П.3.11. Контрольні питання

1. Як включаються в електричне коло амперметр і вольтметр?

2. Чому для мультиметра регламентується величина струму в режимі омметра?

3. Що таке децибел?

4. Якому значенню відповідає вихідна напруга, що задається на лицьовій панелі функціонального генератора, – амплітуді сигналу чи його діючому значенню?

5. Як за допомогою осцилографа можна отримати значення амплітуди сигналу і його частоти?

6. Як можна одержати різнокольорові осцилограми сигналів на екрані осцилографа і як їх рознести по вертикалі для зручності спостереження?

7. Якими способами можна отримати значення коефіцієнта підсилення та фазового зміщення на заданій частоті з допомогою осцилографа та вимірювача АЧХ і ФЧХ?

П.4. Дослідження елементної бази Elektronics Workbench

Мета роботи: Дослідити джерела живлення та індикаторні прилади програми Elektronics Workbench.

П.4.1. Джерела струму

В загальному випадку джерела струму можуть бути представлені у вигляді генератора напруги або генератора струму. Джерела струму діляться на джерела постійного струму, змінного струму і керовані (функціональні) джерела. Крім того, вони підрозділяються на вимірювальні та джерела електроживлення.

Прикладом вимірювального джерела є функціональний генератор. З джерел постійного струму в якості вимірювального широко використовується так званий нормальний елемент (електрохімічне джерело Ветстона), яке володіє високою стабільністю вихідної напруги і використовується у високоточних зразкових установленнях для повірки вольтметрів, амперметрів та інших вимірювальних приладів.

Джерела для електроживлення є наймасовішими пристроями. Їх прийнято ділити на первинні та вторинні. До первинних відносяться: електрогенератори, які перетворюють механічну енергію в електричну, термоелектрогенератори, сонячні та атомні батареї, електрохімічні джерела. У вторинних джерелах струму проводиться перетворення струму первинного джерела в необхідний набір номіналів напруг або струмів.

а) б) в) г)

Рисунок П.4.1 – Джерела постійного струму

Джерела постійного струму в програмі EWB представлені на рисунку П.4.1. Ідеальне (з внутрішнім опором R_i = 0) джерело постійної напруги +5 В призначене в основному для логічних схем, його заземлення не потрібне. Для ідеального джерела постійної напруги на рисунку П.4.1,б, в діалоговому вікні задається значення напруги (Voltage), рівного електрорушійній силі (ЕРС). Для реального джерела напруги (рисунок П.4.1,в) в діалоговому вікні задаються ЕРС (Pull-Up Voltage) і внутрішній опір (Resistance). Установлення струму ідеального джерела струму (рисунокП.4.1,г) проводиться аналогічно установці ЕРС.

а) б) в)

Рисунок П.4.2 – Джерела змінної напруги

Джерела змінної напруги EWB поділяються на джерела немодульованих та модульованих сигналів. Для джерела змінної напруги (рисунок П.4.2,а) в діалоговому вікні задається напруга (Voltage), частота (Frequency) і початкова фаза сигналу. Установлення струму, частоти і початкової фази змінного струму (рисунок П.4.2,б) здійснюється аналогічно джерелу синусоїдної напруги.

Ідеальний генератор імпульсної напруги (рисунок П.4.4,в) є джерелом однополярних імпульсів, що задаються амплітудою (Voltage), частотою їх поступання (Frequency) і коефіцієнтом заповнення (Duty Cycle), рівним відношенню довжини імпульсу до періоду поступання (величина, зворотна до щілинності. При вказаному за замовчуванням значенні коефіцієнта заповнення 50% періодична імпульсна послідовність називається меандром. Такий сигнал може бути представлений у вигляді суми гармонічних складових (простих синусоїд) розкладанням у ряд Фур’є.

Перша складова даного виразу – постійна складова, рівна половині амплітуди , перший доданок у квадратних дужках – перша гармоніка, другий – третя гармоніка і т.д. Джерела модульованої напруги в програмі EWB представлені компонентами, які показані на рисунку П.4.4.

Рисунок П.4.4 – Джерела АМ та ЧМ сигналів

Ці джерела є ідеальними генераторами амплітудно-модульованих (АМ) та частотно-модульованих (ЧМ) коливань з наступними параметрами: Carrier Amplitude (Vc) – амплітуда несущої (для ЧМ – Peak Amplitude (Va) – пікове значення), Сarrier Frequency (Fc) – частота несущої, Modulation Index (M) – коефіцієнт модуляції. Modulation Frequency (Fm) – частота модульованого коливання. Осцилограма АМ сигналу при М=0,5 показана на рисунку 4.5. Коефіцієнт модуляції визначається як відношення амплітуди огинаючої (на осцилограмі – 0,5·В) до її середнього значення, тобто до амплітуди несучої (1 В). Коефіцієнт модуляції АМ коливань завжди менший або рівний одиниці.

Аналітичний вираз для АМ сигналу записується в наступному вигляді:

U(t)=U_c[l+Msin(2πF_m)t]sin(2πF_ct).

Цей вираз після тригонометричних перетворень може бути представлений у більш наочному вигляді:

Рисунок П.4.5 – Осцилограми AM та ЧМ коливань

Аналітичний вираз для АМ сигналу записується в наступному вигляді:

U(t)=U_c[l+Msin(2πF_m)t]sin(2π F_ct).

Цей вираз після тригонометричних перетворень може бути представлений у більш наочному вигляді:

U(t)=U_c[cos(2πF_c)t+0,5Mcos2π(F_c+F_m)t+0,5Mcos2π(F_c – F_m) t].

Перша складова виразу АМ сигналу називається несучим коливанням, друга складова – коливанням з верхньою боковою, третє – коливанням з нижньою боковою частотою.

Аналітичний вираз для ЧМ сигналу має наступний вигляд:

U(t)=U_csin[2πtF_c+Msin(2πF_m)t].

Цей вираз для зручності інтерпретації перетворюється до вигляду:

U(t)=U_cJ_o(z)cos(2πF_c)t+U_c J_n(z)cos2π(F_c+nF_m)t+U_c J_n(z)cos2π(F_c – nF_m)t,

де J_o(z), J_n(z) – функції Беселя нульового і n- го порядку від аргументу z = M.

У приведеному виразі, як і у випадку АМ сигналу, перша складова називається несучим коливанням, друга складова – гармонійними складовими верхньої бокової смуги частот, третя – складовими нижньої бокової смуги частот. Кількість верхніх та нижніх бокових частот теоретично безмежна. Практично ж при великих значеннях М складові, починаючи приблизно з n=М+1, можна не враховувати. Осцилограма ЧМ коливання, одержана при індексі модуляції М, показана на рисунку 4.5,б.