ELECTRONICS WORKBENCH

В В Е Д Е Н И Е

Основная задача дисциплины «Электротехника» дать необходимую теоретическую подготовку по вопросам исследования и расчета электрических цепей.

Усвоение дисциплины невозможно без выполнения лабораторных работ, которые нацелены на закрепление знаний, полученных на лекциях, и позволяют приобрести практические умения и навыки расчета электрических цепей и устройств. Для выполнения лабораторных работ желательно иметь хорошую экспериментальную базу, которая позволила бы проверить приобретенные знания на практике. В качестве экспериментальной базы для изучения теории электрических цепей может служить программа ELECTRONICS WORCBENCH, представляющая широкие возможности для экспериментирования.

В данной работе рассматриваются возможности виртуальной электронной лаборатории на персональном компьютере с применением программы ELECTRONICS WORCBENCH (EWB) для схемотехнического моделирования аналоговых и цифровых радиоэлектронных устройств и исследования процессов в них. Широкое применение данной системы моделирования при проведении лабораторных занятий обеспечивает максимальную вовлеченность студентов, учебную и творческую активность, инициативность. Систему моделирования EWB в последствии можно успешно использовать при выполнении курсовых и дипломных проектов.

В методических указаниях приведены 13 лабораторных работ. Каждая лабораторная работа содержит теоретическую и экспериментальную часть. В теоретической части даны краткие теоретические сведения. Экспериментальная часть требует выполнения эксперимента и подтверждения теории, объяснение результатов эксперимента с привлечением аналитических методов.

Каждую выполненную работу студент должен оформить в виде отчета.

Отчет содержит

— титульный лист

— цель работы

— основные теоретические положения

— краткие сведения об эксперименте

— принципиальная схема исследуемой цепи

— расчетные формулы и вычисления

— результаты исследования (таблицы, графики, расчетные числовые значения параметров или режимов)

В процессе сдачи отчета студент должен ответить на предлагаемые вопросы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1. ELECTRONICS WORKBENCH – СИСТЕМА СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ И АНАЛИЗА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Цель работы: ознакомление и приобретение основных навыков работы с системой моделирования на персональном компьютере с пакетом программ ELECTRONICS WORKBENCH.

Программа ELECTRONICS WORKBENCH предназначена для моделирования и анализа электрических схем. Программа позволяет моделировать аналоговые и цифровые схемы любой сложности. Имеющаяся в программе библиотека включает в себя широко распространенные электронные компоненты. Параметры компонентов можно изменять в широком диапазоне значений.

Широкий набор приборов позволяет производить измерения различных величин на постоянном и переменном токе, как в частотной, так и во временной областях.

Для составления схем электрических цепей различной сложности и выполнения различных измерений в них программе используют наборы различных компонентов, объединенные в типовые группы. В состав источников входят постоянные и переменные источники энергии.

В состав пассивных компонентов входят пассивные элементы, необходимые для построения различных цепей и исследования их работы.

В группу индикаторы входят различные элементы и устройства отображения аналоговых и цифровых информаций.

В этой группе представлены приборы, для измерения непрерывно изменяющихся величин. Простейшими приборами являются вольтметр и амперметр. Характер измеряемой величины – постоянной (DS) или переменной (АС) устанавливается выбором режима работы прибора в диалоговом окне, вызываемого двойным щелчком на его изображении. Выделенная толстой линией прямоугольника, изображающего вольтметр, соответствует отрицательной клемме.

Вольтметр используется для измерения переменного и постоянного напряжения между двумя точками электрической цепи. Он подсоединяется параллельно участку цепи, на котором необходимо измерить напряжение.

Амперметр используется для измерения переменного и постоянного тока в ветви электрической цепи. Он подсоединяется последовательно в участок цепи, где необходимо измерить ток. Выделенная толстой линией сторона прямоугольника, изображающего амперметр, соответствует отрицательной клемме. Двойным щелчком мыши на изображении амперметра открывается диалоговое окно для изменения параметров амперметра.

Контрольно – измерительные приборы предназначены для наблюдения за результатами моделирования и осуществления необходимых измерений.

Мультиметр используется для измерения напряжения постоянного и переменного, для измерения тока постоянного и переменного, сопротивления.

Функциональный генератор является идеальным источником напряжения, вырабатывающим сигналы синусоидальной, прямоугольной или треугольной формы.

Осциллограф представляет собой аналог двулучевого запоминающего осциллографа.

На рис.5 показана схема электрической цепи постоянного тока. Амперметры показывают токи в ветвях схемы. Мультиметром измерено напряжение источника питания.

Измерение сопротивления в схеме электрической цепи показано на рис.6.

Мультиметр измеряет сопротивление цепи по постоянному току.

На рис.7 представлена схема электрической цепи переменного тока. Амперметры в цепи переменного тока измеряют действующее значение синусоидального тока в соответствующих ветвях схемы, где максимальное значение синусоидального тока. Вольтметр измеряет действующее значение синусоидального напряжения , где максимальное значение синусоидального напряжения. Мультиметр измеряет действующее значение напряжения на участке.

Широкий выбор приборов позволяет производить измерения различных величин, задавать входные воздействия, строить графики. Все приборы изображаются в виде, максимально приближенном к реальному, поэтому работать с ними просто и удобно. На рис. 8 представлена схема электрической цепи переменного тока, с изображением на экране осциллографа.

Исследование электрических цепей в виртуальной лаборатории на персональном компьютере открывает широкие возможности совершенствования учебного процесса, развития новых методов проведения экспериментов.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ПОМОЩЬЮ ЗАКОНА ОМА

Цель работы: приобретение навыков использования закона Ома при экспериментальном анализе электрических цепей, приобретение навыков измерений в цепях постоянного тока. В результате выполнения лабораторной работы студенты должны знать:

— основные понятия электрических цепей

— законы распределения напряжений на участках цепи

— законы распределения токов в ветвях

уметь:

— собирать схемы электрических цепей постоянного тока

— измерять токи и напряжения в цепях постоянного тока

— измерять сопротивления резистивных элементов

— исследовать режимы работы электрических цепей.

Общие сведения

Закон Ома для участка электрической цепи устанавливает связь между током, напряжением и параметрами элементов на участке. Измерив ток и напряжение на резисторе, можно определить его параметры – сопротивление или проводимость.

Закон Ома для пассивного участка цепи (рис.1,а)

а) б)

, где — потенциалы точек 1 и 2; разность потенциалов или напряжение между точками 1и 2, сопротивление, проводимость. Ток изменяется пропорционально напряжению и обратно пропорционально сопротивлению.

Закон Ома для активного участка цепи (рис. 1,б)

.

Для измерения напряжения на каком-либо участке электрической цепи параллельно к нему присоединяется вольтметр. Для измерения тока, протекающего в какой-либо ветви, в эту ветвь последовательно включается амперметр.

Характеристическим параметром резистора также является мощность. Мощность (потери мощности) резистора рассчитывается по формуле: .

Измерение мощности в цепях постоянного тока может производиться либо с помощью амперметра и вольтметра , либо с помощью одного прибора ваттметра.

Экспериментальная часть

Задание 1. Измерьте сопротивления резисторных элементов, ток в цепи и напряжение на каждом резистивном элементе.

Запустить программу ELECTRONICS WORKBENCH. Собрать цепь согласно рис.2,а.

а) б)

С помощью мультиметра измерит сопротивления резистивных элементов . Измерить общее сопротивление цепи. Результаты измерений занести в таблицу 1.

Таблица 1

Подключите цепь к источнику постоянного напряжения. Измерьте напряжение на каждом резисторе и ток в цепи. Результаты измерений занести в таблицу 2.

Таблица 2

По измеренным значениям напряжения и тока рассчитайте сопротивление каждого резистора. Результаты расчета занесите в таблицу 1. Сравните значения сопротивлений полученных опытным и расчетным путем. Проверьте выполнение закона Ома. Рассчитайте мощность каждого резистивного элемента.

Задание 2. Измерьте потенциалы точек.

1.Приняв потенциал точки «а» равным нулю, с помощью мультиметра или вольтметра измерьте потенциалы остальных точек. Результаты измерений занесите в таблицу 3.

Таблица 3

2. По результатам таблицы 3 постройте экспериментальную потенциальную диаграмму.

3. Рассчитайте потенциалы этих же точек и постройте расчетную потенциальную диаграмму.

Задание 3. Снимите экспериментально и постройте графики зависимостей при и при .

соберите цепь согласно рис.3 и измерьте токи, имеющих место при напряжениях и сопротивлениях, которые указаны в таблице 4.

Рис.3

Занесите результаты измерения токов в таблицу 4 и постройте графики зависимости .

Таблица 4.

измерьте токи, имеющие место при напряжениях , , , в зависимости от сопротивлений, указанных в таблице 5. Занесите результаты измерения токов в таблицу и постройте график зависимости .

сделайте выводы по работе.

Контрольные вопросы:

Как зависит ток в ветви от сопротивления ветви? Какая зависимость называется потенциальной диаграммой? Как измерить потенциал точки? Чему равно внутреннее сопротивление идеального источника ЭДС? Чему равно внутреннее сопротивление идеального источника тока? Чем отличаются неидеальные источники от идеальных? Чему равно внутреннее сопротивление идеального амперметра? Чему равно внутреннее сопротивление идеального вольтметра?