Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ 

 Кафедра теоретических основ электротехники

   

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

 Методические указания и задания к выполнению

лабораторных работ

для студентов всех форм обучения специальности 050717 –

Теплоэнергетика

 

Алматы 2008 

Составитель: Баймаганов А.С. Электротехника и электроника. Методические указания и задания к выполнению лабораторных работ для студентов всех форм обучения специальности 050717 – Теплоэнергетика. – Алматы: АИЭС, 2008. – 46 с.

Описание включает в себя методические указания и задания к выполнению десяти лабораторных работ по дисциплине «Электротехника и электроника».

Каждая лабораторная работа содержит следующие разделы: цель работы, подготовка к работе, контрольные вопросы, программа и порядок выполнения работы, выводы по работе. Приведены исследуемые электрические схемы, соответствующие таблицы, где должны фиксироваться результаты расчётов и экспериментов, даны пояснения по реализации каждого пункта задания.

Лабораторные работы предназначены для студентов специальностей АЭС, ТЭС, ТВТ, ПТЭ, АТПП, ЭМ всех форм обучения.

Содержание

Введение............................................................................................................ 4

Порядок выполнения и правила оформления отчетов лабораторных работ... 5

1 Лабораторная работа №1. Исследование линейной электрической цепи постоянного тока............. 7

2 Лабораторная работа №2. Исследование линейной электрической цепи однофазного синусоидального тока.......... 10

3 Лабораторная работа №3. Исследование трехфазной электрической цепи при соединении «звезда – звезда»...........12

4 Лабораторная работа №4. Исследование переходных процессов в линейной электрической цепи первого и второго порядков.......................................... 15

5 Лабораторная работа №5. Испытание однофазного трансформатора........ 20

6 Лабораторная работа №6. Включение синхронного генератора на параллельную работу с сетью бесконечной мощности..........24

7 Лабораторная работа №7. Исследование типовых схем включения операционного усилителя......... 28

8 Лабораторная работа №8. Исследование однофазного источника питания с параметрическим стабилизатором напряжения.............................................. 33

9 Лабораторная работа №9. Исследование логических элементов................ 38

10 Лабораторная работа №10. Исследование цифровых триггеров............... 40

Список литературы................................................................................. 45

Введение

Для повышения качества усвоения нового материала, формирования у студентов творческого мышления и инженерных навыков большое значение имеют лабораторные занятия.

Данные методические указания содержат описания обязательных лабораторных работ по дисциплине «Электротехника и электроника» для студентов специальности 050717 – Теплоэнергетика. Лабораторные задания представляют собой комплекс работ экспериментального и расчетного характера по исследованию линейных электрических цепей постоянного тока, линейных электрических цепей синусоидального однофазного и трехфазного токов, переходных процессов в линейных электрических цепях, электрических машин и устройств промышленной электроники. Все лабораторные работы выполняются фронтальным методом после того, как материал данной темы изложен на лекции.

Практическая реализация лабораторных занятий на кафедре ТОЭ обеспечивается универсальными учебно-исследовательскими лабораторными стендами УИЛС-1.

Стенд включает в себя наборное поле для сборки исследуемых схем, набор элементов (резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы и нелинейные элементы), соединительные провода, наборы источников питания и измерительных приборов. Стенд питается от сети трехфазного напряжения 380В, частотой 50Гц. Потребляемая мощность не более 300ВА.

Слева от наборного поля стенда находятся блоки источников:

      «Блок постоянных напряжений» содержит источник регулируемого стабилизированного напряжения от 0 до 25В с током до 1А и источник нерегулируемого напряжения 20В с током до 1 А.;

      «Блок переменного напряжения» представляет собой регулируемый стабилизированный источник переменного напряжения трёх форм сигнала: – синусоидальной, прямоугольной и треугольной. Напряжение регулируется от 5 до 25В при токе до 1А. Диапазон частот 0,1…8кГц.

      «Блок трехфазного напряжения» содержит трехфазный источник с независимыми фазами, напряжение которых регулируется ступенчато от 0 до 40В, частота 50Гц, допустимый ток до 1А.

Все источники снабжены электронной защитой от токов короткого замыкания.

Справа от наборного поля в трех объемных блоках находятся регулируемые пассивные элементы.

Все приведенные лабораторные работы можно также выполнить на компьютере в программе EWB (Electronics Workbench). Описание программы и её применение приведено в Л[6].

Порядок выполнения и правила оформления отчетов лабораторных работ

Задание на выполнение соответствующей лабораторной работы студент получает на предыдущем занятии (за 1-2 недели).

Каждый студент самостоятельно заготавливает отчет для выполнения лабораторной работы, знакомится с целью лабораторного задания, основными теоретическими положениями проводимых экспериментов.

Перед выполнением экспериментальной части студент проходит собеседование по вопросам подготовки, показывает преподавателю подготовленный отчет для выполнения лабораторной работы и получает допуск к выполнению работы.

После выполнения экспериментальной части отчет дооформляется: проводится сравнение теории с экспериментом, строятся необходимые графики, проводится анализ результатов и делаются выводы по работе.

Отчет по лабораторной работе защищается каждым студентом на текущем или следующем лабораторном занятии.

К выполнению следующей лабораторной работы допускается студент, выполнивший и защитивший предыдущую лабораторную работу.

Отчет содержит титульный лист и следующие разделы:

1.    Цель работы.

2.    Основные теоретические положения и ответы на вопросы подготовки.

3.    Краткие сведения об эксперименте.

4.    Принципиальная схема исследуемой цепи.

5.    Расчетные формулы, вычисления, предполагаемые графики исследуемых электрических величин и режимов цепи.

6.    Результаты исследования (таблицы, графики, числовые значения параметров и электрических величин).

7.    Выводы.

Титульный лист, разделы 1-6, таблицы для раздела 6 подготавливаются до начала лабораторной работы. Отчеты оформляются на листах белой или линованной бумаги формата А4 (210 ´ 297мм), которые заполняются с одной стороны. В тексте, написанном четко и аккуратно пастой одного цвета или оформленном на компьютере, допускается применение только общепринятых обозначений или сокращений, расшифрованных при первом упоминании.

Предлагается примерная форма титульного листа.

 

АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

 

 

 

Кафедра «Теоретические основы электротехники»

 

 

Дисциплина «Электротехника и электроника»

 

 

 

 

 

 

Отчёт по работе № ____

 

(полное наименование работы)

 

 

 

 

 

Работа выполнена           (дата выполнения)

 

Студентом                (фамилия и инициалы)

 

Группа                                   (шифр группы)

 

Совместно со студентами_______________

 

Отчет принят            (дата принятия отчета)

 

Преподаватель                                (подпись)

 

 

 

 

Алматы 200…

1 Лабораторная работа №1  Исследование линейной электрической цепи постоянного тока

1.1 Цель работы

Целью работы является экспериментальная проверка основных методов расчета цепей постоянного тока, допустимого теплового режима резисторов схемы при заданных условиях работы, а также условия передачи максимальной мощности от активного двухполюсника к пассивному.

1.2 Подготовка к работе

Ответить на контрольные вопросы и приготовить заготовку отчёта о проведении лабораторной работы, где должны быть нарисованы исследуемая схема и таблицы для внесения экспериментальных данных.

1.3 Контрольные вопросы

1.3.1 Как с помощью амперметра и вольтметра определить величину сопротивления резистора?

1.3.2 Как включить цифровой прибор типа Щ 4313 для измерения тока в ветви схемы?

1.3.3 Как включить цифровой прибор типа Щ 4313 для измерения напряжения на элементе схемы?

1.3.4 Для исследуемой схемы составить следующие системы уравнений:

      по законам Кирхгофа;

      по методу контурных токов;

      по методу узловых потенциалов.

1.3.5 В чём суть метода контурных токов и метода узловых потенциалов?

1.3.6 В чём суть метода эквивалентного генератора?

1.3.7 Назовите условие передачи максимальной мощности от активного двухполюсника к пассивному.

1.4 Программа и порядок выполнения работы

1.4.1 Начертить заданную схему (вариант схемы указывает преподаватель) и указать на ней произвольно выбранные направления токов в ветвях.

1.4.2 Определить фактические параметры элементов заданной цепи с помощью амперметра и вольтметра, предварительно начертив и собрав схему с одним источником ЭДС, резистором и указанными приборами. Результаты занести в таблицу 1.1

Таблица 1.1 – Результаты измерения и параметры резисторов

Элемент цепи

R1

R2

R3

R

U, В

 

 

 

 

I, мА

 

 

 

 

R, Ом

 

 

 

 

схема 1                           схема 2                                 схема 3

Рисунок 1.1 – Варианты схем

1.4.3 Рассчитать токи в ветвях исследуемой цепи одним из предложенных преподавателем методов по заданным ЭДС: E1 = 20В, E2 = 10В и найденным в п. 1.4.2 значениям резисторов.

Результаты расчета занести в таблицу 1.2 в строку «Расчёт».

1.4.4 Собрать схему своего варианта. Установить заданные значения ЭДС E1 и Е2. Измерить токи в ветвях и напряжения на элементах цепи. Амперметр включается в разрыв ветви таким образом, чтобы направление тока совпадало с направлением от «+» к «–» прибора. Тогда прибор покажет величину и знак тока, соответствующие выбранному направлению в пункте 1.4.1. Вольтметр включается параллельно элементу цепи таким образом, чтобы направление напряжения на нём совпадало с направлением от «+» к «–» прибора. Тогда прибор покажет величину и знак напряжения на этом элементе, соответствующие выбранному направлению. Необходимо помнить, что направление падения напряжения на пассивном элементе совпадает с направлением тока в нём.

Минусовая клемма прибора обычно имеет черный цвет и помечена знаком «*» или «com».

Результаты измерений занести в таблицу 1.2 в строку «Эксперимент».

