Лабораторные. Лабораторные работы. Лабораторная работа 1 Система моделирования Electronics Workbench Структура окна и система меню
 Скачать 1.65 Mb.
|
|
4. Измеритель АЧХ и ФЧХ (Bode Plotter) Лицевая панель измерителя АЧХ-ФЧХ показана на рис. 4.1. Измеритель предназначен для анализа амплитудно-частотных (при нажатой кнопке MAGNITURE, включена по умолчанию) и фазо-частотных (при нажатой кнопке PHASE) характеристик при логарифмической (кнопка LOG, включена по умолчанию) или линейной (кнопка LIN) шкале по осям Y (VERTICAL) и X (HORIZONTAL). Настройка измерителя заключается в выборе пределов измерения коэффициента передачи и вариации частоты с помощью кнопок в окошках F - максимальное и I - минимальное значение. Значение частоты и соответствующее ей значение коэффициента передачи или фазы индицируются в окошках в правом нижнем углу измерителя. Значения указанных величин в отдельных точках АЧХ или ФЧХ можно получить с помощью вертикальной визирной линейки, находящейся в исходном состоянии в начале координат и перемещаемой по графику мышью или кнопками . Результаты измерения можно записать также в текстовый файл. Для этого необходимо нажать кнопку SAVE и в диалоговом окне указать имя файла (по умолчанию предлагается имя схемного файла). В полученном таким образом текстовом файле с расширением .bod АЧХ и ФЧХ представляются в табличном виде. Рисунок 4.1 - Лицевая панель измерителя АЧХ и ФЧХ 47 Подключение прибора к исследуемой схеме осуществляется с помощью зажимов IN (вход) и OUT (выход). Левые клеммы зажимов подключаются соответственно ко входу и выходу исследуемого устройства, а правые – к общей шине. Ко входу устройства необходимо подключить функциональный генератор или другой источник переменного напряжения, при этом каких-либо настроек в этих устройствах не требуется. 5. Генератор слова (Word Generetor) Внешний вид генератора слова в развернутом виде показан на рис. 5.1,a. Генератор (его называют еще кодовым генератором) предназначен для генерации 16-ти двоичных слов. Кодовые комбинации необходимо задавать в шестнадцатеричном коде. Каждая кодовая комбинация заносится с помощью клавиатуры, номер редактируемой ячейки фиксируется в окошке ЕDIТ блока ADRESS. Всего таких ячеек и, следовательно, комбинаций - 2048. В процессе работы генератора в отсеке ADRESS индицируется номер текущей ячейки (CURRENT), ячейки инициализации или начала работы (INITIAL) и конечной ячейки (FINAL). Выдаваемые на 16 выходов (в нижней части генератора) кодовые комбинации индицируются в текстовом (ASCII) и двоичном коде (BINARY). Запуск генератора осуществляется в пошаговом режиме (при нажатии кнопки SТЕР), циклическом режиме (при нажатии кнопки СYСLЕ) или с выбранного слова до конца (при нажатии клавиши ВURSТ) при заданной частоте посылок (установка - нажатиями кнопок в окнах FREQUENCY), при запуске по переднему или заднему фронту, используя кнопки Внешний запуск генератора (нажата кнопка External) осуществляется по готовности данных (клемма DATA READY). Сигнал с этого выхода сопровождает каждую выдаваемую на выход кодовую комбинацию и используется в том случае, когда исследуемое устройство обладает 48 свойством квитирования (подтверждения). В этом случае после получения очередной кодовой комбинации и сопровождающего его сигнала DATA READY исследуемое устройство должно выдать сигнал подтверждения получения данных, который подается на вход синхронизации генератора (клемма в блоке Trigger) и производит очередной запуск генератора. Рисунок 5.1 – Лицевая панель генератора слова (а); окно его предустановок (б) Кнопка BREAK POINT - прерывание работы генератора в указанной ячейке. При этом требуемая ячейка выбирается на дисплее генератора курсором, а затем нажимается кнопка BREAK POINT. После нажатия кнопки PATTERN вызывается меню (рис. 5.1, б), в котором обозначено: Clear buffer - стереть содержимое всех ячеек (содержимое буфера экрана); Open - загрузить кодовые комбинации (из файла с расширением .dp); Save - записать все набранные на экране комбинации в файл; Up counter - заполнить буфер экрана кодовыми комбинациями, начиная с 0 в нулевой ячейке и далее с прибавлением 1 в каждой последующей ячейке; Down counter - заполнить буфер экрана кодовыми комбинациями, начиная с FFFF в нулевой ячейке и далее с уменьшением на 1 в каждой последующей ячейке; Shift right - заполнить каждые четыре ячейки комбинациями 1-2-4-8 со смещением их в следующих ячейках вправо; 49 Shift left - то же самое, но со смещением влево. 