Щеглова И.Ю., Печенов В.В. Виртуальный физический практикум

Подождите немного. Документ загружается.

Знакомство с интерфейсом программы Electronics Workbench.

времени, величины напряжения, разности фаз и для других целей.

Измеритель амплитудно-частотных характеристик - прибор для ис-

следования частотных характеристик четырехполюсников, например, усилите-

лей, фильтров и т.д. Если А

– амплитуда электрических колебаний на входе

исследуемого прибора, А

– амплитуда на выходе, то задача ИЧХ – получить

график отношения А

/А

как функции частоты:

)(

fAA

Компоненты смешанного типа (группа Miscellaneous)

Группа включает в себя компоненты, не вошедшие ни в одну из вышеперечис-

ленных групп.

Предохранитель - резистор, защищающий электрическую схему от пере-

грузок. Основной параметр – максимальная величина тока.

- 8-разрядное устройство записи результатов имитации в виде тексто-

вого файла. Входными данными являются напряжения, снимаемые относитель-

но общего (заземленного) вывода. Отсчет выводов ведется сверху вниз. Имя

файла задается в окне свойств данного элемента и имеет расширение .txt (

Text

only) (См. также Приложение 1).

Вакуумный триод используется как основной элемент в усилителях и ге-

нераторах, а также в большом числе других схем разного назначения. Имеет

три электрода: анод, катод и сетка. Сетка располагается между анодом и като-

дом ближе к катоду, на нее подается, как правило, отрицательный относительно

катода потенциал, в результате чего между ней и катодом создается задержи-

вающее поле. Это дает возможность управлять анодным током, незначительно

меняя потенциал сетки.

2. Порядок создания и проверки работы электрической схемы в программе

Electronics Workbench.

1. Создать папку для хранения данных новой лабораторной работы. Название

папки удобно выбирать по названию работы (см. примечание в конце каждой

работы).

2. Запустить Electronics Workbench (исполняемый файл программы

Wewb32.exe).

3. Подготовить новый файл для работы. Для этого необходимо выполнить ко-

манду

File/Save или File/Save as… Называть схему можно по фамилии исполнителя

или по названию задания (особенно, если в одной работе создается несколько

схем). Каждая схема сохраняется в отдельном файле.

4. Настроить параметры рабочего стола: меню

Circuit/Schematic Options… Диалого-

вое окно содержит три вкладки:

Grid (Сетка), Show/Hide (Отобразить/Скрыть),

Fonts (Шрифт). Первая позволяет отобразить сетку ("Show grid") для удобства

рисования схемы (опция выполняется только при выборе "Use grid" – использо-

вать сетку). Вторая вкладка содержит опции отображения на экране различных

параметров компонента (его метки, номинала и т.д.); третья используется для

Знакомство с интерфейсом программы Electronics Workbench.

задания шрифта метки и номинала данного компонента.

5. Открывая соответствующие панели с наборами элементов, перенести на ра-

бочий стол необходимые компоненты и приборы по предложенной в работе

схеме. Расположить элементы на столе наиболее удобным образом. Для этого

можно использовать простейшие операции над отдельными компонентами:

вращение, зеркальное отражение, копирование, вырезание, вставка, удаление.

Для выполнения этих операций необходимо:

• выделить элемент, щелкнув на нем мышкой (выделенный элемент должен

выводиться красным цветом);

• изменить положение элемента командой Circuit/Rotate – Вращать (или комби-

нация клавиш Ctrl+R (в английской раскладке)) или

Circuit/Flip Vertical (Flip

Horizontal) – Отобразить;

• удалить выделенный элемент клавишей Delete или командой Edit/Delete;

• скопировать (вырезать) элемент в буфер командой Edit/Copy (Cut);

• вставить из буфера Edit/Past.

Кроме того, все эти команды доступны из контекстного меню по указан-

ному элементу.

6. Соединить выводы элементов проводниками, учитывая, что к выводу можно

подключить только один проводник. Для выполнения этой операции указатель

мыши подводится к одному из выводов элемента до появления черной точки.

После этого необходимо зафиксировать левую кнопку мыши и протянуть появ-

ляющийся при этом проводник к соответствующему выводу другого элемента

до появления на нем такой же точки, после чего кнопку мыши можно отпус-

тить. Таким образом собирается последовательная схема. Для создания раз-

ветвлений на ранее установленный проводник переносится разъем, к которому

после этого можно подключить еще два проводника. Кроме того, разъем может

возникать автоматически при касании протягиваемым проводником уже

имеющегося на схеме. Для разрыва соединения указатель мыши подводят к

разъему и при появлении точки с нужной стороны разъема левая кнопка фикси-

руется, проводник отводится на свободное место рабочего стола, после чего

Знакомство с интерфейсом программы Electronics Workbench.

кнопка отпускается. Если разъем в данном месте уже не нужен, он автоматиче-

ски исчезает.

Необходимо отметить, что прокладка проводников производится автома-

тически, причем препятствия в виде элементов, приборов и других проводни-

ков огибаются по ортогональным направлениям. Если в результате соединения

элементов получилось слишком много изгибов, их можно спрямить, перетаски-

вая проводники с помощью мыши (при фиксировании левой кнопки на провод-

нике указатель мыши меняет вид на двунаправленную стрелку). Кроме того,

можно устанавливать различный цвет проводников (двойной щелчок на про-

воднике выводит диалоговое окно

Wire Properties (Свойства соединительных про-

водов), на вкладке

Schematic Options которого с помощью кнопки Set Wire Color вы-

бирается нужный цвет).

7. Подключение контрольно-измерительных приборов производится аналогич-

ным образом. После этого необходимо двойным щелчком вывести на рабочий

стол их лицевую панель и установить необходимые параметры. Некоторые при-

боры требуют дополнительных установок в меню

Analysis.

8. Для всех элементов схемы указать их параметры. Для этого вызывается окно

Свойства компонента (из меню

Circuit/Component Properties… - команда доступна

только при выделении компонента, или через контекстное меню, или двойным

щелчком мыши). У большинства компонентов эти окна содержат одинаковые

вкладки (такие, как

Label (метка, позиционное обозначение элемента в схеме,

например, C5, L2 и т.д.) и

Value (величина, номинал). Вкладка Fault (дефект, не-

исправность) используется, как правило, преподавателем для задания различно-

го рода неисправностей элементов. Вкладка

Display позволяет отображать те или

иные параметры данного элемента независимо от установленных для схемы в

целом в меню

Circuit/Schematic Options…. Кроме того, для большинства элементов

существует вкладка

Model, позволяющая выбрать модель (тип) компонента). Ис-

ключение составляют только окна приборов – при выполнении команды

Circuit/Component Properties… происходит вывод (увеличение) их передней панели.

9. После подготовки схемы включить питание тумблером

Power (см. рис. 1) (ес-

ли в схеме дополнительно используется ключ или переключатель, то после за-

пуска симуляции необходимо замкнуть цепь) и произвести анализ ее работы.

Если в процессе имитации возникают сообщения об ошибках, необходимо из-

менить некоторые установки в меню

Analysis/Analysis Options… (количество ото-

бражаемых точек, точность приближения и др.).

Во время работы можно временно приостановить симуляцию кнопкой

Pause и продолжить – кнопкой Resume. При выключении питания происходит

сброс показаний всех приборов.

10. Сохранить изменения в схеме командой

File/Save. В процессе работы можно

также сохранять полученные с помощью некоторых приборов данные в отдель-

ных файлах.

Знакомство с интерфейсом программы Electronics Workbench.

Порядок выполнения работы.

Задание № 1. Знакомство с основными элементами электрических цепей и

простейшими действиями с ними.

1. Запустить программу Electronics Workbench. Ознакомиться с внешним

видом окна.

2. Перенести на рабочий стол несколько элементов (постоянный резистор,

конденсатор, катушку индуктивности, различные источники питания, диод).

Ознакомиться с опциями окна Свойства компонента (

Component Properties) каж-

дого из них. Изменить параметры и модель (где возможно) элементов. Ввести

метки. Освоить простейшие действия: выделение отдельных и нескольких ком-

понентов, вращение и отражение, удаление одного или группы компонентов;

соединение элементов, создание разветвлений; изменение цвета проводников и

их спрямление.

3. Выбрать элементы с перемен-

ными параметрами (переменный рези-

стор, конденсатор переменной емкости,

катушка переменной индуктивности).

Ознакомиться с окном Свойства ком-

понента для одного из них. Рассмотрим

подробнее окно свойств переменного

резистора. На вкладке

Value помимо по-

ля установки номинального значения

сопротивления (

Resistance) есть ряд по-

лей, позволяющих управлять работой

этого компонента.

Так, поле

Increment позволяет задать шаг изменения величины сопротивле-

ния (в процентном отношении к номиналу); поле

Key определяет символ клави-

ши клавиатуры, нажатием которой сопротивление уменьшается на заданную

величину (по умолчанию предлагается клавиша

R); в поле Setting задается на-

чальная установка величины сопротивления (по умолчанию 50% от номинала):

значение 0% соответствует минимальному значению сопротивления, значение

100% - номиналу.

4. Ознакомиться с измерительными приборами: амперметром, вольтмет-

ром, мультиметром, установкой их параметров и полярностью включения. Для

вольтметра и амперметра выписать параметры, устанавливаемые на вкладке

Value окна Свойства компонента. Программа Electronics Workbench, в отличие

от программы "Сборка", позволяет изменять внутренние сопротивления прибо-

ров, что дает возможность использовать их как идеальные (

нA

RR << ,

нV

RR >> )

или неидеальные (

нA

RR ≅ ,

нV

RR ≅ ).

5. Выяснить отличие источника тока от источника напряжения. Для этого

необходимо собрать две цепи с одинаковой внешней частью, состоящей из пе-

Знакомство с интерфейсом программы Electronics Workbench.

ременного сопротивления и амперметра. Одну цепь через ключ присое-

динить к источнику постоянного тока, другую (аналогично) – к источнику по-

стоянного напряжения. К зажимам источников подключить вольтметры. Под-

готовить все элементы к работе (выбрать управляющие клавиши для каждого

из реостатов и ключей; род измеряемого тока всех вольтметров и амперметров

в схеме; установить начальное значение сопротивления, равное номиналу, и за-

дать шаг изменения величины сопротивления 5-10%). Заземлить цепи. Вклю-

чить питание и замкнуть только одну из цепей. Изменяя сопротивление внеш-

ней части проследить за показаниями приборов. Повторить задание для другой

цепи. Сделать вывод. Влияет ли на результат внутреннее сопротивление при-

боров?

Задание № 2.

Проверка законов последовательного и параллельного соедине-

ния и закона Ома для участка и замкнутой цепи.

1. Собрать схему по рис. 2, используя

идеальные приборы (источник по-

стоянного напряжения, вольтметры и амперметр – при соответствующих уста-

новках параметров) и соблюдая полярность включения измерительных прибо-

ров. Для следующих параметров схемы: Е=12 В, R

=2 Ом, R

= 4 Ом рассчитать

1) полное сопротивление цепи; 2) силу тока в цепи, 3) падение потенциала на

каждом из резисторов и их сумму.

Установить заданные параметры элементов и включить питание схемы.

Выписать показания приборов; измерить с помощью мультиметра (см. описа-

ние мультиметра

– группа Инструменты) сопротивление участка, содержаще-

го резисторы, и сравнить с рассчитанными значениями.

V1 V2

R1 R2

Рис. 2. Рабочая схема (слева) и электрическая цепь (справа) для проверки зако-

нов последовательного соединения.

Изменить сначала э.д.с. источника, затем величину одного из сопротив-

лений провести вновь расчеты и симуляцию. Сравнить полученные результаты.

Примечание: после получения показаний необходимо выключить питание или приостано-

вить симуляцию.

2. Собрать схему по рис. 3

, также используя идеальные приборы (источ-

Если в задании собирается несколько различных схем, то их можно располагать на одном рабочем столе, что-

бы потом сохранить в одном файле. В этом случае в каждой из них необходимо использовать ключ, чтобы при

включении питания работала только одна – та, процессы в которой в данный момент изучаются.

Знакомство с интерфейсом программы Electronics Workbench.

ник постоянного напряжения, вольтметры и амперметр). Для тех же параметров

схемы рассчитать 1) полное сопротивление цепи; 2) силу тока в неразветвлен-

ной части цепи и в отдельных ее ветвях, 3) падение потенциала на резисторах.

R1 R2

A2 A3

Рис. 3. Рабочая схема (слева) и электрическая цепь (справа) для проверки зако-

нов параллельного соединения.

Установить заданные параметры, провести симуляцию и сравнить пока-

зания приборов с рассчитанными значениями. Измерить с помощью мульти-

метра сопротивление участка цепи, содержащего параллельно включенные ре-

зисторы (см. описание мультиметра

– группа Инструменты).

Повторить задание для других параметров схемы.

Задание №3.

Учет погрешностей, обусловленных неидеальностью измери-

тельных приборов и источников тока.

В отличие от идеальных, реальные измерительные приборы обладают ко-

нечным собственным (внутренним) сопротивлением, поэтому включение их в

цепь ведет к изменению общего ее сопротивления, токов в отдельных ветвях и

перераспределению падений потенциала на различных элементах. В результате

экспериментальные данные могут отличаться от расчетных (с подобным мы

уже встречались в программе "Сборка"). Пренебрежение этими особенностями

может привести к методической ошибке, поэтому в реальном физическом экс-

перименте необходимо либо выбирать приборы таким образом, чтобы их мож-

но было с достаточной степенью точности считать идеальными, либо вводить

поправки на внутренние сопротивления приборов. Рассмотрим в качестве при-

мера измерение сопротивления нагрузки методом амперметр-вольтметр. В дан-

ном случае возможны две схемы включения:

В первом случае амперметр измеряет суммарный ток в резисторе и вольтметре,

во втором – вольтметр измеряет разность потенциалов на участке амперметр-

резистор. Разберем подробнее первую схему.

Определить сопротивление R непосредственно по показаниям приборов

нельзя, т.к. истинное значение тока в нагрузке I

отличается от измеряемого с

Знакомство с интерфейсом программы Electronics Workbench.

помощью амперметра I

. Истинное значение тока в нагрузке меньше измерен-

ного на величину тока

I , протекающего через вольтметр:

VAн

III −= ,

где

ϕ−ϕ

(при параллельном включении

(

)

(

)

212121

−

ϕ=ϕ−

−

) –

это и есть поправка на внутреннее сопротивление вольтметра. Отсюда

Aн

ϕ−ϕ

−=

и сопротивление проводника:

ϕ−ϕ

−

= .

Выполнить аналогичные рассуждения для случая 2 и вывести формулу

для определения сопротивления проводника с учетом поправки на внутреннее

сопротивление амперметра.

1. Для цепи (рис. 4, а) рассчитать ток и падение потенциала на резисторе

R2 (показания вольтметра) для случая идеального и неидеального вольтметра.

Параметры схемы: R

=10 Ом, R

=20 Ом, Е=60 В, внутреннее сопротивление ам-

перметра

R Ом. Входное сопротивление вольтметра R

=30 Ом. Сопротив-

лением источника пренебречь. Для второго случая (неидеальный вольтметр)

проверить полученную ранее формулу поправки на внутреннее сопротивление

вольтметра.

