Федеральное агентство по образованию и науке

ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

Электроника

Методические указания к лабораторному практикуму по курсу "Общая электротехника и электроника"

для студентов всех форм обучения специальности 200800 ‑ Проектирование и технология РЭС

В двух частях

Часть 1

Екатеринбург

20011

УДК 621.38

Составители В. В. Муханов, В. И. Паутов

Научный редактор доц., канд. техн. наук. Ю. Н. Чесноков

ЭЛЕКТРОНИКА : методические указания к лабораторному практикуму по курсу "Общая электротехника и электроника" : в 2 ч. / сост. В. В. Муханов, В. И. Паутов. Екатеринбург : ГОУ ВПО УГТУ‑УПИ, 20011. Ч. 1. 24 с.

Приведены методические указания к лабораторным работам по изучению элементов и схем электронных устройств. Практикум ориентирован на использование пакета ElectronicsWorkWench.

Библиогр.: 6 назв. Рис. 17. Табл. 11. Прил. 1

Подготовлено кафедрой "Автоматика и управление в технических системах".

 ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина», 2011

Оглавление

1. Введение в Electronics Workbench Multisim V9.0.155 4

2. Характеристики и параметры диода 10

3. Статические характеристики и параметры биполярного транзистора 15

4. Режим работы транзистора по постоянному току 20

5. Предварительный усилитель с емкостными связями 24

6. Усилительный каскад с общим коллектором (эмиттерный повторитель) 28

7. Схемы включения операционного усилителя 31

Библиографический список 30

Приложение. Справочные данные диодов 22

3

1. Введение в electronics workbench multisim v9.0.155

Electronics Workbenchявляется лидером международного рынка широко используемого в мире программного обеспечения (ПО) для проектированиях схем.

Рассмотрим начальные элементы работы с пакетом ELECTRONICS WORKBENCH MULTISIM V9.0.155(далееMS9).

Вызовем пакет анализа электронных схем MS9двойным щелчком левой клавишей мыши (ЛКМ) по ярлыку. Откроется окно программы, вид которого приведен на рис.1. В лабораторном практикуме окно Design Toolbar можно закрыть (щелчок ЛКМ по крестику). Расположение всех панелей можно изменять, перетаскивая их курсором мыши.

Рис.1. Окно MS9.

При первом запуске программы необходимо выполнить некоторые настройки.

В меню Options/Global Preferencesоткройте вкладкуPathsи укажите путь для сохранения файлов схемCircuit default path(например,E:\Users\R_4411\Opit), после чего нажмите кнопкуApply. На вкладкеPartsустановите европейский стандарт отображения компонент.

В меню программы Options/Sheet Propertiesоткройте вкладкуCircuitи выберите характер изображения схемыWhite Background(белый фон чертежа схемы). На этой же вкладке пометьте отображаемые на схеме параметры:Labels(обозначение компонента);Values(значение); в прямоугольникеNet NamesпометьтеShow All(показывать все имена связей). На вкладкеWorkspaceвыберите формат листа, напримерА4и единицу измеренияCentimeters(сантиметры). Для сохранения параметров нажмите кнопкиApplyиOK.

Теперь можно приступить к сборке схемы. В качестве примера рассмотрим интегрирующую RC-цепь при воздействии гармонического напряжения.

4

Прежде всего, нужно разместить компоненты схемы на поле чертежа. В MS9 имеются библиотеки компонентов различных производителей (библиотеки реальных компонентов), а также библиотека виртуальных компонентов. Виртуальным компонентам пользователь может назначить произвольные параметры. В лабораторном практикуме будем использовать как реальные, так и виртуальные компоненты. Для получения доступа к виртуальным компонентам ним следует открыть их панель, пометив щелчком ЛКМ опцию менюView/Toolbars/Virtual(рис.2). Для доступа к реальным компонентам пометить опциюView/Toolbars/Components.

Рис.2. Активация панели виртуальных компонентов

В меню виртуальных пассивных компонентов (Basic Family)щелчком ЛКМ выберем виртуальный конденсатор и переместим его на поле чертежа (рис.3). Новый щелчок ЛКМ фиксирует положение элемента.

Рис.3. Выбор виртуального конденсатора

Двойным щелчком по изображению конденсатора откроем окно его свойств, на вкладке Valueвведем заданное значение емкости конденсатора и нажмем клавишуОК. Размерность емкости обозначается следующим образом:mF– миллифарада (1мФ=10^-3Ф),uF– микрофарада (1мкФ=10^-6Ф),nF– нанофарада (1нФ=10^‑9Ф) иpF– пикофарада (1пФ=10^-12Ф). При необходимости поворота элемента выполним щелчок правой клавишей мыши по его изображению и в контекстном меню выберем одну из опций поворота.

4

Затем аналогичным образом выберем виртуальный резистор и установим заданную величину его сопротивления.

Из меню источников (Power Source Components) выберем источник синусоидального напряжения(AC Power Source). Двойным щелчком по изображению источника откроем окно его свойств, на вкладкеValueвведем действующее значение напряжения (Voltage) и его частоту (Frequency).Остальные параметры не изменять.

Обязательным является компонент ‘общая шина’ (земля - Ground), который выбирается из менюPower Source. В этом же меню имеется компонент(Digital Ground), он используется в цифровых схемах.

Для наблюдения процессов в схеме и измерений необходим осциллограф (Oscilloscope). Его выбираем из панели приборов, эта панель обычно располагается справа.

Для измерения токов и напряжений из группы измерительных приборов выберем вольтметр(Voltmeter) и амперметр(Ammeter). В меню имеется несколько одинаковых приборов с различным расположением выводов. Для амперметра предпочтителен вариантHorizontal, для вольтметра –Vertical. Двойным щелчком по изображению приборов откройте окно свойств и на вкладкеValueустановите режим измерения переменных напряжений и токовАС. Сопротивление вольтметра рекомендуется установить равным10Мом, амперметра –0,01Ом.

Теперь выполним соединение элементов. В MS9используется безрежимный принцип работы мышью. Вид курсора зависит от его положения. Курсор изменяет свой вид в зависимости от того, на какой объект он наведен.

Чтобы начать соединение, подведите курсор к выводу элемента и, когда он примет вид креста, щелкните ЛКМ, за курсором мыши “потянется” связь. Подведите курсор ко второму из соединяемых выводов и выполняете щелчок ЛКМ - связь завершена. Если необходимы перегибы, выполняете щелчок ЛКМ в точке перегиба. При пересечении с уже имеющейся связью соединение не происходит. Если нужно выполнить соединение в точке пересечения, необходимо при пересечении выполнить щелчок ЛКМ. Для того, чтобы отказаться от проведения связи, следует нажать клавишу Escape.

Если подвести курсор к уже проведенной связи и выполнить щелчок ЛКМ, связь будет выделена, появившиеся стрелки показывают направления возможного смещения фрагмента цепи. Смещение выполняется при нажатой ЛКМ.

5

После проведения связи Multisimавтоматически присвоит ей номер в схеме. Номера увеличиваются последовательно, начиная с 1. Заземляющие провода всегда имеют номер 0. Если номера цепей не отображаются на схеме, то можно включить их отображение в менюOptions/Sheet Properties, активизировав на вкладке Circuit опцию Net Name – Show All. Номера цепей можно перемещать на поле чертежа при нажатой ЛКМ.

На рис. 4 приведена схема интегрирующей RC-цепи. В свойствах элементов (Properties) на вкладкеLabelустановите приведенные на рисунке обозначения приборов и источника переменного напряжения. Установите необходимые значения сопротивления резистора и емкости конденсатора. Определите постоянную времени цепиτ=RC. Установите напряжение источникаЕравным1В, его частоту равной частоте среза цепиf_c=1/(2πτ).

В схеме использован двулучевой осциллограф со входами А и В. Ко входу А подключаем вывод источника Е, ко входу В точку соединения резистора и емкости. При этом будем наблюдать форму входного напряжения схемы (луч А) и напряжения на емкости (луч В) относительно общей шины (”земли”). Клемму осциллографаG (Ground) необходимо соединить с “землей”.

Рекомендуется цепи 1 и Ucсделать разноцветными – изображение на экране осциллографа будет иметь цвет подключенной цепи. Для изменения цвета цепи следует выполнить щелчок правой клавишей мыши (ПКМ) по изображению цепи, в открывшемся контекстном меню выбрать опциюWire Colorи установить желаемый цвет.

Теперь следует настроить осциллограф. Для этого выполним двойной щелчок ЛКМ по изображению осциллографа. Он примет вид, показанный на рис.5.

6

Установим масштаб по оси времени. Для этого выполним щелчок ЛКМ в окне масштаба времени и значками прокрутки установим необходимую скорость луча. Если сигнал имеет частотуfи мы хотим наблюдать на экране

один период колебаний, то необходимо установить значение (T/10) мС/Дел (ms/Div). При частотеf=1кГцследует установить значение0,1мС/Дел.Так как по оси времени на экране 10 делений, то будем наблюдать отрезок1,0мС.

Затем установим масштаб по осям напряжений. Если мы будем наблюдать гармонический сигнал с действующим значением 1В (амплитуда 1,41В), то следует установить масштаб 500мВ/Дел(mV/Div). Так как по оси напряжений экран осциллографа имеет по 3 деления для положительного и отрицательного значений, то этого достаточно для наблюдения сигналов с амплитудой до 1,5В.

Осциллограф имеет два маркера (маркеры 1 и 2), они могут перемещаться курсором мыши при нажатой ЛКМ – «зацепить и тащить». В окне под экраном осциллографа отображается время (Time) и значения напряжения в точках расположения маркеров для каналовАиВ. Первый (левый) маркер на рисунке распо-

7

ложен в точке 11,001мС, напряжение каналаА(входное напряжение) равно6,867мВ, каналаВравно -631,827мВ. Второй маркер (правый) расположен в точке11,089мС, напряжение каналаА(входное напряжение) равно747,911мВ, каналаВ-4,359мВ. При практических измерениях точность 6 значащих цифр обычно не нужна и следует ограничиваться двумя–тремя. В этом случае для первого маркера запишем напряжения6,87мВи-632мВ, для второго748мВи -4,36мВ.

Третья строка содержит разности значений времени и напряжений. Перемещая маркеры можно измерить напряжения в любой точке вдоль оси времени.

Если сигнал на входе содержит постоянную составляющую, которую нужно исключить при наблюдении и измерении, то следует включить режим АС. При необходимости наблюдения переменной и постоянной составляющих каналы осциллографа включаем в режим открытого входа (DC).

Экран реального осциллографа имеет черный цвет, так же черным цветом окрашен и экран осциллографа в MS9. Но для документирования осциллограмм предпочтителен белый цвет экрана. Изменить цвет экрана можно кнопкойReverse.

При необходимости включить осциллограмму в документ следует активизировать опцию меню View/Grapher– откроется окно с изображением осциллограммы. В менюGrapher’авыбираем опцию View/Reverse Colorдля установки белого фона изображения. Щелчком ПКМ в поле графика открыть контекстное меню и выбрать опциюProperties– откроется окно настроек. На вкладкеBottom Axis(нижняя ось) установить необходимый масштаб по оси времени – примерно 1,5 периода. Для просмотра результата не закрывая окно нажать кнопку “Применить”. Затем настроит масштабы по левой (Left Axis– для канала А) и правой (Right Axis– для канала В) осям. В этом же окне можно настроить и некоторые другие параметры. Потренируйтесь перед выбором окончательного варианта.

После того, как вы настроили желаемый вид изображения, выбираете опцию Edit/Copyи копируете график в буфер обмена для последующей вставки в документ, например, в отчет по лабораторной работе (рис.6,а).

В окне Grapher’акнопкойможно включить перемещаемые маркеры и видеть параметры графиков в точках расположения маркеров (рис.6,б). При отображении значений через х1 и х2 обозначены значения времени в точках расположения маркеров для каналов А и В. Значения напряжений в соответствующих точках обозначены через у1 и у2,dxиdy– приращения соответствующих величин.. Также в окнеGrapher’априводятся некоторые другие значения полезные при анализе осциллограмм.

8

а) б)

Рис. 6. Окно Grapher’а

На рис. 6 изображен один период колебаний T=1,5-0,5=1мС=10^-3С. Маркеры расположены в моменты перехода напряжений первого и второго каналов через ноль. Зная разность значений времениdxи период колебанийТможем определить разность фаз приведенных гармонических колебаний.

9

2. Характеристики и параметры диода

2.1. Цель работы

Экспериментальное исследование полупроводниковых диодов, определение их параметров.

2.2. Домашнее задание

Запишите тип исследуемых диодов. Из справочника выпишите параметры и предельные режимы работы приборов (допустимые прямой ток I_пр.допи обратное напряжениеU_обр.mах, максимальное значение прямого напряжения на диодеU_пр.max, допустимую рассеиваемую мощностьР_доп, максимальный обратный токI_обри диапазон рабочих температур) и занесите их в таб.1.

Таблица 1

Диод	Iпр.доп А	Uпр.max В	Uобр.доп В	Iобр.max мкА	Тmin ^ОС	Тmax ^ОС	Рдоп Вт