6. Логический анализатор (Logic Аnalyzer) Внешний вид логического анализатора показан на рис.6.1, а. Анализатор предназначен для отображения на экране монитора 16-разрядных кодовых последовательностей. Анализатор снабжен двумя визирными линейками, что позволяет получать точные отсчеты временных интервалов Т1, Т2, Т2-Т1, а также линейкой прокрутки по горизонтали, что позволяет анализировать процессы на большом временном интервале. В блоке Clock имеются клеммы для подключения как обычного (Extend), так и избирательного (Qualifier) источника запускающих сигналов, параметры которых могут быть установлены с помощью меню, вызываемого кнопкой Set. Запуск генератора можно производить по переднему (Positive) или заднему (Negative) фронту запускающего сигнала с использованием внешнего (External) или внутреннего (Internal) источника. В окне Clock qualifier можно установить значение логического сигнала (0, 1 или Х), при котором производится запуск анализатора. Дополнительные условия запуска анализатора могут быть выбраны с помощью диалогового окна (Рис. 6.2, а), которое вызывается кнопкой Set в блоке Trigger. С помощью этого окна в каналах А, В и С можно задать нужные двоичные 16 – разрядные комбинации сигналов и затем в строке Trigger combinations установить дополнительные условия отбора, которые показаны на Рис. 6.2, б: А OR В – запуск анализатора от канала А или В; А THEN В – запуск анализатора от канала А, если сигнал в канале В равен 1; (А OR В) THEN С – запуск анализатора от канала А или В, если сигнал в канале С равен 1. В окне Trigger qualifier можно задать логические сигналы 1, 0 или Х, при наличии которых производится запуск анализатора. 50 Рисунок 6.1 - Лицевая панель логического анализатора Рисунок 6.2 – Окно установки дополнительных параметров запуска (а), условий отбора (б) 7. Логический преобразователь (Logic Converter) Внешний вид логического преобразователя представлен на рис. 7.1. Рисунок 7.1 – Лицевая панель логического преобразователя. 51 На лицевой панели преобразователя показаны клеммы-индикаторы входов А,В,..., Н и одного выхода OUT, экран для отображения таблицы истинности исследуемой схемы, экран-строка для отображения ее булева выражения (в нижней части). В правой части панели расположены кнопки управления процессом преобразования (CONVERSIONS). Возможные варианты использования преобразователя: 1. Логический анализатор n–входового устройства с одним выходом (входы исследуемого устройства подключаются к клеммам А… Н, а выход – к клемме OUT). В этом случае, используя кнопки управления, получим: 1.1. - таблицу истинности исследуемого устройства; 1.2. - булево выражение, реализуемое устройством; 1.3. - минимизированное выражение; 1.4. - схему устройства на логических элементах без ограничения их типа; 1.5. - схему устройства только на логических элементах И- НЕ. 2. Синтез логического устройства по таблице истинности. 2.1. Щелчком мыши по входным клеммам А, В,…, Н, начиная с клеммы А, активизируем мышью требуемое число входов анализатора, в результате чего на экране анализатора получим начальную таблицу истинности, в которой будут представлены все возможные комбинации входных сигналов и соответствующие им значения логических сигналов (0 или 1) в столбце OUT. 2.2. Отредактируем полученную таблицу в соответствии с заданием путем записи 0, 1 или X в столбце OUT в строках, которые по комбинациям входных сигналов соответствуют заданным. 3. Синтез логического устройства по булеву выражению. 52 3.1. Булево выражение заносится в экран-строку, предварительно активизируя там мышью курсор. Используются символы А...Н, при инверсии – А’...Н’. 3.2. Нажимая кнопку , получаем таблицу истинности. Далее выполняем команды п. 1, начиная с п. 1.3. Задание 5. Изучить теоретические сведения. 6. Сделать подробный конспект теоретической части. 7. Ответить на контрольные вопросы (письменно). Контрольные вопросы и задания 1. Каким образом включаются в цепь амперметр и вольтметр? 2. Почему для мультиметра регламентируется величина тока в режиме омметра? 3. Что такое децибел и чье имя носит эта единица измерения? 