Учебные задания и методические указания к их выполнению

Задание 1. Изучить краткую инструкцию (см. Приложение 2) работы с программной средой NI Multisim 10 (MS10), а также мультимедийные кадры, размещенные в меню пользовательского интерфейса комплекса Labworks. С этой целью щелкните мышью на кнопках Помощь/Первые шаги в MS10 ме­ню и просмотрите демонстрационные кадры с объяснениями, как открыть биб­лиотеку компонентов Basic, "перетащить" мышью компоненты на рабочее поле среды MS10, сое­динить их проводниками и установить параметры, изменить цвет проводников; как измерить, с помощью визирных линий осциллографа, временной интервал (сдвиг) t между двумя синусоидальными величинами  напряжением и током и рассчитать угол сдвига фаз  между ними.

Задание 2. Открыть библиотеку источников энергии Source и "перетащить" на рабочее поле среды МS10 идеальный источник Е1 постоян­но­го напряжения, затем из библиотеки базовых компонентов Basic "перетащить" четыре резистора R1, …, R4, из библиотеки индикаторов Indicator – амперметр А и четыре вольтметра V1, …, V4, из панели приборов Instruments  мультиметр XMM1, переключатель S из библиотеки Switch/ SPDT, управляемый клавишей S клавиатуры (английский шрифт).

После двойного щел­чка мышью на изображении элемента или прибора в открывающихся диалоговых окнах:

 задать ЭДС источника напряжения Е₁ = N (в вольтах), где N – номер записи фамилии студента в учебном журнале группы;

 обозначить (щёлкая мышью на кнопках Label и Value) резисторы и установить значения их сопротивлений:

R₁ = N; R₂ = 2N; R₃ = 3N; R₄ = 4N;

  задать или оставить установленный по умолчанию режим DС функционирования измерительных приборов и их внутренние сопротивления: 1 нОм для амперметра и 10 МОм для вольтметров;

 задать измеряемую величину Ω мультиметра XMM1 и режим его работы (постоянный ток).

Соединить параллельно между собой сопротивления R₁ и R₃; R₂ и R₄, и измерить с помощью мультиметра XMM1 сопротивления разветвлений резисторов (см. рис. 1.4, а для варианта 40). Полученные значения сопротивлений занести в поля табл. 1.1 и сравнить со значениями, вычисленными по формулам:

R₁₃ = R₁R₃/( R₁ + R₃) и R₂₄ = R₂R₄/( R₂ + R₄).

Т а б л и ц а 1.1 

Измерено	R13, Ом	R24, Ом	U1, мB	U2, мB	U3, мB	U4, мB
			I1 = I, мА	I2 = I, мА	I3 = I, мА	I4 = I, мА
Вычислено	R13, Ом	R24, Ом	R1, Ом	R2, Ом	R3, Ом	R4, Ом

Собрать схему и, согласно варианту (см. рис. 1.4, б для варианта 40), установить значения параметров элемен­тов схемы и приборов. Запустить программу MS10 (щёлкнуть мышью на кнопке меню среды MS10) и занести показания приборов (значение тока (А1) и значения напряжений (V1, …, V4) на зажимах резисторов) в табл. 1.1 электронной тетради.

Рассчитать сопротив­ления резисторов и занести их значения в табл. 1.1.

Скопировать и занести на страницу электронного отчёта копии рисунков схем (см. рис. 1.4, а и рис. 1.4, б) (в виде скриншотов после корректировки, например, в редакторе Paint или непосредственно после выделения схем и нажатия клавиш Alt+PrtSc клавиатуры).

Задание 3. Измерить индуктивность катушки и ёмкость конденсатора косвенным методом по результатам прямых измерений нап­ряжения, тока и мощности RL- или RC-ветви и косвенного измерения угла сдвига фаз φ_k.

С этой целью собрать на рабочем поле программной среды MS10 схему цепи (см. рис. 1.5), либо открыть файл 1.5.ms10, и установить:

 параметры идеального источника синусоидального напряжения действующее значение ЭДС Е = 5 + N, В; частоту f = 1 кГц при измерении индуктивности L катушки и частоту f = 10 кГц при измерении ёмкости C конденсатора; начальную фазу напряжения_u = 0;

 режим работы АС (переменный ток) амперметра А (R_А = 1 нОм) и вольтметра V (R_V = 10 MОм);

 значение сопротивления R₁ = 25 Ом резистора R1 (имитирующего активное сопротивление катушки) и сопротивление R₂ = 10 Ом резистора R2;

 значение индуктивности катушки L = 5 + int(N/5), мГн и ёмкости конденсатора С = 1 + int(N/10), мкФ, где int(a/b) – целая часть операции a/b;

 красный цвет провода, соединённого с каналом А, и синий цвет провода, соединённого с каналом В двухканального осциллографа ХSC1;

 задать параметры осциллографа XSC1. При этом на вход канала А подано напряжение с источника INУT, пропорциональное входному току i, а на вход канала В подано напряжение u с зажимов источника напряжения е. Цветовая окраска осциллограмм (см. рис. 1.3, а) соответствует установленным цветам проводов, соединённых с соответствующими входами каналов прибора XSC1.

Примечание. В модели осциллографа XSC1 среды MS10 реализовано "внутреннее соединение" правых входов каналов А и В (см. рис. 1.3, б и рис. 1.5) с узлом схемы цепи, к которому подключен элемент , названный "Аналоговая земля". Поэтому не обязательно соединять проводниками правые выводы каналов А и В осциллографа с "заземлённым" узлом схемы. Элемент  имеет нулевой потенциал. Потенциалы других узлов схемы измеряются относительно заземлённого узла;

 чувствительность 200 мВ/дел (mV/div) канала А осциллографа и 5 или 10 B/дел (V/div) канала В; длительность развертки (TIME BASE) в режиме Y/T  0,2 мс/дел (2 ms/div). При измерениях указанные цены делений рекомендуется изменять таким образом, чтобы амплитуды напряжений были бы равны не менее 0,5…0,75 высоты экрана осциллографа, а по оси времени укладывалось бы два-три периода колебания напряжений;

 управляющую переключателем клавишу S клавиатуры;

 значение коэффициента передачи INUT k = 1 Ом;

 управляемый контакт переключателя S в нижнее положение, т. е. подключить R₁L-ветвь к источнику е.

Запустить программу MS10 (щёлкнуть мышью на кнопке меню среды MS10), снять показания приборов и занести их в поля табл. 1.2 электронной тетради по работе. Методика опре­деления угла сдвига фаз j между напряжением и током описана в п. 4 раз­дела "Теоретические сведения …".

Убедиться (см. рис. 1.3, а), что ток i₁ в R₁L-ветви отстаёт по фазе от напряжения u на угол j₁ = arctg(X_L/R₁) = arсcos(P₁/UI₁), где Р₁  показание ваттметра. Скопировать и занести на страницу электронной тетради копию рисунка-чертёжа смоделированной схемы (см. рис. 1.5) с показаниями ваттметра и осциллограммами на экране осциллографа (см. рис. 1.3).

Установить частоту ЭДС f = 10 кГц источника е(t) и с помощью переключателя S подключить R₂С-ветвь к источнику е. Показания приборов занести в табл. 1.2.

Убедиться (анализируя расположение осциллограмм на экране осциллографа), что ток i₂ в R₂С-ветви опережает по фазе напряжение u на угол j₂ = arctg(X_C/R₂) =  arсcos(P₂/UI₂), где Р₂  показание ваттметра.

Рассчитать полное Z = U/I, активное R = Zcosj и реактивное X = Zsinj сопротивления R₁L- и R₂С-ветви и занести их в поля табл. 1.2.

Так как индуктивное сопротивление катушки X_L = L = 2fL, Ом, а ём­костное сопротивление конденсатора X_С = 1/С = 1/2fC, Ом, то:

 индуктивность катушки, включенной в R₁L-ветвь:

L = X_L/ = X_L/2f, Гн или L = 10³X_L/2f, мГн;

 ёмкость конденсатора, включенного в R₂С-ветвь:

С = 1/(X_C )= 1/(2fX_C), Ф или С = 10⁶/(2fX_C), мкФ.

Т а б л и ц а 1.2

Ветвь

Установ­лено

Измерено

Вычислено

E, B

f, кГц

U, B

I, мA

P, Bт

, град

Z, Ом

R, Ом

X, Ом

L, мГн

C, мкФ

R1L

1

-----

R2C

10

-----

Вычисленные значения индуктивности L катушки и ёмкости C конденсатора занести в табл. 1.2. Сравнить полученные значения R, L и С с установленными их значениями в схеме цепи.