КупинАА

Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального
образования
«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Факультет – Автоматики и вычислительной техники
Направление – 230100 «Информатика и вычислительная техника»
Кафедра – Автоматики и Компьютерных систем
Ознакомление с работой в программно-аппаратной среде NI ELVIS.
Отчет о лабораторной работе №1
по курсу «Электроника»
Выполнил:
Студент группы 8В74
Купин Александр
Проверил:
Ким. В.Л.
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:
1. Выполнение измерения параметров различных электронных
компонентов:
1.1 С помощью DigitalMultimeter были измерены сопротивления для 3
резисторов:
R1 = 2,204 кОм, (номинал 2,2 кОм);
R3 = 19,93 кОм, (номинал 20 кОм);
R4 = 99,8 кОм, (номинал 100 кОм).
1.2 С помощью DMM были измерены емкости 2 конденсаторов:
C1= 996,670 нФ, (номинал 1.0 мкФ);
C10= 46,291 нФ, (номинал 47 нФ).
Отклонение измеренных величин от номинальных значений обусловлена
погрешностью измерений и погрешностью при производстве элементов
(элементы немного не соответствуют заявленным номиналам)
2. Получение вольт-амперных характеристик (ВАХ) двухполюсников и
четырехполюсников:
Измерения производятся с помощью анализатора ВАХ двухполюсников
(Two Wire Current Voltage Analyzers) и осуществляются по следующей схеме:
Рисунок 1. Схема эксперимента для снятия ВАХ двухполюсников.
Рисунок 2. ВАХ резистора R1.
Полученная вольтамперная характеристика подтверждает теоретические
расчеты. Линейный вид ВАХ объясняется постоянным сопротивлением и
законом Ома.
Рисунок 3-1. ВАХ VD1 - кремниевого точечного диода (прямая ветвь).
Рисунок 3-2. ВАХ VD1 - кремниевого точечного диода (обратная ветвь).
Нелинейный вид ВАХ объясняется свойством полупроводника менять свое
сопротивление при изменении напряжения на нем. Полученный график
хорошо согласуется с теоретическими данными.
Рисунок 4-1. ВАХ VD2 - диода Шоттки (прямая ветвь).
Рисунок 4-2. ВАХ VD2 - диода Шоттки (обратная ветвь).
Особенностью диода Шоттки является то, что он имеет прямое падение
напряжения порядка 0.2—0.4 вольт, в то время как обычные кремниевые
около 0,6—0,7 вольт.
Рисунок 5-1. ВАХ VD3 – кремниевого стабилитрона (прямая ветвь).
Рисунок 5-2. ВАХ VD3 – кремниевого стабилитрона (обратная ветвь).
Полученная для кремниевого стабилитрона вольтамперная характеристика
подтверждает теоретические предположения. Данная ВАХ отличается от
соответствующей для кремниевого точечного диода наличием длинного
линейного участка обратного напряжения, который является рабочим для
стабилитрона.
3. Снятие выходных ВАХ биполярного транзистора.
3WIRE
NI
ELVIS
VT1
Current LO
Рисунок 6. Схема эксперимента для снятия выходных ВАХ
транзистора в программно-аппаратной среде NI ELVIS.
Рисунок 7. Выходные ВАХ биполярного транзистора.
На рисунке показаны выходные характеристики биполярного транзистора Iк
и Uкэ при Iб = const. Ток базы Iб изменяется с 20 мкА до 50 мкА с шагом в 15
мкА. Полученный график хорошо согласуется с теоретическими данными.
4. Снятие входных ВАХ биполярного транзистора.
+5V
Current HI
Current HI
Uкэ=0
NI
ELVIS
NI
Current LO
ELVIS
Current LO
Uкэ = +5 V
GND
а
б
Рисунок 8. Схемы для снятия входных ВАХ транзистора в программноаппаратной среде NI ELVIS: а) Uкэ=0V; б) Uкэ=+5V.
Рисунок 9-1. Входные ВАХ биполярного транзистора VT1 при Uкэ=0V.
Рисунок 9-2. Входные ВАХ биполярного транзистора VT1 при Uкэ=+5V.
При увеличении Uкэ ВАХ становится более крутой и смещается вправо.
Это объясняется разными значениями Uкэ (0 В на первом рисунке и +5 В на
втором). При Uкэ = 0 транзистор работает в режиме насыщения.
5. Исследования резистивного делителя напряжения постоянного тока.
Vвх
+5V
Voltage HI
NI
Voltage LO
ELVIS
GND
DMM
R3
20 k
R4
100 k
Vвых
Рисунок 10. Схема резистивного делителя напряжения постоянного тока.
С помощью Digital Multimeter (цифрового мультиметра) были измерены
входное Uвх и выходное Uвых напряжения делителя.
Практические значения:
Uвх = 5.125В;
Uвых =4.138В.
Теоретическое значение для Uвых:
Uвых. теор. = (5В/120кОм)*100кОм = 4.166 В
Разница выходных напряжений обусловлена погрешностью измерительных
приборов.
Теоретически коэффициент передачи равен: 99.9/(99.9+19.95)=0.83
Расчетный коэффициент передачи равен: 4.223/5.124 = 0.82
Также если мы имеем переменное входное напряжение, то мы получим
изменяющееся выходное напряжение.
Погрешность вычисления коэффициента передачи укладывается в
максимальную погрешность (10%) .
Uвх, В
Uвых, В
0
0,038
Коэффициент
Передачи
0
2
1,580
0.79
4
3,193
7.798
6
4,809
0.8
8
6,421
0.801
10
8,037
0.803
12
9,652
0.804
При Uвх = 0 коэффициент передачи равен 0.
Она может быть обусловлена тем, что значения сопротивления некоторых
резисторов могут меняться в зависимости от приложенного напряжения.
Причиной этого является зависимость концентрации носителей тока и их
подвижности от напряженности электрического поля.
Используя переменное сопротивление R22, возможно управлять
коэффициентом передачи.
Uвх, В
Uвых, В
Коэффициент
передачи
5,125
5,121
1
4,410
0.86
3,888
0.76
3,422
0.667
2,715
0.53
6. Проверка последовательной RC-цепи с помощью функционального
генератора и осциллографа.
Рисунок 11. Схема исследования последовательной CR-цепи.
Из меню запуска инструментов NI ELVIS выберем функцию Function
Generator (Функциональный генератор). С помощью этой функции мы
будем подавать на осциллограф сигналы необходимой частоты.
Частота среза fср = 1/(6.28*R*C) = 1540 (Гц)
Рисунок 11. Показания осциллографа для частоты 1540 Гц
На рисунке можно наблюдать два графика. Зеленый – входное напряжение, синий –
выходное напряжение. Как видно, графики отличаются значением амплитуды и фазы.
Амплитуда выходного сигнала меньше, чем амплитуда входного. Выходной сигнал
отстает от входного. Это обусловлено наличием реактивного элемента в цепи
(конденсатора).
Отставание по фазе можно вычислить по формуле
где T – расстояние между 2 амплитудами выходного графика Δφ = 2*3.14*t/T
t – расстояние между амплитудами двух графиков.
Для fср = 1540 Гц получим
Uвх = 913 мВ
Uвых = 614 мВ
Коэффициент передачи k = 0.67
Фазовый сдвиг между сигналами А и В равен:
Δφ = 0.24π
Изменим частоту. f = 1000 Гц
Рисунок 12. Показания осциллографа для частоты 1000 Гц
Uвх = 688 мВ,
Uвых = 357 мВ
Коэффициент передачи k = 0.52
Фазовый сдвиг между сигналами А и В равен:
Δφ = 0.27π
Как видно из рисунка, при уменьшении частоты увеличивается сдвиг фазы между
графиками. Также можно установить заметное уменьшение амплитуды выходного
сигнала и коэффициента передачи.
При частоте f = 1800 Гц
Рисунок 13. Показания осциллографа для частоты 1800 Гц
Uвх = 496 мВ,
Uвых = 672 мВ
Коэффициент передачи k = 0.74
Фазовый сдвиг между сигналами А и В равен:
Δφ = 0.21π
Из полученных значений видно, что при увеличении частоты фазовый сдвиг постепенно
уменьшается, а коэффициент передачи увеличивается.
7. Амплитудно-частотные / фазово-частотные характеристики RC-цепи.
Рисунок 14. АЧХ/ФЧХ RC-цепи.
Здесь можно удостовериться, что при частоте, равной частоте среза, фиксируется разность
фаз равная 45о. Коэффициент передачи равен 0.7, что примерно совпадает со значением,
рассчитанным выше.
Вывод:
В ходе лабораторной работы получены первоначальные навыки выполнения
лабораторных работ по аналоговой электронике в программно-аппаратной среде NI
ELVIS. Были изучены различные инструменты установки, такие как:
DigitalMultiMeter для измерения различных сопротивлений и емкостей;
Two Wire Current Voltage Analyzers для снятия ВАХ двухполюсников;
Three-wire I-V Curve Tracer – трехпроводной вольтамперный анализатор;
Function Generator для генерации сигналов различной формы;
Oscilloscope для анализа электрических сигналов;
Bode Analyzer для bode – анализа электрических схем;
Были получены и проанализированы ВАХ кремниевого диода, диода Шоттки,
кремниевого стабилитрона, биполярного транзистора и других различных элементов.