Контрольно-измерительные приборы

Измерительные приборы виртуальной лаборатории

Elektronics Workbench (EWB)

Общие сведения о программе

Программа Electronics Workbench v.5 (EWB) имитирует реальное рабочее место исследователя — радиоэлектронную лабораторию, оборудованную измерительными приборами, работающими в реальном масштабе времени. С помощью программы можно создавать, моделировать и исследовать как простые, так и сложные аналоговые и цифровые радиоэлектронные устройства. Для работы программы требуется операционная система Windows 95/98/Me/NT/2000/XP.

Структура рабочего окна программы

Знакомство с программой следует начать с изучения главного рабочего окна. Для этого откройте в вашем компьютере файл с программой Elektronics Workbench. На экране монитора появится рабочее диалоговое окно программы. Как видим, программа имеет стандартный оконный интерфейс пользователя.

Рис.1.

Рис.2.

Под панелью инструментов расположена строка - панель компонентов, которая содержит 14 кнопок (в данной версии программы) (рис.3). Каждая кнопка панели компонентов представляет собой библиотеку компонентов (элементов) схем, контрольно-измерительных приборов, инструментов и т.д. В правом верхнем углу на уровне- двух последних строк находятся кнопки: О 1,предназначенная для останова и запуска процесса работы модели электрической схемы и“Раuse”. Под запуском работы модели понимается включение источников сигналов и контрольно-измерительных приборов, а кнопка“Раuse”служит для временной остановки процесса работы модели электрической схемы.

1. Sources – источники тока и напряжения;

2. Basic – основные пассивные элементы;

3. Diodes – диоды;

4. Transistors – транзисторы;

5. Analog Ics – аналоговые микросхемы;

6. Mixed Ics – микросхемы смешанного типа;

7. Digital Ics – цифровые микросхемы;

8. Logic Gates – логические цифровые микросхемы;

9. Digital - цифровые микросхемы;

10. Indicator – индикаторные устройства;

11. Control – аналоговые вычислительные устройства;

12. Miscellaeous – компаненты смешанного типа;

13. Instruments – контрольно – измерительные приборы.

Рис.4. Содержание панелей компонентов.

Общие сведения о порядке составления схем

Electronics Workbench позволяет строить аналоговые, цифровые и цифро-аналоговые схемы различной степени сложности. Прежде чем создавать чертеж принципиальной схемы средствами программы EWB, необходимо на листе бумаги подготовить ее эскиз с примерным расположением компонентов и с учетом возможности оформления отдельных фрагментов в виде подсхем.

Исследуемая схема собирается на рабочем поле при одновременном использовании мыши и клавиатуры. Применение в работе только клавиатуры невозможно. При построении и редактировании схем выполняются следующие операции: • выбор компонента из библиотеки компонентов; • соединение компонентов схемы проводниками; • установка значений компонентов; • подключение приборов; • выделение объекта; • перемещение объекта; • копирование объектов; • удаление объектов. Если схема не помещается на экране монитора, любой её участок можно просмотреть при помощи линеек прокрутки, расположенных справа и под рабочим полем. После построения схемы и подключения приборов анализ её работы начинается после нажатия выключателя в правом верхнем углу окна программы.

Индикаторные приборы программы EWB

Рис. 5. Индикаторные приборы

Вольтметры и амперметры обеспечивают отсчет измеряемой величины с точностью до третьего знака. Они не требуют настройки, автоматически изменяя диапазон измерений. В одной схеме можно применять несколько таких приборов одновременно, наблюдая токи в различных ветвях и напряжения на различных элементах. Вольтметры и амперметры используется для измерения переменного и постоянного напряжения и тока. Выделенная толстой линией сторона прямоугольника, изображающего вольтметр и амперметр, соответствует отрицательной клемме и может быть размещена на любой грани иконки при вращении изображения компоненты.

Параметры вольтметра и амперметра: вид измеряемого напряжения и величина внутреннего сопротивления, задаются в диалоговом окне, которое открывается двойным щелчком мыши на изображении вольтметра, в позиции Value. Величина внутреннего сопротивления вводится с клавиатуры в строке Resistance, а вид измеряемого напряжения (опция Mode) выбирается из списка — измерения постоянного (DC) или переменного (АС) тока. При измерении переменного синусоидального напряжения (АС) вольтметр будет показывать действующее значение напряжения U_д, определяемое по формуле: U_д=U_m/ =0.707U_m, где U_m - амплитудное значение напряжения.