Таблица 1.2 – Измеренные значения напряжений и токов цепи

 

E1, В

E2, В

I1, мА

I2, мА

I3, мА

UR1, В

UR2, В

UR3, В

UR, В

Эксперимент

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчёт

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d, %

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Правильность определения значения и направления измеренных величин подтвердить подстановкой их в уравнения, составленные по первому и второму законам Кирхгофа.

1.4.5 Рассчитать для узла 1 схемы погрешность di, % измерения токов, отнеся алгебраическую сумму токов, сходящихся в узле к наибольшему из них. Результаты расчёта занести в таблицу 1.3.

Таблица 1.3 – Погрешность определения токов

Узел цепи

SI, мА

Imax, мА

di, %

1

 

 

 

1.4.6 Рассчитать для двух контуров схемы погрешность du, % измерения напряжений, отнеся алгебраическую сумму напряжений в контуре, включая напряжения на источниках ЭДС, к наибольшему из них. Результаты расчёта занести в таблицу 1.4.

Таблица 1.4 – Погрешность определения напряжений

Контур цепи

SU, В

Umax, В

du, %

1

 

 

 

2

 

 

 

1.4.7 Рассчитать ток в ветви с резистором R методом эквивалентного генератора, параметры которого (ЭДС Eэг и входное сопротивление Rэг) необходимо определить экспериментально. Для этого измерить напряжение холостого хода Uхх на зажимах схемы, куда было подключено сопротивление R, предварительно удалив его из схемы. Затем измерить ток короткого замыкания Iкз, включив вместо резистора R амперметр.

Определить параметры эквивалентного генератора

, .

Рассчитать искомый ток         .

 1.4.8 По фактическим значениям резисторов Rk (таблица 1.1) определить допустимое значение тока Ik доп. в каждом из них, исходя из того, что паспортная мощность рассеяния используемых в работе резисторов P = 2 Вт. Для расчёта воспользоваться выражением

где Ik ном. – номинальный ток k-го резистора.

Допустимые и измеренные в п. 1.4.4 значения токов в ветвях схемы занести в таблицу 1.5.

Таблица 1.5 – Допустимые и фактические значения токов

Резистор

R1

R2

R3

R

Iном., мА

 

 

 

 

I, мА

 

 

 

 

Сделать заключение о тепловых режимах резисторов исследуемой цепи.

1.4.9 Проверить условие передачи максимальной мощности от активного двухполюсника к пассивному. Для этого вместо постоянного R включить переменный резистор и, изменяя его величину от 0 (режим короткого замыкания ветви) до  (режим холостого хода), записать показания амперметра и вольтметра, предварительно включив их для измерения тока и напряжения на переменном резисторе. Показания приборов занести в таблицу 1.6. Рассчитать мощность P, выделяемую в переменном резисторе R и построить график зависимости P = f (I).

Таблица 1.6 – Измерения в ветви с переменным резистором

R

0

100

200

800

900

¥

U, В

 

 

 

 

 

 

 

I, мА

 

 

 

 

 

 

 

Р, мВт

 

 

 

 

 

 

 

По графику определить максимальную мощность Pmax и соответствующий ей ток I. Рассчитать сопротивление нагрузки (переменного резистора) Rнагр. при котором в ней выделяется максимальная мощность

.

Сравнить полученное значение с величиной Rэг, рассчитанной в п. 1.4.7. Сделать заключение об условии передачи максимальной мощности от активного двухполюсника к пассивному.

1.5 Выводы по работе

Выводы по работе сделать в целом, обратив внимание на причины возможных расхождений расчетных величин с экспериментальными.

 2 Лабораторная работа №2.  Исследование линейной электрической цепи однофазного синусоидального тока

2.1 Цель работы

Целью работы является приобретение навыков определения параметров элементов цепи при заданных условиях, а также, преобразования и расчёта разветвлённых цепей синусоидального тока.

2.2 Подготовка к работе

Ответить на контрольные вопросы и приготовить заготовку отчёта о проведении лабораторной работы, где должны быть нарисованы исследуемая схема и таблицы для внесения экспериментальных данных.

2.3 Контрольные вопросы

2.3.1 Что называют периодом T, линейной f и угловой w частотами синусоидальной функции времени? Взаимосвязь между ними.

2.3.2 Какова связь между действующим и амплитудным значениями тока, напряжения или ЭДС?

2.3.3 Что собой представляют треугольники сопротивлений, проводимостей и мощностей?

2.3.4 Законы Ома и Кирхгофа в дифференциальной форме записи.

2.3.5 Законы Ома и Кирхгофа в комплексной форме записи.

2.3.6 Какова зависимость индуктивного XL и ёмкостного XC сопротивлений от частоты?

2.3.7 Порядок построения векторных диаграмм токов и напряжений.

2.3.8 Порядок построения топографической диаграммы напряжений.

2.3.9 Действия с комплексными числами.

2.4 Программа и порядок выполнения работы

2.4.1 Для схемы своего варианта (вариант схемы указывает преподаватель) подобрать элементы цепи в следующих диапазонах:

      резисторы R, R1 и R2                              – 2001000 Ом;

      катушки индуктивности L, L1 и L2         – 2070 мГн;

      конденсаторы C, C1 и C2                       – 0,10,5мкФ.

В качестве источника питания использовать генератор синусоидальных колебаний звуковой частоты. Установить на входе цепи напряжение Uвх величиной 5…10В. Частоту напряжения питания f выбрать в диапазоне 15002500Гц.

схема 1                          схема 2                               схема 3

Рисунок 2.1 – Варианты схем

2.4.2 Собрать схему цепи, измерить токи в ветвях и напряжения на ее элементах, а также напряжение на участке a-b Uab. Поменять местами элементы второй ветви и вновь измерить напряжение Uab. Результаты измерений занести в таблицу, подобную таблице 2.1, которая приведена в качестве примера для схемы 1.

Таблица 2.1 – Результаты измерений

I, мА

I1, мА

I2, мА

UR, В

UR1, В

UR2, В

UC1, В

UL2, В

Uab, В

Uab, В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задавшись вектором тока в первой, либо во второй ветвях, в выбранных масштабах тока mi [мА/см] и напряжения mu [В/см] построить векторную диаграмму токов и напряжений разветвленной цепи. На основании векторной диаграммы построить топографические диаграммы напряжений для двух вариантов схем, рассмотренных в п. 2.4.2. По топографическим диаграммам определить напряжение на участке a-b цепи. Сравнить результаты с полученными в эксперименте.

2.4.3 По данным п. 2.4.2 рассчитать на основании закона Ома значения сопротивлений R, XL, XC, а также индуктивность L и емкость C элементов заданной схемы. Ввиду относительной малости активных сопротивлений катушек индуктивности, ими можно пренебречь. Результаты расчёта внести в таблицу, подобную таблице 2.2, приведённую в качестве примера для схемы 1.

Таблица 2.2 – Значения параметров элементов схемы

R, Ом

R1, Ом

R2, Ом

XC1, Ом

C1, мкФ

XL2, Ом

L2, мГн

 

 

 

 

 

 

 

2.4.4 По найденным в п. 2.4.3 значениям сопротивлений рассчитать полное комплексное сопротивление участка 2-3 цепи Z23, а затем полное комплексное входное сопротивление цепи Zвх. На основании закона Ома рассчитать комплексы действующих значений токов в ветвях цепи. Сравнить расчётные значения токов с полученными в эксперименте. Рассчитать также полную S, активную P и реактивную Q мощности всей цепи.

2.5 Выводы по работе

Следует обратить внимание на эквивалентность выполненных преобразований цепи и на причины расхождения результатов расчёта и эксперимента.

3 Лабораторная работа №3.  Исследование трехфазной электрической цепи при соединении «звезда – звезда»

3.1 Цель работы

Целью работы является исследование возможных схем соединения трех фаз источника и выбор правильной схемы, а также исследование основных свойств трехфазных систем при их соединении по схемам «звезда – звезда» без нулевого и с нулевым проводами.

3.2 Подготовка к работе

Ответить на контрольные вопросы и приготовить заготовку отчёта о проведении лабораторной работы, где должны быть нарисованы исследуемая схема и таблицы для внесения экспериментальных данных.

 3.3 Контрольные вопросы

3.3.1 Что называется соединением в звезду?

3.3.2 Что называется симметричной и несимметричной системой ЭДС?

3.3.3 Что называется симметричной и несимметричной нагрузкой?

3.3.4 Что называется линейным и фазным напряжением? Связь между ними.

3.3.5 Роль нулевого провода в трехфазной системе.

3.3.6 Правила построения топографической диаграммы напряжений и векторной диаграммы токов.

 3.4 Программа и порядок выполнения работы

3.4.1 По заданию преподавателя установить равные значения ЭДС фаз трехфазного источника в диапазоне 10…20 В. Соединить фазы источника согласно схемам на рисунке 3.1. В каждой схеме измерить и зафиксировать указанные линейные напряжения в таблице 3.1 в графе опыт.

 

схема 1                        схема 2                                схема 3

Рисунок 3.1 – Варианты схем соединения фаз трёхфазного источника

 Условные начала фаз источника, отмеченные на блоке трехфазного напряжения знаком «*», обозначены на схемах буквами A, В и С. Концы фаз источника обозначены буквами x, y и z, соответственно.

3.4.2 Рассчитать линейные напряжения для каждой из схем на рисунке 3.1. по заданным значениям ЭДС фаз и сопоставить их с измеренными значениями. Расчеты сопроводить топографическими диаграммами. Результаты расчетов занести в таблицу 3.1 в графу расчет.

Таблица 3.1 – Исследование схем соединения фаз источника

Схема

ЭДС фаз, В

Линейные напряжения, В

EA

EB

EC

Обозн.

Опыт

Расч.

Обозн.

Опыт

Расч.

Обозн.

Опыт

Расч.

1

 

 

 

UAB

 

 

UBC

 

 

UCA

 

 

2

 

 

 

UAy

 

 

UyC

 

 

UCA

 

 

3

 

 

 

UAy

 

 

Uyz

 

 

UzA

 

 

 3.4.3 Собрать цепь по схеме на рисунке 3.2. В качестве нагрузки использовать резисторы R1…R3 блока переменного сопротивления. Обозначить на схеме и измерить значения фазных и линейных токов и напряжений нагрузки, а также напряжение между нейтралями UnN при следующих режимах работы:

      симметричном;

      несимметричном, при уменьшении в два раза сопротивления какой-либо фазы нагрузки;

      несимметричном, при обрыве одного из линейных проводов.

Рисунок 3.2 – Схема соединения трехфазной цепи «звезда-звезда»

Результаты измерений занести в таблицу 3.2.

Таблица 3.2 – Результаты измерений в схеме без нулевого провода

Режим

IA, мА

IB, мА

IC, мА

Uan, В

Ubn, В

Ucn, В

Uab, В

Ubc, В

Uca, В

UnN, В

Симметричный

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сопрот. фазы уменьш.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обрыв линейн. провода

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4.4 По данным таблицы 3.2 построить топографические диаграммы напряжений и векторные диаграммы токов для каждого режима работы, из которых определить действующие значения напряжения смещения нейтралей нагрузки и источника UnN  и сопоставить их с измеренными значениями.

3.4.5 Собрать четырехпроводную цепь, для чего между точками n и N включить нейтральный провод (на схеме на рисунке 3.2 он обозначен пунктиром). Измерить значения фазных и линейных токов и напряжений, а также ток в нейтральном проводе IN задавая режимы работы согласно п. 3.2.3. Результаты измерений занести в таблицу 3.3.

3.4.6 По заданию преподавателя в одну из фаз нагрузки схемы с нулевым проводом включить резистор R, в другую – катушку индуктивности L и в третью – конденсатор С. Меняя параметры указанных элементов, установить одинаковые действующие значения токов нагрузки IA, IB и IC.

Выполнить требуемые измерения и результаты занести в строку «нагрузка R, L, С» таблицы 3.3.

Поменять местами катушку индуктивности L и конденсатор C и повторить измерения, зафиксировав их в строке «нагрузка R, C, L» таблицы 3.3.

Таблица 3.3 – Результаты измерений в схеме с нулевым проводом

Режим

IA, мА

IB, мА

IC, мА

IN, мА

Uan, В

Ubn, В

Ucn, В

Uab, В

Ubc, В

Uca, В

Симметричный

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сопрот. фазы уменьш.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обрыв линейн. провода

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нагрузка R, L, C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нагрузка R, C, L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4.7 По данным таблицы 3.3 построить топографические диаграммы напряжений и векторные диаграммы токов для каждого режима работы, из которых определить значения тока в нулевом проводе IN и сопоставить их с измеренными значениями.

 3.5 Выводы по работе

Необходимо обратить внимание на возможные последствия неправильного соединения фаз трехфазных источников, оценить роль нулевого провода.

 4 Лабораторная работа №4.  Исследование переходных процессов в линейной электрической цепи первого и второго порядков

4.1 Цель работы

Целью работы является экспериментальная проверка законов коммутации и расчетных соотношений для постоянной времени электрической цепи t, коэффициента затухания a, угловой частоты w0 и периода T0 свободных колебаний. А также исследование влияния параметров электрической цепи на характер переходного процесса.

4.2 Подготовка к работе

Ответить на контрольные вопросы и приготовить заготовку отчёта о проведении лабораторной работы, где должны быть нарисованы исследуемая схема и таблицы для внесения экспериментальных данных.

4.3 Контрольные вопросы

4.3.1 Какой процесс называют переходным, и в каких цепях наблюдаются переходные процессы?

4.3.2 В чем смысл законов коммутации?

4.3.3 Что называется постоянной времени электрической цепи?

4.3.4 Как зависит постоянная времени от параметров RC или RL цепи?

4.3.5 Какова продолжительность переходного процесса теоретически и на практике, при решении большинства инженерных задач с точностью до 3%?

4.3.6 Какой из переходных процессов называется колебательным, а какой апериодическим? Назовите условия их возникновения.

4.3.7 Как рассчитать критическое сопротивление RLC контура?

4.3.8 Как рассчитываются и определяются экспериментально коэффициент затухания a, угловая частота w0 и период T0 свободных колебаний?

4.3.9 Как рассчитать постоянную времени электрической цепи t в случаях апериодического и колебательного характера переходного процесса?

4.3.10 Написать уравнения изменения uC(t), uL(t) и i(t) в процессе разряда конденсатора при колебательном характере, апериодическом и критическом случае апериодического характера переходного процесса.

4.3.11 Как по графику uC(t) определить постоянную времени цепи?

4.4 Программа и порядок выполнения работы

В работе используются блоки регулируемого постоянного напряжения, переменной емкости, переменной индуктивности и переменного сопротивления, электронный ключ, элементы наборного поля и осциллограф. Электронный ключ переключается с частотой 50 Гц (при внутренней синхронизации) и создает периодически повторяющийся переходный процесс. Это позволяет наблюдать кривые мгновенных значений напряжения в переходном процессе на экране осциллографа.

4.4.1 Исследовать переходный процесс в цепи первого порядка на примере разряда конденсатора на активное сопротивление (RC цепь). Сопротивления резисторов R1 и R2 и ёмкость конденсатора C, используемых в работе, указаны для трёх вариантов в таблице 4.1. Напряжение источника питания U = 20 В.

Таблица 4.1 – Варианты параметров R1, R2 и C.

Вариант

R1, Ом

R2, Ом

C, мкФ

1

100…200, измерить

200

9,99

2

100…200, измерить

300

6

3

100…200, измерить

250

8

 

Рисунок 4.1 – Схема для исследования RC цепи

 4.4.2 Собрать цепь по схеме на рисунке 4.1. В качестве конденсатора использовать блок переменной емкости (0,01…9,99 мкФ), в качестве резистора R1 – резистор R1 блока сопротивлений, а в качестве резистора R2 – блок переменного сопротивления (1…999 Ом). Исследовать переходный процесс в цепи, наблюдая осциллограммы напряжения uC(t) и тока iC(t) конденсатора.

Непосредственно кривую мгновенных значений тока с помощью осциллографа наблюдать невозможно, так как последний имеет большое входное сопротивление и включается как вольтметр, параллельно элементу схемы для измерения напряжения. Воспользуемся тем, что на активном сопротивлении законы изменения во времени напряжения и тока совпадают с точностью до постоянного множителя, а именно: iR = uR/R. Таким образом, подключив на вход осциллографа напряжение на резисторе R2, который включен последовательно с конденсатором, можно наблюдать кривую мгновенных значений тока конденсатора в масштабе my/R2, где my – цена деления осциллографа по вертикали (В/дел.).

Необходимо получить кривые напряжения uC(t) и тока iC(t) в удобном для наблюдения масштабе. Определить, пользуясь масштабами осциллографа по вертикали my(В/дел.) и по горизонтали mx(мс/дел.), начальное значение тока разряда конденсатора iC(0), напряжение на конденсаторе в начале процесса разряда uC(0), а также постоянную времени цепи разряда t.

Конденсатор заряжается через резисторы R1 и R2 при разомкнутом ключе S. На рисунке 4.2 этому состоянию цепи соответствует интервал времени слева от t = 0, равный 10 мс, соответствующий половине периода частоты переключения ключей f = 50 Гц.

Цепь разряда конденсатора образуется при замкнутом ключе S. На рисунке 4.2 этому состоянию цепи соответствует интервал времени справа от t = 0, равный также 10 мс.

Два способа определения постоянной времени t  из эксперимента:

а)    t равна интервалу времени между двумя мгновенными значениями напряжения или тока, отличающимися в e раз, где e = 2,718 – основание натурального логарифма;

б)   t равна длине подкасательной, взятой на асимптоте экспоненты. Этот способ показан на рисунке 4.2.

Результаты измерений занести в таблицу 4.2 в графу «эксперимент».

 Таблица 4.2 – Результаты исследования в схеме на рисунке 4.1

Величина

Расчёт

Эксперимент

Погрешность d, %

iC(0), мА

 

 

 

uC(0), В

 

 

 

t, мс

 

 

 

 

 

Рисунок 4.2 – Кривые мгновенных значений uC(t) и iC(t) в RC цепи

 4.4.3 Сфотографировать или зарисовать с экрана осциллографа на кальку зависимости uC(t) и iC(t) и представить их в отчете в виде графиков подобно кривым, приведенным на рисунке 4.2.

4.4.4 По известным напряжению источника питания U, сопротивлению резистора R2 и ёмкости C рассчитать значения iC(0), uC(0) и t. Занести их в соответствующие строки таблицы 4.2 в графу «расчёт». Определить погрешность расхождения результатов расчёта и эксперимента d, %.

4.4.5 Исследовать переходный процесс в цепи второго порядка на примере разряда конденсатора на активное сопротивление, включенное последовательно с индуктивностью. Исследуемая схема приведена на рисунке 4.3.

Рассчитать критическое активное сопротивление Rкр., определяющее предельный случай апериодического характера переходного процесса. Значения L и C заданы для трёх вариантов в таблице 4.3.

 

Рисунок 4.3 – Схема для исследования RLC – цепи

 Таблица 4.3 – Варианты задания

Вариант

L, мГн

C, мкФ

1

20

9,99

2

40

8

3

60

6

 4.4.6 Для значения RS=0,1*Rкр. рассчитать коэффициент затухания a, постоянную времени электрической цепи t, угловую частоту w0 и период T0 свободных колебаний, где RS – это суммарное активное сопротивление цепи разряда, учитывающее активное сопротивление катушки индуктивности Rкат. и добавочное сопротивление Rдоб.. Таким образом, необходимо измерить Rкат. и рассчитать Rдоб. = RSRкат.

4.4.7 Собрать исследуемую цепь и установить заданные параметры её элементов: Rдоб. – на блоке переменного сопротивления, L и C – на блоках переменных индуктивности и емкости, соответственно.

Получить на экране осциллографа изображение исследуемых кривых uC(t) и i(t). Подключив напряжение на резисторе Rдоб., который включен последовательно с конденсатором, на вход осциллографа можно наблюдать кривую мгновенных значений тока конденсатора в масштабе my/Rдоб., где my – цена деления осциллографа по вертикали (В/дел.).

По полученным кривым определить коэффициент затухания a, период T0 и угловую частоту свободных колебаний w0. При определении a надо измерить две соседние амплитуды одного знака A1 и A2 исследуемой кривой. Также необходимо учесть, что две соседние амплитуды одного знака отстоят, друг от друга на интервале времени, равном периоду колебаний T0 (рисунок 4.4). Тогда экспериментальные значения коэффициента затухания a и угловой частоты свободных колебаний w0 можно рассчитать по формулам

 

 и .

 По полученному значению a рассчитать экспериментальное значение постоянной времени электрической цепи t. Результаты расчета и эксперимента занести в таблицу 4.4. Определить погрешность расхождения результатов d, %.

 Таблица 4.4 Результаты исследования RLC – цепи

Величина

Расчёт

Эксперимент

Погрешность d, %

    a, 1/с

 

 

 

T0, с

 

 

 

    w0, рад/с

 

 

 

Rкр., Ом

 

 

 

 4.4.8 Сфотографировать или зарисовать кривые uC(t) и i(t) при колебательном характере переходного процесса и представить их в отчете в виде графиков подобно кривым, приведенным на рисунке 4.4. По кривым uC(t) и i(t) проверить выполнение законов коммутации.

4.4.9 Увеличивая сопротивление Rдоб., по изображению напряжения на конденсаторе uC(t) на экране осциллографа определить критический режим переходного процесса. Этот режим характерен тем, что напряжение uC(t) в процессе разряда конденсатора перестает менять знак, то есть монотонно убывает, не меняя знака.

Записать соответствующее ему значение Rкр.=Rдоб.+Rкат. и сравнить с рассчитанным в п.4.4.5. Результаты расчета и эксперимента занести в таблицу 4.4.

4.4.10 Установить значение Rдоб.=RкрRкат. И сфотографировать или зарисовать кривые uC(t) и i(t) при апериодическом характере переходного процесса. Представить их в отчете в виде графиков.

Рисунок 4.4 – Кривые мгновенных значений uC(t) и iC(t) разряда конденсатора в RLC цепи

4.5 Выводы по работе

Сделать выводы о влиянии значений параметров R, L и C на характер переходного процесса, о точности выполненных измерений.

Необходимо также обратить внимание на условия возникновения колебательного или апериодического переходного процесса, а также на экспериментальную проверку законов коммутации.

 5 Лабораторная работа №5. Испытание однофазного трансформатора

5.1 Цель работы

Ознакомление с устройством, принципом работы, характеристиками и методами исследования однофазных трансформаторов.

5.2 Подготовка к работе

Ответить на контрольные вопросы и приготовить заготовку отчёта о проведении лабораторной работы, где должны быть нарисованы исследуемая схема и таблицы для внесения экспериментальных данных.

5.3 Контрольные вопросы

5.3.1 Назначение трансформатора.

5.3.2 Устройство и принцип действия однофазного трансформатора.

5.3.3 Как и с какой целью проводится опыт холостого хода (ХХ) трансформатора?

5.3.4 Чем отличается опыт короткого замыкания (КЗ) от аварийного КЗ?

5.3.5 Почему в опыте КЗ можно пренебречь потерями мощности в магнитопроводе трансформатора?

5.3.6 Как определить параметры Т-образной схемы замещения трансформатора?

5.3.7 Потери в трансформаторе и их определение.

5.3.8 Какое влияние оказывает характер нагрузки на внешнюю характеристику трансформатора?

5.4 Программа и порядок выполнения работы

5.4.1 Ознакомиться с приборами и оборудованием стенда, используемыми при выполнении работы, и занести в отчет номинальные технические данные исследуемого трансформатора.

5.4.2 Опыт холостого хода трансформатора

В соответствии с принципиальной схемой на рисунке 5.1 собрать электрическую цепь для проведения опыта холостого хода трансформатора. Питание испытуемого трансформатора осуществляется от регулируемого источника синусоидального напряжения – лабораторного автотрансформатора (ЛАТРа).

Рисунок 5.1 – Схема опыта холостого хода трансформатора

Установить номинальное напряжение на первичной обмотке трансформатора и записать показания приборов в таблицу 5.1.

Таблица 5.1. – Результаты измерений в опыте холостого хода

Измерения

Вычисления

 

U1, В

U2, B

I0, A

P0, Вт

S0, BA

Q0,вар

z0, Ом

r0, Ом

x0, Ом

Cosj0

i0, %

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По результатам измерений опыта холостого хода определить:

      коэффициент трансформации трансформатора

k = U1/U2;                                  (5.1)

      коэффициент мощности трансформатора при холостом ходе

Cosj0 = P0/(U1×I0);                             (5.2)

      параметры намагничивающего контура (пренебрегая падениями напряжения на r1 и x1 от тока I0):

;   (5.3)

      относительное значение тока холостого хода

i0,% = (I0/Iном)×100%.                          (5.4)

По окончании опыта холостого хода напряжение U1 установить равным нулю и отключить питание стенда.

5.4.3 Опыт короткого замыкания трансформатора

Опыт проводят при пониженном напряжении на первичной обмотке трансформатора U1к. Напряжение необходимо постепенно повышать, начиная с нуля, до значения, при котором токи в первичной и во вторичной обмотках трансформатора примут номинальные значения, то есть I1к = I1ном и I2к = I2ном.

Рисунок 5.2 – Схема опыта короткого замыкания

Для проведения опыта короткого замыкания собрать электрическую цепь, принципиальная схема которой приведена на рисунке 5.2. Установить на ЛАТРе напряжение питания трансформатора равное нулю. Включить выключатель В и в соответствии с вышеуказанным провести опыт. Записать значения измеряемых величин в таблицу 5.2.

Таблица 5.2. – Результаты измерений в опыте короткого замыкания

Измерения

Вычисления

 

U1к, В

I1к, А

I2к, A

Pк, Вт

Sк, BA

Qк, вар

zк, Ом

rк, Ом

xк, Ом

Cosjк

uк, %

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По результатам измерений опыта короткого замыкания определить:

      электрические потери мощности в трансформаторе

Pэк » Pк;                                             (5.5)

      полную Sк и реактивную Qк мощности короткого замыкания

; (5.6)

      параметры схемы замещения трансформатора

zк = U1к/I1к,       ; (5.7)

      коэффициент мощности трансформатора

Cosj1к = Pк/(U1к×I1к);                          (5.8)

      напряжение короткого замыкания в процентах

uк, % = (U1к/U1ном)×100.                      (5.9)

 

5.4.4 Испытание трансформатора под нагрузкой

Рисунок 5.3 – Схема испытания трансформатора под нагрузкой

Для проведения опыта собрать электрическую цепь, схема которой приведена на рисунке 5.3.

В качестве нагрузки к зажимам вторичной обмотки трансформатора подключить реостат Rн. Включить выключатель В и установить на первичной обмотке трансформатора номинальное напряжение U1 = U1н. Изменяя нагрузочное сопротивление произвести четыре - пять измерений при различных значениях Rн.

При этом напряжение на зажимах первичной обмотки трансформатора поддерживать неизменной величины.

Результаты измерения записать в таблицу 5.3.

Таблица 5.3 – Испытания трансформатора под нагрузкой

№ п.п.

Измерения

Вычисления

U1н, В

I1, А

P1, Вт

U2, В

I2, А

S1, ВА

P2, Вт

Cosj1

h

b

1

2

3

4

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По результатам измерений определить:

-        коэффициент нагрузки трансформатора

β = I2/I2н;                                            (5.10)

-        активную мощность нагрузки

P2 = U2×I2 Cosj2                                 (5.11)

где коэффициент мощности Cosj2 = 1 с учетом активного характера сопротивления нагрузки;

-        полную мощность на входе трансформатора

S1 =U1н×I1;                                          (5.12)

-        коэффициент мощности трансформатора

Cosj1 = P1/S1;                                    (5.13)

-        коэффициент полезного действия трансформатора

.    (5.14)

По расчетным и измеренным данным построить в единой координатной системе внешнюю U2 = f(I2) и рабочие характеристики трансформатора:

I1 = f(I2),      η = f(I2),      Cosj1 = f(I2).                  (5.15)

 

Нарисовать схему замещения нагруженного трансформатора с указанием ее элементов.

6 Лабораторная работа №6. Включение синхронного генератора на параллельную работу с сетью бесконечной мощности

6.1 Цель работы

Ознакомление с конструкцией трехфазного синхронного генератора, способами его включения на параллельную работу с сетью, регулированием активной и реактивной мощностей.

6.2 Подготовка к работе

Ответить на контрольные вопросы и приготовить заготовку отчёта о проведении лабораторной работы, где должны быть нарисованы исследуемая схема и таблицы для внесения экспериментальных данных.

6.3 Контрольные вопросы

6.3.1 Устройство и принцип действия трехфазного синхронного генератора.

6.3.2 Назначение синхроноскопа.

6.3.3 Какие условия необходимо выполнить при включении синхронного генератора на параллельную работу с сетью?

6.3.4 Как изменить активную мощность синхронного генератора при включении его на работу параллельно с сетью?

6.3.5 Как изменить реактивную мощность синхронного генератора при работе его параллельно с сетью?

6.3.6 Как осуществляется переход синхронной машины от генераторного режима к двигательному?

6.4 Программа и порядок выполнения работы

6.4.1 Ознакомиться с приборами и оборудованием стенда. Записать паспортные данные электрических машин.

6.4.2 Подготовить и включить синхронный генератор на параллельную работу с сетью методом точной синхронизации.

При включении трехфазного синхронного генератора на параллельную работу с сетью необходимо соблюдение следующих условий:

1.       Напряжение включаемого генератора должно быть равно напряжению сети (Uг = Uс).

2.       Частота генератора должна равняться частоте сети (fг = fс).

3.       Чередование фаз генератора и сети должно быть одинаковым       (Аггг и Ассс).

4.       Напряжения генератора и сети Uг и Uс должны быть в противофазе.

Равенство напряжений достигается путем регулирования тока возбуждения синхронного генератора и контролируется вольтметром V2. Изменение частоты генератора достигается изменением частоты вращения первичного двигателя согласно формуле

fг = pn/60                                           (6.1)

где fг – частота генератора, Гц;

p – число пар полюсов;

n – частота вращения, об/мин.

Правильность чередования фаз и полярность контролируется с помощью лампового (Л1, Л2, Л3) и электромагнитного (Sn) синхроноскопов. Схема испытания представлена на рисунке 6.1.

Предварительно собрать схему лампового синхроноскопа по одному из способов: на “погасание света” (рисунок 6.2) или на “вращение света” (рисунок 6.3). Затем выключателем В4 (рисунок 6.1) включить сеть, напряжение Uc и линейная частота fc которой фиксируется соответственно вольтметром V1 и частотомером Hz1. Включить выключатель В2 и установить реостатом Rвг минимальный ток в обмотке возбуждения генератора ОВГ по амперметру А1.

В качестве приводного двигателя для синхронного генератора используется машина постоянного тока параллельного возбуждения. Перед пуском двигателя в ход необходимо убедиться в том, что сопротивление пускового реостата RП максимально. Включить выключатель В1 и плавно вывести реостат RП до нуля. Далее с помощью реостата в цепи обмотки возбуждения двигателя Rвд установить такую частоту вращения, при которой fг = fс. Затем реостатом Rвг в цепи обмотки возбуждения генератора увеличить ток возбуждения до значения, при котором напряжение на зажимах генератора Uг станет равным напряжению питающей сети Uc (Uг=Uс). Напряжение и частота генератора фиксируются приборами V2 и Hz2.

Рисунок 6.1 – Схема включения синхронного генератора

Точный момент синхронизации, когда выполняются все условия включения генератора на параллельную работу с сетью бесконечной мощности (Сеть БМ), устанавливается по ламповому (Л1, Л2, Л3) и электромагнитному (Sn) синхроноскопам. При использовании синхроноскопа по схеме на погасание (рисунок 6.2), когда каждая лампа включается в разрыв определенной фазы параллельно выключателю В3, момент синхронизации соответствует одновременному погасанию всех трех ламп. Необходимо добиться того, чтобы загорание и погасание ламп стали настолько редкими, что пауза между ними была бы не менее 5-7 с. Достигается это изменением частоты вращения первичного двигателя. Включить генератор в сеть выключателем В3 можно только в присутствии преподавателя, когда все синхронизирующие лампы (Л1, Л2, Л3) полностью погаснут, а стрелка электромагнитного синхроноскопа проходит над красной чертой на шкале.

Рисунок 6.2                                                Рисунок 6.3

Для включения генератора по способу точной синхронизации на «вращение света» (рисунок 6.3) добиваются, чтобы частота вращения света, равная fг=fс, была бы возможно меньше. Благоприятным моментом включения выключателя В3 будет такой, когда лампа, включенная на одноименные фазы генератора и сети гаснет (Л1), а две другие лампы (Л2 и Л3), включенные между разноименными фазами и находящиеся под линейным напряжением, светятся с одинаковой яркостью.

6.4.3 Нагрузить генератор активной мощностью.

У включенного на параллельную работу генератора изменить величину активной мощности можно только изменением вращающего момента приводного двигателя. Для синхронного генератора основная составляющая электромагнитной мощности может быть представлена выражением

Рэм=(m×E0×U/x)×Sinq                                                                               (6.2)

где m – число фаз;

E0 – ЭДС генератора, В;

U – напряжение сети, В;

x – индуктивное сопротивление, Ом;

q – угол сдвига начальных фаз между ЭДС и напряжением генератора.

В этом уравнении при постоянном токе возбуждения все величины, кроме Sinq, будут постоянными. В этих условиях Рэм  пропорциональна Sinq. При увеличении вращающего момента приводного двигателя (М=См×Iд×Фд) и, следовательно, подводимой к генератору механической мощности, ротор начнет опережать поле статора, угол θ и Рэм будут увеличиваться. Для проведения этого опыта сначала реостатом Rвд в цепи возбуждения приводного двигателя регулируют его момент так, чтобы активная мощность синхронного генератора равнялась нулю Р=0 (режим холостого хода). Далее регулируют ток возбуждения синхронного генератора Iвг таким образом, чтобы ток статора стал равен нулю I=0. В дальнейшем этот ток возбуждения генератора поддерживают постоянным Iвг = const. Изменяя момент вращения приводного двигателя, синхронный генератор постепенно нагрузить от P = 0 до Pном и записать 5-6 показаний приборов. Данные опыта занести в таблицу 6.1.

Таблица 6.1 – Изменение активной нагрузки генератора

№ п.п.

Измерения

Вычисления

Примечания

Р, Вт

U, B

I, A

Cosφ

1-6

 

 

 

 

Iвг = const.

nном = const.

По результатам измерений определить

.                                         (6.3)

По измеренным и вычисленным данным построить в одной координатной системе зависимости                  I = ƒ(Р) и Cosφ = f(Р).

6.4.4 Снять U-образные характеристики синхронного генератора.

U-образные характеристики представляют собой зависимость тока фазы статора I от тока возбуждения генератора Iвг при постоянном значении активной мощности Р (или момента М на валу) генератора, т.е.

I = f(Iвг) при Р = const. (или М = const.).

U-образные характеристики снимаются для двух режимов работы: холостого хода Р = 0 и при нагрузке Р = 0,25×Рном. По показаниям ваттметра W и амперметра А2 реостатом Rвд  установить Р = 0 и реостатом Rвг-I = 0 (данные записать в таблицу 6.2).

Таблица 6.2 – U-образные характеристики

 

Р = 0

I, A

 

 

 

 

 

 

 

 

IB, А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р=0,25×Рном

I, A

 

 

 

 

 

 

 

 

IB, A

 

 

 

 

 

 

 

 

Увеличивая ток возбуждения синхронного генератора Iв, повысить ток до номинального значения I = Iном (последняя точка) и записать показания приборов для трех - четырех точек. После этого вернуться в исходную точку отсчета (I = 0, Р = 0) и, уменьшая ток возбуждения реостатом Rвг, по аналогии с предыдущим, снять еще несколько точек характеристики. В процессе проведения опыта мощность, отдаваемая синхронным генератором в сеть, Р = 0, поддерживается неизменной, что достигается изменением тока возбуждения приводного двигателя.

Чтобы снять U-образную характеристику для режима нагрузки, необходимо установить сначала I = 0 и Р = 0. Затем реостатом Rвд увеличить Р до 0,25×Рном, а реостатом Rвг установить ток якоря I минимальный. Это будет исходная точка отсчета для режима нагрузки. Далее U-образные характеристики снимаются аналогично, как для режима холостого хода.

По опытным данным построить U-образные характеристики для двух режимов работы Р = 0 и Р = 0,25×Рном.

6.4.5 Перевести синхронный генератор в двигательный режим.

При помощи реостатов Rвг и Rвд устанавливают I = 0 и Р = 0. Затем отключают выключатель В1. Синхронный генератор в этом случае, лишившись приводного двигателя, продолжает по инерции вращаться в том же направлении, но теперь для создания вращающего момента он потребляет энергию из сети, о чем говорит отклонение стрелки киловаттметра от нуля в противоположную сторону. То есть, синхронный генератор перешел в двигательный режим работы.

7 Лабораторная работа №7. Исследование типовых схем включения операционного усилителя

7.1 Цель работы

Ознакомиться и изучить назначение, основные характеристики и схемы включения операционного усилителя.

Собрать схемы инвертирующего, неинвертирующего усилителя, повторителя напряжения и усилителя с дифференциальным входом и согласно порядку выполнения работы провести исследование данных схем включения операционного усилителя при синусоидальном и постоянном входных сигналах, для одной из схем включения снять амплитудно-частотную характеристику.

Собрать схему генератора сигналов треугольной формы и снять осциллограмму выходного напряжения.

Построить графики и составить отчет.

7.2 Основные положения

Операционный усилитель (ОУ) – это модульный многокаскадный усилитель с дифференциальным входом, по своим характеристикам приближающийся к "идеальному усилителю". Идеальный ОУ имеет коэффициент усиления по напряжению, стремящийся к бесконечности (у реальных ОУ он обычно превышает 105), обладает большим входным сопротивлением (106 Ом и более) и малым выходным сопротивлением (доли Ом). ОУ являются основными элементами электронных устройств и, в том числе, аналоговых вычислительных машин, в составе которых они выполняют суммирование, интегрирование, дифференцирование и другие операции над аналоговыми величинами. Тип операции целиком определяется параметрами и видом нелинейности внешних (по отношению к ОУ) элементов обратной связи. Большинство современных ОУ конструктивно выполняются в виде интегральных схем (ИС).

Схема простейшего инвертирующего усилителя показана на рисунке 7.1а. Использование сопротивлений R1 и R2 называют введением обратной связи.

Коэффициент усилителя с обратной связью равен

.                                                 (7.1)

 

Знак минус перед правой частью этого равенства означает, что выход инвертирован, то есть выходное напряжение находится в противофазе к входному. Входное сопротивление схемы инвертирующего усиления равно R1, в силу того, что благодаря обратной связи в точке О (рисунок 7.1а) сохраняется приблизительно нулевой потенциал. Сопротивление R1 должно быть выбрано так, чтобы не нагружать источник входного напряжения uвх, а сопротивление R2 должно быть достаточно большим, чтобы чрезмерно не нагружать операционный усилитель.

Схема неинвертирующего усилителя показана на рисунке 7.1б.

 

а) – инвертирующий усилитель                 б) – неинвертирующий усилитель

Рисунок 7.1 – Схемы усилителей

Коэффициент усиления с обратной связью

.                              (7.2)

Отличительной чертой рассмотренных усилителей является высокое входное сопротивление, обусловленное действием последовательной отрицательной обратной связи по напряжению.

Широкое применение находят интегрирующие и дифференцирующие операционные схемы на основе ОУ (рисунок 7.2).

          а) – интегрирующий ОУ                            б) – дифференцирующий ОУ

Рисунок 7.2 – Операционные схемы

В схеме на рисунке 7.2а напряжение на конденсаторе

.                                         (7.3)

Ток конденсатора равен по величине и противоположен входному току в резисторе

.                                          (7.4)

Следовательно, напряжение на выходе усилителя пропорционально интегралу от напряжения на его входе

.               (7.5)

Именно поэтому усилитель называется интегрирующим.

Дифференцирование является операцией, обратной интегрированию, поэтому получить дифференцирующий усилитель можно из интегрирующего, поменяв местами резистор R1 и конденсатор C1 (рисунок 7.2б).

7.3 Подготовка к работе

Приготовить заготовку отчёта о проведении лабораторной работы, где должны быть нарисованы исследуемые схемы и соответствующие графики входных и выходных сигналов. Для одной из схем включения – амплитудно-частотная характеристика усилителя.

Ответить на вопросы для самопроверки (пункт 7.5).

7.4 Программа и порядок выполнения работы

7.4.1 Исследование инвертирующего усилителя

Соберите схему инвертирующего усилителя, представленную на рисунке 7.1а.

Предварительно вычислите величину R1, необходимую для получения коэффициента усиления Kос, равного 10, если R2 = 100кОм.

Осциллографом измерьте величину и определите полярность выходного напряжения при постоянном напряжении Uвх = 0,5В на входе и при синусоидальном напряжении с амплитудой Um = 0,5В. Нарисуйте осциллограммы соответствующих входных и выходных сигналов. Вычислите коэффициент усиления по измеренным значениям входных и выходных напряжений. Сравните экспериментальное значение коэффициента усиления Kос с теоретическим.

7.4.2 Исследование неинвертирующего усилителя

Соберите схему неинвертирующего усилителя, представленную на рисунке 7.1б.

Предварительно вычислите величину R1, необходимую для того, чтобы коэффициент усиления с обратной связью Kос был равен 11, если R2 = 100кОм.

Осциллографом измерьте величину и определите полярность выходного напряжения при постоянном напряжении Uвх = 0,5В на входе и при синусоидальном напряжении с амплитудой Um = 0,5В. Нарисуйте осциллограммы соответствующих входных и выходных сигналов. Вычислите коэффициент усиления по измеренным значениям входных и выходных напряжений. Сравните экспериментальное значение коэффициента усиления Kос с теоретическим.

7.4.3 Исследование повторителя напряжения

Соберите схему повторителя напряжения, представленную на рисунке 7.3а. Установите одинаковые значения резисторов R1 = R2 = 10кОм.

Подайте на вход схемы сначала постоянное напряжение U = 5В, а затем синусоидальное напряжение частотой f = 100Гц и амплитудой Um = 5В. Осциллографом измерьте и запишите значения входных и выходных напряжений. Нарисуйте осциллограммы соответствующих входных и выходных сигналов. Как соотносятся для двух сигналов (постоянного и переменного) отношения Uвых/ Uвх?

7.4.4 Исследование усилителя с дифференциальным входом

Соберите схему усилителя с дифференциальным входом, представленную на рисунке 7.3б.

а) – повторитель напряжения                    б) – с дифференциальным входом

Рисунок 7.3 – Схемы усилителей

Выполните условия: R1 = R2 = 10 кОм и R3 = R4 = 51 кОм. Тогда

uвых = (R4 / R2)×uвх2 - (R3 / R1)×uвх1.                                   (7.6)

Подайте на инвертирующий вход (uвх1) постоянное напряжение U = 1В, а на неинвертирующий вход (uвх2) переменное напряжение частотой f = 100Гц и амплитудой Um = 1В.

Нарисуйте осциллограммы входных сигналов и осциллограмму выходного напряжения усилителя. Измерьте по ней минимальное и максимальное значения напряжения на выходе усилителя uвых.

7.4.5 Снятие амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) усилителя

По заданию преподавателя соберите схему инвертирующего или неинвертирующего усилителя (рисунок 7.1) с коэффициентом усиления Kос = 2.

Для заданной схемы снимите значения амплитуды выходного напряжения при неизменном значении амплитуды входного напряжения Um = 1В и изменении частоты f от 10Гц до 100кГц. с кратностью 10. Например, 10, 100, 1000 и т.д. Рассчитайте коэффициенты усиления Kос и lgf для каждого значения частоты. Экспериментальные и расчетные данные представьте в табличной форме. Постройте АЧХ, то есть зависимость коэффициента усиления Kос от частоты в логарифмическом масштабе lgf и определите полосу пропускания усилителя.

7.4.6 Исследование генератора сигналов треугольной формы

Соберите схему генератора сигналов треугольной формы, представленную на рисунке 7.4.

Предварительно рассчитайте значения R и C интегратора такие, чтобы полученный на выходе сигнал треугольной формы имел пиковые значения ±2,5В (от пика до пика 5В).

Элементы интегратора R и C обеспечивают требуемые временные соотношения. Расчет их основан на использовании выражения (7.5) с учетом того, что на вход интегратора подается напряжение uвх(t) прямоугольной формы (меандр) с частотой f = 100 Гц и амплитудой Um = 10 В.

Нарисуйте в соответствующем масштабе осциллограммы напряжений, полученные на входе и выходе интегратора.

Рисунок 7.4 – Генератор сигналов треугольной формы

7.5 Вопросы для самопроверки

7.5.1 Назовите основные параметры ОУ.

7.5.2 Нарисуйте схему инвертирующего усилителя. Какой вид обратной связи используется в этой схеме? Как этот вид ООС влияет на параметры усилителя?

7.5.3 Нарисуйте схему неинвертирующего усилителя. Какой вид обратной связи используется в этой схеме? Как этот вид ООС влияет на параметры усилителя?

7.5.4 Назовите основные факторы, приводящие к появлению температурного дрейфа нуля операционного усилителя.

7.5.5 Нарисуйте схему интегрирующего усилителя. Объясните принцип действия схемы.

7.5.6 Нарисуйте схему дифференцирующего усилителя. Объясните принцип действия схемы.

7.5.7 Нарисуйте схему повторителя напряжения. Укажите его особенности и назначение.

7.5.8 Нарисуйте схему дифференциального усилителя. Укажите его достоинства и недостатки.

7.5.9 Нарисуйте схему генератора сигналов треугольной формы. Объясните принцип действия схемы.

8 Лабораторная работа №8. Исследование однофазного источника питания с параметрическим стабилизатором напряжения

8.1 Цель работы

Изучить структурную схему источника питания с однофазным мостовым выпрямителем и параметрическим стабилизатором напряжения.

Ознакомиться с основными понятиями преобразовательной техники, с назначениями и характеристиками основных элементов схемы источника питания.

Снять осциллограммы кривых напряжения на различных участках схемы источника питания, а также снять внешнюю характеристику выпрямителя со стабилизатором и без него.

Оформить графики и составить отчет.

8.2 Основные положения

Схемы однофазных одно- и двухполупериодного выпрямителей с емкостным фильтром Cф представлены на рисунке 8.1.

Кривые мгновенных значений выпрямленного напряжения для однополупериодной схемы приведены на рисунке 8.2

Емкость фильтра можно рассчитать по формуле

.  (8.1)

Здесь для упрощения расчетной формулы логарифмическая функция аппроксимирована прямой, проходящей через точки с координатами (0,-1) и (1,0), т.е. . Это допустимо когда аргумент функции близок к единице. fосн.гарм. – частота основной гармоники выпрямленного напряжения. Для однофазной однополупериодной схемы fосн.гарм.=50Гц, двухполупериодной схемы – fосн.гарм.=100Гц. Для трехфазных выпрямителей частота увеличивается, соответственно, в 3 раза.

Принципиальная схема источника питания с однофазным мостовым выпрямителем и параметрическим стабилизатором напряжения представлена на рисунке 8.3.

Диоды VD1 … VD4 образуют однофазную мостовую схему выпрямителя. Такую схему выпрямления используют для получения постоянных напряжений величиной от единиц до нескольких сотен вольт при токах в нагрузке от десятков миллиампер до сотен ампер.

Емкости С1, С2 и резистор Rбал образуют сглаживающий фильтр, необходимый для подавления пульсации выходного напряжения частотой 100 Гц.

Для поддержания неизменного напряжения на нагрузке Rн при изменении напряжения питающей сети, температуры окружающей среды и при воздействии других факторов служит параметрический стабилизатор напряжения, состоящий из балластного резистора Rбал и стабилитрона VD5. Ток I0 через резистор Rбал равен сумме тока нагрузки и тока, протекающего через стабилитрон.

При увеличении напряжения U0 на входе стабилизатора ток через стабилитрон в соответствии с его вольтамперной характеристикой резко увеличивается, что приводит к увеличению тока через резистор Rбал и, соответственно, напряжения на нем. Напряжение на стабилитроне и на нагрузке при этом практически не изменяется. При уменьшении входного напряжения, наоборот, падение напряжения на Rбал уменьшается таким образом, что напряжение на стабилитроне и нагрузке остается неизменным.

Изменение выходного напряжения стабилизатора в зависимости от тока нагрузки характеризуется коэффициентом стабилизации напряжения kст.

Коэффициент стабилизации напряжения для параметрического стабилизатора (рисунок 8.3) равен                                                      (8.2)

где Rд – дифференциальное сопротивление стабилитрона.

Коэффициент стабилизации показывает, во сколько раз относительное изменение напряжения на входе стабилизатора больше относительного изменения напряжения на его выходе.

Коэффициент сглаживания пульсаций характеризует фильтрующие свойства стабилизатора. Он показывает, во сколько раз относительное значение пульсаций напряжения на входе фильтра превышает относительное значение пульсаций напряжения на его выходе, то есть напряжения на нагрузке.

                                                (8.3)

где  – амплитудные значения пульсации напряжения (переменной составляющей) на входе и выходе стабилизатора, соответственно;

 – средние значения напряжений (постоянные составляющие) на входе и выходе стабилизатора, соответственно.

Помимо перечисленных выше параметров, характеризующих качество стабилизации напряжения, такие устройства также оцениваются внутренним сопротивлением, температурным коэффициентом стабилизации и коэффициентом полезного действия.

8.3 Подготовка к работе

Приготовить заготовку отчёта о проведении лабораторной работы, где должны быть нарисованы исследуемые схемы и соответствующие графики входных и выходных сигналов.

Ответить на вопросы для самопроверки (пункт 8.6).

8.4 Программа и порядок выполнения работы

8.4.1 Исследование схем однофазных выпрямителей

8.4.1.1 Соберите схему однофазного однополупериодного выпрямителя, представленную на рисунке 8.1а). Здесь простейшим выпрямителем служит обычный полупроводниковый диод VD, включенный последовательно с нагрузкой в цепь переменного тока.

Uвх=10…15В, VD – КД 103А, Rн = 300…1000Ом, C = 25…50мкФ.

 

 

а) однополупериодный          б) двухполупериодный (мостовая схема)

Рисунок 8.1 – Схемы однофазных выпрямителей с емкостным фильтром

 

а) без емкостного фильтра

 

а) с емкостным фильтром

Рисунок 8.2 – Кривые мгновенных значений выпрямленного напряжения для однополупериодной схемы

 

Снимите осциллограммы входного и выходного напряжений выпрямителя при отсутствии конденсатора С. Определите амплитудное значение выпрямленного напряжения. Сравните полученное значение с теоретически ожидаемым. Измерьте значения выходного напряжения Uн и тока нагрузки Iн.

Подключите конденсатор С. Снимите осциллограммы входного и выходного напряжений выпрямителя. Определите амплитудное значение пульсации полученного сигнала. Измерьте значения выходного напряжения  и тока нагрузки .

Сравните эти значения с соответствующими значениями, полученными при отсутствии конденсатора С.

8.4.1.2 Соберите мостовую схему однофазного двухполупериодного выпрямителя, представленную на рисунке 8.1б.

Uвх=10…15В, VD1VD4 – КД 103А, Rн = 300…1000Ом, C = 25…50мкФ.

Повторите измерения, выполненные в предыдущем пункте.

8.4.2 Исследование схемы источника питания

Соберите схему источника питания, представленную на рисунке 8.2. Uвх=10…15В, VD1VD4 – КД 103А, VD5 – КС 213Б, Rбал = 50Ом, Rн = 250…1000Ом, C1 = C2 = 25…50мкФ.

 

 

Рисунок 8.3 – Принципиальная схема источника питания

Снимите осциллограммы напряжений в точках X3X4 и X6X7. По осциллограммам определите коэффициент сглаживания пульсаций стабилизатора sсгл. Также, по полученным данным определите коэффициент стабилизации напряжения .

При изменении сопротивления нагрузки изменяется ток нагрузки , что приводит к изменению выходного напряжения . Необходимо снять внешнюю (нагрузочную) характеристику источника питания, которая определяется зависимостью среднего значения напряжения (постоянная составляющая напряжения) от среднего значения тока нагрузки  при изменении сопротивления нагрузки Rн от 1000Ом до 250Ом.

Исключите из схемы стабилитрон VD5 и снимите повторно внешнюю характеристику источника питания. Постройте обе внешние характеристики на одном рисунке. Сравните полученные внешние характеристики между собой.

8.5 Методические указания

Амплитудное значение пульсации выпрямленного напряжения измеряют по осциллограммам, полученным при положении переключателя режима работы входа осциллографа – «переменное напряжение» (~). В данном положении последовательно с входом включается конденсатор, чтобы исключить из входного сигнала постоянную составляющую.

Теоретически ожидаемое амплитудное значение Um теор. определяется исходя из измеренного значения входного напряжения с учетом падения прямого напряжения на диоде VD.

Постоянные составляющие напряжений  и тока измеряют вольтметром и амперметром, соответственно, при положении переключателя режима измерения постоянных значений (DC). Действующие значения переменных составляющих этих величин измеряют при положении переключателя режима измерения переменных значений (AC).

Коэффициенты sсгл и kст определяют исходя из выражений (8.2) и (8.3).

8.6 Вопросы для самопроверки.

8.6.1 Какую роль выполняет резистор Rбал в схеме стабилизатора?

8.6.2 Объясните незначительный наклон внешней характеристики параметрического стабилизатора при работе на активную нагрузку.

8.6.3 Рассчитайте значение емкости конденсатора фильтра Сф для схем, показанных на рисунке 8.1, чтобы пульсация напряжения от пика до пика ΔU=2Uн~ равнялась 1В при токе нагрузки Iн = 100мА и частоте напряжения f= 50Гц.

8.6.4 Определить максимальный ток стабилизации стабилитрона Iст.max в параметрическом стабилизаторе при Uвх = 10…15В, Uст = 13В, Rн = 300…1000Ом и Iст.min = 5мА.

Приложение

Электрические параметры диода и стабилитрона

диод КД 103А:

Постоянное прямое напряжение при                      ;

Постоянный обратный ток при                     ;

Постоянное обратное напряжение                                     50В;

Среднее значение выпрямленного тока                        ;

стабилитрон КС 213Б:

Напряжение стабилизации                                           13В;

Ток стабилизации минимальный                               3мА;

Ток стабилизации максимальный                          10мА;

Номинальный ток стабилизации                                  5мА;

Дифференциальное сопротивление Rд                               25Ом;

и при токе                                                             5Ом.

9 Лабораторная работа №9. Исследование логических элементов

9.1 Цель работы

Ознакомиться и исследовать основные функции базовых логических элементов: И, ИЛИ, Исключающее ИЛИ и буферного элемента, а также, их инверсные варианты.

9.2 Основные положения и методические указания

Простейшими элементами цифровых устройств являются логические элементы (ЛЭ). В зависимости от выполняемых функций каждый ЛЭ имеет своё название и соответствующее графическое обозначение. На рисунке 9.1 показаны обозначения базовых логических элементов, принятые в программе "Electronics Workbench" (EWB) [Л. 1], а на рисунке 9.2 – принятые в отечественной литературе, соответственно.

а)                 б)                в)                г)

Рисунок 9.1 – Графические обозначения логических элементов в EWB. В первом ряду – буфер (а), И (б), ИЛИ (в), Исключающее ИЛИ (г), во втором ряду – их инверсные варианты, соответственно.

а)                 б)                в)                г)

Рисунок 9.2 – Графические обозначения логических элементов, принятые в отечественной литературе. В первом ряду – буфер (а), И (б), ИЛИ (в), Исключающее ИЛИ (г), во втором ряду – их инверсные варианты, соответственно.

Электромеханические имитаторы двухвходовых ЛЭ И и И-НЕ показаны на рисунке 9.3 а) и б), соответственно.

а)                                                                                 б)

Рисунок 9.3 – Имитаторы двухвходовых ЛЭ И (а) и И-НЕ (б)

В качестве примера рассмотрим исследование логического элемента Исключающее ИЛИ. Схема для исследования приведена на рисунке 9.4.

Рисунок 9.4 – Схема для исследования ЛЭ Исключающее ИЛИ

На входы ЛЭ с помощью ключей А и B, управляемых клавишами А и B, можно подать постоянное напряжение U = 5 B, при этом светятся соответствующие индикаторы, подключенные к входам ЛЭ. Это напряжение соответствует сигналу логической единицы – 1. Другое положение ключа – подключение к нулевому потенциалу соответствует сигналу логического нуля – 0. При этом гаснут соответствующие индикаторы. Состояние на выходе ЛЭ q контролируется также световым индикатором.

Для исследования работы ЛЭ необходимо поочередно подать на его входы все возможные комбинации входных сигналов (для двухвходовых ЛЭ возможных комбинаций четыре: 00, 01, 10 и 11) и зафиксировать соответствующие выходные сигналы. Результат исследования необходимо представить в виде таблицы истинности.

Таблица 9.1 – Таблица истинности ЛЭ Исключающее ИЛИ

x1

x2

Q

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

0

Кратко таблица истинности ЛЭ записывается в виде булева выражения. Булева алгебра включает в себя два действия: знак сложения "+" соответствует логической операции ИЛИ и знак умножения "×" – логической операции И. Булево выражение может состоять из одного или нескольких слагаемых, каждое из которых соответствует выходному сигналу ИСТИНА, т.е. сигналу логической единицы на выходе ЛЭ. Например, для рассмотренного выше ЛЭ Исключающее ИЛИ булево выражение имеет вид

где x1=1; ; x2=1; .

Аналогично исследуются и остальные ЛЭ.

Необходимо отметить, что основными логическими элементами считаются два элемента: Инвертирующий Буфер (НЕ) и И-НЕ. Так как, используя только эти элементы, можно составить схему, функционально соответствующую любому из вышеназванных ЛЭ. В качестве примера приведем такую схему для ЛЭ Исключающее ИЛИ, которая представлена на рисунке 9.5.

Рисунок 9.5 – Функциональная схема ЛЭ «Исключающее ИЛИ» на базе основных ЛЭ: НЕ и И-НЕ

9.3 Подготовка к работе

9.3.1 Составить таблицы истинности и булевы выражения для восьми логических элементов, представленных на рисунках 9.1 и 9.2.

9.3.2 Составить функциональные схемы всех ЛЭ, используя основные ЛЭ: НЕ и И-НЕ.

