- •А. И. Тихонов, с. В. Бирюков, а. В. Бубнов информационно-измерительные и электронные приборы и устройства
- •Оглавление
- •I. Электронные приборы и устройства 8
- •II. Информационно-измерительные приборы и устройства 121
- •III. Индивидуальные задания 215
- •Введение
- •I. Электронные приборы и устройства
- •1. Лабораторные работы по электронике на стендах
- •1.1.1. Принцип работы схемы
- •1.2. Дифференцирующие цепи
- •1.2.1. Принцип работы схемы
- •2. Задания при подготовке к работе и ее выполнении
- •3. Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2 исследование вольт-амперных характеристик полупроводниковых диодов и простейших выпрямительных схем на их основе
- •1. Теоретические сведения
- •1.1. Вольт-амперная характеристика
- •1.2. Однополупериодный выпрямитель
- •1.3. Двухполупериодный мостовой выпрямитель (схема Греца)
- •2. Задания при подготовке к работе и ее выполнении
- •3. Порядок выполнения лабораторной работы
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 3 исследование основных параметров и характеристик широкополосного усилителя на биполярном транзисторе
- •1. Задание к работе
- •2. Описание работы
- •3. Порядок проведения работы
- •3.1. Измерение коэффициента усиления
- •3.2. Измерение входного сопротивления Rвх усилителя
- •3.3. Измерение выходного сопротивления Rвых усилителя
- •3.4. Амплитудно-частотная характеристика (ачх)
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
- •1.2. Электронный усилитель и его основные нелинейные параметры
- •1.3. Двухсигнальный метод измерения коэффициентов интермодуляционных составляющих сигнала
- •2. Задания при подготовке к работе и ее выполнении
- •3. Методика выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •1.2. Инвертирующий усилитель на основе операционного усилителя
- •2. Задания при подготовке к работе и ее выполнении
- •3. Порядок выполнения работы
- •4. Методика выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •1.2. Теоретические основы анализа явления блокирования
- •1.3. Определение параметров нелинейности эу на основе измерения коэффициентов интермодуляции и блокирования
- •2. Задания при подготовке к работе и ее выполнении
- •3. Методика выполнения работы
- •Контрольные вопросы к защите лабораторной работы
- •2. Лабораторные работы по электронике на эвм
- •Компьютерная лабораторная работа № 1 исследование интегрирующих и дифференцирующих четырехполюсников
- •1. Теоретические сведения
- •2. Домашнее задание
- •3. Экспериментальная часть
- •3.1. Задание
- •3.2. Порядок выполнения эксперимента
- •1. Домашнее задание
- •2. Экспериментальная часть
- •3.1. Задание
- •3.2. Порядок выполнения эксперимента
- •4. Содержание отчета
- •Вопросы к защите
- •Компьютерная лабораторная работа № 3 исследование основных параметров и характеристик электронного усилителя на биполярном транзисторе
- •1. Теоретические сведения
- •2. Домашнее задание
- •3. Экспериментальная часть
- •3.1. Задание
- •3.2. Порядок выполнения эксперимента
- •4. Содержание отчета
- •Вопросы к защите
- •Компьютерная лабораторная работа № 4 исследование основных параметров и характеристик электронного усилителя на полевом транзисторе
- •1. Теоретические сведения
- •2. Домашнее задание
- •3. Экспериментальная часть
- •3.1. Задание
- •3.2. Порядок выполнения эксперимента
- •4. Содержание отчета
- •Вопросы к защите
- •Компьютерная лабораторная работа № 5 исследование инвертирующего усилителя
- •1. Теоретические сведения
- •2. Домашнее задание
- •3. Экспериментальная часть
- •3.1. Задание
- •3.2. Порядок выполнения эксперимента
- •4. Содержание отчета
- •Вопросы к защите
- •Компьютерная лабораторная работа № 6 исследование мультивибратора
- •1. Теоретические сведения
- •2. Домашнее задание
- •3. Экспериментальная часть