По умолчанию внутреннее сопротивление вольтметра 1Мом, а амперметра —1нОм. Его значение можно изменить, однако, слишком большое может привести к математической ошибке во время моделирования работы схемы.

Источники тока

В общем случае источники тока могут быть представлены в виде генератора напряжения или генератора тока. Источники тока делятся на источники постоянного тока, переменного тока и управляемые источники. Кроме того, они подразделяются на измерительные источники и источники для электропитания, а также на источники немодулированных и модулированных сигналов.

Рис. 6. Источники тока и напряжения.

а) и б) –источники фиксированного постоянного напряжения +5 В (+15 В), которые в основном предназначен для питания схем, их внутренним сопротивлением (Resistance) устанавливается с помощью диалогового окна;

в) и г)- источники постоянного напряжения и тока, установка величин ЭДС и тока, а также их внутренних сопротивлений (Resistance) производится с помощью диалогового окна, вызываемого двойным щелчком мыши по значку источника.

Источники переменного тока в программе EWB подразделяются:

д) и е) - идеальные генераторы переменного (синусоидального) напряжения и тока. Установка действующего значения напряжения (Voltage) и тока, а также частоты (Frequency) и начальной фазы (Phase) синусоидального сигнала осуществляется с помощью диалогового окна.

ж) - идеальный генератор импульсного напряжения, является источником однополярных импульсов с задаваемыми амплитудой, частотой следования и коэффициентом заполнения (Duty Cycle, отношение длительности импульса к периоду следования — величина, обратная скважности). Установка этих параметров осуществляется с помощью диалогового окна.

Контрольно-измерительные приборы

аналоговой схемотехнике используются первые четыре, а остальные три – в цифровой.

1. Цифровой мультиметр (Multimeter)

2. Функциональный генератор (Function Generator)

3. Осциллограф двухканальный (Oscilloscope)

4. Измеритель амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик АЧХ и ФЧХ (Bode Plotter)

5. Генератор слова (Word Generator)

6. Логический анализатор - 8-канальный (Logic Analyzer)

7. Логический преобразователь (Logic Converter)

Общий порядок работы с приборами такой: иконка прибора курсором переносится на рабочее поле и подключается проводниками к исследуемой схеме. Узлы, к которым подключаются соединительные проводники схемы, выделены на значке прибора небольшими кружочками. Нажимая два раза левую кнопку мыши на изображении прибора, получим увеличенное окно измерительного прибора. В увеличенном окне настраиваются параметры прибора.

Рассмотрим некоторые из приборов подробнее.

1.5.1. Мультиметр (Multimeter)

Мультиметр предназначен для измерения напряжения и тока в цепях постоянного и переменного тока, а также сопротивления элементов электрических цепей.

На лицевой панели мультиметра (рис.8) расположен дисплей для

отображения результатов измерения, клеммы для подключения к схеме и кнопки управления:

— выбор режима измерения тока, напряжения, сопротивления и ослабления (затухания);

— выбор режима измерения переменного или постоянного тока;

— режим установки параметров мультиметра. После нажатия на эту кнопку открывается диалоговое окно, на котором обозначено:

Ammeter resistance — внутреннее сопротивление амперметра;

Voltmeter resistance — входное сопротивление вольтметра;

Ohmmeter current — ток через контролируемый объект;

Decibel standard — установка эталонного напряжения U_I при измерении ослабления или усиления в децибелах (по умолчанию U₁=1 В). При этом для коэффициента передачи используется формула: К[дБ]=20log(U₂/U₁), где U₂ — напряжение в контролируемой точке.

Отметим, что мультиметр в цепях переменного тока измеряет эффективное (действующее) значение переменного напряжения или тока.

1.5.2. Функциональный генератор (Function Generator)

Генератор это прибор, который предназначен для создания электрических сигналов, которые используются для исследования электрических цепей и электронных устройств.