9.3.3 Разработать схемы электромеханических имитаторов двухвходовых логических элементов, представленных на рисунке 9.2 (за исключением элементов И и И-НЕ).

9.4 Программа и порядок выполнения работы

9.4.1 Исследовать электромеханические имитаторы логических элементов по схемам, приведенным на рисунке 9.3. Управление ключами осуществляется клавишами А и B, соответственно.

Замкнутый ключ соответствует входному сигналу логической единицы, а разомкнутый – логического нуля. Состояние выходного сигнала Q контролируется световым индикатором. Светящийся индикатор соответствует сигналу логической единицы, а погашенный – логического нуля.

Составить таблицы истинности имитаторов, используя схемы на рисунке 9.3, и сверить с составленными таблицами для этих элементов при подготовке к работе (п. 9.3.1).

9.4.2 Исследовать все логические элементы, представленные на рисунке 9.1, по методике описанной в п. 9.4.1 и записать соответствующие булевы выражения. Сверить полученные таблицы истинности и их булевы выражения с составленными при подготовке к работе (п. 9.3.1).

9.4.3 Исследовать одну из функциональных схем ЛЭ (по указанию преподавателя), составленных при подготовке к работе (п. 9.3.2).

10 Лабораторная работа №10. Исследование цифровых триггеров

10.1 Цель работы

Ознакомиться с принципом действия, основными свойствами и параметрами трёх типов триггеров RS, JK и D.

10.2 Перечень оборудования

Работа выполняется на персональном компьютере Pentium 160 и выше в программе "Electronics Workbench" (EWB) [Л. 1].

10.3 Задание

Ознакомиться и исследовать основные функции RS-, JK- и D-триггеров.

10.4 Основные положения

10.4.1 Триггер – это устройство, имеющее два устойчивых состояния. В зависимости от комбинации входных сигналов триггер переключается в одно из них. Различают три основных типа триггеров: RS, JK и D. Их условные обозначения, принятые в программе EWB, показаны на рисунке 10.1, а принятые в отечественной литературе – на рисунке 10.2.

 

а)                          б)                          в)

Рисунок 10.1 – Графические обозначения RS-триггеров (а), JK-триггеров (б) и D-триггеров (в), принятые в программе EWB

 

а)                          б)                          в)

Рисунок 10.2 – Графические обозначения RS-триггеров (а), JK-триггеров (б) и D-триггеров (в), принятые в отечественной литературе

Рассмотрим назначение выводов триггеров. Для всех триггеров выходы Q – прямой и Q' – инверсный. Для RS-триггера R (reset) – установка триггера в 0, т.е. при сигнале 1 на этом входе на выходах Q = 0, Q' = 1; S (set) – установка триггера в 1, т.е. при сигнале 1 на этом входе на выходах Q = 1, Q' = 0; комбинация R = 1 и S = 1 не изменяет состояния выходов и относится к запрещённым. Для JK-триггера J и K – информационные входы, C(или >) – тактовый вход; вывод сверху S – асинхронная предустановка на выходе триггера Q = 1 независимо от сигналов на входах J и K (функционально аналогичен входу S RS-триггера); вывод снизу R – асинхронная предустановка на выходе триггера Q = 0; информация с входов J и K передаётся на выход при прохождении тактового импульса по его переднему (или заднему) фронту. Для D-триггера вход D – информационный, состояние этого входа при прохождении тактового импульса запоминается на выходе триггера, т.е. при D = 1, имеем Q = 1 и при D = 0, Q =0.

10.4.2 Исследование работы RS-, JK- и D-триггеров будем проводить с помощью соответствующих схем, хранящихся в папке ЛРЭТ в файлах: RStr.ewb, JKtr.ewb и Dtr.ewb.

В качестве примера рассмотрим исследование JK-триггера. Схема для исследования приведена на рисунке 10.3. На входы JK-триггера с помощью соответствующих ключей S, R, J и K, управляемых одноименными клавишами, можно подавать напряжение высокого и низкого уровней. Высокий уровень напряжения (5 В) соответствует сигналу – 1, а низкий уровень (0…2,4 В) – сигналу – 0. С помощью ключа Space (управляется клавишей Пробел) на тактовом входе триггера можно организовать положительный (от 0 до 5В) и отрицательный (с 5В до 0) перепады напряжения, соответствующие фронту и спаду тактового импульса. Уровни напряжения на входах и выходах триггера контролируются световыми индикаторами. Подавая различные комбинации сигналов на асинхронные (S и R) и информационные (J и K) входы триггера, а также организовывая двойным нажатием на клавишу Space (пробел) тактовый импульс, подаваемый на тактовый вход триггера, можно исследовать работу и получить таблицу переключений триггера. Таблица переключений JK-триггера приведена ниже (таблица 10.1).

Таблица 10.1 – таблица переключений JK-триггера

S

R

J

K

C

Q

Q'

Примечание

1

1

x

x

x

1

1

запрещено

0

1

x

x

x

0

1

 

1

0

x

x

x

1

0

 

0

0

0

0

x

x

нет изменений на выходе

0

0

0

1

0

1

 

0

0

1

0

1

0

 

0

0

1

1

x

x

сигналы на выходе меняются с каждым тактовым импульсом

 

Рисунок 10.3 – Схема для исследования JK-триггера

Аналогично исследуются и остальные триггеры.

10.4.3 Исследование работы триггеров можно проводить также с помощью генератора слова (Word Generator, его краткое описание дано в п. 8.4.2 лабораторной работы №8) и логического анализатора (Logic Analyzer). Логический анализатор позволяет отобразить на экране своего монитора временные диаграммы 16-ти цифровых сигналов в электрической цепи одновременно, что очень удобно для анализа работы цифровых схем. Длительность развертки задаётся в окне "Clocks per division". Подключение исследуемого триггера к генератору слова и анализатору видно из рисунка 10.4, где в качестве примера приведена схема для исследования JK-триггера. Нажатием клавиши STEP на панели генератора слова подаём последовательность из 10…12-ти трёхбитовых логических слов, которые задают различные комбинации входных сигналов и тактовых импульсов триггера. При этом, входы предустановки обнулены, т.е. S = 0 и R = 0 (ключи S и R в нижнем положении). Затем, с целью проверки асинхронной предустановки триггера в единичное состояние, переводим ключ S в верхнее положение (клавишей S на клавиатуре), что соответствует сигналу S = 1, и подаём на входы триггера последовательность из 5…6 логических слов.

 

Рисунок 10.4 – Схема для исследования JK-триггера с применением генератора слова (Word Generator) и логического анализатора (Logic Analyzer)

Далее, возвращаем ключ S в нижнее положение и, с целью асинхронного обнуления выхода триггера, переводим ключ R в верхнее положение (клавишей R на клавиатуре), что соответствует сигналу R = 1. Подаём на входы триггера последовательность из 5…6 логических слов. В результате этих действий на мониторе анализатора получим временные диаграммы следующих сигналов: асинхронной предустановки [S] и обнуления [R], на входах J и K, на выходах Q и Q' и тактовых импульсов C (рисунок 10.5). По временным диаграммам можно составить таблицу переключений триггера.

10.5 Подготовка к работе

10.5.1 Подобрать по справочнику [Л2] микросхемы с RS-, JK- и D-триггерами. Объяснить назначение выводов микросхем и принцип работы.

10.5.2 Составить таблицы переключений для триггеров трёх типов: RS, JK и D.

10.6 Программа и порядок выполнения работы

10.6.1 Исследовать RS-, JK- и D-триггеры по методике, описанной в п. 10.4.2 и составить таблицы переключений этих триггеров. Исследование проводить с помощью соответствующих схем, хранящихся в папке ЛРЭТ в файлах: RStr.ewb, JKtr.ewb и Dtr.ewb.

       S

       R

       J

       K

       Q

           Q'

       C

 

Рисунок 10.5 – Временные диаграммы работы JK-триггера

10.6.2 Снять временную диаграмму RS-, JK- или D-триггера (по указанию преподавателя) по методике, описанной в п. 10.4.3. Схемы для исследования этих триггеров хранятся в папке ЛРЭТ в соответствующих файлах: RStrWG.ewb, JKtrWG.ewb и DtrWG.ewb.

10.6.3 По временной диаграмме составить таблицу переключений триггера и сравнить ее с таблицей, составленной при подготовке к работе в п. 10.5.2.

10.7 Контрольные вопросы

10.7.1 Какие типы триггеров Вы знаете, чем обусловлено их многообразие?

10.7.2 Объясните, чем отличаются RS-, JK- и D-триггеры?

10.7.3 В чём заключается основное свойство триггера?

Список литературы

1.    Электротехника и электроника: Учебник для вузов./Под ред. Б.И. Петленко. – М.: Академия, 2003. – 230 с.

2.    Электротехника и электроника: Учебник для вузов. В 3-х кн. Кн.3. Электрические измерения и основы электроники. /Под ред. проф. В.Г. Герасимова. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 432 с.

3.    Касаткин А.С., Немцов М.В., Электротехника – М.: Энергоатомиздат, 1983.

4.    Электротехника / Под ред. В.С. Пантюшина – М.: Высш. школа, 1976. – 560с.

5.    Сборник задач по электротехнике и основам электроники: Учеб. пособие для неэлектротехн. спец. вузов. /Под ред. В.Г. Герасимова – М.: Высш. школа, 1987. – 288 с.

6.    Данилов И.А., Иванов П.И. Общая электротехника с основами электроники: Учеб. пособие – М.: Высш. школа, 2000. – 752 с.

7.    Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях. Практикум на Electronics Workbench. В 2-х т. /Под ред. Д.И. Панфилова. – М.: ДОДЭКА, 1999. – т. 1. – Электротехника. – 304 с.

8.    Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях. Практикум на Electronics Workbench. В 2-х т. /Под ред. Д.И. Панфилова. – М.: ДОДЭКА, 2000. – т. 2. – Электроника. – 288 с.

9.    Лачин В.И. Электроника – М., 2000.