Приборы на панели приборов

Кроме описанных амперметра и вольтметра, в Electronics Workbench имеется семь приборов с многочисленными режимами работы, каждый из которых можно использовать в схеме только один раз. Эти приборы расположены на соответствующей панели (рисунок 9).

Рисунок 9 – Панель приборов с мночисленными режимами работы

Мультиметр используется для измерения: напряжения (постоянного и переменного), тока (постоянного и переменного), сопротивления, уровня напряжения в децибелах. Для настройки мультиметра нужно двойным щелчком мыши на его уменьшенном изображении открыть его увеличенное изображение (рисунок 10). На увеличенном изображении нажатием левой кнопки мыши выбирается: измеряемая величина по единицам измерения: А, V, или dB; вид измеряемого сигнала: переменный или постоянный; режим установки параметров мультиметра.

Рисунок 10 – Увеличенное изображение мультиметра

Установка вида измеряемой величины производится нажатием соответствующей кнопки на увеличенном изображении мультиметра. Нажатие кнопки устанавливает мультиметр для измерения действующего значения переменного тока и напряжения, постоянная составляющая сигнала при измерении не учитывается. Для измерения постоянных напряжения и тока нужно на увеличенном изображении мультиметра нажать кнопку .

Для измерения тока необходимо подключить мультиметр последовательно в ветвь схемы, в которой нужно провести измерение, включить схему. На табло мультиметра появится измеренное значение тока в ветви. Для измерения напряжения необходимо подключить мультиметр параллельно участку схемы, на котором нужно измерить напряжение, включите схему.

Мультиметр – единственный в Electronics Workbench стандартный прибор, предназначенный для измерения сопротивления. Для использования мультиметра в качестве омметра необходимо подсоединить его параллельно участку цепи, сопротивление которого нужно измерить, на увеличенном изображении мультиметра нажать кнопку и кнопку () переключения в режим измерения постоянного тока; включить схему. На табло мультиметра при этом появится измеренное значение сопротивления. Чтобы избежать ошибочных показаний, схема должна иметь соединение с землей и не иметь контакта с источниками питания. Источники питания должны быть исключены из схемы, причем идеальный источник тока должен быть заменен разрывом цепи, а идеальный источник напряжения – короткозамкнутым участком.

Осциллограф, имитируемый программой Electronics Workbench, представляет собой аналог двулучевого запоминающего осциллографа и имеет две модификации: простую и расширенную. Расширенная модификация по своим возможностям приближается к лучшим цифровым запоминающим осциллографам. Подключать осциллограф можно к уже включенной схеме или во время работы схемы переставить выводы к другим точкам – изображение на экране осциллографа изменится автоматически.

В ходе анализа работы схемы нередко возникает необходимость замедлить процесс моделирования, чтобы на экране осциллографа было удобно визуально воспринимать информацию. Это необходимо, например, при исследовании переходных процессов или когда в ходе эксперимента нужно переключить ключ в определенный момент. Для этого нужно увеличить количество расчетных точек на цикл. Это можно сделать, выбрав пункт Analysis Options в меню Circuit и установив в строке Time domain points per cycle требуемое значение (обычно достаточно 500 точек). По умолчанию количество точек равно 100. Облегчить анализ осциллограмм может включение режима Pause after each screen (Пауза после каждого экрана). В этом режиме расчет схемы останавливается после того, как луч осциллографа проходит весь экран. Это часто бывает необходимым при затруднениях с синхронизацией изображения на экране осциллографа. Чтобы продолжить расчет схемы, выберите пункт Resume (Продолжить) меню Circuit или нажмите клавишу F 9 на клавиатуре. Остановить процесс расчета схемы в любой момент времени можно нажатием клавиши F 9 или выбором пункта Pause (Пауза) в меню Circuit. Продолжить расчет можно повторным нажатием клавиши F 9 или выбором пункта Resume меню Circuit. Нажатие кнопки «Пуск» в правом верхнем углу экрана прекращает расчет схемы.

На схему выводится уменьшенное изображение осциллографа, общее для обеих модификаций. На этом изображении имеется четыре входных зажима:

– верхний правый зажим – общий (вывод называют общим потому что потенциал на этом выводе является общей точкой, относительно которой осциллограф измеряет напряжение; обычно этот вывод заземляют, чтобы осциллограф измерял напряжение относительно нуля; на панели осциллографа этот вывод обозначен «ground»);

– нижний правый – вход синхронизации;

– левый и правый нижние зажимы представляют собой соответственно вход канала А (channel А) и вход канала В (channel В).

Двойным щелчком мыши по уменьшенному изображению открывается изображение передней панели простой модели осциллографа с кнопками управления, информационными полями и экраном (рисунок 11).

Рисунок 11 – Передняя панель модели осциллографа

Для проведения измерений осциллограф нужно настроить, для чего следует задать:

– расположение осей, по которым откладывается сигнал;

– нужный масштаб развертки по осям;

– смещение начала координат по осям;

– режим работы по входу: закрытый или открытый;

– режим синхронизации: внутренний или внешний.

Настройка осциллографа производится при помощи полей управления, расположенных на панели управления: поле управления горизонтальной разверткой (масштабом времени); поле управления синхронизацией (запуском); поле управления каналом А; поле управления каналом В.

Управление масштабом времени поле управления горизонтальной разверткой (масштабом времени) служит для задания масштаба горизонтальной оси осциллографа при наблюдении напряжения на входах каналов А и В в зависимости от времени. Временной масштаб задается в с/дел, мс/дел, мкс/дел, нс/дел (s / di v, ms / di v, ms / di v, ns / di v соответственно). Величина одного деления может быть установлена от 0.1 нс до 1 с, масштаб может дискретно уменьшаться на один шаг при щелчке мышью на кнопке справа от поля и увеличиваться при щелчке на кнопке . Чтобы получить удобное для наблюдения изображение на экране осциллографа, установите масштаб времени таким образом, чтобы цена двух делений на горизонтальной оси примерно была равна величине, обратно пропорциональной частоте исследуемого сигнала, т.е. составляла бы период сигнала. Если нужно исследовать сигнал с частотой 1 KHz, установите масштаб времени, равный 0.05 ms.

С помощью кнопок , расположенных в поле строки Х POS, можно дискретно сдвигать начало осциллограммы по горизонтальной оси. В этом же поле расположены три кнопки: Y / T, А / В, В / А, позволяющие задавать вид зависимости отображаемых сигналов. При нажатии на кнопку Y / T по вертикальной оси откладывается напряжение, по горизонтальной оси – время, при нажатии на кнопку А / В по вертикальной оси откладывается амплитуда напряжения на входе канала А, по горизонтальной оси – канала В и при нажатии на кнопку В / А наоборот. При этом масштаб осей определяется установками соответствующих каналов. В режимах А / В и В / А можно наблюдать частотные и фазовые сдвиги (фигуры Лиссажу), петли гистерезиса, вольтамперные характеристики и т.д.

Управление каналами А и В. Две нижних части панели осциллографа являются полями управления отображением сигналов, поданных на входы каналов А и В соответственно. Верхнее окно в поле позволяет управлять масштабом оси отображаемого напряжения по вертикальной или горизонтальной оси. Цена деления может дискретно устанавливаться от 10 m v/ di v до 5 K v/ di v. Масштаб для каждой оси устанавливается отдельно. Чтобы получить удобное для работы изображение на экране осциллографа перед началом эксперимента, установите масштаб, соответствующий ожидаемому напряжению. Например, при подаче на вход переменного сигнала амплитудой 3 В установите масштаб вертикальной оси Y 1 V / di v.

Ниже расположено поле, которое позволяет дискретно сдвигать ось Х вверх или вниз. Для того чтобы развести изображения от каналов А и В, воспользуйтесь сдвигом по оси Y (Y POS) для одного или двух каналов.

Три нижние кнопки реализуют различные режимы работы входа осциллографа по входу. Режим работы осциллографа с закрытым входом устанавливается нажатием на кнопку АС. В этом режиме на вход не пропускается постоянная составляющая сигнала. При нажатии на кнопку DC осциллограф переходит в режим с открытым входом. В этом режиме на вход осциллографа пропускается как постоянная, так и переменная составляющая сигнала. При нажатии на кнопку 0 вход осциллографа соединяется с общим выводом осциллографа, что позволяет определить положение нулевой отметки по оси Y.

Поле управления синхронизацией – верхнее правое поле управления TRIGGER определяет момент начала отображения осциллограммы на экране осциллографа. Кнопки в строке EDGE задают момент запуска осциллограммы по фронту или по срезу импульса на входе синхронизации. Поле LEVEL позволяет задавать уровень, при превышении которого происходит запуск осциллограммы. Значение уровня можно сдвинуть на 3 деления вниз или вверх.

Осциллограф имеет четыре режима синхронизации: автоматический режим (AUTO) – запуск осциллограммы производится автоматически при подключении осциллографа к схеме или при ее включении, когда «луч» доходит до конца экрана, осциллограмма снова прописывается с начала экрана (новый экран); режимы запуска по входу «А» или «В», в которых запускающим сигналом является сигнал, поступающий на соответствующий вход; режим «Внешний запуск» (ЕХТ – external), в этом случае сигналом запуска является сигнал, подаваемый на вход синхронизации. Если не видно сигнала на осциллографе или сигнал слабый, нажмите кнопку AUTO.

Расширенная модификация осциллографа. Нажатие клавиши ZOOM на панели простой модели открывает окно расширенной модели осциллографа (рисунок 12).

Рисунок 12 – Расширенная модель осциллографа

Панель расширенной модели осциллографа, в отличие от простой модели, расположена под экраном и дополнена тремя информационными табло, на которые выводятся результаты измерений. Кроме того, непосредственно под экраном находится линейка прокрутки, позволяющая наблюдать любой временной отрезок процесса от момента включения до момента выключения схемы. В сущности, расширенная модель осциллографа это совершенно другой прибор, позволяющий намного удобнее и более точно проводить численный анализ процессов. На экране осциллографа расположены два курсора, обозначаемые 1 и 2, при помощи которых можно измерить мгновенные значения напряжений в любой точке осциллограммы. Для этого просто перетащите мышью курсоры за треугольники в их верхней части в требуемое положение. Координаты точек пересечения первого курсора с осциллограммами отображаются на левом табло, координаты второго курсора – на среднем табло. На правом табло отображаются значения разностей между соответствующими координатами первого и второго курсоров.

Результаты измерений, полученные при помощи расширенной модели осциллографа, можно записать в файл. Для этого нажмите кнопку Save (Сохранить) и в диалоговом окне введите имя файла. Файлу присваивается расширение *. scp. Он представляет собой текстовый файл в ASCII кодах, в котором записаны данные о значениях напряжений в точках подключения осциллографа через интервал времени, равный масштабу горизонтальной развертки. Чтобы вернуться к прежнему изображению осциллографа, нажмите клавишу REDUCE, расположенную в правом нижнем углу.

Задание 2. Измерить электрические параметры с помощью мультиметра.

1 Для измерения напряжения собрать виртуальную диодную схему (рисунок 13).

Рисунок 13 – Схема для измерения напряжения на диоде

при прямом смещении

2 Включить моделирование работы схемы. Мультиметр покажет напряжение на диоде при прямом смещении.

3 Изменить полярность включения диода, снять показания мультиметра. Теперь мультиметр покажет напряжение на диоде при обратном смещении. Записать показания в таблицу 1.

4 Вычислить ток диода при прямом и обратном смещении согласно формулам:

,

где – ток диода в прямом направлении; Е – напряжение источника питания; – напряжение на диоде в прямом направлении;

,

где – ток диода в обратном направлении; – напряжение на диоде в обратном направлении.

Таблица 1– Электрические параметры исследуемого диода

Напряжение при прямом смещении,	измерение
расчет
Напряжение при обратном смещении,	измерение
расчет
Ток при прямом смещении,	расчет
Ток при обратном смещении,	расчет

5 Для измерения тока собрать схему (рисунок 14).

Рисунок 14 – Схема для измерения тока диода при прямом смещении

6 Включить схему. Мультиметр покажет ток диода при прямом смещении.

7 Перевернуть диод и снова запустить схему. Теперь мультиметр покажет ток диода при обратном смещении. Записать показания в таблицу 2.

Таблица 2 – Значения токов исследуемого диода

Ток при прямом смещении, (измерение)
Ток при обратном смещении, (измерение)

8 Сравните полученные результаты (таблица 1, таблица 2).

9 Сделать вывод.

Задание 3. Исследовать вольт-амперную характеристику выпрямительного диода.

1 Для построения прямой ветви вольт-амперной характеристики собрать виртуальную диодную схему (рисунок 15).

Рисунок 15 – Схема для снятия вольт-амперной характеристики диода

2 Включить схему. Последовательно устанавливая значения ЭДС источника, равные 5 В; 4 В; 3 В; 2 В; 1 В; 0.5 В; 0 В, записать значения напряжения и тока диода в таблицу 3а.

3 Для построения обратной ветви диода необходимо перевернуть диод. Последовательно устанавливая значения ЭДС источника, равные 0 В; 0.1 В; 0.2 В; 1 В; 10 В; 15 В, записать значения тока и напряжения в таблицу 3б.

Таблица 3а – Прямая ветвь ВАХ

Е, В						0.5
, В
, А

Таблица 3б – Обратная ветвь ВАХ

Е, В		0.1	0.2	0.5
. мВ
, мкА

4 По полученным данным построить графики = f () и = f ().

Задание 4. Получить вольт-амперную характеристику на экране осциллографа.

1 Собрать диодную схему (рисунок 16).

Рисунок 16 – Схема для получения ВАХ исследуемого диода

2 Включить виртуальную диодную схему. На вольт-амперной характеристике, появившейся на экране осциллографа (рисунок 17), по горизонтальной оси считывается напряжение на диоде в милливольтах (канал А), а по вертикальной – ток в миллиамперах (канал В), 1 мВ соответствует 1 мА.

Рисунок 17 – Передняя панель осциллографа

3 Зарисовать осциллограмму.

Задание 5. Исследовать работу однополупериодного выпрямителя.

1 Собрать виртуальную схему однополупериодного выпрямителя (рисунок 18).

Рисунок 18 – Схема для исследования входного и выходного напряжения однополупериодного выпрямителя

2 Включить виртуальную схему. На вход А осциллографа подается выходной сигнал, а на вход В – входной.

3 Зарисовать полученные осциллограммы (рисунок 19).

Рисунок 19 – Осциллограммы входного и выходного напряжения однополупериодного выпрямителя

4 Измерить и записать максимальные входные и выходные напряжения.

5 Вычислить среднее значение выходного напряжения U д (постоянная составляющая) по формуле

.

6 Записать постоянную составляющую напряжения на выходе, измеренную мультиметром.

Контрольные вопросы

1 Сравните напряжения на диоде при прямом и обратном смещении по порядку величин. Почему они различны?

2 Сравните токи через диод при прямом и обратном смещении по порядку величин. Почему они различны?

3 Что такое ток насыщения диода?

4 Намного ли отличаются прямое и обратное сопротивления диода? Можно ли по этим измерениям судить об исправности диода?

5 Укажите назначение полупроводниковых диодов, область их применения.

6 Приведите условное графическое обозначение различных видов полупроводниковых диодов.

7 Какое устройство называется стабилитроном? Объясните, на каких участках ВАХ можно рассмотреть работу стабилитрона.

8 Какое устройство называется варикапом? Объясните, на каких участках ВАХ можно рассмотреть работу варикапа.

9 Что представляют собой туннельные диоды, СВЧ-диоды?

10 Укажите особенности построения точечных и плоскостных диодов.

11 Приведите примеры использования диодов.