Віртуальні вимірювальні прилади

Віртуальні вимірювання параметрів електричних схем здійснюються за допомогою програмних пакетів. Програмний пакет Electronics Workbench, який отримав широке застосування завдяки відносній простоті, має у своєму складі широкий набір віртуальних вимірювальних приладів. При виконанні лабораторних робіт з курсу «Основи електроніки» використовуються такі з них: мультиметр, осцилограф, функціональний генератор.

Найпростішими приладами в Electronics Workbench є вольтметр і амперметр, розташовані в полі індикаторів, яке на панелі компонентів зображується значком:

.

Вони не вимагають настроювання, автоматично змінюючи діапазон вимірів. В одній схемі можна застосовувати кілька таких приладів одночасно, спостерігаючи струми в різних ланках і напруги на різних елементах.

Вольтметр (рис. 2) використовується для вимірювання змінної і постійної напруги.

Рисунок 2 – Зображення вольтметра у Electronics Workbench

Виділена жирною лінією сторона прямокутника на рис. 2 відповідає негативній клемі. Подвійним натисканням по лівій клавіші миші (ЛКМ) на зображенні вольтметра відкривається діалогове вікно для зміни параметрів вольтметра: виду вимірюваної напруги та величини внутрішнього опору. Діалогове вікно вольтметра показано на рис. 3.

Рисунок 3 – Діалогове вікно вольтметра у Electronics Workbench

Значення внутрішнього опору вводиться з клавіатури в рядку Resistance; вид вимірюваної напруги (опція Mode) вибирається зі списку. При вимірюванні змінної синусоїдальної напруги (АС) вольтметр буде показувати діюче значення напруги U _д, що визначається за формулою:

(1),

де U_m - амплітудне значення напруги.

Внутрішній опір вольтметра можна змінити, однак використання вольтметра з дуже високим внутрішнім опором у схемах з низьким вихідним опором може призвести до математичної помилки під час моделювання роботи схеми.

Примітка. Для вимірювання напруги крім вольтметра можна використовувати мультиметр.

Амперметр (рис. 4) використовується для вимірювань змінного та постійного струмів.

Рисунок 4 - Зображення амперметра у Electronics Workbench

Виділена жирною лінією сторона прямокутника на рис. 4 відповідає негативній клемі. Подвійним натисканням ЛКМ на зображенні амперметра відкривається діалогове вікно для зміни параметрів амперметра: виду вимірюваного струму та значення внутрішнього опору. Діалогове вікно амперметра показано на рис. 5.

Рисунок 5 – Діалогове вікно амперметра у Electronics Workbench

Значення внутрішнього опору вводиться з клавіатури в рядку Resistance; вид вимірюваного струму (опція Mode) вибирається зі списку.

При вимірі змінного синусоїдального струму (АС) амперметр буде показувати його діюче значення I_д, яке знаходиться з виразу:

(2),

де I_m - амплітуда змінного струму.

Внутрішній опір амперметра можна знизити, однак використання амперметра з дуже низьким опором у схемах з високим вихідним опором (щодо виводів амперметра) може призвести до математичної помилки під час моделювання роботи схеми.

Примітки: 1. Для вимірювання струму крім амперметра можна використовувати мультиметр.

2. Для дослідження схеми можна одночасно використовувати декілька вольтметрів та амперметрів.

Крім описаних амперметра і вольтметра, у Electronics Workbench є сім приладів з численними режимами роботи, кожний з який можна використовувати в схемі тільки один раз. Ці прилади розташовані на панелі приладів (рис. 6).

1 2 3

Рисунок 6 – Панель приладів у Electronics Workbench

В лабораторних роботах використовуються мультиметр 1, функціональний генератор 2 та осцилограф 3 (рис. 6).

Мультиметр

Мультиметр використовується для вимірювання: напруги (постійної та змінної); струму (постійного та змінного); опору; рівня напруги в децибелах.

Для настроювання мультиметра потрібно подвійним натисканням ЛКМ на його зменшеному зображенні відкрити його збільшене зображення (рис. 7).

Рисунок 7 – Зображення мультиметра у Electronics Workbench

На збільшеному зображенні натисканням ЛКМ обирається:

- вимірювана величина за одиницями виміру А, V, W чи dВ;

- вид вимірюваного сигналу: змінний чи постійний;

- режим установки параметрів мультиметра.

Вид вимірюваної величини обирається натисканням відповідної кнопки на збільшеному зображенні мультиметра.

Натискання кнопки встановлює мультиметр для виміру діючого значення змінного струму і напруги, постійна складова сигналу при вимірі не враховується. Для виміру постійної напруги і струму потрібно на збільшеному зображенні мультиметра натиснути кнопку

Вимірювання опору. Мультиметр - єдиний у Electronics Workbench стандартний прилад, призначений для виміру опору. Для використання мультиметра як омметра приєднайте його паралельно ділянці ланцюга, опір якого потрібно виміряти; на збільшеному зображенні мультиметра натисніть кнопку і кнопку (переключення в режим виміру постійного струму). Щоб уникнути помилкових показів, схема має бути з'єднана з землею і не мати контакту з джерелами живлення.

Осцилограф

Віртуальний осцилограф, що імітується програмою Electronics Workbench, являє собою аналог двопроменевого запам'ятовуючого осцилографа і має дві модифікації: просту і розширену. Через те, що розширена модель займає багато місця на робочому полі, рекомендується починати дослідження з простою моделлю, а розширену модель використовувати для детального дослідження сигналів. На схему виводиться зменшене зображення осцилографа, загальне для обох модифікацій (рис. 8).

Рисунок 8 – Зображення осцилографа у Electronics Workbench

Це зображення має чотири вхідних клеми: загальна 1; входу синхронізації 2 (його призначення буде розглянуто нижче); входу 3 каналу А (channel А) і входу 4 каналу В (channel В).

Клему 1 називають загальним виводом, тому що потенціал на ньому є загальною точкою схеми, відносно якої осцилограф вимірює напругу. Зазвичай цей вивід заземлюють, щоб осцилограф вимірював напругу відносно нуля. Тому на панелі осцилографа цю клему позначено «ground».

Подвійним натисканням ЛКМ по зменшеному зображенню відкривається зображення передньої панелі простої моделі осцилографа з кнопками керування, інформаційними полями та екраном (рис. 9).

Рисунок 9 – Зображення простої моделі осцилографа у Electronics Workbench

Для проведення вимірів осцилограф потрібно настроїти, для чого необхідно задати:

- розташування осей, по яких відкладається сигнал,

- потрібний масштаб розгортки по осях,

- зсув початку координат по осях,

- режим роботи з входу: закритий чи відкритий,

- режим синхронізації: внутрішній чи зовнішній.

Настроювання осцилографа проводиться за допомогою полів керування, розташованих на панелі керування. Панель керування має загальний для обох модифікацій осцилографа вид і розділена на чотири поля керування:

1- поле керування горизонтальною розгорткою (масштабом часу);

2- поле керування синхронізацією (запуском);

3- поле керування каналом А;

4- поле керування каналом В.

Поле керування горизонтальною розгорткою (масштабом часу) служить для задання масштабу по горизонтальній осі осцилографа при спостереженні напруги на входах каналів А та В у залежності від часу. Часовий масштаб задається в с/под (s/div), мс/под (ms/div), мкс/под (μs/div), нс/под (ns/div). Часовий еквівалент одної поділки може бути установлений від 0,1 нс до 1с. Масштаб можна дискретно зменшувати на один крок при натисканні мишею на кнопку , або збільшувати при натисканні на кнопку на полі керування горизонтальною розгорткою . Щоб одержати зручне для спостереження зображення на екрані осцилографа, встановіть масштаб часу таким чином, щоб ціна двох розподілів на горизонтальній осі приблизно дорівнювала величині, обернено-пропорційній частоті досліджуваного сигналу, тобто складала період сигналу.

За допомогою кнопок можна дискретно зміщувати початок осцилограми по горизонтальній осі. У цьому ж полі розташовані три кнопки: Y/T, А/B, B/А, що дозволяють задавати вид залежності відображуваних сигналів. При натисканні на кнопку Y/T по вертикальній осі відкладається напруга, по горизонтальній - час, при натисканні на кнопку А/В по вертикальній осі відкладається амплітуда напруги на вході каналу А, по горизонтальній - каналу В, а при натисканні на кнопку В/А - навпаки. При цьому масштаб осей визначається установками відповідних каналів. У режимах А/В та В/А можна спостерігати частотні і фазові зсуви (фігури Ліссажу), петлі гістерезису, вольт-амперні характеристики і т.ін.

Дві нижні частини панелі осцилографа (рис 9, поз. 3, 4) є полями керування відображенням сигналів, поданих на входи каналів А та В відповідно. Поле дозволяє керувати масштабом осі відображуваної напруги по вертикальній чи горизонтальній осі. Ціна поділки може дискретно встановлюватися від 10 mv/div до 5 Kv/div. Масштаб для кожної осі встановлюється окремо. Щоб одержати зручне для роботи зображення на екрані осцилографа, перед початком експерименту встановіть масштаб, що відповідає очікуваній напрузі.

Нижче розташоване поле, яке дозволяє дискретно зсувати вісь Х вверх або вниз. Для того, щоб відділити зображення в каналах А та В, скористайтеся зсувом по осі Y (Y Position) для одного чи двох каналів. Три нижні кнопки реалізують різні режими роботи осцилографа відносно входу. Режим роботи осцилографа із закритим входом встановлюється натисканням на кнопку АС. У цьому режимі на вхід не пропускається постійна складова сигналу. При натисканні на кнопку DC осцилограф переходить у режим із відкритим входом. У цьому режимі на вхід осцилографа пропускається як постійна, так і змінна складова сигналу.

При натисканні на кнопку О вхід осцилографа з'єднується з загальним виводом осцилографа.

Верхнє праве поле керування Trigger (2) визначає момент початку відображення осцилограми на екрані осцилографа. Кнопки в рядку Edje задають момент запуску осцилограми за фронтом чи за спадом імпульса на вході синхронізації. Поле Level дозволяє задавати рівень, при перевищенні якого відбувається запуск осцилограми. Значення рівня можна зсунути на три поділки вниз чи вгору.

Осцилограф має чотири режими синхронізації:

1) автоматичний режим (Auto) - запуск осцилограми проводиться автоматично при підключенні осцилографа до схеми чи при її включенні (коли "промінь" доходить до кінця екрана, осцилограма знову прописується з початку екрана (новий екран));

2) режими запуску за входом "А" чи "В", у яких запускаючим сигналом є сигнал, що надходить на відповідний вхід;

3) режим "Зовнішній запуск" (Еxt - external), в якому сигналом запуску є сигнал, що подається на вхід синхронізації.

Натискання клавіші на простій моделі осцилографа відкриває вікно розширеної моделі осцилографа (рис. 10).

Рисунок 10 – Зображення розширеної моделі осцилографа у Electronics Workbench

Панель керування розширеної моделі осцилографа розташована під екраном і доповнена трьома інформаційними табло, на які виводяться результати вимірів. Крім того, безпосередньо під екраном знаходиться лінійка прокручування, що дозволяє спостерігати будь-який часовий відрізок процесу від моменту включення до моменту вимикання схеми. По суті, розширена модель осцилографа це зовсім інший прилад, що забезпечує більш зручний і точний аналіз процесів. На екрані осцилографа розташовані два курсори, що позначаються цифрами 1 і 2 (рис. 10), з їх допомогою можна вимірювати миттєві значення напруг у будь-якій точці осцилограми. Для цього просто перетягніть мишею курсори за трикутники в їх верхній частині у необхідне положення. Координати точок перетину першого курсору з осцилограмами відображаються на лівому табло, координати другого курсору - на середньому табло. На правому табло відображаються значення різниці між відповідними координатами першого і другого курсорів. Щоб повернутися до колишнього зображення осцилографа - натисніть клавішу , розташовану в правому нижньому куті.

Функціональний генератор

Функціональний генератор є ідеальним джерелом напруги, що виробляє сигнали синусоїдальної, прямокутної чи трикутної форми. На екран виводиться зменшене зображення генератора (рис. 11).

Рисунок 11 – Зображення зменшеної моделі генератора у Electronics Workbench

Середній вивід генератора, підключений до схеми, забезпечує загальну точку для відліку амплітуди змінної напруги. Для відліку напруги відносно нуля загальний вивід заземлюють.

Крайні правий і лівий виводи служать для подачі змінної напруги на схему. Напруга на правому виводі змінюється в позитивному напрямку відносно загального виводу, напруга на лівому виводі - у негативному. Подвійним натисканням миші на зменшеному зображенні відкривається збільшене зображення генератора (рис. 12).

На збільшеному зображенні функціонального генератора можна задати наступні параметри:

частоту вихідної напруги ;

скважність (шпаровитість) ;

амплітуду вихідної напруги ;

постійну складову вихідної напруги .

Для встановлення необхідної форми вихідного сигналу натисніть на кнопку з відповідним зображенням .

Рисунок 12 – Зображення збільшеної моделі генератора у Electronics Workbench

Користування іншими елементами Electronics Workbanch

Основними елементами, що застосовуються в схемах лабораторних робіт є: резистор , конденсатор , змінний резистор , змінний конденсатор .

Для того, щоб встановити необхідне значення опору резистора, необхідно правою кнопкою миші (ПКМ) натиснути на зображення резистора на схемі і в меню, що з’явиться, вибрати пункт . У результаті цього з’явиться панель настройки (рис. 13).

Рисунок 13 – Зображення панелі настройки параметрів постійних резисторів у Electronics Workbench

Необхідне значення опору резистора встановлюється в меню:

Для того, щоб встановити необхідне значення опору змінного резистора, необхідно ПКМ натиснути на зображення резистора на схемі і в меню, що з’явиться, вибрати пункт . У результаті з’явиться панель настройки, зображена на рис. 14.

Рисунок 14 – Зображення панелі настройки параметрів змінних резисторів у Electronics Workbench

В меню панелі можна встановити наступні параметри:

Key – клавіша, за допомогою якої можна змінювати опір резистора;

Resistance (R) – номінальне значення опору резистора;

Setting – початкове значення опору у відсотках від номінального значення;

Increment – значення кроку зміни опору у відсотках від номінального значення.

При роботі схеми опір змінного резистора збільшується шляхом натискання комбінації “Shift + (встановлена клавіша в меню Key”), зменшується натисканням встановленої клавіші.

Необхідне значення ємності конденсатора встановлюється аналогічно описаному для резистора, в панелі настройки (рис. 15) в меню Capacitance (C).

Рисунок 15 – Зображення панелі настройки параметрів конденсаторів постійної ємності у Electronics Workbench

Необхідне значення ємності змінного конденсатора встановлюється аналогічно до опору змінного резистора в панелі настройки (рис. 16).

Управління значенням ємності при роботі схеми відбувається аналогічно до управління опором змінного резистора.

Рисунок 16 – Зображення панелі настройки параметрів конденсаторів змінної ємності у Electronics Workbench

Додаток Б

Опис лабораторних стендів

Лабораторний стенд для виконання лабораторної роботи повинен складається або з повного макета лабораторної установки, або з макетної плати з навісними елементами, блока живлення та необхідних контрольно-вимірювальних приладів.

Макетні плати виконані як окремі закінчені вузли, кожна з яких призначена для встановлення певних типів мікросхем. Наприклад, плата 1 (рис.1) використовується для встановлення операційних підсилювачів у круглому металевому корпусі типів К140УД6, К140УД7, К140УД8 та інших з аналогічним розміщенням виводів.

На рис. 1 позначені: 1 – контактні площадки для пайки навісних елементів, 2 – контактні пелюстки для припаювання провідників, 3 – панель для розміщення ОП, 4 - контактні штирі від панелі для припаювання провідників, 5 – підлагоджувальні резистори, 6 – виводи підлагоджувальних резисторів, 7 – колодка для під’єднання напруги живлення, 8 - колодка для під’єднання плати до джерела вхідного сигналу.

Макетна плата 2 (рис. 2) та макетна плата 3 (рис. 3) використовуються для встановлення та дослідження операційних підсилювачів у пластмасовому 14-ти виводному корпусі типів КР140УД1А, КР140УД1Б, КР140УД1В. Макетна плата 4 (рис. 4) призначена для встановлення операційних підсилювачів у пластмасовому 8-ми виводному корпусі типів КР544УД1А, КР544УД1Б, КР544УД1В, КР140УД8А, КР140УД8Б. Позначення елементів на платах 2, 3 та 4 такі ж, як і на платі 1.

Як блоки живлення для макетних плат у лабораторному стенді використовуються двохполярні стабілізовані джерела живлення з можливістю регулювання напруги у кожному з пліч окремо (рис. 5) та з фіксованою напругою (рис. 6). Максимальний струм навантаження для джерела з регулюванням напруги становить 150 мА, коефіцієнт стабілізації напруги – не менше 200. А для джерела з фіксованою напругою 50 мА та 50 відповідно.

Рисунок 1 – Монтажна плата 1 для встановлення ОП у круглих металевих корпусах

Рисунок 2 – Монтажна плата 2 для встановлення ОП у пластмасових корпусах типів КР140УД1

Рисунок 3 – Монтажна плата 2 для встановлення ОП у пластмасових корпусах типів КР140УД1

Рисунок 4 – Монтажна плата 4 для встановлення ОП у пластмасових корпусах типів КР544УД1, КР140 УД8

Рисунок 5 – Двохполярне стабілізоване джерело живлення з регулюванням вихідної напруги

Рисунок 6 – Двохполярне стабілізоване джерело живлення з фіксованою вихідною напругою