Выбор варианта лабораторных работ осуществляется по общим правилам с использованием следующей формулы:

V = (N × K) div 100,

где V — искомый номер варианта,

N — общее количество вариантов, div — целочисленное деление,

при V= 0 выбирается максимальный вариант, K — код варианта.

Используемая для выполнения лабораторных работ в версии MicroCap 12 Evaluation (Demo) программа доступна для скачивания по ссылке https://iowin.net/ru/micro-cap/?download=true.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 «ИЗУЧЕНИЕ ЧАСТОТНЫХ И ВРЕМЕННЫХ СВОЙСТВ ЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ»

Задание 1. Изучение трехэлементной линейной цепи.

Структура цепи показана на рис. 3.1, элементы схемы содержит таблица 3.1.

Рис. 3.1 — Структура трехэлементной линейной цепи

Таблица 3.1 — Варианты индивидуальных заданий

Задание 2. Изучение четырехэлементной линейной цепи.

Структура цепи показана на рис. 3.2, элементы схемы содержит таблица 3.2.

Рис. 3.2 — Структура четырехэлементной линейной цепи

Таблица 3.2 — Варианты индивидуальных заданий

Содержание лабораторной работы (общее для заданий 1 и 2)

1. Сделать общий прогноз частотных и временных свойств заданной цепи, основываясь на структуре схемы и ее элементах.

2. Определить комплексную передаточную функцию цепи, найти ее модуль (АЧХ) и аргумент (ФЧХ).

3. Не выполняя строгий анализ полученных математических выражений, попытаться сделать на их основе качественные и количественные оценки поведения АЧХ и ФЧХ цепи (начальное и конечное значения, монотонные, с экстремумом, с разрывом и проч.).

4. Задавшись численными значениями элементов цепи (R = 1 кОм, С = 1 нФ, L = 1 мГн), рассчитать резонансную частоту f_Р, «базовую» частоту f_Б и ряд значений модуля и аргумента передаточной функции цепи на кратных частотах nf_Б (до 3—4). Для некоторых цепей из банка заданий несложно определить координаты экстремума функции АЧХ. В таком случае этот расчет необходимо привести.

5. Выполнить моделирование частотных свойств заданной цепи в пакете MicroCap 12 [7]. Для этого необходимо снять кривые АЧХ и ФЧХ заданной цепи. На полученные графики АЧХ и ФЧХ цепи нанести характерные координатные метки в точках f_Р и кратных частот f_Б. Если кривая АЧХ имеет экстремум, нанести его координатную метку.

6. Сравнить данные расчетов и прогнозов по п.1, п.3 и п.4 с опытными данными п.5.

7. Снять переходную характеристику (ПХ) заданной цепи в пакете MicroCap 12. Сделать заключение относительно выполнения предельных соотношений между АЧХ и ПХ.

8. Сделать итоговое заключение по работе.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 «ОПЫТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ»

В ходе работы исследуются следующие три полупроводниковых прибора:

1) кремниевый диод,

2) биполярный транзистор,

3) полевой транзистор с управляющим p-n-переходом.

Лабораторная работа выполняется с помощью пакета компьютерного моделирования MicroCap12 Evaluation (Demo). Отчет по работе формируется в среде Microsoft Office Word.

Варианты индивидуальных заданий на лабораторную работу №2

Примечание: в столбцах для кремниевого диода и биполярного транзистора после указания типа прибора в скобках задано предельное значение тока через прибор. В столбце для полевого транзистора с управляющим p-n-переходом в скобках заданы предельное значение тока стока и напряжения сток-исток.

Примечание: названные полупроводниковые приборы находятся в библиотеке компонентов пакета. При возникновении частных проблем с каким-либо компонентом допускается заменить его на аналогичный прибор, близкий по параметрам. При этом в отчете необходимо письменно обосновать суть возникшей проблемы.

Содержание лабораторной работы

1. Для каждого полупроводникового прибора, указанного в индивидуальном варианте задания, снять ВАХ:

– для кремниевого диода — ВАХ в прямой и обратной областях,

– для биполярного транзистора — семейства входных, выходных и сквозную ВАХ,

– для полевого транзистора с управляющим p-n-переходом — семейство выходных ВАХ и сквозную (передаточную) ВАХ.

2. В выбранной рабочей точке на ВАХ каждого прибора (выбор рабочей точки сделать самостоятельно, желательно в центре поля характеристик) определить с помощью графических построений и расчетов основные свойственные данному прибору параметры.

Содержание отчета по лабораторной работе

Отчет по лабораторной работе должен включать указанные ниже сведения.

1. Цель лабораторной работы.

2. Данные варианта индивидуального задания.

3. Основной раздел работы, где последовательно для каждого прибора привести следующие сведения:

а) электрическую схему опыта и окно установок, с помощью которых пакет MicroCap12 рассчитывает и выводит на рабочий стол ВАХ изучаемого прибора,

б) графики ВАХ изучаемого прибора с удобными масштабными сетками по осям x и y,

в) указание положения рабочей точки на ВАХ (выделить крестиком, жирной точкой, кружком, эллипсом …), в которой определяются статические и динамические параметры прибора,

г) необходимую графическую и текстовую информацию на ВАХ (обязательно указание координатных меток рабочей точки, координатных меток приращений по осям x и y, текстовые вставки указания электрических величин, не отражаемых на графике при процедуре Stepping …),

д) численные расчеты каждого параметра в формате: формула, численные значения величин, численный результат с указанием размерности. Вывод о корректности расчета (соответствия практическим численным рамкам для данного параметра), суждение о свойствах изучаемого прибора, касающихся мощности, напряжения, тока, эффективности усилительных свойств и проч. (например, «маломощный», «сильноточный», «с высоким коэффициентом усиления по току, напряжению» и проч.).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 «ИЗУЧЕНИЕ АВТОГЕНЕРАТОРОВ»

В ходе лабораторной работы изучаются импульсный генератор на основе триггера Шмитта и гармонический LC-автогенератор, который строится на основе операционного усилителя. Лабораторная работа включает два задания.

Задание 1. Опытное изучение импульсного генератора на основе триггера Шмитта.

Описание генератора дано в параграфе 4.5 [2]. Вначале необходимо представить триггер Шмитта. Логический элемент триггер Шмитта находится в библиотеке пакета по пути Analog Primitives — Macros — Blocks — Schmitt. Он задан в виде виртуальной модели с редактируемыми параметрами. На рис. 5.1, а показано условное графическое обозначение (УГО) триггера Шмитта, рис. 5.1, б представляет его передаточную характеристику (на рисунке жирная сплошная и жирная пунктирная линии), и на рис. 5.1, в для примера показано окно установок параметров передаточной характеристики.

Как видно из поведения передаточной характеристики (ПХ) на рис. 5.1, б, триггер Шмитта является инверсным логическим элементом, для этого необходимо сделать установку Param: SIGN = –1.

Рис. 5.1 — УГО триггера Шмитта (а), передаточная характеристика (ПХ) триггера Шмитта (б), окно установок параметров ПХ (в)

Смысл других параметров передаточной характеристики заключается в следующем: при увеличении входного напряжения U_вх от 0 до величины X2 (на рисунке помечено «Прямо»), на выходе элемента имеет место высокий уровень напряжения Y2. В момент U_вх = X2 (состояние называют «ВКЛЮЧЕНО») напряжение на выходе U_вых скачком принимает низкий уровень Y1 и остается таким при дальнейшем увеличении U_вх. При снижении входного напряжения U_вх (на рисунке помечено «Обратно») ПХ следует жирной пунктирной линии до величины X1, сохраняя низкий уровень Y1 на выходе. В момент U_вх = X1 (состояние называют «ВЫКЛЮЧЕНО») напряжение на выходе U_вых скачком принимает высокий уровень Y2 и остается таким при дальнейшем снижении U_вх до нуля. Таким образом, на передаточной характеристике имеет место своеобразная петля гистерезиса, что и отличает триггер Шмитта от других логических элементов. Благодаря своеобразной ПХ на основе триггера Шмитта можно строить импульсные генераторы и формирователи колебаний.

В таблице 5.1 представлены варианты исходных данных для выполнения задания 1. В ней указаны значения элементов R и C генератора и параметры X1, X2, Y1, Y2 передаточной характеристики триггера Шмитта.

Таблица 5.1 — Варианты исходных данных для выполнения задания 1

Задание 2. Изучение гармонического LC-автогенератора на основе операционного усилителя.

В таблице 5.2 приведены варианты исходных данных для выполнения задания 2.

В ней указаны тип операционного усилителя (ОУ) и значения элементов L, C и r колебательного контура гармонического генератора.

Таблица 5.2 — Варианты исходных данных для выполнения задания 1

Примечание: названные модели операционных усилителей находятся в библиотеке компонентов пакета. При возникновении частных проблем с какой-либо моделью ОУ допускается заменить ее на аналогичный прибор, близкий по параметрам. При этом в отчете необходимо письменно обосновать суть возникшей проблемы.

Содержание лабораторной работы

1. При опытном изучении импульсного генератора на основе триггера Шмитта на рабочем столе пакета собирается испытуемая схема, делаются необходимые установки в соответствии с индивидуальным заданием, производится запуск генератора и анализируются полученные осциллограммы колебаний.

2. При изучении высокочастотного LC-автогенератора (рис. 4.6) [2] вначале делаются предварительные расчеты. Необходимо рассчитать параметры колебательного контура LC: резонансную частоту f_р, волновое сопротивление ρ, собственную добротность Q, сопротивление колебательного контура при резонансе R₀, эквивалентную добротность с учетом шунтирования Q_Э, полосу пропускания Δ f₀₇, а также величину коэффициента обратной связи К_ос (4.13) [2] (при величине сопротивления R = 10 кОм).

3. Опытным путем подтвердить рассчитанные параметры колебательного контура LC, для чего снять АЧХ и ФЧХ с помощью пакета MicroCap 12. Сравнить опытные данные с расчетными данными. Сделать выводы.

4. Собрать схему высокочастотного LC-автогенератора на рабочем столе пакета MicroCap 12 и запустить его, снять осциллограммы колебаний в характерных узлах схемы. Определить частоту генерации f_г, сравнить ее с частотой резонанса контура f_р. Сделать выводы.

5. Составить отчет по работе.

Содержание отчета по лабораторной работе

1. Цель лабораторной работы.

2. Опытное изучение импульсного генератора на основе триггера Шмитта. В отчете привести испытуемую схему, показать необходимые установки в соответствии с индивидуальным заданием, запустить генератор и сделать анализ полученных осциллограмм колебаний.

3. Расчетная часть, в которой для высокочастотного LC-автогенератора рассчитываются параметры колебательного контура LC:

– резонансная частота f_р

– волновое сопротивление ρ

– собственная добротность Q

– сопротивление контура при резонансе R₀

– эквивалентная добротность контура Q_Э с учетом шунтирования его сопротивлением R

– полоса пропускания Δ f₀₇ по формуле:

Δ f₀₇ = f_р / Q_Э; (5.6)

– величина коэффициента обратной связи К_ос по формуле:

К_ос = R₀ / (R₀ + R). (5.7)

4. Опытное подтверждение рассчитанных ранее параметров колебательного контура LC, для чего:

– собрать на рабочем столе схему и выполнить установки в окне AC Analysis Limits пакета MicroCap 12 для снятия АЧХ и ФЧХ колебательного контура LC;

– привести в отчете графики АЧХ и ФЧХ колебательного контура со всеми необходимыми координатными метками, нанесенными на графики;

– привести в отчете следующие опытные данные: резонансная частота f_Р, величина коэффициента обратной связи К_ос, полоса пропускания Δ f₀₇ колебательного контура, эквивалентная добротность колебательного контура Q_Э = f_Р/Δ f₀₇. Сделать выводы о соотношении опытных и расчетных данных.

5. Сведения по результатам моделирования высокочастотного LC-автогенератора, включающие следующие позиции:

– рабочая схема высокочастотного LC-автогенератора. На схеме должны быть указаны имена (обозначения) и значения всех элементов в соответствии с заданием;

– обоснование условий самовозбуждения автогенератора. Для запуска автогенератора необходимо обеспечить баланс амплитуд: коэффициент усиления неинвертирующего усилителя на ОУ должен быть не менее величины 1/ К_ос;

– установки в окне Transient Analysis Limits для изучения работы автогенератора;

– осциллограммы колебаний в характерных узлах схемы — на выходе генератора и на выходе ОУ с нанесенными координатными метками для определения периода колебаний и размаха генерируемых колебаний;

– определение частоты генерации f_г по масштабным меткам, сравнение ее с частотой резонанса колебательного контура f₀. Обсудить результаты опыта.

6. Выводы по лабораторной работе.