4. Какому значению соответствует задаваемое на лицевой панели функционального генератора выходное напряжение - амплитуде сигнала или его эффективному значению? Ответ проверьте измерением выходного напряжения осциллографом. 5. Каким образом в функциональном генераторе можно получить однополярный сигнал? 6. Чему будет равно напряжение между клеммами "+" и "-" функционального генератора при установке на его лицевой панели напряжения 10 В? 7. Обычно вольтметры измеряют эффективное значение напряжения. Измерьте выходное напряжение функционального генератора с помощью мультиметра и сравните полученные результаты с осциллографическими измерениями. 53 8. Из сравнения результатов измерения эффективного значения и амплитуды напряжения на выходе функционального генератора установите соотношения между этими величинами для синусоидального, треугольного и прямоугольного сигналов (коэффициент заполнения выберите равным 50%). 9. Установите предел регулировки чувствительности осциллографа по вертикали, а также диапазон разверток. 10. Каким образом с помощью осциллографа можно получить значения амплитуды сигнала и его частоты? 11. Каким образом можно получить разноцветные осциллограммы сигналов на экране осциллографа и как их разнести по вертикали для удобства наблюдения? 12. Какими двумя способами можно получить точные значения коэффициента усиления и фазового сдвига на данной частоте с помощью измерителя АЧХ и ФЧХ? Лабораторная № 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ Цель работы – изучить принцип действия и характеристики полупроводниковых диодов. Ознакомиться с методикой снятия вольамперных характеристик. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ 1. Принцип действия полупроводникового диода Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом, имеющий два ввода. В диодах p-n-переход 54 образуется двумя полупроводниками с различными типами проводимости. На границе двух полупроводников (рис. 1) за счет явления диффузии электроны из n-области перемещаются в p-область. В полупроводнике в граничном слое остаются положительно заряженные ионы. Возникает пространственный заряд с напряженностью поля Езс. Электрическое поле направлено от n-области к р-области. Это электрическое поле препятствует дальнейшему движению электронов в область р через переход. Сквозь запирающий слой могут двигаться только неосновные носители. n Езс p Рисунок 1. Возникновение запирающего слоя в p-n-переходе Внешнее напряжение U, приложенное к переходу, в зависимости от полярности будет усиливать или ослаблять действие поля запирающего слоя Езс. Если «+» приложен к n-области, а «-» к р-области (т.е. подключено обратное напряжение), то электрическое поле, создаваемое внешним источником питания, Еобр. будет суммироваться с полем Езс запирающего слоя. При этом величина запирающего слоя возрастет, и еще меньшее количество основных носителей может преодолеть действие этого поля и перейти в соседнюю область (рис. 2). 55 Рисунок 2 – p-n-переход включен в обратном направлении Через переход проходит небольшой обратный ток Iобр, обусловленный движением неосновных носителей. Если внешнее напряжение приложить в прямом направлении, то внешнее электрическое поле (Епр) будет направлено навстречу полю запирающего слоя (рис. 3.) Рисунок 3- p-n-переход включен в прямом направлении. В этом случае ширина запирающего слоя начнет уменьшаться и при напряжении внешнего источника, равного 0,3..0,5 В, запирающий слой полностью исчезает. Сопротивление перехода снижается и через него проходит значительный ток. Вольтамперная характеристика диода показана на рис. 4. Для наглядности прямая и обратная ветви вольтамперной характеристики показаны в разных масштабах. При дальнейшем увеличении обратного напряжения, внешнее 56 электрическое поле в запирающем слое становится настолько сильным, что способно вырвать электроны из валентной зоны в зону проводимости (эффект Зенера). Обратный ток резко возрастает за счет появившихся носителей и, если его не ограничивать, возникает тепловой пробой p-n- перехода. Рисунок 4 – Вольтамперная характеристика выпрямительного диода Существуют кремниевые диоды - стабилитроны, у которых электрический пробой может наступить и при малых напряжениях (0,7..14В). Эти диоды могут нормально работать на участке электрического пробоя р-п- перехода. Как видно из рис. 5, напряжение Uст мало изменяется при значительных изменениях тока через стабилитрон Iст. Это явление широко используется в устройствах, носящих название стабилизаторов напряжения. 57 Рисунок 5 – Вольамперная характеристика стабилитрона На рис. 6 приведена принципиальная схема простейшего стабилизатора напряжения с использованием стабилитрона. Рисунок 6 – Схема параметрического стабилизатора напряжения Предположим, что входное напряжение Uвх, соответствующее току 12 мА (см. рис. 6), увеличилось. При этом возрастает ток Iвх и ток Iст. Но на нагрузке Rн напряжение Uн и ток Iн практически не изменяется. При этом приращение напряжения вх U падает на балластном сопротивлении Rб: б вх вх R I U 58 Величина балластного сопротивления определяется из уравнения состояния электрической цепи: Н СТ Н ВХ б I I U U R Для большинства стабилитронов токи стабилизации лежат в пределах от 3 до 30 мА. Поэтому обычно средний ток через стабилитрон с учетом возможного изменения напряжения на входе выбирается порядка 12.. 15 мА. 2. Порядок выполнения работы 2.1. Построение вольтамперной характеристики диода в прямом включении. Перечень приборов а) Источник постоянного напряжения 3,5 В; б) Потенциометр на 100 Ом; в) Выпрямительный диод 1N4001; г) Амперметр; д) Вольтметр Собрать схему, показанную на Рис. 7. Изменяя сопротивление потенциометра от 0 до 95%, фиксировать показания амперметра и вольтметра. Полученные результаты занести в таблицу «Результаты измерений прямой ветви вольтамперной характеристики диода» 59 Рисунок 7 - Схема для получения вольтамперной характеристики диода при прямом включении Таблица 1 Результаты измерений прямой ветви вольтамперной характеристики диода I U I U I U 0 35 70 5 40 75 10 45 80 15 50 85 20 55 90 25 60 95 30 65 По полученным результатам нарисовать прямую ветвь ВАХ выпрямительного диода 2.2. Автоматизация процесса получения прямой ветви ВАХ выпрямительного диода – исследование ВАХ при помощи схемы характериографа. Перечень приборов а) Осциллограф; б) Функциональный генератор; в) Выпрямительный диод 1N4001; г) Сопротивление нагрузки 100 Ом; 60 Собрать схему Рис. 8. Настроить генератор и осциллограф, как показано на Рис. 8. Обратите внимание, что формирование ВАХ осуществляется в режиме развертки В/А осциллографа, при этом используются сигналы генератора и с нагрузки диода. Рисунок 8 - Схема характериографа для получения на нем ВАХ диода при прямом включении. 2.3. Построение вольтамперной характеристики диода в обратном включении. Перечень приборов а) Источник постоянного напряжения; б) Выпрямительный диод 1N4001; г) Амперметр; 61 д) Вольтметр Собрать схему, показанную на Рис. 9. Задавать напряжение источника напряжения от 0 В до 50 В в соответствии с таблицей 2. Данные, полученные в результате эксперимента, внести в таблицу 2 «Результаты измерения обратной ветви вольтамперной характеристики диода». Рисунок 9 - Схема для получения вольтамперной характеристики диода при обратном включении Таблица 2 Результаты измерения обратной ветви вольтамперной характеристики диода Uобр, В 0 10 20 30 40 49 49,5 49,6 49,7 49,8 49,9 49,95 Iобр. мкА По полученным результатам построить ВАХ обратной ветви выпрямительного диода. Самостоятельно получите обратную ветвь ВАХ при помощи схемы характериографа. 2.4. Построение вольтамперной характеристики стабилитрона. Перечень приборов а) Источник постоянного напряжения; б) Стабилитрон 1N4733; г) Амперметр; 62 д) Вольтметр Собрать схему, показанную на рисунке 10. Изменяя входное напряжение, фиксировать показания амперметра и второго вольтметра. Результаты измерений занести в таблицу 3 «Результаты измерения вольтамперной характеристики стабилитрона». Рисунок 10 - Схема для получения вольтамперной характеристики стабилитрона Таблица 3 Результаты измерения вольтамперной характеристики стабилитрона Uвх 0 2 4 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Uвых Iвых По результатам Таблицы 3 построить обратную ветвь ВАХ стабилитрона. 2.5. Задание по лабораторной работе: 1. Написать конспект кратких теоретических сведений о полупроводниковых диодах и стабилитронах. 2. По ходу выполнения лабораторной работы зарисовать все исследуемые схемы, таблицы измерений и вольтамперные характеристики. 3. Письменно ответить на контрольные вопросы. |