—выбор формы выходного сигнала: синусоидальной ( по умолчанию), треугольной и прямоугольной;

— установка частоты выходного сигнала;

— установка коэффициента заполнения в %: для импульсных сигналов это отношение длительности импульса к периоду повторения — величина, обратная скважности, для треугольных сигналов — соотношение между длительностями переднего и заднего фронта;

— установка амплитуды выходного сигнала;

— установка смещения (постоянной составляющей) выходного сигнала. Она может иметь как положительное, так и отрицательное значение. Это позволяет получить, например, последовательность однополярных импульсов;

— выходные зажимы; клемма СОМ (общий) заземляется, а на клеммах "-" и "+" получают парафазный сигнал.

1.5.3. Осциллограф (Oscilloscope)

Осциллограф – это прибор, который предназначен для визуального контроля за формой электрических сигналов и измерения их амплитудных и временных параметров по изображению сигнала наблюдаемому на экране электронно-лучевой трубке. Осциллограф позволяет наблюдать электрический сигнал в виде напряжения между точками, к которым подключены выводы его входного двухпроводного кабеля.

Лицевая панель осциллографа показана на рис.10. Он позволяет наблюдать одновременно форму двух сигналов, поступающих на два входа осциллографа: каналы (CHANNEL) А и В. Обычно канал А подключается к входу исследуемого устройства, а канал В — к выходу.

Регулировка коэффициента чувствительности осциллографа по вертикали (масштабный множитель по оси Y) устанавливается в главных окнах каналов А и В в диапазоне от 10 мкВ/дел до 5 кВ/дел, кроме того предусмотрена возможность смещать наблюдаемый сигнал вверх или вниз (по вертикали) путем установки ненулевого напряжения в окне Y position.

Выбор режима по входу осуществляется нажатием кнопок: Режим АС предназначен для наблюдения только сигналов переменного тока (его называют режимом "закрытого входа", поскольку в этом режиме на входе усилителя включается разделительный конденсатор, не пропускающий постоянную составляющую). В режиме 0 вход замыкается на землю. В режиме DC (включен по умолчанию) можно проводить осциллографические измерения как постоянного, так и переменного тока. Этот режим режим "открытого входа", поскольку входной сигнал поступает на вход вертикального усилителя непосредственно.

С правой стороны от кнопки DC расположен входной зажим.

Режим развертки выбирается кнопкам . В режиме Y/T (включен по умолчанию): по вертикали — напряжение сигнала, по горизонтали — время; в режиме В/А: по вертикали — сигнал канала В, по горизонтали — сигнал канала А; в режиме А/В: по вертикали — сигнал канала А, по горизонтали — сигнал канала В.

В режиме развертки Y/T длительность развертки (масштабный множитель по оси Y) устанавливается в окне (TIME BASE) и может быть задана в диапазоне от 0,1 нс/дел (ns/div) до 1 с/дел (s/div) с возможностью установки смещения в тех же единицах по горизонтали, т.е. по оси Х ( в окне X position).

В режиме Y/T предусмотрен также ждущий режим (TRIGGER) с запуском развертки (EDGE) по переднему или заднему фронту запускающего сигнала (выбирается нажатием соответствующих кнопок) при регулируемом уровне (LEVEL) запуска, а также в режиме AUTO (от канала А или В), от канала А, от канала В или от внешнего источника (ЕХТ), подключаемого к зажиму в блоке управления TRIGGER. Названные режимы запуска развертки выбираются кнопками

Заземление осциллографа осуществляется с помощью клеммы GROUND в правом верхнем углу прибора.

Рис.11. Лицевая (увеличенная) панель осциллографа.

При этом в индикаторных окошках под экраном приводятся результаты измерения напряжения, временных интервалов и их приращений (между визирными линиями). Изображение можно по цвету можно инвертировать нажатием кнопки REVERSE и записать данные в файл нажатием кнопки SAVE. Возврат к исходному состоянию осциллографа — нажатием кнопки REDUCE.

1.5.4. Измеритель АЧХ и ФЧХ (Bode Plotter)

Измеритель диаграмм Боде (или плоттер Боде) предназначен для измерения амплитудно-частотных АЧХ и фазочастотных ФЧХ характеристик электрических цепей.

Лицевая панель измерителя АЧХ-ФЧХ показана рис.12.

Измеритель позволяет проводить анализ амплитудно-частотных (при нажатой кнопке Magnitude, включена по умолчанию) и фазочастотных (при нажатой кнопке Phase).

