Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
МегаЛекции

Моделирование типовых электрических и электронных устройств.




К числу типовых электрических и электронных устройств можно отнести электрические фильтры, выпрямители и усилительные каскады, выполненные на полупроводниковых элементах. Имеющиеся в программе EWB инструменты позволяют спроектировать электрические и электронные устройства, исследовать режимы работы устройств во временной и определить их характеристики в частотной области.

В качестве примера рассмотрим снятие вольтамперных характеристик биполярного транзистора, исследование усилителя переменного тока на транзисторах и пассивного RLC фильтра.

Характеристики биполярного транзистора

Для снятия вольтамперных характеристик биполярного транзистора в EWB формируется схема, представленная на рис. 2.21.

Рис. 2.21. Схема для снятия характеристик биполярного транзистора

Схема и результаты исследований приведены из учебного пособия кафедры электропривод и электрооборудование Томского политехнического университета [3].

В таблице 2.1. приведена выходная вольтамперная характеристика U кэ(I к) транзистора 2N2222A (отечественный аналог КТ3117А,В), включенного по схеме с общим эмиттером. Ток базы принимает три значения (5, 10 и 20 мА) – цепь базы запитывается от источника тока. Напряжение изменяют в пределах от 0,1 до 3 вольт.

На рис. 2.22 приведены данные ВАХ из таблицы 2.1, построенной в программе Excel.

Таблица 2.1

Экспериментальные данные

  U кэ, В
0.1 0.3 0.5      
I б = 5 мА I кэ, А 0.08007 0.3169 0.4619 0.4667 0.4708 0.475
I б = 10 мА I кэ, А 0.09365 0.3533 0.6104 0.7215 0.7279 0.7343
I б = 20 мА I кэ, А 0.1021 0.3769 0.6639 1.087 1.096 1.106

 

Рис. 2.22. Вольтамперные характеристики транзистора

Усилителя переменного тока

Для исследования усилителя переменного тока в программе EWB формируют схему рис. 2.23.[3] В данном усилителе транзистор 2N2222A включен по схеме с общим эмиттером.

Напряжение питания усилителя в 12 В. осуществляется от источника постоянного тока. На вход усилителя с функционального генератора Function Generator подаётся гармонический сигнал с амплитудой 20 мВ и частотой 10 кГц. Частота входного сигнала в дальнейшем меняется для снятия частотной характеристики Bode Plotterom.

На входе и выходе усилителя для отсечки постоянной составляющей включены конденсаторы ёмкостью 5 мкФ. Рабочая точка ВАХ транзистора обеспечивается резистивным делителем напряжения, сопротивления которого предварительно рассчитываются либо подбираются так, чтобы нелинейные искажения выходного сигнала были минимальными.

Рис. 2.23. Схема усилителя переменного тока на транзисторе

Для стабилизации рабочей точки в цепь эмиттера включено сопротивление 50 Ом. По переменному току эмиттер транзистора через шунтирующий конденсатор 50 мкФ подключается к общей точке. Сопротивление нагрузки составляет 100 кОм – усилитель работает в режиме холостого хода.

Построитель частотных характеристик Bode Plotter позволяет получить амплитудную частотную (АЧХ) и фазовую частотную (ФЧХ) характеристики усилителя.

Если на вход усилителя переменного тока подавать периодический сигнал заданной амплитуды и частоты, то на его выходе будет также периодический сигнал той же частоты, но в общем случае другой амплитуды со сдвигом по фазе. Взаимосвязь между параметрами периодических сигналов на входе и выходе усилителя определяют частотные характеристики. В общем, при анализе электронных устройств и систем в частотной области пользуются обобщенной частотной характеристикой, . Из теории электрических цепей переменного тока известно, что обобщенная частотная характеристика имеет составляющие, обладающие самостоятельным значением [2]. К числу таких составляющих относят амплитудную частотную (АЧХ) и фазовую частотную (ФЧХ) характеристики. Компонентные уравнения этих характеристик имеют следующий вид:

, (2.3)

амплитудная частотная характеристика (АЧХ),

(2.4)

фазовая частотная характеристика (ФЧХ),

где вещественная частотная характеристика (ВЧХ), мнимая частотная характеристика (МЧХ),

При использовании построителя частотных характеристик Bode Plotter впрограмме EWB амплитудную и фазовую частотные характеристики усилителя строят в логарифмическом масштабе. Диалоговые окна Bode Plotter для анализа этих характеристик приведены

на рис. 2.24 и рис. 2.25.

 

Рис. 2.24. Диалоговое окно для анализа АЧХ

Рис. 2.25. Диалоговое окно для анализа ФЧХ

Для построения АЧХ (рис. 2.24) включают кнопку Magnitude и по вертикали (Vertical) и по горизонтали (Horizontal) устанавливают логарифмическую шкалу (Log). Затем устанавливают пределы по вертикали I = –20 дБ (dB) – нижний предел и F = –50 дБ – верхний предел. Пределы по горизонтали следующие: I = 10 Гц (Hz) – нижний предел и F = 10 ГГц (GHz) – верхний предел.

Для построения ФЧХ в диалоговом окне устройства Bode Plotter (рис.2.25) включают кнопку Phase.

Анализируя полученные АЧХ и ФЧХ можно определить зависимость коэффициента усиления усилителя от частоты входного сигнала, зависимость сдвига фазы между входным и выходным напряжением от частоты и рабочий диапазон частот (полосу пропускания частот).

Для этого установим движок в точке с координатами 40.97 дБ и 432.9 кГц. и примем эту точку за среднюю в полосе пропускания. На границах полосы пропускания амплитуда выходного сигнала снизится на 3 дБ, или в 1.414 раза, и составит 40.97 – 3 = 37.97 дБ.

40.97 – 3 = 37.97 дБ.

Перемещая движок от средней точки влево до тех пор, пока амплитуда выходного сигнала не примет значение 37.97 дБ, найдём нижнюю частоту полосы пропускания. Величине 37.97 дБ наиболее соответствуют две точки:

1) 37.79 дБ и 1.874 кГц;

2) 38.18 дБ и 2.074 кГц.

Величины абсолютных отклонений составят, соответственно, и . Принимаем первую точку с координатами и в качестве нижней границы полосы пропускания усилителя переменного тока, так как .

Перемещая движок от средней точки вправо до тех пор, пока амплитуда выходного сигнала не примет значение 37.97 дБ, найдём верхнюю частоту полосы пропускания. Величине 37.97 дБ наиболее соответствуют две точки:

1) 37.56 дБ и 81.11 МГц;

2) 38.06 дБ и 72.67 МГц.

Величины абсолютных отклонений составят, соответственно, и . Принимаем точку с координатами и в качестве верхней границы полосы пропускания усилителя переменного тока, так как .

Таким образом полоса пропускания частот находится в пределах частот от до .

Среднегеометрическая частота полосы пропускания усилителя переменного тока определяется как

Подставив численные значения, определённые ранее, рассчитаем

.

Анализируя ФЧХ можно отметить следующее: на нижней частоте выходной гармонический сигнал отстаёт по фазе от входного на величину . На верхней границе полосы пропускания при частоте отставание по фазе составляет: .

Коэффициент усиления УПТ , выраженный в децибелах (дБ или dB), можно представить через следующим образом:

 

, (2.5)

где коэффициент усиления является безразмерной величиной, так как определяется в виде отношения

. (2.6)

Для этого в диалоговом окне построителя частотных характеристик Bode Plotter (рис. 2.26) включают кнопку Magnitude. В подразделе Vertical устанавливают линейную шкалу Lin. Пределы по вертикали I = 0 – нижний предел, F = 500 – верхний предел. В подразделе Horizontal включают логарифмическую шкалу Log. Пределы такие же, как предлагаются по умолчанию (рис. 2.25). Данная характеристика является зависимостью или АЧХ УПТ в безразмерных единицах.

Рис. 2.26 Диалоговое окно для определения коэффициента усиления.

На нижней границе полосы пропускания УПТ при коэффициент усиления (рис. 2.26), а на верхней при коэффициент усиления . При среднегеометрической частоте полосы пропускания коэффициент усиления .

Таким образом, с помощью построителя частотных характеристик Bode Plotter определены параметры . Эти параметры УПТ можно получить и при помощи осциллографа (Oscilloscope).

В диалоговом окне функционального генератора Function Generator выставим параметры входного гармонического сигнала (напряжения): амплитуду и частоту (рис. 2.27).

Рис. 2.27 Диалоговое окно функционального генератора

Диалоговое окно осциллографа представлено на рис. 2.28.

 

Рис. 2.28 Диалоговое окно осциллографа

Как видно из рис. 2.28, осциллограф имеет два движка.

Первый движок установим в такой момент времени (), когда входной сигнал принимает наибольшее (амплитудное) значение

.

Значения и индицируются в первом окне.

Второй движок установим в момент времени , когда выходной сигнал принимает наибольшее (амплитудное) значение

.

Значения и индицируются во втором окне.

Коэффициент усиления УПТ по напряжению на частоте по показаниям осциллографа рассчитаем следующим образом:

.

Вычислим коэффициент усиления УПТ в децибелах на частоте по показаниям осциллографа

.

Отставание по фазе выходного сигнала УПТ относительно входного на частоте по показаниям осциллографа рассчитаем следующим образом:

.

Необходимо отметить, что параметры и , измеренные и вычисленные с помощью инструментов Bode Plotter и Oscilloscope, примерно совпадают, а расхождения обусловлены дискретностью числовых величин, задаваемых в генераторе Functional Generator и индицируемых в инструментах Bode Plotter и Oscilloscope.

По вышеописанной процедуре можно с помощью осциллографа (Oscilloscope) вычислить параметры и на верхней граничной частоте полосы пропускания УПТ

и на среднегеометрической частоте полосы пропускания

.

Схемы выпрямления и сглаживание пульсаций с помощью емкостных фильтров

Диод является одним из наиболее простых полупроводниковых элементов современной микроэлектроники. Диод представляет собой два соединенных между собой полупроводниковых слоя. Один слой обладает электронной проводимостью и обозначается как n-полупроводник, а другой - дырочной проводимостью и обозначается как p-полупроводник. Вследствие такой структуры диод обладает существенной односторонней проводимостью, т. е. хорошо проводит электрический ток в одном направлении и практически не проводит его в другом направлении. Это свойство диода широко используется для выпрямления переменного тока, когда требуется преобразовать переменное напряжение, получаемое, например, из электросети, в постоянное напряжение, необходимое для работы большинства электронных схем.

Сглаживание пульсаций – первоочередная задача после выпрямления тока. Эту задачу выполняет фильтр, состоящий из конденсатора (конденсаторов), который включен в цепь между выпрямителем и нагрузкой. Ёмкость конденсатора фильтра зависит от тока нагрузки. Чем больше ток нагрузки, тем большую ёмкость должен иметь конденсатор сглаживающего фильтра. Принцип работы сглаживающего фильтра выпрямителей можно проанализировать с помощью однополупериодной схемы. Простейший однополупериодный выпрямитель состоит из одного диода, включенного в цепь, как показано на приведенной схеме виртуальной лабораторные установки (рис. 2.29), собранной в программе Electronics Workbench.

Рис. 2.29 Схема однополупериодного выпрямителя

На рис. 2.30 приведены осциллограммы напряжения на источнике 1 и напряжения 2 на выходном сопротивлении после фильтра.

Рис. 2.30 Осциллограммы напряжений однополупериодного выпрямителя

Анализ осциллограмм напряжений показывает, что в промежутки времени между импульсами напряжения с выпрямителя напряжение на выходном сопротивление нагрузки формируется за счет разряда конденсатора. В то время, когда есть импульс, конденсатор заряжается, когда импульса нет или он ниже напряжения источника питания конденсатор отдаёт своё напряжение в нагрузку. После сглаживания напряжение на выходе фильтра выпрямителя (без нагрузки) превышает среднее значение напряжения. Оно практически равно амплитуде выпрямленного напряжения. Точное значение - переменное напряжение вторичной обмотки трансформатора умноженное на 1,4.

Пульсации напряжения на выходе фильтра выпрямителя можно уменьшить, увеличив ёмкость конденсатора. При однополупериодной схеме выпрямления ёмкость конденсаторов надо как минимум удваивать.

Однако эффективность однополупериодного выпрямителя невысока, так как в формирование выходного напряжения используется только один полупериод переменного напряжения источника.

Более эффективный метод выпрямления переменного тока состоит в использовании схемы двухполупериодного выпрямителя, представленного в виде виртуальной установки рис. 2.31.

Рис. 2.31 Схема двух полупериодного выпрямителя

Для сравнения на рис 2.32 приведены осциллограммы выходных напряжений двухполупериодного 2 и однополупериодного 1 выпрямителей без фильтров.

Рис. 2.32 Осциллограммы выходных напряжений двухполупериодного 2 и однополупериодного 1 выпрямителя

Задание: Сравните форму выходного напряжения, полученного в первой и во второй схемах. Разберитесь в принципе действия двухполупериодного выпрямителя, для чего покажите, как проходит ток через нагрузку во время положительного и отрицательного полупериодов.

3. ПРИМЕНЕНИЕ ПРИКЛАДНОГО ПРОГРАММНОГО ПАКЕТА MATHCAD.

MathCAD – это мощная и в то же время простая универсальная среда для решения задач в различных отраслях науки и техники, финансов и экономики, физики и астрономии, строительства и архитектуры, математики и статистики, организации производства и управления.

MathCAD является самой современной, универсальной массовой математической системой. Ее аббревиатура Math ematical C omputer A ided D esign (математическое автоматизированное проектирование) говорит о ее назначении – решение различных вычислительных задач.

Она позволяет выполнять как численные, так и аналитические (символьные) вычисления, имеет удобный математически-ориентированный интерфейс и прекрасные средства графики. Внедрение в систему символьной математики превратило ее в универсальный инструмент для решения математических задач.

Как интегрированная система MathCAD содержит следующие основные компоненты:

· Редактор документов – редактор с возможностью вставки математических выражений, шаблонов графиков и текстовых комментариев;

· MathConnex – системный интегратор, обеспечивающий интеграцию MathCAD с рядом иных программных продуктов;

· Центр ресурсов – система управления ресурсами MathCAD;

· Электронные книги – электронные книги с описанием типовых расчетов в различных областях науки и техники;

· Справочная система – система для получения справочных данных по тематическому и индексному каталогу, а также для поиска нужных данных по ключевому слову или фразе;

· «Быстрые шпаргалки» QuickShttts – короткие примеры с минимальными комментариями, описывающими применение всех встроенных операторов и функций системы;

· Браузер Интернета – собственное средство выхода в Интернет.

3.1. Интерфейс программы MathCAD.

В MathCAD интерфейс пользователя интуитивен и сходен с другими приложениями Windows. Главное окно системы Mathcad в развернутом состоянии с развернутым рабочим листом показано на рис. 3.1.

В первой строке (строке заголовка) главного окна системы Mathcad отображено название окна. Во второй строке главного окна системы расположены пункты главного меню. В третьей, четвертой и пятой строках размещены наиболее часто используемые панели инструментов, которые желательно всегда иметь на экране. В третьей строке – панель инструментов Стандартная, во второй – Форматирование, в четвертой – Математика и Ресурсы. В нижней строке главного окна располагается строка состояния системы.

Рис. 3.1. Главное окно системы Mathcad

Если щелкнуть в панели инструментов Стандартная по первой кнопке –кнопке с изображением чистого листка бумаги, то появится рабочий лист с названием Без названия:N ( Untitled: N), где N – порядковый номер документа.

Чтобы сохранить рабочий лист (документ) под нужным именем:

· щелкните мышью в панели инструментов Стандартная по третьей кнопке – кнопке с изображением дискеты. Появится диалоговое окно Сохранить как (Save as);

· в диалоговом окне Сохранить как в текстовом поле Имя файла (File name) введите имя файла;

· щелкните по кнопке Сохранить. Система сохранит файл под введенным именем и автоматически добавит расширение.mcd.

Основную часть экрана занимает рабочий лист. В правой и нижней части экрана расположены полосы прокрутки. Они предназначены для горизонтального и вертикального перемещения по рабочему листу. Для плавного перемещения необходимо установить курсор мыши на полосе прокрутки (кнопка со стрелкой, указывающей направление движения) и нажать левую кнопку мыши. Можно также щелкнуть мышью на полосе прокрутки между кнопкой со стрелкой и бегунком. Тогда передвижение будет значительно быстрее – с каждым щелчком на величину экрана.

Щелкните левой кнопкой мыши по пункту Вид (View) для вызова выпадающего меню. Щелкните левой кнопкой мыши по пункту Панели инструментов (ToolBars) для вызова всплывающего меню. Целесообразно, чтобы во всплывающем меню перед пунктами – Стандартная, Форматирование, Математика, Ресурсы (Standard, Formatting, Math, Resources) – стояли галочки. Это означает, что соответствующие панели инструментов будут находиться в главном окне.

Панель Math (Математика) предназначена для вызова на экран девяти панелей, с помощью которых, собственно, и происходит вставка математических операций в документы рис. 3.2.

С их помощью можно вводить в документы практически все известные математические символы и операторы. Палитры математических знаков можно располагать в удобном месте окна редактирования и очень удобно ими пользоваться, поскольку не нужно запоминать разнообразные сочетания клавиш, используемых для ввода специальных математических знаков.

MathCAD имеет систему оперативной памяти, одним из элементов которой являются всплывающие подсказки – небольшие текстовые поля, появляющиеся при наведении указателя мыши на многие (но не все) элементы интерфейса и блоки в окне редактирования.

Рис. 3.2. Палитра математических знаков

Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...