Ćwiczenie nr l: Wprowadzenie do pakietu MultiSim. Podstawowe elementy prawa i obwodów elektrycznych.

Transkrypt

1 Laboratorium podstaw elektroniki i systemów cyfrowych z elementami miernictwa Wyższa Szkoła Zarządzania i Bankowości w Krakowie Informatyka II rok studia dzienne Ćwiczenie nr l: Wprowadzenie do pakietu MultiSim. Podstawowe elementy prawa i obwodów elektrycznych. 1 Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z możliwościami i zasadami posługiwania się środowiskiem do symulacji układów elektronicznych MultiSim oraz podstawowymi urządzeniami, podzespołami i prawami spotykanymi w laboratorium elektronicznym. 2 Wprowadzenie Multisim jest programem do edycji schematów i symulacji układów elektronicznych. Program posiada formę, wirtualnego laboratorium elektronicznego, wyposażonego w zestaw podstawowych oraz nieco wyszukanych przyrządów laboratoryjnych i pomiarowych, które są standardowym wyposażeniem laboratorium elektronicznego. Obszar aplikacji przedstawia rys Standardowo, jako trzeci pasek od góry, dostępny jest pasek komponentów. Komponenty zostały pogrupowane i podzielone na 19 kategorii: źródła, elementy podstawowe, tranzystory, diody, układy analogowe, układy cyfrowe TTL, układy cyfrowe CMOS, inne komponenty cyfrowe, układy mieszane (analogowo-cyfrowe),

2 wskaźniki, elementy mocy, elementy różne, zaawansowane peryferia, elementy radiowe W.Cz., elementy elektromechaniczne, komponenty NI, elementy MCU. W czasie zajęć najczęściej będą wykorzystywane elementy należące do pierwszych 6 grup, oraz wskaźniki. Po prawej znajduje się pionowo umieszczony pasek przyrządów, na którym znajdują się między innymi: multimetr, generator funkcyjny, miernik mocy - watomierz, oscyloskop dwu i cztero kanałowy, charakterograf, miernik częstotliwości, generator sygnałów cyfrowych, analizator stanów logicznych, konwerter logiczny, analizator prądowonapięciowy, miernik zniekształceń, analizator widma i analizator mikrofalowy. W czasie zajęć wykorzystywane będą: multimetr, oscyloskop, generator funkcyjny, generator sygnałów cyfrowych i analizator stanów logicznych. Poniżej zamieszczono podstawowe informacje na temat najczęściej wykorzystywanych przyrządów. 2.1 Miernik uniwersalny Podstawowym przyrządem pomiarowym w laboratorium elektronicznym jest miernik uniwersalny zwany także multimetrem. Jego wygląd przedstawia rysunek obok. Posiada dwa wyprowadzenia +" i -" będące wejściami. W wersji, jaka jest dostępna w programie MultiSim służy do pomiaru napięcia lub prądu stałego lub okresowo zmiennego, rezystancji i decybeli. 2.2 Generator funkcyjny Jako źródło sygnałów analogowych wykorzystuje się generator funkcyjny. Komponent generatora dostępny w MultiSim-ie posiada 3 wyprowadzenia. Wyprowadzenie Common stanowi punkt odniesienia dla generowanych przebiegów i łączy się je z masą układu. Pozostałe 2 wyjścia +" i -" wyprowadzają generowany przebieg. Na wyjściu -" sygnał jest przesunięty w fazie o 180" względem wyjścia +". Za pomocą przycisków możemy wybierać kształt generowanego przebiegu - sinusoidalny, trójkątny lub prostokątny. W polu Freąuency ustawiamy częstotliwość przebiegu w zakresie lhz-999mhz. W polu Duty Cycle ustalamy tzw. współczynnik wypełnienia przebiegu (opcja niedostępna dla przebiegu sinusoidalnego). W polu Amplitude ustawiamy wartość amplitudy sygnału wyjściowego w zakresie l mv 999 kv. W polu Offset ustawiamy wartość składowej stałej przebiegu wyjściowego w zakresie 1 mv 999 kv. 2

