ВОЛОГОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА «УПРАВЛЯЮЩИЕ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ»
ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА
Методические указания к лабораторному практикуму
Часть I
Факультет электроэнергетический
Специальность 200402 – «Инженерное дело в медико-биологической практике»
Вологда
УДК 681.3.06(075)
ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА. Методические указания к лабораторному практикуму. Часть I - Вологда: ВоГТУ, 2005. – 30 с.
В методических указаниях описаны четыре лабораторные работы по исследованию работы электронных устройств, используемых в медицинской аппаратуре. Рассмотрены схемы источников вторичного электропитания, усилителей на биполярных транзисторах. Рассмотрены схемы на операционных усилителях, осуществляющие функциональные преобразования, а также схемы активных фильтров.
Утверждено редакционно-издательским советом ВоГТУ
Составитель: Машкин А. В., канд. техн. наук, доцент кафедры УВС
Рецензент: Анкудинов В.Б., канд. техн. наук, доцент кафедры АВТ
ВВЕДЕНИЕ
Невозможно назвать хотя бы одну отрасль экспериментальной, лечебной или профилактической медицины, которая могла бы рассчитывать даже на малый успех без применения электронной медицинской аппаратуры. В медицинской технике сегодня представлены все виды технических средств – от относительно простых механических приборов до сложнейших комплексов, использующих законы ядерной физики и достижения квантовой электроники. И практически во все приборы и комплексы включаются электронные узлы – измерительные преобразователи, усилители, устройства обработки и преобразования сигналов, устройства отображения и хранения результатов исследований.
Развитие электроники и повышение сложности электронных устройств привели к необходимости повышения эффективности их проектирования. До недавнего времени при проектировании электронных устройств использовались в основном два способа: расчет и экспериментальное исследование. При этом расчет производился на математических моделях (аналитических или графических), а экспериментальное исследование на макете реального устройства. По результатам экспериментального исследования делалось заключение о соответствии макета требованиям технического задания к характеристикам устройства.
Поскольку большинство электронных элементов являются существенно нелинейными, то проектирование электронных устройств практически полностью исключало применение простых аналитических расчетов. Это существенно затрудняло задачи проектирования на этапе расчета и возлагало повышенные требования к экспериментальным исследованиям макета. Высокая стоимость электронных элементов и их дефицитность привели к тому, что разработчики электронной аппаратуры стали все чаще отказываться от экспериментальных исследований, для которых к тому же была нужна специальная дорогостоящая аппаратура. В таких условиях большое значение приобрели методы математического моделирования электронных устройств на компьютере и программные средства, осуществляющие такое моделирование.
Настоящая работа содержит описание первой части лабораторного практикума по дисциплине «Электроника и микропроцессорная техника», предназначенного для студентов специальности 190600. Лабораторный практикум выполняется в пятом семестре обучения одновременно с изучением принципов работы полупроводниковых приборов, схем на их основе и аналоговых микросхем в теоретическом курсе. Четыре лабораторные работы, описанные в методических указаниях, рассчитаны на лабораторный практикум объемом в 16 аудиторных часов.
Выполнение каждой лабораторной работы практикума предусматривает изучение теоретических сведений, изложенных в методических указаниях, сборку и математическое моделирование цифровых схем в пакете Electronics Workbench. По каждой лабораторной работе оформляется отчет.
Лабораторная работа №1.
Исследование работы схем неуправляемых выпрямителей на полупроводниковых диодах
1.1. Цель работы
Исследование работы схем на полупроводниковых диодах.
1.2. Теоретические сведения
Для работы электронных устройств требуются источники электрической энергии – источники питания. Для получения напряжения нужного типа часто необходимо преобразовывать переменное напряжение в постоянное (выпрямление). Так для питания электронных устройств с полупроводниковыми приборами и интегральными микросхемами обычно требуется постоянное напряжение, а первичным источником питания является переменная сеть переменного тока. В этих случаях прибегают к выпрямлению напряжения с помощью устройств, называемых выпрямителями.
Выпрямитель является устройством, осуществляющим преобразование переменного напряжения в постоянное. Основное назначение выпрямителя заключается в сохранении направления тока в нагрузке при изменении полярности приложенного напряжения на его входе. Выпрямители подразделяют на управляемые и неуправляемые. С помощью неуправляемых выпрямителей получают выпрямленное напряжение неизменной величины. Их применяют для питания большинства электронных устройств, выполненных как на дискретных элементах, так и на интегральных микросхемах. Основными элементами для осуществления такого преобразования являются трансформатор и группа вентилей, с помощью которых обеспечивается протекание тока нагрузки в одном направлении.
В зависимости от числа фаз напряжения питания различают однофазные и многофазные выпрямители. Кроме того, все выпрямители подразделяются на однотактные (нулевые) и двухтактные (мостовые). К однотактным относятся выпрямители, в которых ток вторичной обмотки трансформатора протекает только в одном направлении. В таких системах обязательно имеется вывод нулевого провода трансформатора. Двухтактными считаются выпрямители, в которых в каждой фазе вторичной обмотки трансформатора ток проходит дважды за период в противоположных направлениях. По величине мощности выпрямители подразделяются на выпрямители малой, средней и большой мощности. Выпрямители малой мощности являются, как правило однофазными, выпрямители средней и большой мощности – трехфазными.
Кроме обычных неуправляемых выпрямителей применяются также выпрямители с умножением напряжения (часто их называют просто умножителями напряжения). Эти выпрямители позволяют получить на своем выходе напряжение, в любое целое число раз большее напряжения на их входе. Однако, наибольшее распространение получили схемы удвоения и утроения напряжения, т.к. время выхода такого выпрямителя в установившийся режим растет с увеличением числа его звеньев (т.е. с увеличением напряжения на выходе выпрямителя). Кроме этого, недостатком таких устройств являются невысокая мощность и низкий к.п.д. Более подробно источники питания электронной аппаратуры рассмотрены в [1,2,5].
1.3 Программа работы
1.3.1 Исследование схемы однофазного неуправляемого выпрямителя
Собрать схему однофазного мостового выпрямителя с активной нагрузкой и емкостным фильтром (рис. 1.1). Установить параметры схемы в соответствии с вариантом задания (табл. 1.1).
Рис. 1.1. Схема для исследования работы однофазного мостового неуправляемого выпрямителя
