Введение в лабораторный практикум

Большое распространение получили в последнее время ИМС на основе полевых транзисторов структуры МОП. Принципиальные особенности их позволяют создавать элементы и новые узлы цифровых устройств с малым потреблением P при высокой помехоустойчивости и нагрузочной способности. Сравнительно с биполярными они имеют меньшие размеры, что позволяет разместить на единице площади кристалла большее число элементов при более простой технологии.
Действие их основано на управлении рабочим током при помощи электрического поля, создаваемого входным напряжением, поэтому для полевых транзисторов характерно высокое входное сопротивление. Чтобы открыть оба нижних транзистора надо, чтобы на входе A и входе B была логическая единица, при этом оба верхних транзистора закроются и на выходе Q будет логический ноль. Если хотя бы на одном или на обоих входах будет логический ноль, то хотя бы один из нижних транзисторов закроется, один из верхних откроется, при этом на выходе будет логическая единица.

Схема КМОП ЛЭ И–НЕ и его таблица истинности: Схема

Если на входах A или B (или на обоих) логическая единица, то откроется один или оба из нижних транзисторов, при этом закроется один или оба верхних транзистора, тогда на выходе логический ноль. Если на обоих входах логический ноль, то закроются оба нижних и откроются оба верхних транзистора, при этом на выходе логическая единица.

Введение в лабораторный практикум

«Линейные электрические цепи»

Рекомендовано УМО «Ядерная физика и технологии» в качестве учебно-методического пособия для студентов высших учебных заведений.

Москва 2011.

УДК 621.3

ББК 31

Г 92

Гаркуша О.В., Коротеев В.И., Павловский В.А.Введение в лабораторный практикум «Линейные электрические цепи». Учебно-методическое пособие М.: НИЯУ МИФИ, 2011 – 82с.

Дается описание учебной лаборатории «Электрические цепи», рассматриваются принципы работы, структурные схемы построения и основные метрологические характеристики используемых в лаборатории современных средств измерений, освещаются методические принципы, лежащие в основе проведения как реального, так и выполняемого в процессе самостоятельной подготовки студентов виртуального эксперимента, и даётся описание лабораторной работы «Вводное занятие в лаборатории «Электрические цепи»».

Пособие предназначено для студентов дневных и очно-заочного факультетов, изучающих курсы «Теоретические основы электротехники», «Электротехника», «Теория электрических цепей», «Электроника и электротехника», «Электротехника и схемотехника», «Метрология, стандартизация и сертификация» и выполняющих лабораторные работы в практикуме «Электрические цепи».

Рецензент д-р .физ.-.мат.наук., проф. Н.М. Гаврилов

Пособие подготовлено в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ

ISBN 978-5-7262-1556-3

©Национальный Исследовательский Ядерный Университет «МИФИ», 2011

Содержание

Предисловие. 4

1. Учебная лаборатория «Электрические цепи». . . 5

1.1. Экспериментальные лабораторные панели. . . . . . . . . . . . . 7

1.2. Двухканальный цифровой запоминающий

осциллограф TDS2002B. 9

1.2.1. Принцип действия цифрового запоминающего

осциллографа .9

1.2.2. Функциональные возможности, структурная схема

и назначение функциональных областей и элементов

управления осциллографа TDS2002B. . 11

1.2.3.Основные метрологические характеристики

осциллографа TDS2002B. . . . . 19

1.2.4. Техника измерений параметров сигналов 20

1.3. Генератор многофункциональный АНР-1002. 31

І.3.1. Основные характеристики генератора 31

І.3.2.Элементы управления и регулировки генератора .31

1.3.3. Режимы работы генератора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33

1.4. Вольтметр универсальный цифровой В7-35. .35

1.4.1. Основные технические характеристики прибора. . . . . . . . . . .35

1.4.2. Структурная схема прибора, принцип действия и

назначение органов регулировки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

1.4.3. Техника измерений параметров сигналов. . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.Лабораторная работа «Вводное занятие в

учебной лаборатории «Электрические цепи»... 44

2.1.1. Описание экспериментальной установки. . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.1.2. Задание на эксперимент. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45

2.1.3. Домашнее задание. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2.1.4. Указания к оформлению отчета. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

2.1.5 Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56

Приложение1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

Приложение2. . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

Список литературы. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .79

Предисловие.

Предлагаемое пособие состоит из двух частей – теоретической и практической, а также двух приложений.

В первой части описывается учебная лаборатория «Электрические цепи», представляющая собой лабораторный комплекс, и перечисляются методические принципы, положенные в основу проведения занятий, даётся описание экспериментального стенда, рассматриваются функциональные возможности комплекса и его компонентов, а также приводятся основные технические характеристики используемых приборов.

Вторая часть пособия содержит описание лабораторной работы «Вводное занятие в учебной лаборатории «Электрические цепи», традиционно включающее следующие разделы: цель работы, описание экспериментальной установки, задание на эксперимент, домашнее задание, указания к оформлению отчета и контрольные вопросы для проверки знаний.

В приложении 1 дается вывод соотношений, используемых при оценке погрешностей измерения электрических величин.

В приложении 2 описывается методика проведения предварительного (виртуального) эксперимента, выполняемого с использованием программной среды MultiSim10.1 и виртуальных приборов на персональных компьютерах.

К данному пособию прилагается CD-диск, на котором размещена одна из версий компьютерного моделирования методов измерения параметров линейных электрических цепей и анализа схем в среде MultiSim10.1.

1. Учебная лаборатория «Электрические цепи»

Учебная лаборатория (рис.1.1) предназначена для проведения лабораторных, практических и самостоятельных занятий с целью усвоения и закрепления знаний, получаемых студентами в ходе изучения курсов электротехнического цикла. Процесс обучения в лаборатории базируется на следующих методических принципах:

- фронтальный метод выполненияработ;

- эффективный контроль знаний студентов, проводимый на этапах допуска к занятиям и защиты лабораторных работ;

- развитие навыков и форм самостоятельной работы;

- освоение современных средств измерительной и вычислительной техники;

- совмещение лабораторных занятий с практическими;

- реализация новых методов обучения и проведения физического эксперимента на основе использования новейших информационных и компьютерных технологий.

Отличительной особенностью современного подхода к созданию практикума на основе учебной лаборатории «Электрические цепи»является интегрирование в единый процесс реальных и виртуальных исследований и возможность их использования в режиме удаленного доступа. В результате такого подхода удается реализовать сетевой обучающий лабораторный аппаратно-программный комплекс коллективного пользования. Выполнение виртуальных экспериментов, осуществляемых в среде LabVIEW и проводимых в процессе самостоятельной подготовки студентов, способствует более качественному освоению изучаемых электротехнических дисциплин. Внешний вид лаборатории приведен на рис.1.1.

Основу учебной лаборатории составляют универсальные экспериментально-исследовательские стенды(рис.1.2). Кроме того, в ее состав входит система демонстрации электрических процессов в динамике с использованием большого экрана и управляемого компьютером проектора.

На базе компьютеров, входящих в состав универсальных стендов, создан компьютерный класс для 15 пользователей с выходом в Интернет.

Рис. 1.1. Внешний видлаборатории «Электрические цепи»

Каждый стенд укомплектован лабораторными панелями, число и вид которых может варьироваться в зависимости от задач исследования, персональным компьютером, двухканальным цифровым запоминающим осциллографом TDS2002B, многофункциональным генератором АНР-1002, вольтметром универсальным цифровым В7-35, мультиметром АМ1118, используемым в качестве альтернативы прибора В7-35, и источником питания постоянного тока АТН-1232. Кроме того, стенд оборудован блоком из шести евророзеток с УЗО и тремя разъемами заземления, размещенными справа под столешницей.

Следует отметить, что целесообразность наличия компьютеров в экспериментальном стенде объясняется не только упрощением процедуры расчета результатов реального эксперимента, но и необходимостью совершенствования процесса самостоятельной подготовки студентов, в ходе которого осуществляется моделирование электрических цепей и электронных устройств, выполняются домашние задания и проводится анализ результатов исследований в электронном виде с использованием пакета программ MicroCap10.1 и моделирующей среды LabVIEW, NIMultiSim 10.1.

Рис. 1.2 Внешний вид экспериментального стенда,где

1-компьютер; 2- монитор; 3- силовой источник постоянного напряжения и тока; 4 - двухканальный цифровой запоминающий осциллограф; 5 - функциональный генератор различных типов сигналов; 6 - мультиметр; 7 - исследовательская панель.

Исследовательская панель трех типов: для исследования простейших электротехнических цепей под воздействием синусоидальных и импульсных сигналов, для анализа процессов в длинных линиях и для изучения простейших электронных схем.