По вертикальной оси указываются параметры выходных величин: модуля или аргумента комплексного коэффициента передачи, а по горизонтальной оси значение частоты. Возможны различные масштабы по вертикальной оси (VERTICAL) - осьY и горизонтальной (HORIZONTAL) - ось Х: логарифмический (нажать кнопка LOG, она включена по умолчанию) или линейный (кнопка LIN).

Настройка измерителя заключается в выборе пределов измерения коэффициента передачи и вариации частоты с помощью кнопок в окошках F- максимальное и I- минимальное значение.

В приборе предусмотрена одна визирная линия для точного отсчета значений частоты и параметра частотной характеристики цепи. По умолчанию она совпадает с вертикальной осью, а перемещается с помощью курсора. Возможно перемещение визирной линии с помощью стрелок (← →). Установленному положению визирной линии, точное значение частоты и соответствующее ей значение коэффициента передачи или фазы, индицируется

в окошках в правом нижнем углу измерителя: в нижнем - частота, в верхнем – параметр.

Подключение прибора к исследуемой схеме осуществляется с помощью зажимов IN (вход) и OUT (выход). Входные зажимы четырехполюсника подключаются к клеммам in измерителя, а выходные — к клеммам out. Для правильного получения ФЧХ правые (от пользователя) контакты клемм подключаются к корпусу, а левые клеммы зажимов подключаются соответственно к входу и выходу исследуемого устройства. К входу исследуемой цепи необходимо подключить функциональный генератор или другой источник переменного напряжения, при этом каких-либо настроек в этих устройствах не требуется.
2. Задания на экспериментальные исследования

И методика их выполнения

Задание 1. измерение параметров сигнала генератора гармонических колебаний с помощью осциллографа и вольтметра

1.1

Рис.13

1.2. Измерить параметры гармонического сигнала с помощью осциллографа.

1.2.1. Установить на выходе генератора гармонический сигнал с амплитудой U_m=5B, частотой f=2кГц .

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

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

Рис.14.

1.2.4. Измерить осциллографом амплитуду U_m гармонического сигнала. Измерение амплитуды сводится к расчету ее по формуле (Рис. 14)

U_m = H_m^.K_y,

где H_m^.- амплитуда изображения сигнала в делениях шкалы по оси Y; K_y, - масштабный множитель по оси Y (значение переключателя В/Дел).

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

Измерение периода сводится к расчету его по формуле (Рис. 14)

T = L^.K_x,

где L – изображение периода в делениях шкалы по оси Х; K_x, - масштабный множитель по оси Х (значение переключателя Время/Дел).

Частоту сигнала рассчитать по формуле f=1/Т.

1.2.6. Измерить амплитуду и период сигнала с помощью визирных линий осциллографа и сравнить полученные значения с измеренным ранее.

Для таких измерений перейти в режим увеличенной передней панели осциллографа (нажав кнопку Expand).

1.3. измерить мультиметром (вольтметром) амплитуду гармонического сигнала.

На дисплее мультиметра отображается действующее (эффективное) значение переменного напряжения U_д.

Амплитуду сигнала рассчитать по формуле

U_m = U_д = U_д /0.707= 1.41U_д

и сравнить с измеренным ранее.

Задание 2. изменрение параметров генератора прямоугольнных импульсов

2.1 Собрать схему измерения (см. рис.13).

2.2 Установить на выходе генератора сигнал в виде последовательности прямоугольных однополярных импульсов с амплитудой U_m=6B, частотой f=2кГц и длительностью t_u=100мкс.

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

Нарисовать временную диаграмму сигнала, наблюдаемого на экране, показав единицы измерения по осям, а также амплитуду, период и длительность импульса.

2.4 Измерить с помощью осциллографа основные параметры сигнала на выходе генератора. Результаты записать в отчет.

2.5. Поставить по входу осциллограф в режим наблюдения переменного сигнала (режим АС). Зарисовать временную диаграмму, обьяснить ее характер.

задание 3. измерение с помощью двухканального осциллографа коэффициента передачи по напряжению

По определению коэффициент передачи по напряжению определяется из соотношения K_u=U_2m/U_1m , где: U_2m ,U_1m – амплитуды гармонических сигналов на выходе и входе исследуемой цепи

3.1. Собрать схему приведенную на рис.15. На выходе генератора установить гармонические колебания с амплитудой U_1m=1В и частотой f=5кГц.

