Министерство образования и науки Российской Федерации

РГУ нефти и газа (НИУ)

имени И. М. ГУБКИНА

________________________________________________________________

Кафедра автоматизации технологических процессов

Д.В. Мартынов

Методические указания к лабораторным работам по курсу

Физические основы микроэлектроники

Москва - 2016

Лабораторная работа №1

Исследование простейших периодических сигналов.

Цель работы:

Научиться проводить измерение основных параметров электрических сигналов (амплитуды, частоты, длительности) с помощью осциллографа.

Приборы и оборудование:

Осциллограф, частотомер, генератор сигналов, вольтметр.

Краткие теоретические сведения.

Сигнал – физический процесс, несущий определенную информацию и связанный с ней принятыми способами модуляции и кодирования.

Сигналы классифицируют по множеству признаков, основанных на физических свойствах источника, их получения или на самых важных параметрах, определяющих возможности их использования.

По физической природе:

• 
  электрический;
  
• 
  электромагнитный;
  
• 
  акустический;
  
• 
  оптический.
  

По степени неопределенности:

• 
  Детерминированный – полностью известный, не несущий новой информации, поэтому его мгновенные значения в любой момент времени могут быть предсказаны абсолютно точно:
  
• 
  Случайный – сигнал, мгновенные значения которого заранее неизвестны, поскольку подчиняются лишь статистическим закономерностям, из-за чего могут быть предсказаны лишь с некоторой вероятностью.
  

По степени полезности:

• 
  полезный;
  
• 
  помеха.
  

Во временной области различают:

По протяженности:

• 
  Финитный – ограниченный во времени;
  
• 
  Нефинитный.
  

По регулярности повторения:

• 
  Периодический – сигнал, для которого выполняется соотношение
  

f(t) = f(t + kT), где k – любое целое число, T – период.

• 
  Непериодический – для которого не выполняется приведенное выше соотношение, т.е. f(t) ≠ f(t + kT).
  

---

По характеру переменных (рис.1.):

• 
  Непрерывный – дискретный;
  
• 
  Аналоговый (континуальный) – сигнал, произвольный по значениям и непрерывный во времени, который является аналогом определенного информационного процесса;
  
• 
  Дискретизированный – сигнал, произвольный по значениям и дискретный во времени;
  

Рис. 1. Виды сигналов

• 
  Квантованный по значениям сигнал – принимает лишь дискретные значения и непрерывный во времени;
  
• 
  Дискретный во времени и квантованный по уровням (цифровой) сигнал.
  

Сигнал напряжения (тока) может быть представлен в аналитической, графической или спектральной форме записи.

Постоянный и переменный ток.

Постоянным называется такой ток, который не изменяет своего направления за рассматриваемый временной интервал. При этом его амплитуда может существенно изменяться. Постоянный ток течет от точки с наиболее положительным потенциалом к точке с наиболее отрицательным по­тенциалом. Любопытно отметить, что электроны в проводнике при этом движутся в противоположном направлении. Постоянный ток является следствием действия постоянной ЭДС. Постоянный ток однонаправленный, а переменный ток двунаправ­ленный, т.е. он течет сначала в одном направлении, а потом — в противоположном.



Рис.2. Временная диаграмма постоянного напряжения амплитудой U₁.

Переменный ток обусловлен переменной ЭДС. Переменные токи вызывают переменную разность потенциалов (переменное напряжение) на элементах электрической цепи. Во многих случаях переменная составляющая напряжения или тока накладывается на ее постоянную составляющую. В результате соответствующая кривая может стать униполярной или биполярной, но она всегда остается асимметричной.

---

Рис.3. Временная диаграмма переменного напряжения.

Рис.4. Временная диаграмма сигнала переменного напряжения с постоянной составляющей U₀.

Формы импульсов напряжения и тока.

Для решения задач, связанных с управлением различными объектами, в электронной технике используются электрические сигналы, которые меняются во времени по разным законам. Это могут быть: синусоида, симметричный прямоугольный сигнал — "меандр", треугольный сигнал, пилообразный, нерегулярная последовательность прямоугольных импульсов и т.п. Эти сигналы могут быть только положительными, только отрицательными или переменными, повторяющимися или непо­вторяющимися. При воспроизведении звука сигнал, как правило, состоит из набора нескольких синусоид, имеющих различную частоту. При их смещении образуется сигнал сложной формы. На рис.4. показаны временные диаграммы некоторых сигналов.



а) б) в)

г) д) е)

Рис.5.

а) прямоугольный; б) трапецеидальный; в) треугольный; г) экспоненциальный;

д) колоколообразный; е) пилообразный.

Частота и период колебаний.

Частотой повторяющегося сигнала называется количество закончен­ных его циклов, осуществляющихся в единицу времени. Единицей изме­рения частоты является герц (Гц). Если один полный цикл изменения сигнала происходит в течение 1 с, то говорят, что этот сигнал имеет частоту 1 Гц. Если в течение 1с происходит 50 циклов сигнала, то он имеет частоту 50 Гц.

Периодом сигнала называется время прохождения одного полного

цикла (рис.6).



Рис.6. Параметры периодического сигнала.

Период и частота связаны между собой следующими соотношениями:

T= 1/fили f = 1/T

где T- период, с; f - частота, Гц.

Пример 1. Сигнал имеет частоту 30 Гц. Определите период колеба­ний. Если T = 1/f, то T = 1/30 ≈ 0,0333 = 33,3 мс.

Пример 2. Сигнал имеет период 4 мс. Определите частоту. Если f=1/T, то f = 1/(4∙10^-3) =250Гц.

Среднее, пиковое и действующее значения электрического сигнала.

---

Периодически изменяющаяся кривая напряжения тока или мощности характеризуется следующими тремя величинами:

а) максимальным (пиковым) напряжением за период U_pk и значением пик - пик U_pk-pk;

б) средним значением напряжения, которое в случае симметричной относительно оси времени кривой вычисляется за половину периода,



в) средним квадратичным (rms) или действующим (эффективным) значением напряжения.

Действующее значение переменного тока (напряжения) численно равно такому постоянному току (напряжению), который за один период выделяет в сопротивлении такое же количество тепла, как и ток пере­менный.

Если рассматриваемая кривая несинусоидальная, но может быть пред­ставлена как сумма нескольких синусоидальных составляющих, имею­щих разные частоты, то квадрат ее действующего значения есть сумма квадратов действующих значений составляющих синусоид. Если одно из значений синусоидальной кривой принять за единицу, то все остальные значения можно вычислить при помощи переводных коэффициентов.

Таблица 1. Пересчет значений напряжения.

Заданное значение	Искомые значения
	среднее	пиковое	пик-пик	действующее
Среднее	1	1,57	3,14	1,11
Пиковое	0,636	1	2	0,707
Пик-пик	0,318	0,5	1	0,353
Действующее	0,9	1,414	2.828	1

Пример 3. Действующее (rms) значение синусоидального напряже­ния равно 240В. Вычислите его пиковое значение. Как следует из табл. 1, переводной коэффициент в данном случае равен 1,414. Поэтому

U_pk = 1,414 и U_rms =1,414∙240 = 339,4В.

Пример 4. Переменный ток имеет значение пик-пик, равное 50 мА. Определите его действующее (

---

rms) значение. Из табл. 1. видно, что переводной коэффициент в этом случае ра­вен 0,353, поэтому

I_rms = 0,353∙50 = 17,65мА

Пример 5. Синусоидальное напряжение, значение пик-пик которого составляет 10В, приложено к резистору сопротивлением 1кОм. Определить действующее (rms) значение тока в резисторе.

Из таблицы 1 находим действующее значение напряжения:

U_rms=U_pk-pk∙0,353 = 10∙0,353 = 3,53В.

Теперь определим действующее значение тока:

I_rms = U_rms/R = 3,53/1 = 3,53мА

Задание:

Изучить правила пользования осциллографом, вольтметром и частотомером.

С помощью осциллографа измерить амплитуду, период следования и длительность импульса исследуемых сигналов.

С помощью вольтметра измерить амплитуду исследуемого сигнала.

С помощью частотомера измерить период, частоту, длительность положительной полуволны.

---

Смотрите также файлы

• Расчеты оборудования для добычи нефти.docx

• Разработка элективного курса по астрономии.pdf

• Информатика пнінен бадарламаны тілуі I, ii, ііі, iv тосан. 20222023 о ж.docx

• Вопросы для сравнения.docx

• Методическое пособие для подготовки по профессии Оператор товарный.pdf