- •3.1. Задание
- •3.2. Порядок выполнения эксперимента
- •4. Содержание отчета
- •2. Теоретические сведения
- •2.1. Метод амперметра и вольтметра
- •3. Порядок проведения работы
- •3.1. Измерение сопротивлений методом амперметра и вольтметра
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список к работе
- •Лабораторная работа № 2 исследование простейших измерительных преобразователей тока и напряжения для расширения пределов измерения приборов
- •1. Задания при подготовке к работе и ее выполнении
- •2. Теоретические сведения
- •2.1. Шунты
- •2.2. Добавочные сопротивления
- •2.3. Измерительные трансформаторы переменного тока и напряжения
- •3. Порядок проведения работы
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список к работе
- •Лабораторная работа № 3 измерение электрических величин r, c, l с помощью мостовых схем
- •1. Задания при подготовке к работе и ее выполнении
- •2. Теоретические сведения
- •2.1. Основное условие баланса мостовой схемы и его применение для точного измерения сопротивлений резисторов
- •2.2. Измерение емкости конденсаторов
- •2.3. Измерение индуктивностей катушек
- •3. Порядок проведения работы
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список к работе
- •Лабораторная работа № 4 электронный счетчик электрической энергии
- •1. Задания при подготовке к работе и ее выполнении
- •2. Теоретические сведения и описание лабораторного стенда
- •2.1. Лабораторная установка
- •2.2. Функциональная схема электронного счетчика энергии
- •2.2.1. Импульсно-перемножающее устройство (ипу)
- •2.3. Принцип перемножения с помощью шим – аим
- •2.4. Импульсный интегратор (ии)
- •2.5. Соотношения, используемые при расчете
- •3. Порядок проведения работы
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список к работе
- •Лабораторная работа № 5 измерение параметров сигнала с помощью электронных приборов – осциллографа и частотомера
- •1. Задания при подготовке к работе и ее выполнении
- •2. Теоретические сведения и описание работы
- •2.1. Электронно-лучевой осциллограф
- •2.1.1. Электронно-лучевая трубка
- •2.1.2. Функциональная схема электронного осциллографа и его принцип действия
- •2.1.3. Применение электронного осциллографа для измерений
- •2.2. Цифровой частотомер
- •3. Порядок проведения работы
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список к работе
- •2. Лабораторные работы по информационно-измерительной технике на эвм
- •Компьютерная лабораторная работа № 1 измерение сопротивлений резисторов приборами непосредственной оценки и определение погрешностей, вносимых приборами
- •1. Задания при подготовке к работе и ее выполнении
- •2. Алгоритм работы программы для выполнения лабораторной работы
- •Приложение к работе
- •Компьютерная лабораторная работа № 2 исследование простейших измерительных преобразователей тока и напряжения для расширения пределов измерения приборов
- •1. Задания при подготовке к работе и ее выполнении
- •2. Алгоритм компьютерной программы для выполнения лабораторной работы
- •Компьютерная лабораторная работа № 3 измерение электрических величин r, c, l с помощью мостовых схем
- •1. Задания при подготовке к работе и ее выполнении
- •2. Алгоритм компьютерной программы для выполнения лабораторной работы
- •Лабораторная работа № 3 «измерение электрических величин r, c, l с помощью мостовых схем»
- •Библиографический список к работе
- •Компьютерная лабораторная работа № 4 электронный счетчик электрической энергии
- •1. Задания при подготовке к работе и ее выполнении
- •2. Алгоритм компьютерной программы для выполнения лабораторной работы
- •Лабораторная работа № 4 «электронный счетчик электрической энергии»
- •1. Нажмите кнопку «Теория» и ознакомьтесь с методичкой.
- •2. Для начала лабораторной работы нажмите «Испытания».
- •Библиографический список к работе
- •Компьютерная лабораторная работа № 5 измерение основных параметров и характеристик широкополосного усилителя
- •1. Задания при подготовке к работе и ее выполнении
- •2. Алгоритм компьютерной программы для выполнения лабораторной работы
- •2.1. Технические параметры исследуемого усилителя
- •2.2. Порядок выполнения лабораторной работы
- •Библиографический список к работе
- •Компьютерная лабораторная работа № 6 исследование блокирования усилительного каскада аппаратуры высокочастотной связи по линиям электропередачи
- •1. Задания при подготовке к работе и ее выполнении
- •2. Краткие теоретические сведения о лабораторной работе и двухсигнальном методе измерения блокирования
- •2.1. Электронный усилитель и его основные нелинейные параметры
- •2.2. Двухсигнальный метод измерения коэффициента блокирования
- •3. Алгоритм компьютерной программы для выполнения лабораторной работы
- •3.1. Последовательность в выполнении программных задач
- •3.2. Краткое описание алгоритма решения задачи
- •3.3. Алгоритм выполнения работы
- •Контрольные вопросы к защите лабораторной работы
- •Библиографический список к работе
- •III. Индивидуальные задания
- •1. Домашнее расчетно-графическое задание по основам электроники
- •1.1. Методика расчета
- •1.2. Пример расчета
- •А) Эмиттерный резистор
- •Б) Сопротивления делителя r1 и r2
- •В) Сопротивление коллекторного резистора Rк
- •Г) Блокирующая ёмкость (эмиттерный конденсатор)
- •2. Динамические параметры
- •Варианты заданий к расчету усилительного каскада на бпт 1т 313 б
- •2. Домашнее задание (курсовая работа) по дисциплинам «информационно-измерительная техника и электроника» и «измерительная техника-датчики»
- •1. Пояснение тематики заданий
- •Использование аппроксимации реальной характеристики передачи усилителя по ю. Б. Кобзареву для 11 равноотстоящих точек напряжений смещения
- •Типовое задание «Определение параметров нелинейности усилителя аппаратуры вч связи по лэп на основе аппроксимации его коэффициента усиления и выбор оптимального режима»
- •2. В зависимости от заданных условий решить одну из следующих задач.
- •Конкретный пример
- •Последовательность решения задачи
- •Типовое задание «Определение параметров нелинейности по интермодуляции и блокированию и выбор оптимального режима преобразователя частоты аппаратуры вч связи по лэп» Задание на курсовую работу
- •Основы обобщенного анализа нелинейных явлений в преобразователе частоты и получение исходных формул
- •Библиографический список
1.1.1. Принцип работы схемы
В теории электрических цепей интегрирующие и дифференцирующие свойства R-C или L-R четырехполюсников легко объясняются на основании известных соотношений для переходных процессов, имеющих место благодаря наличию в этих цепях реактивных элементов C и L.
Конденсатор (без утечки), как известно, является идеальным элементом для интегрирования входного тока i. Однако обычно ставится задача интегрирования входного напряжения u1. Для такой возможности достаточно преобразовать источник напряжения u1 в генератор тока i, сила которого пропорциональна напряжению u1. Близкий к этому результат можно достигнуть, если последовательно с конденсатором включить резистор большого сопротивления R (рис. 1), при котором ток
(2)
почти не зависит от напряжения .
Рис. 2. Интегрирующая R-C цепь
При этих условиях напряжение на конденсаторе пренебрежимо мало по сравнению с напряжением на резисторе, следовательно, ток в цепи пропорционален входному напряжению:
. (3)
С другой стороны, этот ток, протекающий через конденсатор, определяется известным соотношением [4]:
. (4)
Следовательно, выражение (1) для выходного напряжения с учетом (3) и (4) будет соответствовать условию интегрирования и запишется
(5)
где – постоянная времени (переходного процесса на конденсаторе).
Несложный анализ показывает, что условие интегрирования выполняется тем лучше, чем больше постоянная времени RC, хотя при этом уменьшается полезный эффект (напряжение u2) на выходе цепи.
Действительно, согласно 2-му закону Кирхгофа для этой цепи
. (6)
При условии имеем
. (7)
Если же
(8)
то приходим к выражению (5), т.е.
или . (9)
Таким образом, при малых схема «приближается» к условию (7) крайне «медленных сигналов», т.е. практически не интегрирует; напротив, при больших схема соответствует условию (8) «быстрых сигналов», т.е. условию качественного интегрирования [5].
Из вышеуказанного следует, что при выполнении условия (8), при котором
(10)
достигается достаточная точность интегрирования, поэтому для качественного интегрирования импульсных сигналов длительность выходного импульса должна быть
. (11)
Для синусоидальных воздействий условием интегрирования согласно (10) является соотношение:
(12)
где – циклическая частота, а – текущая частота синусоидального напряжения, Гц.
Коэффициент передачи интегрирующей R-C цепи определяется формулой [5]
(13)
и при условии (12) имеет вид:
, (14)
где – коэффициент передачи идеального четырехполюсника.
О качестве интегрирования схемой прямоугольного импульса длительностью можно судить, исходя из графиков для различных соотношений между длительностью импульса и постоянной времени цепи (рис. 3), где Е = U1 = Uвх.
Рис. 3. Форма импульсов на выходе R-C ИЦ при различных значениях постоянной τ
Как показано на рис. 3, с уменьшением реакция цепи в виде напряжения на конденсаторе все больше приближается по форме к входному импульсу, и в дальнейшем цепь становится «переходной», т.е. прекращает интегрирование и пропускает импульс практически без искажений [4].
Реакцию цепи на синусоидальное воздействие наглядно отображает амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) (рис. 4), т.е. зависимость коэффициента передачи от частоты .
Рис. 4. Амплитудно-частотная характеристика интегрирующей R-C цепи
Из рис. 4 видно, что при низких частотах схема не интегрирует, удовлетворительное интегрирование начинается от частоты ω мин = 1/ RC:
. (15)
В дальнейшем с ее повышением качество интегрирования ухудшается, т.е. для качественного интегрирования входная функция не должна содержать низких частот и постоянной составляющей [5].
Из рассмотрения АЧХ (рис. 4) также можно сделать вывод, что данная R-C цепь может выполнять функцию фильтра нижних частот (ФНЧ) с верхней граничной частотой полосы пропускания :
(16)
т.е. от значения частоты начинается полоса непропускания ФНЧ, выше которой коэффициент передачи уменьшается по модулю в раз.
Приближенная длительность выходного импульса при подаче на вход прямоугольного импульса с длительностью определяется соотношением [3]:
, (17)
т.е. интегрирование всегда сопровождается расширением длительности импульса, поэтому в инженерной практике интегрирующую цепь называют расширяющей.
Величина добавки 3RC в формуле (17) определяется тем, что при исчезновении импульса конденсатор разряжается (за счет энергии, накопленной за время длительности импульса) практически за время [3].
Конечная форма выходного напряжения R-C интегрирующей цепи (рис. 5), как указано выше, определена переходным процессом, который может быть представлен воздействием прямоугольного импульса в виде суммы двух перепадов напряжения – положительной и отрицательной полярностей. Оба состояния характеризуются экспоненциальными переходными процессами: первое от момента до , а второе от момента до [4].
В итоге имеет место закон изменения напряжения на конденсаторе:
, (18)
где – постоянная времени переходного процесса.
Или в общем виде:
. (19)
Рис. 5. Формы напряжения на входе и выходе интегрирующей R-C цепи при воздействии прямоугольного импульса
На рис. 5 отмечена также величина длительности переходного процесса , смысл которой, как это следует из (18), состоит в изменении выходного напряжения на 63 % от исходного значения входного воздействия .
При указанных выше условиях интегрирования аналогичными свойствами обладает L-R цепь (рис. 1, г). Однако на практике отдается предпочтение R-C цепи, так как конденсаторы легче осуществить с малыми потерями, в то время как в индуктивных катушках L-R цепей отрицательное воздействие оказывает не только активное сопротивление обмотки, но и межвитковая емкость [6].
Для L-R цепи аналогично вышеизложенному имеем:
. (20)
Так как поэтому
. (21)
Выходное напряжение L-R цепи с учетом (15) и (16) имеет вид
(22)
где – постоянная времени переходного процесса L-R интегрирующей цепи.
Основное применение ИЦ – для формирования линейно-изменяющихся (пилообразных) импульсов напряжения и тока, в выпрямительных устройствах – для фильтрации переменной составляющей напряжения (сглаживающих фильтрах), в импульсных устройствах – выделения длительностей и амплитуд напряжений, в радиотехнических устройствах – в качестве звеньев фильтров нижних частот и т.д.