленного на рис. 11, частота среза фильтра составляет приблизительно Гц, т. е. выше данной частоты амплитуда сигнала на выходе фильтра, как видно из ЛАЧХ, все более ослабевает.

4. Определить частоту среза фильтра.

Рис. 11. ЛАЧХ цепи и значение частоты среза фильтра

5. Нажатием кнопки Phase на панели управления измерителя, а также кнопками настройки прибора получить устойчивое изображение ЛФЧХ или ФЧХ цепи (рис. 12). С помощью визирной линии снять несколько значений ЛФЧХ (или ФЧХ) и зарисовать ее в отчете. Сделать выводы.

Рис. 12. ЛФЧХ цепи

Лабораторная работа № 2

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый прибор с одним р-n-переходом, имеющий два омических вывода, называют полупроводниковым диодом (рис. 24). На практике наибольшее распространение получили диоды с неодинаковой концентрацией основных носителей заряда в областях. Типичными являются приборы, в которых p-область имеет большую концентрацию носителей заряда.

Рис. 24. Конструкция маломощных выпрямительных диодов:

1 – внешний вывод (анод); 2 – трубка; 3 – стеклянный изолятор; 4 – корпус;

5 – внутренний вывод анода; 6 – таблетка индия; 7 – кристалл германия;

8 – кристаллодержатель; 9 – внешний вывод (катод)

Важный параметр диода – его дифференциальное сопротивление:

(22)

Из выражения (21) в случае приложения прямого напряжения :

(23)

С ростом тока дифференциальное сопротивление p-n-перехода быстро уменьшается.

Пробой диода. При обратном напряжении диода свыше определенного критического значения наблюдается резкий рост обратного тока (рис. 25). Это явление называют пробоем диода. Все разновидности пробоя диода можно разделить на электрические и тепловые. Электрический пробой, в свою очередь, может быть лавинным или туннельным.

Лавинный пробой обусловлен лавинным размножением носителей в р-n-переходе в результате ударной ионизации атомов быстрыми носителями заряда. Он происходит следующим образом. Неосновные носители заряда, поступающие в р-n-переход при действии обратного напряжения, ускоряются полем и при движении в нем сталкиваются с атомами кристаллической решетки. При соответствующей напряженности электрического поля носители заряда приобретают энергию, достаточную для отрыва валентных электронов. При этом образуются дополнительные пары носителей заряда – электроны и дырки, которые, ускоряясь полем, при столкновении с атомами также создают дополнительные носители заряда. Описанный процесс носит лавинный характер (на ВАХ участок 2-3 рис. 25).

В основетуннельного пробоялежит непосредственно отрыв валентных электронов от атомов кристаллической решетки под действием сильного электрического поля. Образующиеся при этом дополнительные носители заряда (электроны и дырки) увеличивают обратный ток через р-n-переход. Туннельный пробой развивается в узких р-n-переходах, где при сравнительно небольшом обратном напряжении имеется высокая напряженность поля. Лавинный и туннельный пробои сопровождаются появлением почти вертикального участка 3-4 на обратной ветви вольтамперной характеристики (см. рис. 25).

Лавинный и туннельный пробои являются обратимыми, т. е. они не приводят к повреждению диода и при снижении напряжения его свойства сохраняются.

Длительный лавинный или туннельный пробой диода может вызвать тепловой пробой.

Рис. 25. ВАХ диода при превышении обратного напряжения предельного значения

Тепловой пробой возникает за счет интенсивной термогенерации носителей в р-n-переходе при недопустимом повышении температуры. Процесс развивается лавинообразно и ввиду неоднородности р-n-перехода обычно носит локальный характер. Лавинообразное развитие теплового пробоя обуславливается тем, что увеличение числа носителей заряда за счет повышения температуры вызывает увеличение обратного тока и, следовательно, еще больший разогрев участка р-n-перехода. Процесс заканчивается расплавлением этого участка и выходом прибора из строя. Тепловой пробой возникает, как правило, вследствие протекания большого обратного тока при лавинном или туннельном пробое или ухудшении условий теплоотвода. В последнем случае он может произойти при меньшем напряжении , минуя стадии лавинного или туннельного пробоя.

Нормальная работа диода в качестве элемента односторонней проводимостью возможна лишь в режимах, когда обратное напряжение не превышает пробивного значения . Значение допустимого обратного напряжения устанавливается с учетом исключения возможности электрического пробоя и составляет (0, 5…0, 8) .

Емкости диода. Принято говорить об общей емкости диода , измеренной между выводами диода при заданном напряжении смещения и частоте. Общая емкость диода равна сумме барьерной емкости , диффузионной емкости и емкости корпуса прибора .

Барьерная (зарядная) емкость обусловлена нескомпенсированным объемным зарядом ионов примесей, сосредоточенным по обе стороны от границы р-n-перехода.

Модельным аналогом барьерной емкости может служить емкость плоского конденсатора, обкладками которого являются р- и n-области, а диэлектриком служит р-n-переход, практически не имеющий подвижных зарядов. Значение барьерной емкости колеблется от десятков до сотен пикофарад; изменение этой емкости при изменении напряжения может достигать десятикратной величины. Поскольку величина барьерной емкости зависит от приложенного напряжения, то диод (p-n-переход) можно использовать в качестве конденсатора переменной емкости.

Диффузионная емкость. Изменение величины объемного заряда неравновесных электронов и дырок, вызванное изменением прямого тока, можно рассматривать как следствие наличия так называемой диффузионной емкости, которая включена параллельно барьерной емкости.

Значения диффузионной емкости могут иметь порядок от сотен до тысяч пикофарад. Поэтому при прямом напряжении емкость р-n-перехода определяется преимущественно диффузионной емкостью, а при обратном напряжении – барьерной емкостью.

Типы соединений диодов

Параллельное соединение диодов (рис. 34) предназначено для увеличения суммарного прямого тока. Оно используется с принятием мер по выравниванию прямых токов приборов, входящих в группу. Это необходимо для исключения перегрузки по току отдельных диодов, приводящей к выводу их из строя вследствие перегрева. Причиной неравномерного распределения токов является несовпадение прямых ветвей ВАХ приборов ввиду разброса параметров. Для выравнивания токов используют диоды с малым различием прямых ветвей ВАХ (производят их подбор).

Рис. 34. Параллельное соединение диодов

Последовательное соединение диодов (рис. 35) предназначено для увеличения суммарного допустимого обратного напряжения. При воздействии обратного напряжения через диоды, включенные последовательно, протекает одинаковый обратный ток. Однако ввиду неизбежного различия обратных ветвей ВАХ общее напряжение будет распределяться по диодам неравномерно. Превышение хотя бы на одном из диодов обратного напряжения над напряжением пробоя может привести к пробою не только данного, но и всех остальных диодов вследствие повышения на них обратного напряжения. Для исключения неравномерного обратного напряжения диоды в последовательной цепи шунтируют резисторами.

Рис. 35. Последовательное соединение диодов

Выбор сопротивления шунтирующих резисторов производят исходя из того, чтобы ток, протекающий через резистор, был на порядок больше обратного тока диодов.

ЗАДАНИЯ НА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Задание 1. Снятие по точкам статической вольтамперной характеристики (ВАХ) диода

1. Осуществить выбор варианта из табл. 3 в соответствии с назначением преподавателя.

2. Собрать схему, представленную на рис. 36, для снятия прямой ветви ВАХ диода. Выбор марки диода осуществить в соответствии с вариантом в библиотеке, название которой указано в пятом столбце табл. 3.

Таблица 3

Исходные данные

12 3 4 Следующая ⇒