3.2 На экране осциллографа получить устойчивое не искаженное изображение обоих сигналов и измерить их амплитуды U_2m ,U_1m..

3.3. По экспериментальным данным рассчитать коэффициент передачи K_u=U_2m/U_1m.

Рис.15. Схема измерения коэффициента передачи и фазового сдвига

Задание 4. измерение с помощью двухканального осциллографа фазового сдвига двух гармонических сигналов в простейших rc (rl) – цепях

4.1 Собрать схему приведенную на рис.15. На выходе генератора установить гармонические колебания с амплитудой U_1m=1В и частотой f=5кГц.

4.2 На экране осциллографа получить устойчивое не искаженное изображение обоих сигналов и измерить период сигнала T и временной сдвиг между сигналами T_φ (см. рис.16).

Рис.16.

Это можно выполнить по формуле j =₂ - ₁ =360^о (T_j/T), где T – период сигнала (рис.16 а.), а T_φ – временной сдвиг между сигналами (рис.16 б.). Временной интервал на экране осциллографа можно измерить, используя визирные линии, которые ориентируют по максимуму гармонической

функции, как показано на рис. 16а. Значительно точнее можно измерить временной сдвиг ориентируясь по пересечению сигналами уровня нуля. Визирные линии можно вызвать, включив режим Expand. Величину временного интервала можно прочесть в окне под экраном. Результаты измерений занести в отчет.

Выходной сигнал может отставать по фазе от входного сигнала и тогда он располагается справа от входного (рис.16 б.). Фазовый сдвиг в этом случае берется со знаком минус. В случае опережения выходного сигнала (он располагается слева от входного) фазовый сдвиг берется положительным.

Например, на рис.7, T=500 мс, |T_φ|=67 мс, тогда j =₂ - ₁ = –360^о (T_j/T) примерно равняется –48^o. Выходной сигнал отстает по фазе от входного на 48^о.

задание 5. исследовать зависимость мощности и напряжения на нагрузки от величины сопротивления нагрузки

На выходе генератора установить гармонический сигнал с амплитудой 1В. Изменяя сопротивление Rn диапазоне от 0 до ∞ измерять U_mn. Результаты измерений занести в таблицу 1. Рассчитать активную мощность на сопротивление нагрузки Rn (Р_н= U²_mn/Rn) и результаты занести в таблицу.

Рис. 17.

Таблица 1.

Построить графики зависимостей U_mn =F(Rn), Р_н, =F(Rn) и сделать выводы относительно условий получения на нагрузке максимальной амплитуды напряжения и максимальной активной мощности выделяемой в нагрузке.
6. Указания к отчету

Отсчет должен содержать:

6.1. Заголовок: название работы, № группы, фамилию, И.О.студента.

6.2. Блок-схемы измерительных цепей.

6.3. Временные диаграммы.

6.4. Результаты измерений и расчетов.

Вопросы для самоподготовки

1. Осциллограф и его назначение. Основные органы управления и порядок работы с прибором.

2. Генератор и его назначение. Основные органы управления и порядок работы с прибором.

3. Мультиметр и его назначение. Основные органы управления и порядок работы с прибором.

4. Измеритель АЧХ и ФЧХ и его назначение. Основные органы управления и порядок работы с прибором.

5. Амплитуда сигнала и способы ее измерения с помощью осциллографа (два способа).

6. Как измерить амплитуду гармонического напряжения с помощью мультиметра.

7. Как измерить период гармонического напряжения с помощью осциллографа.

8. Как измерить частоту гармонического напряжения с помощью осциллографа.

9. Как измерить коэффициент передачи по напряжению с помощью осциллографа.

10. Как измерить временной сдвиг двух гармонических напряжений с помощью осциллографа.

11. Как измерить фазовый сдвиг двух гармонических напряжений с помощью осциллографа.

12. Как измерить коэффициент передачи и фазовый сдвиг с помощью измерителя диаграмм Боде.

13. Как установить на выходе генератора однополярную последовательность прямоугольных импульсов с амплитудой 6В, частотой 1кГц и длительностью импульса 100мксек.

14. Как установить на выходе генератора однополярную последовательность прямоугольных импульсов с амплитудой 2В, частотой 5кГц и длительностью импульса 10мксек.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: