ЛАБОРАТОРНО УПРАЖНЕНИЕ 1

Система за изследване на аналогови обекти. Елементарни пасивни преобразуватели

1. Система за изследване на електронни обекти МИКРОЛАБ. За да провеждаме лабораторни експерименти се нуждаем от две неща: средство, с което да изследваме обекти (измервателна апаратура) и обекти, които да изследваме. Самото изследване правим като подаваме сигнали към изследвания обект и регистрираме реакциите му на тези въздействия (точно както постъпваме и в живота спрямо околните :).

На нашите лабораторни занятия ще изследваме обектите както със стандартните измервателни средства (функционален генератор, източник на напрежение, аналогови и цифрови волтметри и амперметри, осцилоскопи), така и с помощта на автоматизираната система МИКРОЛАБ. Тя е създадена през далечната 1986 г. и през всичките тези почти 20 години неуморно служи на колегите ви, надявам се и на вас. Между другото, вие вече сте работили с подобна система в лаб. 1413 (миналия семестър, на лабораторните занятия по Цифрова схемотехника).

Накратко, МИКРОЛАБ се състои от персонален компютър Правец 8 (какво е това?), контролер и лабораторен макет. Макетът има една постоянна измервателна част (рамката) и сменяема средна част (изследвания обект) като с помощта на гъвкави проводници можете да правите всевъзможни връзки между тези части на системата.

Забележете (снимката вляво), че изследвания обект може да се намира и извън макета. В лабораторията има общо три такива места; четвъртото е "чисто хардуерно" работно място - там има токозахранващи блокове, класически измервателни уреди, набор от "истински" електронни елементи и дори ... поялник. Това, което го няма в лабораторията, са съвременните компютри (но може пък да е за добре :).

Под управление на програмата МИКРОЛАБСКОП (написана на асемблер) можете да подавате директни команди за изследване на обекта (вижте таблицата вдясно). Просто натискате някой от "топлите" клавиши и компютърът върши неблагодарната работа (например, снемане на семейство от предавателни характеристики). За вас остава творческата (човешката) част - осмислянето на получените резултати.

2. Елементарни пасивни преобразуватели. На първото лабораторно занятие ще построим най-елементарните пасивни преобразуватели и след това ще ги изследваме с разгледаните по-горе измервателни средства. Не се плашете от мно...о...о...гото схеми, ще изследвате само някои от тях (естествено, по ваш избор).

2.1. Резистивни преобразуватели. Започваме с възможно най-простите градивни блокчета - преобразувателите с токов изход (напрежение-ток и съпротивление-ток) и обратните преобразуватели с напрежителен изход (ток-напрежение и съпротивление-напрежение). Само че как да ги изследваме след като системата има само напрежителни входове и изходи? Един от начините е да мерим тока с най-обикновен амперметър. Или пък свързваме "обратни" преобразуватели така, че взаимно да се обслужват (например, преобразувателят ток-напрежение да мери изходната величина на преобразувателя напрежение-ток). Комбинирайки ги по този начин, неусетно построяваме по-сложни съставни преобразуватели с напрежителни входове и изходи - делител на напрежение, паралелен суматор на напрежения и мост на Уитстон. Не забравяйте да ги изследвате както на празен ход, така и под товар.

Освен с програмата МИКРОЛАБСКОП, ще използваме и някои специализирани програмки за да осъществим виртуозни експерименти. Например, мисля да пресъздадем експеримента на Ом, както направихме мислено това с вашите колеги миналата година в семинарно упражнение 3.

2.2. Преобразуватели с реактивни елементи. Сега пък ще изградим по-сложни пасивни схеми, които реагират на времето (лекция 2 от тази година и упражнение 4 от миналата). Като комбинираме наличните преобразуватели напрежение-ток и ток-напрежение с новите интегратор на ток (просто един кондензатор) и диференциатор на напрежение (отново кондензатор), ще получим знаменитите схеми на капацитивен интегратор и диференциатор. За да ги изследваме спокойно, ще използваме големи стойности на съпротивлението и капацитета (времеконстантата). Така процесът ще се развива бавно върху екрана, а ние през това време бавно ще го осъзнаваме.

След това ще започнем постепенно да разсъждаваме и върху грешките в тези схеми като се опитаме да ги намалим или въобще да ги премахнем (като с магическа палка :). Ако имате желание, можем дори да повторим експеримента на колегите ви от 2001 г., които успяха да превърнат несъвършенния интегратор в почти идеален. Същото направихме мислено миналата година на упражнение 9, а сега ще го обсъждаме в лекция 10. Ето и едно анимирано филмче, което може да ви подсети каква е идеята.

2.3. Преобразуватели с нелинейни елементи. Накрая ще построим и изследваме различни диодни схеми като представители на нелинейните пасивни преобразуватели (лекция 2 от тази година и упражнение 5 от миналата). Първо ще използваме диода като еднопосочен вентил и ще построим схемите на различни диодни ограничители. Когато ги изследваме със система МИКРОЛАБ, ще "загрубим" мащаба на изображението така, че да не виждаме напрежението VF на диода.

След това ще използваме диода като стабилизиращ напрежението нелинеен елемент за да построим схеми на стабилизатор на напрежение и схема за преместване на напрежителни промени. Ще експериментираме с ценерови диоди и светодиоди. Ето ви и един въпрос: Можете ли да свързвате паралелно светодиоди с различен цвят (например червен и зелен)? Помислите върху него, а в лабораторията ще го проверим експериментално.

Накрая ще комбинираме отново (за кой ли път?) най-елементарните преобразуватели напрежение-ток и ток-напрежение с новите логаритматор на ток и антилогаритматор на напрежение за да получим известните схеми на логаритматор и антилогаритматор. Когато ги изследваме със система МИКРОЛАБ, ще увеличим изображението върху екрана така, че да виждаме добре напрежението VF на диода. И тук ще разсъждаваме върху грешките на схемите като пак ще се опитаме да ги намалим или въобще да ги премахнем. Това направихме мислено миналата година на упражнение 9, а сега ще го обсъждаме в лекция 10. Анимираното филмче може отново да ви подсети каква е идеята.

Вътрешни интернет ресурси

Build to Understand Circuits е мултимедиен построителен курс (временно спрян):

Introduction разкрива философията на построителния подход в представянето на електронните схеми,

Unit 1: Voltage Causes Current въвежда първите най-елементарни схемни градивни блокчета.

Интерактивни "строители":

pnfb-builder  е интерактивен строител на повече от 40 популярни схеми ( използва "сценарий" от 4 стъпки).

Интерактивни "мини-строители":

v-to-i  "изобретява" най-елементарния пасивен преобразувател напрежение-ток,

i-to-v  създава обратния пасивен преобразувател ток-напрежение,

v-to-v-sum построява съставния пасивен резистивен суматор като използва горните два преобразувателя.

circuits  е иерархично организирана класификация на схеми и принципи:

passive-circuits показва най-елементарните пасивни схемни градивни блокчета (обект на днешното лабораторно).

Седмични рубрики с въпроси от схемотехниката: contradictions, conflicts, principles, building schemes, circuit_building blocks.

СКЕ 2004 - семинарните упражнения с колегите ви от миналата година:

contents разкрива структурата и съдържанието на курса,
1, 2, 3, 4 , 5 съдържат информация за пасивните схеми, предмет на настоящето лабораторно занятие,
library е библиотека от "изобретените" по време на занятията схемни градивни блокчета,
resources съдържа полезни интернет ресурси, използвани по време на занятията,

Допълнителни илюстративни материали:

AC transistor amplifier - показва ролята на кондензатора в един променливотоков усилвател с капацитивни връзки,

blocking capacitor разкрива в анимиран вид как кондензаторът "премества" потенциални промени.

Външни интернет ресурси

Lessons In Electric Circuits:

Ohm's Law,

Series and Parallel Circuits,

Divider Circuits and Kirchhoff's Laws,

DC Metering Circuits,

Capacitors,

RC and R/L Constants,

Diodes and Rectifiers,

DC Circuit Experiments,

Descrete Semiconductor Circuits Experiments.

www.HobbyElectronics.info:

Current and Resistors,

Capacitors,

Diodes.

Williamson-Labs:

Intuitive Electronics,

Resistors,

Capacitors.

Разни: Voltage Dividers ...

Литература

[1 - стр. 5-9], [2 - стр. 36-41, 42-43]...

Колеги, това беше един примерен "сценарий" за първото ни лабораторно занятие. Сега остава само да го реализирате като направите (някои от) тези експерименти, да ги скицирате на хартия под формата на протокол и да осмислите наблюдаваните феномени. Очаквам ви в лаборатория 1315.

Как протекоха първите лабораторни упражнения...

В лаб. 1315 беше малко тясно, защото някой беше пренаредил импровизираната ни "кръгла" маса в средата като класна стая..., но ние бързо се приспособихме. Трябва и на това да сме доволни, след като миналата година въобще нямаше лаборатория и се задоволявахме само с въображаеми експерименти в класната стая.

На първите лабораторни упражнения с гр. 58а и 60а се наложи да повторя доста от казаното на лекции и в резултат на това остана малко време за експерименти. Затова, колеги, пак искам да се обърна с молба към вас да посещавате лекциите. Нека в з. 2140 да обсъждаме свободно схемните феномени, а в лаб. 1315 да ни остане време да построяваме и изследваме интересни схеми!

През втората седмица от цикъла нещата постепенно се нормализираха и с гр. 58б, 60б и най-вече с 56б успяхме да направим най-интересните експерименти. Например, с 56б решихме една интересна и изключително полезна задача - превръщане на устройство (АЦП) с еднополярен вход в устройство с двуполярен вход. Но вместо да ви разправям как го направихме по-добре вижте чудесно направения протокол на колегата Петър Иванов, който се отказа от авторските си права и любезно ви го предоставя за използване :).

Благодаря ви и за това, че поместихте в списъците координатите си за връзка. Сега остава само да ги използвате за да се получи нещо като форум. Очаквам вашите коментари. Не забравяйте, че участието ви на лабораторните упражнения се награждава с допълнителни червени точки + в списъците, което увеличава шанса ви за освобождаване от изпит.

Очаквам вашите мнения, предложения, въпроси и отговори на адрес cyril@circuit-fantasia.com.

Последна редакция March 26, 2005