Провести симуляцию для указанных случаев и сравнить показания при-

боров с расчетами. Повторить задание для других параметров схемы.

а) б)

Рис. 4. Схема установки для изучения влияния внутреннего сопротивления из-

мерительных приборов на параметры схемы.

2. Для цепи (рис. 4, б) вычислить ток в неразветвленной части цепи (через

амперметр

А, сопротивление которого пренебрежимо мало) и резистор R2 (че-

рез амперметр

А1), падение потенциала на участке 1-R2-2 (показание вольтмет-

ра) для случая идеального и неидеального амперметра. Сопротивление источни-

ка пренебрежимо мало. Внутреннее сопротивление амперметра

А1

R 5 Ом.

Все остальные параметры схемы берутся из предыдущего задания.

Включить питание схемы и провести симуляцию. Сравнить показания

Знакомство с интерфейсом программы Electronics Workbench.

приборов в обоих случаях с расчетами.

3. Собрать цепь по рис. 5, используя идеальные измерительные приборы и

источник тока с возможностью установки внутреннего сопротивления (неиде-

альный источник - Pull-Up Resistor). Рассчитать ток в цепи и падение потенциа-

ла на резисторе для следующих параметров схемы: Е=12 В, r=1 Ом, R=3 Ом

(или по указанию преподавателя).

Включить питание схемы и выписать показания приборов; установить

влияние внутреннего сопротивления источника на ток в цепи (для 5-6 значений

сопротивления источника). Сравнить в каждом случае падение потенциала на

резисторе R с э.д.с. источника. Повести также симуляцию с идеальным источ-

ником.

Рис. 5. Рабочая схема для проверки закона

Ома для замкнутой цепи.

Задание № 4. Изучение вольт-амперной характеристики постоянного рези-

стора.

На рис. 6 представлена рабочая схема для изучения вольт-амперной ха-

рактеристики постоянного резистора. Здесь R1 – потенциометр для регулиров-

ки напряжения на входе схемы, R2 – исследуемый резистор, R3 ограничиваю-

щее сопротивление (в данной схеме этот резистор нужен для того, чтобы паде-

ние потенциала на резисторе R2 отличалось от входного напряжения),

А1 – ам-

перметр для измерения тока в цепи источника,

А2 - амперметр для измерения

тока через исследуемый прибор. Вольтметр

V1 измеряет входное напряжение,

V2 – напряжение на резисторе R2. Питание схемы осуществляется от источника

постоянного напряжения.

Рис. 6. Схема для изучения вольт-

амперной характеристики постоянного

резистора.

Потенциометр (или делитель напряжения) служит, как правило, для

получения регулируемого (плавно или ступенчато – в зависимости от конст-

рукции) напряжения в том случае, когда напряжение источника слишком вели-

ко или источник не имеет регулируемого выхода. В реальной электрической

цепи переменный резистор для потенциометра подбирают по двум параметрам:

Знакомство с интерфейсом программы Electronics Workbench.

по сопротивлению и силе тока, которые обязательно указываются на приборе

(на его корпусе или специальной бирке в зависимости от его вида). Его сопро-

тивление должно быть достаточно большим, чтобы при подключении к источ-

нику напряжением

ист

сила тока в резисторе не превысила бы максимально

допустимого тока источника. В то же время это сопротивление должно быть

меньше сопротивления потребителя.

В отличие от реального потенциометра, виртуальный прибор, представ-

ленный в программе Electronics Workbench, сгореть не может, так как у него нет

ограничения по току. Однако на его примере можно познакомиться с некото-

рыми особенностями работы с потенциометром.

