Материал: Исследование и моделирование линейных цепей. Каневский З.М., Литвиненко В.П

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Воронежский государственный технический университет

З.М. Каневский В.П. Литвиненко О.Г. Вахтин

ИССЛЕДОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ

Учебное пособие

Воронеж 2002

УДК 621.372

Каневский З.М., Литвиненко В.П., Вахтин О.Г. Исследование и моделирование линейных цепей: Учеб.пособие. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2002. 88 с.

Рассматриваются лабораторные исследования и схемотехническое моделирование линейных электрических цепей. Приведены описание измерительных приборов, лабораторные задания и правила их выполнения. Предложен комплекс моделирующих программ и задания по исследованию сигналов и цепей с помощью системы схемотехнического моделирования MicroCAP V, приведены указания по его применению.

Учебное пособие предназначено для студентов специальностей 200700 «Радиотехника», 190500 «Биотехнические и медицинские аппараты и системы» и 220300 «Системы автоматизированного проектирования» при изучении курсов "Основы теории цепей", "Общая электротехника" и "Электротехника и электроника".

Учебное пособие подготовлено на магнитном носителе в текстовом редакторе MS WORD 2000 и содержатся в файле Lab2002.doc. Примеры моделей приведены в файлах LabN.cir

для MicroCAP и LabN.mcd для MathCAD.

Табл. 1 Ил. 45. Библиогр.: 6 назв.

Научный редактор профессор Г.В. Макаров

Рецензенты: кафедра электроники Воронежского Государственного университета (зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. Э.К. Алгазинов ); канд. физ.-мат. наук Ю.П. Сбитнев

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета.

Каневский З.М., Литвиненко В.П., Вахтин О.Г. 2002 Оформление. Воронежский государственный технический университет, 2002

3

ВВЕДЕНИЕ

Экспериментальные работы являются важнейшей составляющей изучения электрических цепей и действующих в них сигналов. При этом прежде всего необходимо освоить измерительные приборы и методику проведения измерений характеристик цепей и сигналов.

В пособии приведено краткое описание комплекса измерительных приборов (генератора сигналов, вольтметра, осциллографа и лабораторного стенда), методики их калибровки и проведения измерений.

Для проведения экспериментальных исследований в пособии приводятся задания по десяти лабораторным работам (схемы цепей, описания сигналов, порядок выполнения экспериментов). Приводятся правили оформления отчета о проделанной работе.

Современные средства вычислительной техники позволяют проводить разнообразные исследования сигналов и цепей методами имитационного моделирования. Они обеспечивают высокую степень соответствия результатов моделирования и экспериментальных работ, что позволяет использовать моделирование для проверки лабораторных исследований. Кроме того, моделирование дает возможность существенно расширить и углубить процесс изучения цепей и сигналов.

Учебное пособие ориентировано на использование простейшей моделирующей программы MicroCAP V. Можно использовать аналогичную программу WorkBench версии 5.12 или более сложные и мощные программные комплексы

ORCAD или DesignLab.

Совместное использование экспериментальных работ и имитационного моделирования позволит существенно повысить качество изучения материала и глубину освоения современных средств вычислительной техники.

4

ТРЕБОВАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Целью лабораторного практикума является экспериментальное изучение физических процессов в радиотехнических и электронных устройствах, закрепление полученных теоретических знаний, овладение техникой простейших измерений и освоение приборов.

Перед началом лабораторной работы студент должен выполнить домашнее задание.

Д о м а ш н е е з а д а н и е состоит из двух частей :

1)подготовки теоретического материала, решения задач по соответствующей теме;

2)оформления "заготовки" отчета по лабораторной

работе.

З а г о т о в к а о т ч е т а оформляется в тетради или на отдельных скрепленных между собой листах с указанием Ф.И.О. и группы студента, названия лабораторной работы и ее цели. Затем следуют разделы лабораторного задания, где указывается содержание задания, приводятся схемы цепей, заготовки таблиц и графиков на миллиметровой бумаге, которые будут заполняться в ходе эксперимента. После каждого пункта лабораторного задания оставляется свободное место (половина страницы) для необходимых вычисле-

ний и обязательных выводов.

Разбиение материала на разделы производится студентом самостоятельно. Один раздел может охватывать несколько близких по смыслу пунктов задания. Раздел может разбиваться на подразделы, каждый из которых соответствует пункту лабораторного задания или его части. В конце отчета оставляется место для заключения (общих выводов) по работе. Результаты экспериментов и сопутствующие расчеты необходимо проанализировать и сделать соответствующие выводы,

5

начиная с наиболее значимых (например, о применимости законов Ома и Кирхгофа).

Перед началом лабораторной работы или по результатам ее выполнения целесообразно провести имитационное моделирование изучаемых цепей и процессов с помощью моделирующих программ, например, MICROCAP-V.

Ниже показан пример оформления заготовки отчета в

ВВЕДЕНИЕ (цель работы, постановка задачи, методика выполнения)

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ИСТОЧНИКА НАПРЯЖЕНИЯ (название раздела)

1.1. Экспериментальное определение вольтамперной характеристики (название подраздела)

В схеме цепи, показанной на рис.1, установим .... и измерим величины тока I и напряжения U.

Рис.

Рисунок 1. Схема исследуемой цепи (название рисунка) Результаты измерений приведены в табл.1 и показаны

на рис.2.

Таблица 1. Вольтамперная характеристика

U В

I мА

(таблица не заполнена, число строк и столбцов определяются самостоятельно)

Рисунок.

Рисунок 2. Вольтамперная характеристика

6

Если необходимо, оставляется место для лабораторных расчетов и будущих выводов (как видно из графика на рис.2

.......).

1.2. Расчет вольтамперной характеристики (название следующего подраздела)

........

2. ИССЛЕДОВАНИЕ КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ (название следующего раздела)

........

ЗАКЛЮЧЕНИЕ (краткие общие выводы по лабораторной работе, объединяющие выводы, сделанные ранее по каждому пункту лабораторного задания)

Приведенные рисунки и таблицы сопровождаются названиями. В тексте ссылки на рисунки и таблицы записываются сокращенно (рис.1, табл.2). Другие сокращения слов стандарт запрещает.

Оформление заготовки отчета дает возможность студенту продумать ход будущей лабораторной работы и оформить отчет по ней без больших затрат времени непосредственно на занятии. По окончании эксперимента студент завершает оформление отчета, делает выводы, пишет заключение и предъявляет отчет преподавателю для проверки и сдачи зачета. Зачет предполагает объяснение полученных экспериментальных результатов, ответы на теоретические вопросы и решение задач, связанных с тематикой проведенных исследований.

При не выполненном (хотя бы частично) домашнем задании студент не допускается к выполнению лабораторной работы. Зачет по проделанной работе должен быть сдан д о н а ч а л а следующей.

7

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО МОДЕЛИРОВАНИЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Исследование свойств напряжений и токов в электрических цепях можно эффективно проводить методами имитационного моделирования на базе персональных компьютеров с помощью различных пакетов программ.

Хорошее совпадение с результатами эксперимента, удобный интерфейс и широкие возможности обеспечивает использование пакета MICRO-CAP V [5]. Он позволяет проводить моделирование на постоянном токе, во временной и частотной областях и определять разнообразные характеристики сигналов и цепей. В процессе моделирования можно определять численные значения параметров сигналов (амплитуды, сдвиги фаз, начальные фазы и т.д.), получать временные диаграммы и частотные характеристики цепей. Графические материалы можно вывести на печать и ввести в текстовый редактор при оформлении отчета.

При выполнении лабораторных работ с помощью имитационного моделирования могут быть проведены, например, следующие исследования.

1.Постройте заданную цепь с указанными параметрами элементов и источников сигнала, получите измеренные в ходе лабораторной работы характеристики и сравните результаты моделирования и эксперимента.

2.Получите частотные характеристики сигналов, свяжите их с имеющимися экспериментальными данными, проведите физический анализ результатов моделирования.

3.Изменяя параметры цепи, исследуйте их влияние на измеренные в лабораторной работе характеристики, сделайте соответствующие выводы.

4. Исследуйте влияние на характеристика сигналов и цепей температуры окружающей среды.

8

Для решения задачи необходимо по правилам MICRO-CAP V сформировать на экране компьютера схему исследуемой цепи и задать программу моделирования. К методическим указаниям прилагаются примеры файлов программ с именем LabN.cir, где N = 2, 3, .. - номер соответствующей лабораторной работы. Варианты программы имеют имена LabN_1.cir, LabN_2.cir и так далее. Ниже даются указания к их применению.

При выполнении лабораторной работы схемотехническое моделирование целесообразно проводить до ее начала, предварительно выбрав рабочую плату на лабораторном стенде и записав параметры ее элементов. Полученные результаты позволят грамотно провести эксперимент и проверить его результаты. После лабораторных исследований их результаты можно уточнить и дополнить повторным схемотехническим моделированием.

Результаты моделирования необходимо представить графически (их можно передать в редактор текста через системный буфер ClipBoard или использовать «перехват экра-

на»).

Моделирование можно проводить и с использованием других программных продуктов, например, MICROCAP

версий 6 и 7, WorkBench 5 или DesignLab 8.

Для необходимых расчетов в ходе лабораторных работ и моделирования целесообразно использовать пакет программ MathCAD версии 6.0 и выше. В приложении к лабораторным работам приведены примеры программ с именем

LabN.mcd