Исследование резистивных (R–R) делителей напряжения
Лабораторное занятие № 1
I. Цель занятия
1.Получить практические навыки создания и исследования делителей напряжения из пассивных электронных элементов с требуемыми параметрами.
2. Ознакомиться с методикой снятия статических вольтамперных и передаточных характеристик.
II. Основные теоретические положения
1. Все электронные преобразователи сигналов можно привести либо к делителю напряжения, либо к делителю тока. Поэтому все преобразователи сигналов можно представить в виде последовательного либо параллельного соединения двух электронных элементов Общая схема делителя напряжения изображена на Рис. 1.
 |
Источник ЭДС Е подключается к делителю напряжения из элементов Э1 иЭ2. Под воздействием входного напряжения UВХ =Е через делитель течёт ток I=I1=I2, причём
. 2. Статическое электрическое состояние элементов Э1 и Э2 характеризуется установившимся значением тока через элементы и напряжением, падающем на элементах Э1 и Э2. Величины токов и напряжений элементов, соответствующие статическому состоянию определяют электрический режим работы преобразователя, т.е. положение рабочей точки.
Рабочей точкой делителя называется точка на графиках ВАХ, соответствующая равенству токов элементов. Чтобы найти положение рабочей точки графически, необходимо построить в одной и той же системе координат графики ВАХ обоих элементов. Точка пересечения этих графиков и будет рабочей точкой делителя.
Для изменения положения рабочей точки элемента изменяют уровень напряжения UВХ в контуре воздействия. При изменении, например, тока I в элементах устанавливается соответствующее ему новые значения напряжений, т.е. изменяется положение рабочей точки. Совокупность статических положений рабочей точки элемента можно представить функциями: либо U=f1(I), либо I=f2(t). Графики этих функций называют статическими вольтамперными характеристиками (ВАХ) элемента. ВАХ элемента несут информацию о его электрических свойствах и возможностях практического использования.
3. Если элемент или схема из совокупности элементов включены в цепь передачи электрического сигнала, то он характеризуется статической передаточной характеристикой (ПХ), которая представляет собой функцию установившегося сигнала на выходе от параметров установившегося сигнала на входе элемента. Возможны два типа передаточных характеристик:
Uвых=f1(Uвх), если во входном и выходном контурах взаимодействия создан режим делителя напряжения;
Iвых=f2(Iвх), если во входном и выходном контурах взаимодействия существует режим делителя тока.
Статическая передаточная характеристика, как и вольтамперная характеристика, определяется совокупностью возможных положений рабочих точек элемента, однако, в отличие от последней, она характеризует элемент в условиях изменений состояния на входе и на выходе.
По передаточной характеристике судят о возможностях элемента или схемы сохранять или изменять отдельные параметры передаваемого сигнала.
Фиксированное положение рабочей точки характеризуется коэффициентом передачи по напряжению: 
 |
4. Исследуемая схема резистивного делителя изображена на рис. 2.
Расчет параметров этой схемы производится графоаналитическим методом. Для этого производится построение ВАХ обоих резисторов.
Построение ВАХ резистора R2.
ВАХ резистора R2 строится на основе анализа исходной схемы в предположении, что R1 =0 (см. рис.3).
В этой схеме 
ВАХ R2 соответствует функции I2=f(UВЫХ)= 
Функция линейна, поэтому графически она будет представлять собой прямую линию. Строим эту функцию по двум точкам. Находим точки прямой, задаваясь значениями UВЫХ=UR2:
Точка 1 - UВЫХ=0, тогда I2=0.
Точка 2 - UВЫХ=Е, тогда I2=
 |
Наносим эти точки на график и проводим через них прямую линию (Рис.4).
Построение ВАХ резистора R1.
ВАХ R1 соответствует функции I1=f(UR1)= 
Так как U1=E-UВЫХ, то функция ВАХ R1 имеет вид I1=f(Е-UВЫХ)= 
Эта функция также линейна. Строим эту функцию по двум точкам. Находим точки прямой, задаваясь значениями UВЫХ=UR2:
Точка 1 - UВЫХ=0, тогда I1= 
Точка 2 - UВЫХ=Е, тогда I1= 
Наносим эти точки на предыдущий график и проводим через них прямую линию. Получаем на пересечении двух графиков рабочую точку РТ (Рис.5).
По положению РТ на графике определяются значение тока IРТ=I1=I2=I, протекающего через резисторы и значения падений напряжения на резисторах UR1,UR2.
III. Методика выполнения занятия
Лабораторное занятие выполняется на персональном компьютере в среде программы Electronic WorkBench. На занятии используются следующие электронные элементы:
– заземление GND; 
– источник напряжения (батарея) Е; 
– резисторы R; 
– амперметр, вольтметр;
– осциллограф;
– функциональный генератор;
– точки соединения проводников.
ЗАДАНИЕ 1. Исследование резистивного делителя напряжения графическим методом путем построения вольтамперных характеристик (ВАХ) резисторов.
1. Создать на диске D в каталоге СТУДЕНТЫ подкаталог:
Электроника_Специальность_Номер варианта.
Например: Электроника_230106_ вариант-3
2. Собрать схему R-R делителя напряжения, изображенную на рис.6.
Схема содержит два последовательно включенных резистора R1 и R2. На вход делителя подается напряжение источника питания Е, равное входному напряжению Uin. Измерение тока в схеме делителя осуществляется амперметром А, а падения напряжений U1 и U2=Uout – вольтметрами V1 и V2.
 |
3.Установить значения параметров элементов +Е, R1 и R2 по варианту, заданному преподавателем, согласно табл.1.
| Таблица 1 | ||||||||||
| Параметры | Номера вариантов | |||||||||
| +Е, В | ||||||||||
| R1, кОм | 0,68 | 1,2 | 3,2 | 4,7 | 5,6 | 3,9 | 6,8 | 3,3 | 8,2 | 10,5 |
| R2, кОм | 0,68 | 1,2 | 3,2 | 4,7 | 5,6 | 3,9 | 6,8 | 3,3 | 8,2 | 10,5 |
| R2¢, кОм | 0,4 | 0,7 | 1,5 | 1,2 | ||||||
| R2², кОм | 4,5 |
2. Сохранить схему в файле с именем «RR-делитель-1-№вар» в созданном каталоге.
Например, для варианта 3: RR-делитель-1-3.
4. Построить на листе бумаги ВАХ резисторов R1 и R2.
ВАХ резистора R2 соответствует функции
ВАХ нагрузочного резистора R1 соответствует функции:
Задавая значения напряжений U2 и U1 рассчитать значения токов I2 и I1. Результаты расчетов с единицами измерений занести в форму 1.
| Форма 1 | ||||||||
| Координаты точек ВАХ резисторов. | ||||||||
| Номера точек | ВАХ R1= | ВАХ R2= | ВАХ R2¢= | ВАХ R2²= | ||||
| U1 | I1 | U2 | I2 | U2¢ | I2¢ | U2² | I2² | |
| Е | ||||||||
| Е |
Изобразить на одном графике ВАХ резисторов R1 и R2. Пересечение двух линий ВАХ определяют положение рабочей точки (РТ) делителя при равенстве токов I1=I2. По положению РТ на графике определить значения тока I в делителе, напряжений U1 и U2=Uout и занести эти значения в строку «Положение РТ», столбец R2 формы 3.
5. Запустить процесс моделирования схемы путем нажатия кнопки, расположенной в правом верхнем углу экрана, в положение «1».Снять показания приборов и занести их в строку «Показания приборов», столбец R2 формы 2.
| Форма 2 | |||||||||
| Расчётные и экспериментальные значения токов и напряжений делителей. | |||||||||
| R2= | R2¢= | R2²= | |||||||
| I | U1 | U2 | I¢ | U1¢ | U2¢ | I² | U1² | U2² | |
| Положение РТ | |||||||||
| Показания приборов |
Выполнить сравнение значений тока и напряжений, найденных по положению РТ с результатами моделирования. Сделать выводы.
6.Изменить значение второго резистора на R2¢, а затем на R2² (см. табл.1).
Задавая значения напряжений U2 и U1 рассчитать значения токов I’ и I”. Результаты расчетов занести в форму 1. ВАХ резисторов R2¢, R2² изобразить на том же графике что и ВАХ резисторов R1 , R2. По положению РТ¢, PT² на графике определить значения тока I¢, I² в делителе, напряжений U1¢,U2¢,U1¢ U2² и занести эти значения в строку «Положение РТ», столбец R2¢, R2² формы 2.
