Отчет1лаба1x

Национальный исследовательский университет ресурсоэффективных
технологий
«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Отчет по лабораторной работе №5
по дисциплине ЭЛЕКТРОНИКА
ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ОУ
Выполнил: студент гр. 8в72
Шевчик М. В.
Проверил: доцент
Рыбин Ю. К.
Томск 2009
ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
получить первоначальные навыки выполнения лабораторных работ по
аналоговой электронике в программно-аппаратной среде NI ELVIS.
ЗАДАЧИ РАБОТЫ:
 изучить с целью дальнейшего использования в лабораторном цикле
разделы книги №1 «Введение в NI ELVIS»;
 ознакомиться с инструкцией по охране труда в лабораториях кафедры
КИСМ ЭФФ;
 подготовиться и практически освоить предложенную программу работ
по аналоговой электронике и защитить ее.
ХОД РАБОТЫ:
4.2 Измерение параметров различных электронных компонентов.
R1=2.215 кОм (номинал 2.2 кОм);
R3=19.84 кОм (номинал 20 кОм);
R4=100.1 кОм (номинал 100 кОм);
С1=0.976 nF (номинал 1 микрофарада);
С10=46.619 nF (номинал 47 nF).
Причины несовпадения:
1)Разные методики получения данных;
2)Временной фактор (снижение показателей приборов с течением времени);
3)Округление данных.
4.3 Снятие ВАХ двухполюсников:
2
Current HI
Двухполюсник
NI
ELVIS
Current LO
Рис. 1. Схема эксперимента для снятия ВАХ двухполюсников (резисторов и диодов)
Резистор R1
Рис. 2. ВАХ резистора R1
График в виде прямой, так как прямая зависимость между сопротивлением,
силой тока и напряжением. U=I*R (закон Ома).
Сравним полученные данные с экспериментальными:
Таблица №1
Экспериментальные и практические значения тока при заданном напряжении
U, В
I экс , мА
I теор , мА
0,000
0,199
0,397
0,596
0,795
0,994
1,192
0,007
0,098
0,188
0,279
0,369
0,460
0,550
0
0,091
0,181
0,271
0,362
0,452
0,543
3
1,391
0,640
0,633
Как видно из таблицы, теоретические и экспериментальные данные имеют
небольшое различие. Это может свидетельствовать о том, что зависимость
тока от напряжения не является строго прямо пропорциональной, и зависит
еще от температуры, емкости, индуктивности резистора и т. д.
Кремниевый точечный диод VD1:
а)
б)
Рис. 3. ВАХ диода VD1 (а – прямая ветвь, б – обратная ветвь)
Нелинейный вид ВАХ объясняется свойством полупроводника менять свое
сопротивление при изменении напряжения на нем.
Диод Шоттки VD2:
4
а)
б)
Рис. 4. ВАХ диода Шоттки VD2 (а – прямая ветвь, б – обратная ветвь)
Особенностью диода Шоттки является то, что он имеет прямое падение
напряжения порядка 0.2—0.4 вольт. Прямая ветвь ВАХ у диодов Шоттки
подчиняется экспоненциальному закону в широком диапазоне токов. При
прямом включении ВАХ диода Шоттки возрастает быстрее, чем у
выпрямительного диода и стабилитрона.
Кремниевый стабилитрон VD3:
а)
б)
Рис. 5. ВАХ стабилитрона VD3 (а – прямая ветвь, б – обратная ветвь)
5
Полученный график совпадает с теоретическим. Стабилитроны - приборы, на
основе p-n-перехода, предназначенные для стабилизации напряжения.
Стабилитрон – полупроводниковый диод, ВАХ который имеет участок малой
зависимости приложенного напряжения от тока, протекающего через него.
Такой участок лежит на обратной ветви ВАХ и возникает в результате
пробоя диода (лавинного или туннельного).
Снятие выходных ВАХ биполярного транзистора VT1:
3WIRE
NI
ELVIS
VT1
Current LO
Рис. 6. Схема эксперимента для снятия выходных ВАХ транзистора
Рис. 7. Выходные ВАХ транзистора
6
Маломощный биполярный транзистор n-p-n типа по схеме включения с
общим эмиттером. Формула для тока коллектора выглядит следующим
образом: IK = g(UKЭ)/IR = const
Снятие входных ВАХ биполярного транзистора VT1:
+5V
Current HI
Current HI
Uкэ=0
NI
ELVIS
Uкэ = +5 V
NI
Current LO
ELVIS
Current LO
GND
а)
б)
Рис. 8. Схемы для снятия входных ВАХ транзистора (а - Uкэ=0V; б - Uкэ=+5V)
Рис. 9. Входная ВАХ транзистора, схема а
7
Рис. 10. Входная ВАХ транзистора, схема б
При Uкэ = 0В биполярный транзистор ведет себя как обычный p-n переход
(режим насыщения). Входная ВАХ транзистора при Uкэ=+5 В лежит левее
ветви Uкэ=0 В, что объясняется разными значениями Uкэ. Можно наблюдать
в выходной характеристике при Uкэ=+5 В отрицательные значения тока, но
ими можно пренебречь так, как они слишком малы. Отличие этих ВАХ
состоит в том, что при Uкэ=+5 В ток начинает увеличиваться позже и
быстрее, чем при Uкэ = 0В.
4.4 Исследование резистивного делителя напряжения постоянного тока.
Vвх
+5V
Voltage HI
NI
Voltage LO
ELVIS
GND
DMM
R3
20 k
R4
100 k
Vвых
Рис. 11. Схема исследования резистивного делителя напряжения постоянного тока
8
Рис. 12. Входное напряжение
Рис. 13. Выходное напряжение
R3=19.8 кОм
R4=100 кОм
Рассчитаем выходное напряжение, приняв входное напряжение равным 5 В:
U вых =
U вх  R 4
5 100
=
= 4,168 (В).
R 3  R 4 19,8  100
Как видно, теоретические и практические значения отличаются
незначительно (1 – 2%), что связано с неточностью метода измерения и
температурной поправкой.
4.5 Делитель с изменяющимися значениями выходного напряжения.
Таблица №2
Определение коэффициента передачи делителя.
U вх
U вых
Коэффициент
передачи делителя
2
4
6
8
10
12
1,565
3,182
4,802
6,422
8,041
9,661
0,7825
0,7955
0,8003
0,8028
0,8041
0,8051
9
Теоретическое значение коэффициента передачи k =
=
R4
=
R3  R4
100
= 0,8335.
19,8  100
Таким образом, максимальное отклонение экспериментального значения от
теоретического наблюдается при входном напряжении 2 В и составляет 7%.
Изменение коэффициента передачи объясняется зависимостью
сопротивлений резисторов от входного напряжения. Резисторы в той или
иной степени обладают также паразитной ёмкостью, паразитной
индуктивностью и нелинейностью вольт-амперной характеристики. Причина
зависимости сопротивлений резисторов от входного напряжения зависимость концентрации носителей тока и их подвижности от
напряженности электрического поля.
12
10
Uвых
8
6
4
2
0
0
2
4
6
8
Uвх
10
12
14
y = 0,8554x + 0,0453
График 1. Коэффициент передачи делителя; таблица Exel
4.6 Делитель с изменяющимися значениями выходного напряжения с
переменными сопротивлениями.
Первое положение движка потенциометра R22:
Таблица №3
Vвх, в
Vвых, в
1.020
2.059
3.099
1.957
3.947
5.940
K=Vвых/Vвх
1.919
1.917
1.917
10
4.137
5.177
6.217
1.917
1.916
1.916
7.928
9.922
11.914
Коэффициент передачи делителя К=1.997
9
8
7
Uвх
6
5
4
3
2
1
0
0
2
4
6
Uвых
8
10
12
y = 0,8283x + 0,0343
График 2. Коэффициент передачи делителя; таблица Exel
Второе положение движка потенциометра R22:
Таблица №4
Vвх, в
Vвых, в
1.547
1.957
3.947
5.940
7.928
9.922
11.914
3.120
4.696
6.268
7.844
9.420
K=Vвых/Vвх
1.265
1.265
1.265
1.265
1.265
1.265
Коэффициент передачи делителя К=1.265
11
7
6
Uвых
5
4
3
2
1
0
0
2
4
6
8
Uвх
10
12
14
y = 0,5219x - 0,0073
График 3. Коэффициент передачи делителя; таблица Exel
По графикам можно выявить различия Uвх и К. При изменении движка
потенциометра коэффициент меняется (при увеличении Vвх К уменьшается,
а Vвых остаются неизменными)
4.7 Проверка последовательной RC-цепи с помощью функционального
генератора и осциллографа.
Рис. 14. Схема исследования последовательной CR-цепи
1
Частота среза CR-цепи: fcp 
= 1547
6.28  R  C
12
Рис. 15. Функциональный генератор с выставленной частотой; выходные сигналы
RC-цепи
На графике заметен фазовый сдвиг сигнала А к сигналу В. Это происходит
из-за того, что на конденсаторе происходит накопление заряда, что и
провоцирует сдвиг фазы. При этом падает напряжение на сопротивлении и
уменьшается амплитуда напряжения. Вследствие этих факторов график
построен верно.
Разность фаз на каналах А и В между входными сигналами:
С1  РchА  sin(  t ),
C 2  PchB   sin(  t   )
 32,9
Коэффициент передачи К=1.50. Получен допустимый сдвиг фаз.
Частота ниже нормы:
13
Рис.16. Выставленная частота ниже нормы; выходные сигналы RC-цепи
Для канала А пиковая амплитуда и среднее квадратное значение напряжения
возросли.
Для канала В пиковая амплитуда и RMS уменьшились.
Сдвиг фаз Δ =50.5° увеличился.
Коэффициент передачи К=1.50 не изменился.
Частота выше нормы:
Рис. 17. Выставленная частота выше нормы; выходные сигналы RC-цепи
Для канала А пиковая амплитуда и среднее квадратное значение напряжения
уменьшились.
Для канала В пиковая амплитуда и RMS возросли.
14
Сдвиг фаз Δ =30.3° уменьшился.
Коэффициент передачи К=1.50 не изменился.
При изменении частоты генератора все параметры меняются, за
исключением коэффициента передачи, который остаётся неизменным.
4.8 АЧХ/ФЧХ RC-цепи
Рис. 18. Графики АЧХ (сверху) и ФЧХ (снизу)
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) или амплитудный отклик – это
зависимость коэффициента усиления схемы, выраженного в децибелах, от
десятичного логарифма частоты.
Фазово-частотная характеристика (ФЧХ) или фазовый отклик – это
зависимость разности фаз между входными и выходными сигналами от
десятичного логарифма частоты.
С увеличением частоты увеличиваются амплитудные значения RC-цепи, а
сдвиг фазы уменьшается. Получено графическое доказание теоретического
содержания п. 4.7.
15
Данная RC схема является фильтром высших частот, т.е. передает без
изменений сигналы высоких частот, а на низких частотах обеспечивает
затухание сигналов и опережение их по фазе относительно входных
сигналов.
4.9 Визуализация переходной характеристики RC-цепи
Рис. 19. Осциллограмма; этапы зарядки и разрядки простейшей RC-цепи
Переходная характеристика – зависимость Uвых от времени при
скачкообразном изменении Uвх.
В общем случае в электрической цепи переходные процессы могут
возникать, если в цепи имеются индуктивные и емкостные элементы,
обладающие способностью накапливать или отдавать энергию магнитного
или электрического поля. В момент коммутации, когда начинается
переходный процесс, происходит перераспределение энергии между
индуктивными, емкостными элементами цепи и внешними источниками
энергии, подключенными к цепи. При этом часть энергии безвозвратно
16
преобразуется в другие виды энергий (например, в тепловую на активном
сопротивлении).
После окончания переходного процесса устанавливается новый
установившийся режим, который определяется только внешними
источниками энергии. При отключении внешних источников энергии
переходный процесс может возникать за счет энергии электромагнитного
поля, накопленной до начала переходного режима в индуктивных и
емкостных элементах цепи.
Найдём закон изменения напряжения на конденсаторе при его зарядке.
Запишем искомое решение в виде двух составляющих, принуждённой и
свободной:
uC (t )  uсв (t )  uпр  Ae pt  uпр
После коммутации при установившемся режиме не будет тока и конденсатор
будет заряжен до величины
u ()  uпр  E
и
uC (t )  uсв (t )  uпр  Ae pt  Е
Корень характеристического уравнения находим через входное
сопротивление в схеме после коммутации:
Z ( p) 
1
1
1
R
R0 p
jC
pC
RC
Находим константу интегрирования А из начальных условий:
uC (0)  A  Е  0  A   E
Записываем окончательный результат:
17
uC (t )  uсв (t )  uпр   Ee

1
t
RC
1

t 

 E  E 1  e RC 


Изменение напряжение на конденсаторе имеет вид:
Рис. 16. Зависимость напряжения на конденсаторе от времени при заряде
конденсатора
По второму закону Кирхгофа E = U c +U R , следовательно, изменение
напряжения на резисторе имеет вид:
Рис. 17. Зависимость напряжения на резисторе от времени
Таким образом, зависимость, полученная экспериментальным путем
совпадает с теоретически рассчитанной.
18
К аналогичному выводу можно прийти, осуществив анализ разрядки
конденсатора.
ВЫВОД:
В данной работе были приобретены первоначальные навыки выполнения
лабораторных работ по аналоговой электронике в программно-аппаратной
среде NI ELVIS.
Экспериментальные данные и построенные графики находятся в допустимых
нормах (средняя погрешность менее 7%), рассчитанных теоретически.
19