3 2.3 Generator sygnałów cyfrowych. Generator przebiegów cyfrowych jest wielo wyjściowym urządzeniem służącym do generowania na swoich wyjściach przebiegów napięciowych będących reprezentacja dowolnych ciągów binarnych o ograniczonej długości. Prezentowany w programie MultiSim generator posiada 32 wyjścia sygnałowe (0-31), wyjście gotowości danych ( R ) i wejście zewnętrznego wyzwalania ( T ). W przewijanym polu po lewej stronie możemy przeglądać i edytować kolejne wartości pojawiające się na wyjściach generatora w kolejnych taktach zegara. Sposób wyświetlania i edycji danych można ustalić wybierając odpowiedni tryb w sekcji Display. Przyciski w sekcji Controls ustalają tryb pracy generatora: Cycle - praca cykliczna. Na wyjścia wystawiane są reprezentacje binarne kolejnych słów znajdujące się pomiędzy znacznikami początku i końca cyklu (znaczniki po lewej stronie listy stanów). Po wyświetleniu wszystkich wartości cykl powtarza się. Burst praca jednoprzebiegowa. Podobnie jak w trybie Cycle, z różnicą, ze w chwili osiągnięcia ostatniej wartości urządzenie zatrzymuje symulacje do trybu pauzy. Kolejne naciśnięcie przycisku Burst wyzwala kolejny cykl pracy. Step - praca krokowa. Po wystawieniu na wyjścia wartości słowa umieszczonej pod określonym adresem układ przechodzi w tryb zawieszenia symulacji w oczekiwaniu na akcje użytkownika naciśnięcie jednego z przycisków trybu pracy generatora. Przycisk Set... służy do wypełniania pamięci generatora słowami odpowiadającymi jednemu z kilku wcześniej określonych wzorców. Sekcja Trigger definiuje źródło, pod wpływem, którego będą następować zmiany na wyjściach generatora. W trybie Internal zmiany będą następować pod wpływem wewnętrznego generatora o częstotliwości pracy nastawianej w polu Freąuency. W trybie External zmiany następować bada w reakcji na narastające lub opadające zbocze sygnału (wybrane odpowiednim przyciskiem) na wejściu T generatora. 3

4 2.4 Oscyloskop Drugim podstawowym przyrządem pomiarowym jest oscyloskop. Oprogramowanie Multisim udostępnia aż 4 różne modele oscyloskopów. Dwa z nich są typowymi przyrządami wirtualnymi, o dwóch lub czterech kanałach wejściowych. Pozostałe dwa są wirtualną wersją rzeczywistych przyrządów laboratoryjnych. Symbol oraz wygląd najprostszego z nich przedstawiono na rysunku poniżej. Najprostszy przyrząd wirtualny, dostępny w programie MultiSim jest standardowym dwukanałowym oscyloskopem. Przyrząd posiada dwa wejścia sygnałowe dla kanałów A i B. Każde z wejść sygnałowych posiada niezależnie wyprowadzony sygnał masy. Trzecie dostępne wejście to wejście wyzwalania zewnętrznego (Ext. Trig). Oscyloskop posiada pewne funkcje charakterystyczne dla oscyloskopów cyfrowych: dostępne są dwa tzw. kursory, które pomagają odczytywać wartości charakteryzujące obserwowane przebiegi: indeks czasowy, wartość chwilową napięcia w kanale A, wartość chwilową napięcia w kanale B. Automatycznie obliczana jest także różnica pomiędzy wartościami wskazywanymi przez kursory. W polu Timebase mamy możliwość wyboru trybu pracy oscyloskopu. W trybie Y/T na ekranie oglądamy zmiany napięć na wejściach A i B w funkcji czasu. W polu Scale możemy wybierać jaki okres czasu (0.lns ls) będzie odpowiadał l działce na osi X. W trybie Add na ekranie będzie wyświetlana suma przebiegów z kanałów A i B. Pole Scale pełni taką samą funkcje jak w trybie Y/T. W trybie B/A na ekranie obserwujemy wykres zależności napięcia kanału B=f(A). W trybie A/B na ekranie obserwujemy wykres zależności napięcia kanału A=f(B). Tryby te są wykorzystywane do obserwacji charakterystyk napięciowych. W obu tych trybach nie mamy możliwości regulacji skali czasowej. Pola Channel A i Channel B reprezentują nastawy wzmacniaczy wejściowych dla poszczególnych kanałów oscyloskopu. Oba udostępniają użytkownikowi takie same funkcje. Omówiony zostanie zatem jeden z nich. Tor wejściowy może pracować w jednym z trzech trybów : DC, 0, AC. 4

5 W trybie DC na ekranie oscyloskopu możemy oglądać i mierzyć przebiegi stałe i zmienne w czasie. W trybie 0 wejście jest zwierane do masy. W trybie AC oglądać możemy tylko przebiegi zmienne w czasie. Tryb ten wykorzystujemy, gdy mierzony (obserwowany) sygnał jest sumą przebiegu stałego o dużej wartości z przebiegiem zmiennym o wartości znacznie mniejszej. We wszystkich trybach za pomocą nastaw w polu Scale możemy regulować wzmocnienie toru. 2.5 Analizator stanów logicznych Analizator jest wielowejściowym urządzeniem służącym do obserwacji układów cyfrowych. Wyprowadzenia 1 F służą do podłączenia obserwowanych przebiegów cyfrowych. Rejestracja próbek jest sterowana sygnałem zegarowym wewnętrznym lub zewnętrznym podłączonym do wejścia C. Za pomocą przycisku Set... w sekcji Clock mamy dostęp do ustawień zegara: można przełączać tryb pracy pomiędzy zegarem wewnętrznym i zewnętrznym, ustawić szybkość wewnętrznego zegara, ustawiać ilość próbek rejestrowanych przed i po wystąpieniu interesującego nas zdarzenia. W ustawieniach triggera ( przycisk Set... w polu Trigger) możemy ustawić kombinacje stanów wejściowych, której wystąpienie jest interesującym nas zdarzeniem (pola Pattern), zastępując znaki x oczekiwaną wartością 0 lub 1. Możemy zdefiniować do 3 kombinacji stanów wejściowych, które będą interesującym nas zdarzeniem. 5

6 3 Wykonanie ćwiczenia 3.1 Idealne źródło napięcia Idealne źródło napięcia jest źródłem energii elektrycznej charakteryzującej się stałym napięciem na wyjściu niezależnie od wartości pobieranego z niego prądu. W programie Multisim oznaczone jest ono następującym symbolem: V1 12 V gdzie 12V oznacza wartość napięcia źródła Aby zbadać doświadczalnie charakterystykę źródła należy zbudować układ przedstawiony na Rys. 1. Rys. 1 Układ do pomiaru charakterystyki idealnego źródła napięcia Źródło napięcia V1 znajdziemy w grupie elementów Sources, oznaczonych ikoną pod nazwą DC_POWER. Wskaźniki amperomierz U1 i woltomierz U2, znajdują się w grupie elementów Indicators, oznaczonych ikoną,pod nazwą AMMETER_H oraz VOLTMETTER_V. Element oznaczony symbolem R1 rezystor znajdziemy w grupie elementów Basics Dla przykładowej wartości U=10V lub innej podanej przez prowadzącego należy mierzyć wartość napięcia i prądu zmieniając wartość rezystancji R w zakresie 1-500k wybierając około 20 wartości z podanego zakresu. W tym podpunkcie interesuje nas wyłącznie fakt, ze zmiana wartości rezystancji R1 powoduje zmianę wartości prądu pobieranego ze źródła. Wyniki zanotować w odpowiedniej tabeli umieszczonej w protokole obserwacji i pomiarów. Na podstawie pomiarów w opracowaniu należy sporządzić wykres zależności U(I). Dla dobrego zilustrowania na wykresie skali zmian prądu oś prądu można wycechować w skali logarytmicznej. 6

7 3.2 Idealne źródło prądu Idealne źródło prądu jest źródłem energii elektrycznej charakteryzującej się stałym prądem na wyjściu niezależnie od wartości napięcia na jego zaciskach. programie Multisim występuje pod nazwą DC_CURRENT, znajduje się, podobnie jak idealne źródło napięcia w grupie elementów Sources i oznaczone jest następującym symbolem: I1 1 A gdzie 1A oznacza wartość prądu źródła. Aby zbadać doświadczalnie charakterystykę źródła należy zbudować układ jak na Rys. 2. Rys. 2 Układ do pomiaru charakterystyki idealnego źródła prądu Dla przykładowej wartości prądu I=1 A, lub innej podanej przez prowadzącego, należy mierzyć wartość napięcia i prądu, zmieniając wartość rezystancji R w zakresie l - 500k wybierając około 20 wartości z podanego zakresu. W tym punkcie interesuje nas wyłącznie fakt, że zmiana wartości rezystancji R powoduje zmianę napięcia na źródle prądu. Wyniki zanotować w odpowiedniej tabeli w protokole obserwacji i pomiarów Na podstawie pomiarów w opracowaniu należy sporządzić wykres zależności U(I). Dla dobrego zilustrowania na wykresie skali zmian napięcia oś napięcia można wycechować w skali logarytmicznej. 3.3 Prawo Ohma Charakterystyka prądowo - napięciowa rezystancji. Wykorzystując układ pomiarowy jak na Rys. 1, możemy wyznaczyć charakterystykę prądowo- napięciową rezystora. Podobnie jak we wcześniejszych zadaniach, wielkościami mierzonymi są prąd i napięcie. Interesuje nas jednak, w jaki sposób zmieniać się będzie wartość prądu płynącego przez rezystor o stałej wartości (np. 510 ) przy zmianach wartość napięcia źródła w zakresie od l do 10 V. Wyniki pomiarów zanotować w odpowiedniej tabeli protokołu obserwacji i pomiarów. 7

8 Z otrzymanych danych sporządzić wykres U(I). Wyznaczyć tangens (tg) kąta nachylenia wykresu w stosunku do osi I. Czy wyznaczona wartość tangensa kąta ma związek z wartością użytego rezystora? 3.4 Szeregowe łączenie rezystancji. W układzie z Rys. 1 zastępujemy pojedynczy rezystor układem dwóch rezystorów R1 i R2 połączonych jak na rysunku poniżej. Wyznaczyć przy pomocy pomiaru prądu i napięcia (analogicznie jak przy wyznaczaniu charakterystyki prądowo-napięciowej rezystora) wartości rezystancji układu dla R1=R2=10 lub innych wartości podanych przez prowadzącego: Wyniki zanotować w protokole. I na podstawie pomiarów obliczyć korzystając z prawa Ohma wartość rezystancji takiego układu rezystorów. Dołączyć do układu rezystorów w sposób pokazany linią przerywaną, rezystor R3=20 lub o innej wartości podanej przez prowadzącego Dokonać pomiaru prądu i napięcia dla takiego układu. Wyniki zanotować w protokole. Obliczyć wartość rezystancji zastępczej takiego układu. Zaproponować formułę opisującą zależność pomiędzy rezystancją całego układu a rezystancją poszczególnych składników. 3.5 Równoległe łączenie rezystancji Do pomiaru wartości rezystancji wykorzystamy multimetr ustawiony na pomiar rezystancji. Multimetr, jako przyrząd pomiarowy znajdziemy na pasku przyrządów po lewej stronie (pierwszy element od góry) Zbudować układ pomiarowy przedstawiony na Rys. 3. Rys. 3 Układ do pomiaru rezystancji z wykorzystaniem multimetru. 8

9 Zmierzyć za pomocą multimetru ustawionego na pomiar rezystancji wartości rezystancji układu dla Rl=R2=1K lub innych wartości podanych przez prowadzącego. Wynik zanotować. Do układu z Rys. 3 równolegle trzeci rezystor R3=5k lub innej wartości podanej przez prowadzącego w sposób pokazany linią przerywaną. Ponownie dokonać pomiaru rezystancji. Wynik zanotować. Zaproponować lub odszukać w źródłach literaturowych formułę opisującą zależność pomiędzy rezystancją zastępczą całego układu a rezystancją poszczególnych składników. 3.6 Dzielnik napięcia. Dzielnik napięcia to czwórnik, (czyli element o czterech wyprowadzeniach zewnętrznych) zbudowany z dwóch połączonych szeregowo rezystancji. Schemat przedstawiono na rysunku. Rys. 4 Dzielnik napięcia. Jeżeli pomiędzy zaciski 1-2 podłączymy źródło napięcia to na zaciskach 3-4 uzyskamy napięcie proporcjonalne do wartości rezystorów R1 i R2. Podłączyć układ pomiarowy według Rys. 5. Rys. 5 Układ pomiarowy dzielnika napięcia. Wykonać serie pomiarów napięcia wyjściowego U3-4 dla ustalonej wartości R1 (np. l k lub innej) zmieniać wartość R2. Wyniki zanotować w odpowiedniej tabeli w protokole. Przy założeniu, że suma rezystancji R1+R2 =10k i relacji napięć U1-2/U3-4=n dla n=2, 3, 5, 10 wyznaczyć doświadczalnie i zanotować w tabeli w protokole wartości rezystorów R1 i R2. Wykazać teoretyczne (za pomocą odpowiednich wzorów i obliczeń) poprawność dobranych doświadczalnie wartości elementów dla każdego przypadku. 9

10 3.7 Rezystancja zastępcza Dany jest dwójnik (element o dwóch wyprowadzeniach zewnętrznych) o budowie przedstawionej na Rys. 6. Rys. 6 Dwójnik rezystancyjny Zgodnie z twierdzeniami teorii obwodów układ ten może zostać zastąpiony pojedynczym rezystorem o odpowiednio dobranej wartości zwanej rezystancją zastępczą. Jak można zauważyć układ stanowi kombinacje połączeń szeregowych i równoległych. Obliczyć teoretycznie wartość rezystancji zastępczej układu z Rys. 6. Zmierzyć za pomocą multimetru wartość rezystancji pomiędzy zaciskami A i B (jak w punkcie 3.5). Wynik zanotować w protokole. Zamienić rezystory o wartości 10 na rezystory o wartości 200, rezystory o wartości 20 na rezystory o wartości 400 a rezystor o wartości 80 zastąpić rezystorem o wartości 800. Powtórnie obliczyć wartość rezystancji zastępczej tak otrzymanego układu. Zmierzyć i zanotować w protokole wartość rezystancji między zaciskami A i B. 4 Literatura 1. Horowitz P. Hill W.: Sztuka elektroniki cz.1 i 2. Wyd.8. WKŁ, Warszawa, ISBN: Ćwirko R., Rusek M., Marciniak W.: Układy scalone w pytaniach i odpowiedziach. 3. Wawrzyński W.: Podstawy elektroniki. Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa