Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «М осковский государственный университет

путей сообщения»

Кафедра «Электроника и защита информации»

УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД ПО ЭЛЕКТРОНИКЕ

Рекомендовано редакционно-издательским советом университета в качестве методических указаний

для студентов специальностей «Системы обеспечения движения поездов»,

«Компьютерная безопасность» и «Управление в технических системах».

М осква - 2012

УДК 621.38

К 21

Караулов А.Н., Кабов С.Ф., Клепцов М.Я., Стряпкин Л И . Универсальный лабораторный стенд по электронике: Методические указания к лабораторной работе - М.: МИИТ, 2012.-53 с.

Описывается универсальный учебный стенд, предназначенный для выполнения экспериментов над полупроводниковыми структурами и элементами схем, составленных из таких структур.

При создании стенда преследовались следующиецели:

1) Сделать объект эксперимента максимально доступным для экспериментатора.

2) Предельно приблизить условия эксперимента к условиям, реально существующим в современных научно-исследовательских и производственных организациях.

Методические указания подготовлены по циклу лабораторных работ дисциплин «Электроника», «Электротехника и электроника».

© МИИТ, 2012

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ1.1 Освоение современных методов экспериментальных

исследований электронных приборов и устройств на

автоматизированном лабораторном стенде.

1.2 Изучение методики измерения электрических

величин осциллографом и цифровым мультиметром.

1.3 Приобретение практических навыков при

выполнении лабораторных работ, реализуемых на

печатных платах.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ2.1. Изучение функционального состава и назначения

органов управления лабораторной станции N1 ELV1S.

2.2. Изучение пользовательского интерфейса среды

графического программирования LabVlEW и программных

средств обработки результатов измерения компании

National Instruments.

2.3. Измерение с помощью цифрового мультиметра

постоянного напряжения и сопротивления резисторов.

2.4. Снятие волы-амперных характеристик линейного и

нелинейного элементов посредством лабораторной станции

N1 ELVIS.

2.5. Измерение с помощью электронного осциллографа

3

С 1-112 амплитудных и временных параметров

электрических сигналов.

3. СОСТАВ, НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЩИЕ

СВЕДЕНИЯ ОБ УНИВЕРСАЛЬНОМ

ЛАБОРАТОРНОМ СТЕНДЕ ПО

ЭЛЕКТРОНИКЕ

3.1. Введение

Важной составляющей частью учебного процесса

являются лабораторные занятия, в ходе которых студенты

приобретают практические навыки по избранной

специальности.

Лабораторный практикум по электронике рассчитан на

студентов, имеющих основные навыки работы с

персональным компьютером, и призван решать следующие

задачи:

1) Закрепить, экспериментально подтвердить и

расширить теоретические знания, получаемые студентами

на лекциях по электронике и интегральной схемотехнике и

в процессе самостоятельного изучения рекомендованной

литературы.

2) Ознакомить студентов с современной элементной

4

базой электроники, ее конструктивным исполнением и

техническими характеристиками.

3) Обучить студентов современным методам

экспериментальных инженерных исследований,

максимально приблизив процесс экспериментального

изучения электроники в лабораторных условиях к процессу

технического контроля, наладки и исследования

электронных устройств при конструировании и

эксплуатации реальной микроэлектронной аппаратуры.

4) Привить студентам практические навыки работы с

контрольно-измерительным оборудованием, приборами и

технической документацией.

5) Привить студентам навыки анализа и обобщения

полученных результатов.

Современная радиоэлектронная аппаратура (РЭА)

формируется на однослойных или многослойных печатных

платах. Располагаемые на этих платах интегральные

микросхемы и дискретные компоненты соединяются между

собой (согласно принципиальным схемам) методом

печатного монтажа.

Печатные платы выполняются из листового

изоляционного материала (обычно, стеклотекстолита),

покрытого медной фольгой, из которой методом

5

химического травления формируются соединительные

печатные проводники, так называемые «дорожки».

Металлические выводы элементов обычно пропускаются в

отверстия и припаиваются к печатным проводникам.

Существует также так называемый поверхностный монтаж,

используемый для выполнения устройств на безвыводных

компонентах (SMD) или компонентах с планарными

выводами (т.е. выводами, расположенными в одной

плоскости).

Соединение печатных плат между собой, а также с

другими внешними блоками и устройствами

осуществляется обычно с помощью стандартных разъёмов.

При работе с такой аппаратурой все необходимые

измерения проводятся непосредственно на плате, поэтому

необходимо знать номенклатуру и исполнение дискретных

и интегральных элементов, а также уметь

идентифицировать на плате элементы и соединения между

ними согласно принципиальным и монтажным схемам.

Все лабораторные работы практикума по электронике

конструктивно оформлены на печатных платах из

фольгированного стеклотекстолита. Таким образом,

осуществляется приближение лабораторных работ к

условиям реальной инженерной практики. Печатные

6

платы имеют специальные контрольные точки, что

позволяет производить измерения во всех необходимых

узлах схемы. Подача питающих напряжений и

осуществление коммутаций в схеме осуществляется через

разъем, имеющий 30 выводов, подключенных к цепям

лабораторной станции N1 ELVIS и специальной

коммутационной панели.

3.2. Описание универсального лабораторного

стенда

Универсальный лабораторный стенд по электронике

представляет собой рабочее место, на котором

расположено следующее оборудование:

1) Персональный компьютер с жидкокристаллическим

монитором и PCI-совместимой платой ввода-вывода.

2) Лабораторная станция N1 ELV1S со специальной

коммутационной панелью.

3) Электронно-лучевой осциллограф-мультиметр С1-

112 .

4) Цифровой мультиметр М-830В или аналогичный.

5) Комплект соединительных проводов и кабелей.

6) Сетевой фильтр.

На базе вышеназванного оборудования реализован

7

программно-аппаратный комплекс, позволяющий

осуществлять непосредственные измерения основных

электрических величин, снимать вольт-амперные и

передаточные характеристики, исследовать форму и

параметры электрических сигналов и т.д.

Далее будет отдельно рассмотрено назначение,

функциональные возможности и методика пользования

всем комплексом оборудования. Применительно к

лабораторной станции N1 ELVIS будет описано и основное

программное обеспечение, используемое в ходе

лабораторного практикума.

3.3. Краткое описание лабораторной станции N1

ELVIS и программного обеспечения

3.3.1. Лабораторная станция N1 ELV1S, совместно с

много-функциональной DAQ-платой ввода-вывода PCI-

6251, представляет собой компактный и универсальный

комплекс технических средств измерения, имеющий

ручное и программное управление, осуществляемое

посредством виртуальных приборов, реализованных в

среде LabVIEW.

Данная автоматизированная измерительная система

включает в себя фу нкции следующих приборов:

]) Цифрового мультиметра.

2) Измерителя ёмкости и индуктивности.

3) Электронного двухканального осциллографа.

4) Анализатора вольт-амперных и передаточных

характеристик (характериографа).

5) Функционального генератора (синусоидального,

пилообразного и прямоугольного импульсного

напряжения).

6) Регулируемых источников питания положительного

и отрицательного напряжения со средней точкой.

7) Стабилизированных источников питания +5 В и +/-

15В.

8) Анализатора спектра электрических сигналов и др.

На рис.1 представлена блок-схема измерительного

комплекса на базе N1 ELVIS.

3.3.2. Назначение органов управления станции N1

ELVIS. Слева направо на передней панели станции N1

F.LV1S (см. рис. 2) находятся следующие органы конгроля и

управления:

Г) «SYSTEM POWER» - светодиодный индикатор

наличия напряжения сети.

2) «PROTOTYPING BOARD POWER» - выключатель

питания лабораторного макета с индикаторным

светодиодом.

9

Рис. 1. Блок-схема программно-аппаратного комплекса,

реализованного на оборудовании National Instruments

&

Рис. 2. Передняя панель станции N1 ELVIS

3) «COMMUNICATIONS» - переключатель режима

соединения с ПК. При выполнении лабораторных работ он

должен быть установлен в положение «NORMAL».

4) «VARIABLE POWER SUPPLIES» - элементы

управления регулируемыми источниками питания. Имеется

две секции (для источника отрицательного напряжения и

10

для источника положительного напряжения). Для каждого

из источников имеется ручка регулировки напряжения и

переключатель режима управления. В случае установки

переключателя в режим «MANUAL» источник управляется

вручную, в противном случае он имеет программное

управление.

5) «FUNCTION GENERATOR» - элементы управления

функционального генератора. Функциональный генератор

имеет переключатель вида управления, установкой

которого в положение «MANUAL» осуществляется

переход с программного на ручное управление. Ручка

«COARSE FREQUENCY» является переключателем

частотного диапазона. Для более точной установки частоты

служит ручка «FINE FREQUENCY». Ручка «AMPLITUDE»

позволяет регулировать выходное напряжение генератора.

Также имеется переключатель формы сигнала, установкой

которого в различные положения можно получить

синусоидальное, пилообразное или прямоугольное

импульсное напряжение.

6) «DMM», Digital MultiMeter - гнёзда цифрового

мультиметра. Имеются две пары гнёзд, обозначенные

соответственно «CURRENT» и «VOLTAGE». Красным

цветом обозначены гнезда положительного потенциала

11

(HI), чёрным - отрицательного (LO). С помощью гнезд

«VOLTAGE» осуществляется измерение постоянного и

переменного напряжения, кроме того, они могут

использоваться в качестве входа виртуального

осциллографа. Гнёзда «CURRENT» используются для

измерения силы постоянного и переменного тока, а также -

значения сопротивления постоянному току, ёмкости и

индуктивности. Вывод на экран результатов

вышеперечисленных измерений осуществляется с

помощью программных средств National Instruments.

7) «SCOPE» - байонетные (защёлкивающиеся) разъёмы

входов осциллографа N1 ELVIS. «СН А», «СН В» - входы

каналов А и В. «TRIGGER» - вход внешней синхронизации.

Сверху, на коммутационной панели, расположены:

- разъём с направляющими для подключения платы

лабораторного макета (схема распайки разъёма - см.

рис.За);

- 9 ключей (переключателей) с индикаторными

светодиодами для осуществления коммутаций в схеме;

- гнёзда аналогового ввода/вывода для подключения

соединительных проводов (см. рис.3,6).

12

5ВОбщ.пр + -

РЕГ.П И ТА Н И Е ГЕ Н Е Р .

л ь - ОБЩ -

л Л

а)

Si.... XS6 _S2,_ |\S 5

Г : . , : f lл 7 в 9 то и '? и и

а 9 ю « i s 1л m w

" U U U ■S9 S8 S /

15 В + -

1

б)

- - у ' Вх.Х ВхЛ ; Оси.• О • о О •

+.................

к Б Вх.С• 0 • • •1 - э 1

Рис.З. Принципиальная схема:

а - распайки разъёма лабораторного стенда,

б - гнёзда коммутационной панели.

На разъём выведены следующие цепи:

1) Источник питания +5В, контакты Б2, Б1.

2) Двуполярный регулируемый источник питания

(VARIABLE POWER SUPPLIES), контакты Б4, Б5, А7.

3) Источник питания +15 В, контакты А 16, А6.

13

4) Выход функционального генератора, контакты Б6,

А6.

5) Выводы переключателей, предназначенных для

произведения коммутаций в схемах. (Б8-14, А9-15).

Общий провод соединен с контактами разъема Б1, Б5,

А6.

Назначение гнёзд коммутационной панели:

- вывод пилообразного напряжения для снятия

передаточных характеристик и ВАХ (канал вывода DAC 0);

«Вх.Х» - канал аналогового ввода АСН 1, используется

для измерения напряжения, откладываемого по

горизонтальной оси графиков.

«Bx.Y» - канал аналогового ввода АСН 0. Используется

для измерения напряжения, откладываемого по

вертикальной оси графиков.

«Б» - вывод «Current HI»

«К»- вывод «З-Wire»

«Э»- вывод «Current LO»

Выводы DMM, исполь-

v зующиеся для снятия

семейств выходных харак­

теристик транзистора в

схеме ОЭ.

«Осц.» - гнёзда электронного осциллографа С 1-112:

«Вх.С» - вход синхронизации;

14

« JL » - общий провод.

Таким образом, лабораторная станция N1 ELV1S в

совокупности с персональным компьютером позволяет

осуществлять электропитание электронных устройств,

подавать на них различные сигналы, проводить

большинство необходимых измерений, а программное

обеспечение позволяет обрабатывать результаты

многократных измерений и представлять их в наглядной

форме виде характеристик (графиков).

3.3.3. Для обеспечения функционирования лабораторно­

го оборудования на компьютерах лаборатории электроники

установлен фирменный пакет программ «N1 Educational

Laboratory Virtual Instrumentation Suite» (см.рис.4), который

можно запустить через меню «Пуск - Все программы -

National Instruments - N1 ELVIS 3.0 - N1 ELVIS».

Запуск содержащихся в нём программных средств,

так называемых «виртуальных приборов», возможен только

в случае установки соединения с рабочей станцией, го есть

она должна быть включена. Для установки соединения

имеется меню «Configure», в котором требуется нажать

кнопку «Check».

В меню выбора виртуальных приборов (см.рис.4) можно

видеть следующие кнопки:

15

1) «Digital Multimeter» - цифровой мультиметр. Этот

прибор позволяет измерять постоянные и переменные

напряжения с помощью гнёзд «DMM Voltage»,

расположенных на передней панели, а с помощью гнёзд

«DMM Current» - силу постоянного и переменного тока,

ёмкость, индуктивность и сопротивление постоянному

току. Прибор имеет режимы циклического (кнопка Run) и

однократного измерения (кнопка Single).

2) «Oscilloscope» - виртуальный двухканальный

осциллограф. Осциллограф позволяет наблюдать

электрические сигналы, подаваемые на каналы аналогового

ввода, гнезда мультиметра «DMM Voltage» и байонетные

разъёмы SCOPE, расположенные на передней панели

стенда.

3) «Function Generator» - программа для управления

функциональным генератором стенда, позволяющая

производить точную установку частоты, амплитуды

сигнала и его постоянной составляющей. Имеется также

функция ступенчатого изменения частоты. Генератор

работает в диапазоне от 10 Гц до 500 кГц, его выход

выведен на разъём РК-30 (рис.За), т.е. на плату

лабораторного макета.

16

4) «VARIABLE POWER

SUPPLIES» - программа

управления блоком питания.

Позволяет регулировать

напряжение источников

отрицательного и положи­

тельного напряжения от 0 до

12 В.

5) «Bode Analyser»

анализатор АЧХ и ФЧХ.

6) «Dynamic Signal

Analyser» - анализатор спектра. Рис. 4.

7) «Arbitary Waveform Generator» - генератор сигналов

произвольной формы.

8) «Digital Reader» - программа записи цифровых

сигналов.

9) «Digital Writer» - программа вывода цифровых

сигналов.

10) «Impedance Analyzer» - анализатор комплексного

входного сопротивления. Результат измерения

отображается в полярных координатах.

11) «Two-Wire Current-Vo It age Analyzer» - анализатор

вольт-амперных характеристик двухполюсников (ВАХ),

ife1 Ll.VIS Instrum ent Launcher ■ [ . "X

^ 7 NATIONAL J^INSTKUMEK1№тш№т N1 ELVIS

N1 Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite

Digital Miiltimeter

F jn ctlo n Generator

Variable Power Supplies

Dynam ic Signal Andfytet

Arbitrary W aveform Generator

Impedance Analyrer

Tw o -W ire Current-Voitage Analyzer

Three-W ire Current-Voltage Analyzer

OLaW/lEWj

17

позволяет снимать характеристики при напряжении от

-10 В до +10 В и силе тока от -10 мА до +10 мА. Снятие

характеристик осуществляется либо с помощью гнезд

«DMM Current», либо с помощью гнезд «Б», «Э»,

соответствующих гнёздам «Current HI» и «Current LO».

12) «Three-Wire Current-Voltage Analyzer» - анализатор

семейств статических выходных характеристик

биполярных п-р-п транзисторов в схеме с общим

эмиттером. Позволяет снимать зависимость тока

коллектора от напряжения на коллекторе при ступенчато

изменяющемся токе базы. Максимальное значение

коллекторного тока Ik шах= Ю мА, максимальное напряжение

коллектор-эмиттер UK3max=T0 В.

Помимо фирменного пакета программ «N1 Educational

Laboratory Virtual Instrumentation Suite», в лабораторном

практикуме применяются пользовательские приложения,

написанные на графическом языке в среде LabVIEW.

Язык программирования LabVIEW специально

предназначен для создания программ обработки

результатов измерений и автоматизации эксперимента и

отличается от большинства языков тем, что все операторы

и команды представлены в нем виде графических

элементов, напоминающих внешне элементы блок-схем

18

алгоритмов. На специальной блок-диаграмме они

соединяются между собой линиями, называемыми

«проводниками данных».

Однако, в курсе лабораторных работ по электронике

блок-диаграммы виртуальных приборов студентам

недоступны, студенты работают только с лицевой панелью

(Front Pannel) виртуальных приборов.

На рабочем столе пользователя предусмотрена папка

«Лаб_Работы», в которой имеются вложенные папки,

соответствующие номерам и названиям лабораторных

работ. В каждой из вложенных папок находятся файлы с

расширением.vi. представляющие собой пользовательские

приложения для автоматизации эксперимента,

методическая документация, а также, при необходимости, -

ярлыки, указывающие на соответствующие программные

средства.

Для запуска любого пользовательского приложения

достаточно нажать на файл двойным щелчком мыши, и он

откроется в среде LabVIEW.

Чтобы запустить программу (см.рис.5) на циклическое

выполнение, необходимо нажать кнопку «Run» (1). Правее

кнопки «Run» имеется кнопка остановки программы (2) и

кнопка паузы (3).

19

^ Стокозатвор на я_М/Ц1. vi Front Panel

File Edit View Project O perate T o d s Window) Help

Рис. 5. Запуск пользовательского приложения в среде

LabVIEW.

4. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЦИФРОВОГО

МУЛ Ь’ГИ МЕТРАМ-830ВЦифровой мультиметр М-830В представляет собой

многофункциональный измерительный прибор,

позволяющий измерять постоянное и низкочастотное

переменное напряжение, силу постоянного тока, активное

сопротивление и осуществлять проверку исправности

полупроводниковых диодов и биполярных транзисторов.

Внешний вид мультиметра М-830В изображен на рис.6.

Мультиметр имеет переключатель рода работы (1) (он же -

переключатель пределов измерения) на 20 положений,

объединенных в несколько групп, и цифровой

жидкокристаллический индикатор (2). Гнездо (3) является

общим, гнездо (4) используется для всех измерений

напряжения, тока и сопротивления, а гнездо (5)

20

используется только для

измерения силы

постоянного тока на

пределе 10А.

Согласно паспортным

данным, погрешность на

всех пределах измерения

не превышает ±3%.

©

Рис.6.Мультиметр М-830В

4.1. Методика проведения измерений

мультиметром

Для измерения постоянного напряжения:

1) Переключателем 1 выбрать необходимый предел

измерения из области DCV, желательно - больший, чем

ожидаемое значение измеряемой величины.

2) Подключить соединительные щупы мультиметра к

точкам схемы.

3) Если мультиметр показывает «1», т.е. переполнение,

необходимо отключить мультиметр от схемы и выбрать

больший предел.

21

4) Если мультиметр показывает слишком малое

значение, попадающее в более низкий предел, следует

перевести переключатель в соответствующее положение,

что необходимо для обеспечения большей точности.

5) Записать результат измерения с учетом погрешности

прибора.

Остальные измерения производятся по такому же

алгоритму, но для измерения переменного напряжения

используются пределы из группы АСУ, для измерения

силы тока - из группы АСА, для измерения сопротивления

- из группы Q. Важно отметить, что измерение

сопротивления допускается проводить только в

отключенной от всех источников питания и сигнала

цепи, во избежание искажения показаний и/или выхода

прибора из строя.

Положение переключателя «hfe» и соответствующая 8-

выводная панелька служат для измерения коэффициента

передачи тока h2l, (Р) маломощных биполярных

транзисторов п-р-п и р-п-р типа. Для проверки транзистор

необходимо вставить в панельку согласно его

расположению выводов. Измерение производится при

Uю=2,8 В,1б=10мкА.

Имеется также функция проверки диодов «-1>1-»,22

основанная на измерении прямого падения напряжения (в

милливольтах) при токе 1 мА.

5. ОПИСАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО

ОСЦИЛЛОГРАФА С1-112

5.1. Общие сведения

Электронно-лучевой осциллограф -

один из наиболее распространенных

измерительных приборов. Он обладает

исключительной наглядностью

представления исследуемых явлений, удобством и

универсальностью.

Исследуемый сигнал, как функция времени u=f(t),

изображается в прямоугольной системе координат,

абсциссой которой является время, а ординатой -

мгновенное значение напряжения. Такое представление

измеряемых величин даёт практически полное

представление о процессах, происходящих в исследуемой

электронной схеме, так как по осциллограмме можно

определить амплитуду сигнала в каждый момент времени и

длительность любого его участка, т.е. рассмотреть ход

событий во времени, например, измерить длительность

фронта импульса или неравномерность вершины импульса.

23

В комплект измерительных приборов лабораторного

стенда входит осциллограф-мультиметр С1-112. Этот

прибор предназначен для визуального наблюдения на

экране электронно-лучевой трубки формы электрических

сигналов и измерения их амплитудных и временных

параметров в диапазоне от 0,12 мкс до 0,5 с в режиме

«осциллограф», а также - для измерения постоянного

напряжения от 1 мВ до 1000 В и активных сопротивлений

от 1 Ом до 2,5 МОм с цифровым отсчетом в режиме

«мультиметр».

Вход синхронизации «Вх.С» и общий провод

осциллографа выведены гнёздами на коммутационную

панель лабораторной станции. Вход осциллографа

выполнен в виде пробника, который можно подключить к

любой точке исследуемой схемы.

НАЗНАЧЕНИЕ ОРГАНОВ УПРАВЛЕНИЯ ОСЦИЛЛОГРАФА

1 2

Кнопка «СЕТЬ» Включение прибора.

Переключатель«ОСЦИЛЛ/У,Ш»

Переключение режимов работы прибора: «осциллограф» - «мультиметр».

Ручка « '® » Регулирование фокусировки (толщины луча).

24

1 2

Ручка « * » Регулирование яркости

Ручка «о-» Смещение луча по горизонтали.

Ручка « J » Смещение луча по вертикали.

Гнездо «Y» Подключение исследуемого сигнала,

Переключатель « »

Установка открытого или закрытого входов канала вертикального отклонения.

Переключатель «V/дел» Установка цены деления по вертикальной оси (чувствительности по входу).

Переключатель«ВРЕМЯ/дел».

Установка цены деления по горизонтальной оси времени.

Переключатель«mS/fiS»

Г рубая установка масштаба по оси времени.

Переключатель « -’V ir » Переключение полярности запускающего сигнала (сигнала синхронизации).

Переключатели«ВПУТР/ВНЕШ»,«ТВ/НОРМ»

Переключение режимов синхронизации.

Гнездо « ~ О » Подключение сигнала внешней синхронизации.

Переключатель «V/ kQ» Установка режимов работы

Переключатели «х1», «х10», «х)0~», «х103».

Установка предела измерения мультиметра.

25

1 2

Гнездо «<1kV» Измерение постоянных напряжений величиной более 2,5 В.

Гнездо «<2,5V» Измерение постоянных напряжений величиной менее 2,5 В.

Гнездо «к£Ъ> Измерение сопротивлений.

5.2. Подготовка к работе прибора С1-112

ВНИМАНИЕ! Во избежание выхода из строя

электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), перед

включением прибора необходимо ручку

яркости луча « ^ » вывести в крайнее левое

(против часовой стрелки) положение,

соответствующее минимальной яркости.

Органы управления установить в исходные положения:

ручки « ® », «<-»>, «$». «УРОВЕНЬ» - в среднее

положение, кнопки «ВНУТР/ВНЕШ», «ОСЦИЛЛ/У,кС2»,

«V/ Ш », «х103» - нажаты, остальные к н о п к и - не нажаты.

Переключатель «ВРЕМЯ/дел» - в положении «2»,

переключатель «V/дел» - в положении «1». Нажмите

кнопку «СЕТЬ», при этом должен загореться индикатор

рядом с этой кнопкой.

26

Прибор готов к проведению измерений через 5 минут

после включения.

5.3. Проведение визуального наблюдения формы

электрических сигналов и измерений их

амплитудных и временных параметров в режиме

«осциллограф»

5.3.1. Для проведения измерений в режиме

«осциллограф» используется пробник осциллографа и

гнёзда «Вх.С» и «Общий провод J .» на коммутационной

панели стенда.

1) После включения прибора необходимо убедиться в

его работоспособности путём проверки действия основных

органов управления в следующей последовательности:

установить органы управления в положения, указанные в

п.5.2, настоящих указаний., ручкой яркости добиться

появления линии развёртки на экране ЭЛТ.

2) Добиться органами управления « * » и « ® »

оптимальной яркости и фокусировки.

3) Сместить при необходимости ручкой «<-»» начало

луча развертки в левую часть экрана.

4)Рукояткой « I » сместить по вертикали луч развертки

в центр экрана.

27

5.3.2. Прибор имеет открытый вход « — ».

предназначенный для исследования процессов,

содержащих в своём спектре постоянную составляющую

или низкие частоты (ниже 50 Гц), а также - закрытый

(емкостной) вход «~», для исследования сигналов без учёта

постоянной составляющей.

Закрытый вход представляет собой вход, подключаемый

к схеме через разделительный конденсатор.

5.3.3. Для исследования формы сигналов кнопку

«ТВ/НОРМ» установить в ненажатое положение.

Синхронизацию развёртки можно проводить:

- исследуемым сигналом (кнопка «ВНУТР/ВНЕШН»

нажата);

- внешним синхронизирующим сигналом, подаваемым

на гнездо «Вх.С.» коммутационной панели стенда (кнопка

«ВНУТР/ВНЕШН» не нажата).

Исследуемый сигнал подать на пробник осциллографа.

Устойчивости изображения добейтесь ручкой

«УРОВЕНЬ». Кнопкой « -W ir» осуществляется запуск

развертки положительным или отрицательным перепадом

сигнала (по заднему или переднему фронту).

5.3.4. При измерении прибором временных интервалов

28

произвести следующие операции:

- установить изображение измеряемого временного

интервала ручкой «<->» симметрично в центр экрана;

- выбрать коэффициент развертки, т.е. цену деления по

оси времени (точность измерения временных интервалов

увеличивается при увеличении длины измеряемого

интервала по экрану ЭЛТ);

- определить измеряемый временной интервал как

произведение длины интервала на экране по

горизонтальной оси (в делениях) и значения выбранной

цены деления (коэффициента развертки), учитывая

положение кнопки «mS/^S».

5.3.5. При измерении амплитуды:

- ручками «<->■» и «I» установить изображение сигнала

так, чтобы один из уровней совпадал с делениями шкалы

ЭЛТ (вертикальной оси),

- выбрать положение переключателя «V/дел» таким,

чтобы размер исследуемого сигнала получался

наибольшим, но сигнал находился в рабочей части экрана.

Амплитуда исследуемого колебания определяется как

произведение измеренного размера сигнала (в делениях) на

значение выбранной цены деления по вертикали (ручка

«V/дел»).29

6. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ с н я т и я

ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

(ВАХ) ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ И

ПЕРЕДАТОЧНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМВ большинстве лабораторных работ курса с помощью

программно-аппаратных средств лабораторной станции N1

ELVIS снимаются вольт-амперные или передаточные

характеристики электронных схем. Рассмотрим отдельно

общие принципы снятия каждого вида характеристик, как с

помощью отдельных измерительных приборов, так и с

помощью лабораторного стенда.

6.1. Вольт-амперные характеристики и способы

их получения

Вольт-амперной характеристикой элемента

электрической цепи называется зависимость силы

протекающего через этот элемент электрического тока от

приложенного напряжения I=f(U). На рис.7 изображены

принципиальные схемы, иллюстрирующие методику

снятия таких характеристик с помощью измерительных

30

приборов (рис. 7а,б) и с помощью комплекса N1 ELVIS

(рис. 7в).

На рис.7.а изображена «классическая» схема снятия

ВАХ нелинейного элемента (НЭ1) с помощью двух

измерительных приборов - вольтметра PV1 и амперметра

РА1. Напряжение от источника GB1 регулируется

потенциометром R1 и по показаниям приборов строится

график, по горизонтальной оси которого откладывается

напряжение на нелинейном элементе (показания

вольтметра), а по вертикальной оси - сила тока через

нелинейный элемент (показания амперметра).

Рис. 7. Методы снятия ВАХ.

На рис.7.б изображена схема снятия ВАХ нелинейного

элемента (НЭ2) путём косвенного измерения тока.

Принцип снятия характеристик - такой же, как в

предыдущей схеме, но вместо амперметра РА1

31

используется вольтметр PV2 и измерительный резистор

(шунт) R3. Так как падение напряжения на резисторе, по

закону Ома, линейно связано с силой протекающего через

него тока, то требуется только перевести цену деления

графика из единиц напряжения в единицы силы тока,

разделив падение напряжения (показания вольтметра PV2)

на заранее известное сопротивление измерительного

резистора R3.

Источник питания станции N1 ELVIS, совместно с

цифровым мультиметром, позволяет снимать ВАХ

вручную, но для ускорения этого процесса в лабораторных

работах используется автоматизированный метод снятия

характеристик. Для этой цели служит соответствующее

программное и аппаратное обеспечение.

С помощью канала аналогового вывода N1 ELVIS

формируется пилообразный импульс (плавно нарастающее

напряжение), подаваемый на измерительную цепь (рис.7.в).

К исследуемому нелинейному элементу (вместо

вольтметра) подключается канал аналогового ввода

«Вх.Х», а к измерительному резистору R4 - канал

аналогового ввода «Вх.У».

При запуске соответствующего приложения программа

многократно измеряет напряжение на исследуемом

32

элементе и на измерительном резисторе и выводит

результаты измерений в виде графика, по горизонтальной

оси которого откладываются значения напряжения на входе

X, а по вертикальной - напряжения на входе Y.

Для того, чтобы определить цену деления по

вертикальной оси В ЕДИНИЦАХ СИЛЫ ТОКА,

необходимо цену деления в единицах напряжения

разделить на значение измерительного сопротивления:

где: с, - цена деления по вертикальной оси в единицах

тока,

си - цена деления по вертикальной оси в единицах

напряжения.

Ruim- сопротивление измерительного резистора.

6.2. Передаточные характеристики по

напряжению (амплитудные характеристики

электронных схем)

Передаточная характеристика по напряжению

UBb.x=f(UBx) - зависимость напряжения на выходе

электронной схемы от напряжения на её входе.

На рис. 8 представлена схема получения такой

характеристики для четырехполюсника (активного или33

пассивного - не имеет значения) с помощью двух

вольтметров.

! GB1

I

Рис. 8. Схема снятия передаточной характеристики с

помощью вольтметров.

При этом к выходу схемы может быть подключена

нагрузка (на рисунке - R2).

В лабораторных работах передаточные

характеристики снимаются автоматизированно, с помощью

тех же программно-аппаратных средств, что и вольт-

амперные.

Схема снятия передаточных характеристик с помощью

лабораторного стенда изображена на рис. 9.

На вход схемы подается пилообразное напряжение,

мгновенные значения которого многократно измеряются на

входе X. Значения напряжения на выходе схемы

измеряются с помощью входа Y. Таким образом, на экране

можно наблюдать зависимость Y=f(X), т.е. зависимость34

напряжения на выходе схемы от напряжения на входе

UBbix-f(UBX). При этом к выходу схемы может подключаться

нагрузка.

_^"L----- 1

+ <— — ,— — 0—

В х .Х вход Исследуемаясхема

1— 0 —

выход B x .Y

— 0—> -

Рис. 9. Схема снятия передаточной характеристики с

помощью стенда.

6.3. Передаточные характеристики по току

Передаточная характеристика элекгронной схемы по

току (проходная характеристика) - зависимость силы тока

на выходе схемы от силы тока на входе схемы. 1Вых=Щвх).

Снимаются они аналогично передаточным

характеристикам по напряжению, но входы X и Y

подключаются к соответствующим измерительным

резисторам: вход X - во входной цепи, вход Y - в

выходной цепи, то есть осуществляется косвенное

измерение токов (преобразование силы тока в падение

напряжения). Пересчет цены деления по обеим осям в

35

этом случае необходим, т.е. цену деления в единицах

напряжения нужно разделить на значение измерительного

сопротивления и получить цену деления в единицах силы

тока (аналогично тому, как это делается при снятии ВАХ).

ВНИМАНИЕ!!!

Универсальный лабораторный стенд по

электронике является уникальной электронной

системой, требующей квалифицированного и

бережного отношения к себе.

Сознательное (или в результате небрежного

отношения) выведение из строя лабораторных плат

и оборудования универсального стенда будет

квалифицировано как грубое нарушение

технологической дисциплины.

7. СХЕМА ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТАНа рис. 10 изображена принципиальная электрическая

схема лабораторного макета, предназначенного для

изучения методики пользования средствами

универсального стенда.

Физической реализацией схемы является печатная

плата, изготовленная из фольгированного стекло­

текстолита, размером 140x150 мм с набором контактных

36

площадок и ключом (в виде выреза) под разъем РК-30.

Разъем закреплен на верхней панели лабораторной станции

и имеет специальные направляющие для печатных плат.

кт 1|

Х1Цепь <ОН"Общ 61+ 58 В?ГЕ Н Е Р . 56Ключ S1 Ь8

511Ключ S1

—о--------о К Т 7- о --------о К Т 3

К Т 2

КТ 5 R4—Н— °—°—ЛИТЬ

кт з К Т 4

Я5 К Т 6Ч ГЗто—<910

Рис. 10. Принципиальная электрическая схема лабораторного макета.

Перечень элементов схемы:

X I - разъём печатной платы для соединения с цепями

лабораторной станции;

R1 - резистор 10 Ом;

R2, R3, R4 - резисторы 100 Ом;

R5 - резистор 910 Ом;

VDJ - полупроводниковый диод КД503А (или другой

нелинейный элемент);

КТ1 ...КТ8 - контрольные точки.

8. РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ

8.1. Необходимое оборудование.

I . Лабораторная станция N1 ELV1S

37

2. Цифровой мультиметр М-830В.

3. Печатная плата лабораторного макета №1.

4. Соединительные провода.

5. ПЭВМ IBM PC.

8.2. Задание

Выполняется при подготовке к работе

8.2.1. Изучить детально настоящие методические

указания, в случае наличия неясных моментов -

проконсультироваться у преподавателя.

8. 2.2. Ознакомиться с макетом лабораторной работы,

разобраться с назначением элементов, размещенных на

печатной плате, сопоставив их с элементами

принципиальной схемы, уяснить назначение контрольных

точек.

Начертить в тетради принципиальные электрические

схемы всех проводимых экспериментов, указав на них

соединения контрольных точек с определенными гнездами

лабораторной станции, цифрового мультиметра или

электронного осциллографа. Из схемы лабораторного

макета выбираются только те элементы, которые участвуют

в конкретном эксперименте. Ветви цепей, отключенные с

помощью переключателей S1...S9 не указываются,

38

элементы, замкнутые накоротко, заменяются перемычками.

8.3. Экспериментальная часть.

Выполняется в лаборатории

ВНИМАНИЕ! Перед каждой сборкой/разборкой схемы на

лабораторном макете необходимо

выключать питание платы клавишей

«PROTOTYPING BOARD POWER»!

8. 3.1. Изучение цифрового мультиметра М-830В.

1) Вставить печатную плату лабораторного макета в

разъём коммутационной панели.

2) Включить питание клавишей «PROTOTYPING

BOARD POWER».

3) Перевести переключатель рода работы мультиметра в

положение 20 V DCV.

4) Подключить щупы мультиметра к контрольным

точкам КТ1, КТ7 и выполнить отсчет показаний, таким

образом измерив выходное напряжение источника питания

5В.

5) Записать результат измерения в отчет.

6) Отключить питание лабораторного макета кнопкой

«PROTOTYPING BOARD POWER».

39

7) Перевести переключатель рода работы мультиметра в

положение 2000 Q.

8) Последовательно подключая щупы мультиметра

резисторам R l, R2, R3, измерить значения их

сопротивления и занести эти данные в отчет.

9) Сделать вывод о соответствии значения

сопротивления резисторов номинальному, указанному на

схеме (рис. 10).

8. 3.2. Снятие вольт-амперных характеристик линейных

и нелинейных элементов.

1) Собрать схему для снятия ВАХ резистора R1 (см.

рис.11), для этого подключить: вход X.

соблюдая полярность, к точкам KT I и

КТ2, вход Y - к точкам КТ2 и КТЗ,

гнездо » - к точке КТЗ.

2) Включить питание макета

кнопкой «PROTOTYPING BOARD

POWER».

3) Открыть на рабочем столе

компьютера папку «ЛабРаботы», в ней

- папку «ЛР1_стенд», запустить файл

STEND.vi

4) Запустить приложение кнопкой «Run», как это

40

С________= 4 -КТЗ ->

+ BX.Y

У ’“ф--------

КТ 2

+ ВхГХ

- Вх

КТ1

JLРис.11. Пример.

указано в п. 3.3.3. настоящих указаний.

5) Нажать кнопку «ВХОД В ПРОГРАММУ» и

установить пределы Emjn и ЕП1ах от 0 до +10 В.

6) Нажать кнопку «Снятие характеристики».

7) Перечертить в отчет полученный график, переведя

масштаб по оси Y из единиц напряжения в

единицы силы тока.

8) Определить сопротивление резистора R1 по

полученной характеристике, произвольно выбрав на

графике точку и разделив ее координату X в единицах

напряжения на координату Y в единицах тока. Полученное

значение занести в отчет. Сделать вывод о соответствии

полученного значения измеренному с помощью

мультиметра.

9) Получить схему для снятия ВАХ цепочки из двух

резисторов R1 и R2, для этого: переключить вход Y

параллельно резистору R3 (к КТЗ и КТ4), вывод

пилообразного напряжения подключить к КТ4. Вход X

подключить к КТ 1, КТЗ.

10) Снять ВАХ цепи R1+R2, аналогично измерив по

графику её сопротивление.

11) Собрать схему для снятия ВАХ нелинейного

элемента (диода VD1), для этого подключить вход X,

41

соблюдая полярность, к точкам КТ1 и КТ5, вход Y - к

точкам КТ5 и КТ6, гнездо «-/ L » - к точке КТб.

12) Снять ВАХ нелинейного элемента, аналогично

тому, как это делалось для резистора R1. Рассчитать

масштаб по оси токов, исходя из условия, что в качестве

измерительного резистора используется последовательное

соединение R4 и R5, R4+R5~1000 Ом.

13) Замкнуть ключ S1 и снять ВАХ диода в другом

масштабе, исходя из условия, что в этом случае

измерительное сопротивление R4=100 Ом.

34) Разобрать схему, зарисовать или скопировать

полученные графики в отчет.

Примечание. По разрешению преподавателя графики

вольт-амперных характеристик могут быть скопированы

в текстовый редактор Microsoft Word и сохранены на

внешний носитель информации. Для этого необходимо

щелкнуть по графику правой кнопкой мыши и в

появившемся контекстном меню выбрать функцию «Сору

data», после чего вставить их в MS Word. Наложение

графиков друг на друга можно осуществить в

графическом редакторе Paint, выбрав в нем фунщию из

меню «Рисунок» - «Непрозрачный фон» (галочка должна

отсутствовать).

42

8. 3.3. Изучение методики пользования осциллографом.

1) Подготовить осциллограф к работе, согласно

описанной в п. 5.2. методике.

2) Включить генератор (FUNCTION GENERATOR) в

режиме «MANUAL».

3) Установив генератор в режим синусоидального

сигнала, измерить, согласно методике п. 5.3., амплитуду и

частоту синусоидального сигнала. Для этого необходимо

вход синхронизации осциллографа «Вх.С» и пробник

осциллографа подключить в контрольную точку КТ8.

Общий провод осциллографа - соединить с общим

проводом на плате (КТ1). Зарисовать полученную

осциллограмму в отчёт. Плавно регулируя частоту и

амплитуду сигнала, сделать вывод о наблюдаемых

изменениях осциллограммы.

4) Переключить генератор в режим генерации

прямоугольных импульсов и измерить амплитудные и

временные параметры импульсного сигнала. Зарисовать

полученную осциллограмму в отчет.

5) Измерить с помощью открытого входа осциллографа

постоянное напряжение в контрольной точке КТ7. Сверить

полученное значение с измеренным ранее с помощью

мультиметра.

43

6) По окончании работы: выключить питание, разобрать

схему, выключить генератор, выключить осциллограф,

закрыть все окна использованных программных средств.

9. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТАОтчет по лабораторной работе должен быть составлен

аккуратно и последовательно.

Схемы должны быть выполнены в соответствии с

требованиями ЕСКД с применением чертежных

принадлежностей или специального программного

обеспечения.

Отчет должен содержать:

- точное название, цель и краткое содержание

лабораторной работы;

- перечень оборудования;

- принципиальную схему лабораторного макета;

- схемы всех проводимых экспериментов;

- графики вольт-амперных характеристик линейных и

нелинейных элементов;

- рассчитанные и измеренные значения сопротивлений

и напряжений;

- осциллограммы синусоидального, импульсного и

постоянного напряжения;44

- измеренные временные и амплитудные параметры

исследованных сигналов;

- краткие выводы по работе.

10. СПИСОК АНГЛИЙСКИХ НАЗВАНИЙ

И СОКРАЩЕНИЙАСН - канал аналогового ввода.

AMPLITUDE - амплитуда.

ACV - переменное напряжение.

СН - канал виртуального осциллографа (СН А или СН В).

CURRENT - гнезда для измерения силы тока.

COARSE FREQUENCY - грубая настройка частоты

генератора.

COMMUNICATIONS - переключатель соединения с

компьютером.

DAC - канал аналогового вывода.

DAQ - устройство сбора данных.

DCV - постоянное напряжение.

DCA - постоянный ток.

DMM (Digital Multimeter) - цифровой мультиметр.

FUNCTION GENERATOR-функциональный генератор.

45

FINE FREQUENCY - точная настройка частоты генератора.

Front Pannel - лицевая панель виртуального прибора.

HI - вывод высокого (положительного) потенциала.

LabVIEW - среда графического программирования.

LO - вывод низкого (отрицательного) потенциала.

MANUAL - ручное управление.

N1 - компания «National Instruments»

N1 ELVIS - лабораторная станция.

Oscilloscope - осциллограф.

PCI - слот компьютера (шина ввода/вывода для

подключения периферийных устройств к материнской

плате)

PROTOTYPING BOARD POWER - питание макетной

платы.

Run - запуск.

46

SYSTEM POWER - питание лабораторной станции.

SCOPE - разъёмы виртуального осциллографа.

SMD - безвыводные элементы для плоскостного монтажа.

TRIGGER - вход синхронизации виртуального

осциллографа.

VARIABLE POWER SUPPLIES - регулируемые источники

питания.

VOLTAGE - напряжение.

11. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ1) Каков состав универсального лабораторного стенда

по электронике?

2) Какие функциональные возможности имеет станция

N1 ELVIS?

3) Каким образом с помощью мультиметра можно

измерить постоянное напряжение?

4) Каким образом с помощью мультиметра можно

измерить сопротивление?

5) Что называется вольтамперной характеристикой

элемента цепи?

6) Каким образом можно снять вольтамперную

характеристику элемента с помощью вольтметра,47

амперметра и регулируемого источника питания?

7) Каким образом осуществляется косвенное измерение

силы постоянного тока в цепи?

8) Как снять вольтамперную характеристику

нелинейного элемента с помощью универсального стенда?

9) Что называется передаточной характеристикой по

напряжению (проходной характеристикой электронной

схемы)?

10) Каким образом можно снять проходную

характеристику с помощью двух вольтметров и

регулируемого источника напряжения?

11) Как снимаются передаточные характеристики с

помощью средств лабораторного стенда?

12) Что такое передаточная характеристика по току

для электронной схемы?

13) Как с помощью осциллографа измерить

амплитуду синусоидального сигнала?

14) Как с помощью осциллографа измерить частоту

синусоидального сигнала?

15) Какие цепи выведены на разъём

коммутационной панели стенда?

48

12. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1. Караулов А.Н., Клепач А .II, Нефёдкина Г.Ф.,

Санадзе Г.В., Шилин В.А., под ред. д.т.н., проф. Шилейко

А.В.. Универсальный лабораторный стенд по электронике.

-М .,М И И Т, 1996.-56 с.

2. Осциллограф-мультиметр С 1-112. Техническое

описание и инструкция по эксплуатации. 1984 г.

3. Батоврин В.К., Бессонов А.С., Мошкин В.В.:

LabVIEW. Практикум по аналоговой и цифровой

электронике: Лабораторный практикум/ Государственное

учреждение высшего профессионального образования

«Московский государственный университет радиотехники,

электроники и автоматики». - М.,2007. - 132 с.

4. Комплект виртуальных измерительных приборов для

учебных лабораторий N1 ELVIS. Технические средства.

Руководство по эксплуатации. 2006 г.

5. Кабов С.Ф., Караулов А.Н., Клепач А.П., Шилейко

А.В., Шилин В.А. Автоматизированный универсальный

стенд по электронике. - М., 1988. - 40 с. - (Средства

обучения в высш.школе: Обзор.информ./ НИИ пробл.

высш. школы; Вып.З).

49

СОДЕРЖАНИЕ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ.................................................32. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ..............................33. СОСТАВ, НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЩИЕ

СВЕДЕНИЯ ОБ УНИВЕРСАЛЬНОМЛАБОРАТОРНОМ СТЕНДЕ ПОЭЛЕКТРОНИКЕ.............................................. 43.1. Введение.....................................................43.2. Описание универсального

лабораторного стенда............................. 73.3. Краткое описание лабораторной

станции N1 ELVIS и программного обеспечения.......................................... ...8

4. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЦИФРОВОГОМУ ЛЬТИМЕТР AM-830В............................ 204.1. Методика проведения измерений

мультиметром........................................ 215. ОПИСАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО

ОСЦИЛЛОГРАФА С1-112.......................... 235.1. Общие сведения......................................235.2. Подготовка к работе прибора С1-

112............................................................ 265.3. Проведение визуального наблюдения

формы электрических сигналов и измерений их амплитудных и

50

временных параметров в режиме«осциллограф».......................................27

6. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ СНЯТИЯ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК (ВАХ) ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ И ПЕРЕДАТОЧНЫХ ХАРАКТЕРИСТИКЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ............................. 306Л. Вольт-амперные характеристики и

способы их получени........................... 306.2. Передаточные характеристики по

напряжению (амплитудныехарактеристики электронных схем)...33

6.3. Передаточные характеристики потоку..........................................................35

7. СХЕМА ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА.. .368. РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ....................................37

8.1. Необходимое оборудование.................378.2. Задание.....................................................388.3. Экспериментальная часть..................... 39

9. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА............................ 4410. СПИСОК АНГЛИЙСКИХ НАЗВАНИЙ И

СОКРАЩЕНИЙ............................................. 4511. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ....................4712. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................... 49

51

Учебно-методическое издание

Караулов Александр Николаевич

Кабов Сергей Фёдорович

Клепцов М ихаил Яковлевич

Стряпкин Леонид Игоревич

Универсальный лабораторный стенд по электронике

М етодические указания

Подписано в печать Заказ №Изд.№ 122-12

Усл.печ.л. 3,5 Тираж 100 экз. Формат 60x84/16

150048, г. Ярославль, М осковский пр-т, д. 151. Типография Ярославского филиала МИИТ.