Вводя потенциометр, можно изучить зависимость падения потенциала на

резисторе R2 от силы тока через него (вольт-амперную характеристику:

)(

UfI = ). Очевидно, она должна быть линейной, поэтому для построения

графика необходимо получить 12-15 экспериментальных точек.

1. Собрать схему по рис. 6. Установить параметры схемы: R

=50 Ом,

=150 Ом, R

=50 Ом, Е=100 В (или по указанию преподавателя). Все измери-

тельные приборы и источник – идеальные. Подготовить к работе потенциометр

(полностью вывести

и выбрать шаг изменения величины сопротивления 5-7

%).

2. Включить питание схемы и, плавно увеличивая входное напряжение,

изучить зависимость силы тока через R2 от напряжения на нем. Результаты (I

, U

, I

) занести в таблицу и построить график зависимости )(

UfI = . По-

строение графика провести в программе MS Excel. Сравнить падения потенциа-

ла на входе схемы и резисторе R2. Чему равна разность показаний вольтметров?

Одинаковы ли токи в цепи источника и в рабочей части? Как ведет себя ток в

цепи источника по мере введения потенциометра? Чем объяснить это измене-

ние?

Задание № 5.

Протекание переменного тока в цепи выпрямительного диода.

1. Собрать цепь по рис. 7, где R=100 Ом, E=50 В,

ν=1÷10 Гц.

Рис. 7. Схема установки для изучения протекания тока в

цепи выпрямительного диода.

2. Включить питание и проследить за миганием светоиндикатора.

3. Подать напряжение с резистора на устройство для записи результатов

симуляции (см. Восьмиразрядное устройство записи результатов имитации

–

группа Смешанные элементы, а также

Приложение). Указать в диалоговом

Знакомство с интерфейсом программы Electronics Workbench.

окне Write Data Properties имя файла и его расположение (путь) и провести заново

симуляцию.

4. Преобразовать данные в формат электронных таблиц MS Excel (см.

Приложение) и построить график зависимости напряжения на резисторе от

времени (форма напряжения на резисторе повторяет форму тока в цепи).

Задание № 6.

Протекание тока в цепи с конденсатором.

1. Собрать цепь по рис. 8. Сопротивление резистора установить в преде-

лах 100-5000 Ом, емкость конденсатора – несколько единиц микрофарад. Э.д.с.

источника постоянного напряжения выбрать произвольно.

Включить питание и проследить за показаниями приборов (амперметра и

светоиндикатора). Изменяя местоположение индикатора, изучить распределе-

ние потенциала в схеме. Объяснить результаты.

Рис. 8. Схема для изучения прохождения тока в цепи с

конденсатором.

2. Заменить источник постоянного напряжения источником переменного

напряжения (частота переменного тока не должна быть большой – до 10-20 Гц).

Провести симуляцию для двух режимов работы амперметра: в режиме посто-

янного (

DC) и переменного (АС) тока. Что показывает амперметр в каждом

случае?

Подключить к резистору устройство для записи результатов имитации,

указать имя файла и путь к нему, и провести симуляцию с выбранными пара-

метрами. Данные преобразовать в формат ЭТ MS Excel (см.

Приложение) и по-

строить временную диаграмму напряжения на резисторе.

Отчет.

Отчет по работе должен содержать:

1. Схемы установок для проверки законов постоянного тока, а также для демонстра-

ции протекания тока в цепи с конденсатором и диодом, выполненные в программе схемотех-

ники Electronics Workbench (каждую из этих схем (или совокупность схем к каждому зада-

нию) необходимо сохранить в отдельном файле).

2. Вывод формул поправок на внутреннее сопротивление измерительных приборов.

Таблицы с экспериментальными и теоретически определенными величинами; ВАХ постоян-

ного резистора.

3. Графики процессов протекания тока в цепи с конденсатором и выпрямительным

диодом в

MS Excel.

4. Основные выводы по работе.

Примечание: Все данные сохранять в одной папке - Введение, которая создается до начала

работы.