Описание лабораторной работы

Лабораторная работа № 6

Тема: Использование виртуального осциллографа.

Цель: Вычислить амплитуды и фазы напряжений на элементах в цепи переменного тока с помощью виртуального двухканального осциллографа.

Описание лабораторной работы.

В среде Multisim имеются три виртуальных осциллографа: стандартный двухканальный, четырехканальный и виртуальный многоканальный осциллограф Agilent.

Стандартные двух- и четырехканальные осциллографы работают практически одинаково. Работа осциллографа Agilent схожа с работой лабораторного осциллографа. В дальнейшем описании будут приведены примеры использования стандартного двухканального осциллографа.

Основные параметры виртуальных осциллографов такие же, как и у лабораторных – время по горизонтальной оси, амплитуда напряжения по вертикальной и синхронизация. Для создания осциллограммы соберем цепь переменного тока и подключим к ней осциллограф как это показано на Рис.1:

Рис.1.

Осциллограф выбирается в панели Приборы.

 

 

Рис.2.

A, B, G и T — это выводы осциллографа, к которым можно подключать другие компоненты. Вывод заземления (G) позволяет подключать осциллограф к заземлению. Если не подключить контакт G, осциллограф все равно будет заземлен, и можно измерять напряжение относительно земли.

Выводы A и B представляют собой сигнальные входы осциллографа. Они подключаются к схеме, и напряжения, которые они измеряют, отображаются на экране осциллографа. Если подключить любой вход к узлу в схеме, то инструмент отобразит напряжение данного узла относительно земли. Вывод T — это вход внешней синхронизации осциллографа, который моделирует аналогичный вход лабораторного осциллографа.

Измерим напряжение источника с помощью канала A. Для этого нужно запустить процесс моделирования с помощью кнопки Run/Stop. Двойной щелчок по значку открывает окно осциллографа (Рис.3.):

 

 

Рис.3.

 

Теперь изменим временную развертку.

 

Рис.4.

 

В данном случае значение развертки

соответствует 10 мс/дел.

 

Если нажата кнопка Y/T, это означает, что все диаграммы, отображаемые осциллографом, будут временными, т.е. по горизонтальной оси откладываются отсчеты времени.

Чтобы изменить значение развертки нужно кликнуть на поле Шкала левой кнопкой мыши и установить желаемое значение временной развертки. В данном случае при частоте источника 10 кГц информативным является значение 500 мкс/дел (Рис.5.):

 

 

Рис.5.

 

Далее настроим масштаб напряжения для каналов А и В. Напряжение канала A отображается по вертикальной оси (или оси y).

 

Рис.6. При использовании масштаба 5V/Div каждое деление на вертикальной оси содержит 5 В. Так как сигнал имеет амплитуду 1 В, он занимает только 1/5 часть квадрата по вертикали.

Для изменения масштаба отображения диаграммы нужно в поле Канал А Шкала кликнуть левой кнопкой мыши и выбрать необходимое значение (Рис.7.).

 

 

Рис.7.

 

В данном случае выбрано значение масштаба 1 В/дел, т.е. одно деление по оси Y соответствует значению напряжения в 1 В.

Поле Смещение Y является аналогом регулятора стандартного осциллографа; оно позволяет перемещать осциллограмму по экрану. Например, при изменении значения на 1 нулевая линия осциллограммы переместится на одно деление вверх (Рис.8.):

 

 

Соответственно, при изменении значения на -1 нулевая линия диаграммы сместится на одно деление вниз.

Регулятор положения и опция Смещение Y в программе Multisim дают возможность перемещать осциллограммы. При работе с одной кривой опция Смещение Y обычно равна нулю. Если используют каналы A и B, можно разделить кривые и применить опцию Смещение Y, чтобы расположить их на экране нужным образом.

 

 

Кнопки AC, 0 и DC используются для настройки каналов осциллографа. Они являются аналогами кнопок AC, 0 и DC обычного осциллографа. При настройке значения для канала на ноль (или при подключении заземления на обычном осциллографе) входной сигнал канала тоже будет равен нулю, даже если этот канал подключен к узлу и измеряет напряжение. В результате канал осциллографа будет постоянно показывать напряжение 0 В.

 

Если измеряется осциллограмма постоянного или переменного тока, она

будет показана. Если измеряется напряжение, которое имеет переменную и постоянную составляющие, осциллограф отобразит как переменную составляющую, так и смещение.

 

ВАЖНО! Выбор режима AC равносилен введению емкостного фильтра в цепь сигнала, при этом отображается только переменная составляющая колебания. Если измеряется напряжение постоянного тока, осциллограф покажет нулевое значение. Если измеряется напряжение, которое содержит постоянную и переменную составляющие, то будет показана только переменная составляющая.

При использовании параметра DC осциллограф показывает и постоянную, и переменную составляющие. Таким образом, в режиме DC отображаются обе составляющих сигнала, а в режиме AC — только переменная составляющая.

Измерим напряжение источника постоянного напряжения с применением параметров AC и DC в схеме (Рис.9.):

 

 

Рис.9.

 

Установим режим измерения Канала А – DC, тип синхронизации – Авто.

 

 

Рис.10.

 

На экране видно, что осциллограф показывает постоянное напряжение 1 В. Если изменить режим на AC, осциллограф будет игнорировать постоянную часть осциллограммы и отобразит только ее изменяющуюся часть. В данном случае при работе со стандартной осциллограммой постоянного тока осциллограф показывает нулевое значение (Рис.11.):

 

 

Рис.11.

 

Выбор параметра зависит от осциллограммы измеряемого напряжения. Если необходимо измерять постоянное смещение, выбирают режим DC, если же требуется работать с изменяющейся частью осциллограммы и не интересует постоянное смещение, то - режим AC. В режиме DC отображается вся осциллограмма, а в режиме AC - только ее изменяющаяся часть.

 

Настройки синхронизации. Если сигнал на входе Канала А определяет насколько луч должен смещаться по вертикальной оси, то сигнал синхронизации определяет когда должно начаться смещение.

Осциллограф Multisim имеет три режима синхронизации, — Нормальный, Однократный и Автоматический:

- Нормальный. Этот сигнал создается напряжением указанного источника (Канал A, Канал B или Внешним источником) и пересекает уровень запуска. После этого луч перемещается вправо и рисует кривую. Когда он достигает правой части экрана, то возвращается в левую часть и ожидает следующего сигнала синхронизации. В этом режиме осциллограмма на экране неподвижна;

- Однократный. Данный режим работает аналогично режиму Норм., за исключением того, что на экране формируется только одна кривая. При активации опции Однократн. осциллограф переходит в режим ожидания сигнала синхронизации. После получения сигнала синхронизации рисуется кривая, а потом луч отключается.

Другие кривые не создаются до тех пор, пока пользователь повторно не активирует режим ожидания запуска, а система не получит сигнал запуска. Обычно этот режим используется при работе с одиночными осциллограммами (например с кривыми импульсов, которые не повторяются).

- Автоматический. В этом режиме сигнал синхронизации создается автоматически, а не путем сравнения заданного значения и уровня триггера. Во многих осциллографах для создания сигнала синхронизации используется напряжение частотой 60 Гц от источника питания. Момент запуска не синхронизируется с измеряемым сигналом, в результате осциллограмма будет перемещаться по экрану. Получаемая в этом режиме осциллограмма никак не связана с моментом запуска. Это значит, что начальная точка кривой является произвольной и постоянно изменяется.

Автоматический режим синхронизации обычно используется при измерении напряжения постоянного тока, поскольку такой сигнал не изменяется и, следовательно, не пересекает уровня запуска синхронизации.

 

Рассмотрим применение курсоров осциллографа на примере уже знакомой схемы:

 

 

Рис.12.

 

Внимание! Значение амплитуды и частоты источника изменилось и составляет 3 В и 10 кГц соответственно.

 

Для последующего моделирования изменим значение шкалы развертки на 50 мс/дел.

В окне осциллографа хорошо видны два курсора (Рис.13.):

 

 

Рис.13.

Курсоры можно передвигать вдоль диаграммы выделяя их левой кнопкой мыши.

Измерим период данного колебания с помощью диаграммы. Для этого нужно поместить курсоры в точки, максимально приближенные к точкам пересечения кривой горизонтальной оси (Рис.14.):

 

 

Рис.14.

 

Курсоры находятся очень близко от нулевой точки. Программа Multisim предлагает ряд инструментов, которые позволяют попасть именно в нулевую точку. Для использования этих инструментов нужно кликнуть правой кнопкой мыши по треугольнику курсора. Откроется контекстное меню (Рис.15.):

 

 

Рис.15.

 

Выберем пункт Установить значение Y. Появится следующее окно:

После нажатия кнопки ОК курсор 1 переместится в нулевую точку (Рис.16.):

 

 

Рис.16.

 

Аналогично установим курсор 2 в нулевую точку, обозначающую конец периода (Рис.17.):

 

 

Рис.17.

 

Информация о курсоре отобразится в текстовом окне под экраном осциллографа. Видны координаты всех кривых для каждого курсора (Рис.18.):

 

 

Рис.18.

 

T1 и T2— это координаты курсоров 1 и 2 соответственно. В столбце Время приведены координаты каждого курсора по времени. В столбцах Канал А и Канал В указаны значения напряжения каналов A и B соответственно для позиции каждого курсора. Так как у канала B нет осциллограммы, этот столбец пуст. В поле T2-T1 показана разность между значениями для курсоров 2 и 1. Видно, что разность моментов времени составляет 100 мкс. Это и есть период колебания, соответствующий частоте 10 кГц.

 

Измерим значение фазы напряжений в схеме с подключенным конденсатором (Рис.19.):

 

Рис.19.

 

Сначала измерим амплитуду напряжения на конденсаторе. Подключим осциллограф, как показано ниже (Рис.20.):

 

Рис.20.

 

Т.е. входное напряжение подается на канал А, а напряжение на конденсаторе – на канал В. Запустим симуляцию и откроем окно осциллографа (Рис.21.):

 

 

Рис.21.

 

Для различения кривых используется следующее правило: амплитуда напряжения источника всегда больше амплитуды на конденсаторе. Следовательно, кривые можно идентифицировать по амплитуде.

Воспользуемся курсорами и измерим амплитуду напряжения на конденсаторе. Поместим курсоры так, как показано ниже:

 

 

Рис.22.

 

Курсоры размещены в точках максимума и минимума осциллограммы напряжения на конденсаторе. Данные для курсоров показаны ниже:

 

Напряжение конденсатора измеряется с помощью канала B, следовательно, значение T2-T1 соответствует размаху напряжения на конденсаторе, который составляет, как это видно, 16,932 В. Размах вдвое превышает амплитуду, следовательно, при размахе 16,932 В амплитуда составит 8,466 В.