Запустить процесс моделирования схемы, снять показания приборов и занести их в строку «Показания приборов», столбец R2¢, R2² формы 2.
7. Изменяя напряжение Uin источника от 0В до +Еп по измеренным значениям U1, U2, U2¢,U2² построить статические передаточные характеристики Uout=f(Uin).
Рассчитать коэффициенты передачи делителя Ku, Ku¢ и Ku² по выражению
Сравнить положения графиков ВАХ, РТ и передаточных характеристик делителя при различных значениях резистора R2 и сделать выводы.
Сравнить значения тока, напряжений и коэффициента передачи делителя при различных значениях резистора R2 и сделать выводы.
ЗАДАНИЕ 2. Исследовать работу делителя в динамическом режиме (при подаче на его вход переменного гармонического сигнала).
1.Собрать схему, изображенную на рис. 7.
К входу делителя подключен функциональный генератор G, вырабатывающий синусоидальный сигнал eг=UmгSin(wt), где Umг – амплитуда сигнала; w=2p/T – круговая частота; Т-период повторения. Частота повторения f=w/2p=1/T.
Установить следующие параметры генератора:
форма выходного сигнала – синусоидальная,
частота выходного сигнала – 1Hz,
коэффициент заполнения – 50%,
амплитуда выходного сигнала – Umг=Е (из табл.1),
смещение – 0.
Контронтрольно-измерительным прибором для наблюдения сигналов является осциллограф Osc, к каналу А которого подключен входной сигнал ег=Uin (красный проводник), а к каналу В – выходной сигнал Uout (синий проводник). Общий проводник (земля) подключен к клемме GROUND.
Настроить осциллограф, установив следующие параметры:
режим развертки – Y/T (по вертикали – напряжение сигнала, по горизонтали – время);
длительность развертки (TIME BASE) – 1s/div (1 секунда/деление);
чувствительность обоих каналов (CHANNEL A, CHANNEL B) – 5V/div (5 вольт/деление);
смещение по вертикали обоих каналов (Y POS) – 0.00;
режимы входов обоих каналов –DC (открытый вход).
Установить параметры резисторов R1 и R2 из табл.1.
2. Сохранить схему в созданном каталоге в файле с именем «RR-делитель-2-№вар».
Например, для варианта 3: RR-делитель-2-3.
2. Запустить процесс моделирования путем нажатия кнопки, расположенной в правом верхнем углу экрана, в положение «1».
Наблюдать на экране осциллографа процесс изменения значений напряжений исследуемых сигналов во времени.
После заполнения экрана осциллографа остановить моделирование нажатием кнопки в положение «0».
Более детальное изображение полученной временной диаграммы с целью ее анализа можно получить путем включения подкоманды Analysis/Display Graphs.
По изображению диаграммы определить значение амплитуды входного сигнала Um in и выходного сигнала Um out.
Изменить значение резистора R2 на R2’, а затем – R2” и выполнить моделирование.
Изобразить на одной временной диаграмме изменения входного и выходных сигналов делителя при различных значениях R2.
Выполнить анализ полученных результатов, сравнив результаты работы схемы при воздействии постоянного и синусоидального входного сигнала и сделать выводы.
IV. Содержание отчета
1.Наименование и цель занятия.
2.Схема R – R делителя для исследования выходного напряжения UOut и тока I.
3.Форма 1 с расчетными данными для построения точек ВАХ резисторов.
4.Изображение на одном графике ВАХ четырех резисторов и соответствующие положения РТ.
5.Форма 2 с расчетными значениями и результатами моделирования состояний схемы при различных значениях резистора R2.
6. Сравнить значения тока, напряжений, положения графиков ВАХ, РТ при различных значениях резистора R2 и сделать выводы.
7.Изображение на одном графике трех передаточных характеристик делителя при различных значениях резистора R2.
8.Расчетные значения коэффициентов передачи KU, KU¢, KU².
9. Сравнить положения графиков передаточных характеристик делителя и значения коэффициента передачи при различных значениях резистора R2 и сделать выводы.
10. Схема R – R делителя для исследования его работы в динамическом режиме.
11.Изображение на одном графике временных диаграмм (осциллограмм) напряжений входных Uin(t) и выходных UOut(t) сигналов при различных параметрах элементов по заданию 1.
12. Сравнить результаты работы схемы при воздействии постоянного и синусоидального входного сигнала и сделать выводы.
Литература: