Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Методичні вказівки до лабораторної роботи № 3
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Управління інформацією
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2013
Тип роботи:
Методичні вказівки до лабораторної роботи
Предмет:
Компонентна база засобів технічного захисту інформації
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»
/
МОДЕЛЮВАННЯ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ КІЛ З КОНДЕНСАТОРАМИ ТА КОТУШКАМИ ІНДУКТИВНОСТІ
ЧАСТОТНИЙ АНАЛІЗ ЕЛЕКТРИЧНОГО КОЛА ЗМІННОГО СТРУМУ
Методичні вказівки до лабораторної роботи № 3
з навчальної дисципліни:
“Компонентна база засобів технічного захисту інформації”,
для студентів базових напрямків
6.170102 “Системи технічного захисту інформації”
6.170103 “Управління інформаційною безпекою”
Затверджено
на засіданні кафедри
(Захист інформації(
Протокол № 8
від 12 грудня 2013 р.
Львів – 2013
Моделювання та дослідження електричних кіл з конденсаторами та котушками індуктивності. Частотний аналіз електричного кола змінного струму: Методичні вказівки до лабораторної роботи №3 з навчальної дисципліни: “Компонентна база засобів технічного захисту інформації” /Укл.: Кеньо Г.В. ( Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2013. ( 14 с.
Рецензент: проф., д.т.н. Хома В.В.
Відповідальний за випуск:
проф., д.т.н. Дудикевич В.Б.
1. Мета роботи
Закріпити знання з призначення конденсаторів та котушок індуктивності, їх вибору та маркування. Отримати досвід частотного аналізу кіл змінного струму і застосувати його на практиці.
2. Завдання
За допомогою графічного редактора системи схемотехнічного моделювання MicroCap 8 створити принципову електричну схему з стандартизованими номіналами конденсатора та котушкою індуктивності. Провести частотний аналіз електричного кола. Виявити вплив ємності конденсатора та котушки індуктивності на частотні властивості електричного кола. За допомогою аналізу перехідних процесів дослідити проходження сигналу через коло на різних частотах. Записати літерно-цифрове маркування конденсаторів та котушок індуктивності.
3. Теоретичні відомості
Конденсатори разом з котушками індуктивності і/або резисторами використовуються для побудови різних кіл з частотнозалежними властивостями, зокрема, фільтрів, кіл зворотного зв'язку, коливальних контурів тощо.
Котушки індуктивності доповнюють конденсатори в колах фільтрації та фазового зсуву. Оскільки котушки індуктивності більші, важчі і дорожчі, ніж конденсатори, вони застосовуються рідше. Однак перевага котушок індуктивності в тому, що вони забезпечують реактивний опір і пропускають постійний струм. Конденсатори можуть забезпечувати реактивний опір, але при цьому вони блокують проходження постійного струму.
Одне з застосувань конденсаторів та котушок індуктивності – для виготовлення коливальних контурів. Електричний коливальний контур є обов'язковим елементом будь-якого радіоприймача, незалежно від його складності. Без коливального контуру прийом сигналів радіостанції взагалі неможливий.
Власна частота електричних коливань в контурі залежить від індуктивності його котушки і ємності конденсатора. Чим вони більші, тим нижче частота коливань в контурі і, навпаки, чим вони менші, тим вище частота коливань у контурі. Змінюючи індуктивність (число витків) котушки і ємність конденсатора, можна в широких межах змінювати частоту власних електричних коливань в контурі.
Високочастотні конденсатори (керамічні, слюдяні, склоемалеві, склокерамічні і скляні) мають малу паразитну індуктивність і незначні втрати в діелектрику, високу стабільність (10-5 1/°С) і точність (до ± 2%), достатню температуростійкість, малі габаритами і масу і часто використовуються у контурних схемах.
Номінальні значення ємності Сном високочастотних конденсаторів так само як і номінальні значення опорів стандартизовані і визначаються рядами Е6, Е12, Е24 і т.д.
Допустиме відхилення ємності конденсатора показує відхилення у відсотках від номінального значення. По відхиленню від номіналу конденсатори поділяються на класи точності (табл.1).
Таблиця 1. Класи точності конденсаторів
Клас
0,01
0,02
0,05
00
0
I
ІІ
ІІІ
IV
V
VІ
Допуск, %
±0,1
±0,2
±0,5
±1
±2
±5
±10
±20
-10+20
-20+30
-20+50
У залежності від призначення в пристроях застосовують конденсатори різних класів точності. Контурні конденсатори мають І або 00 класи точності.
Скорочені позначення ємності конденсаторів подібні до позначень опорів резисторів. Літерно-цифрове маркування містить скорочену назву конденсатора, номінальну напругу, ємність, допуск, групу ТКЄ.
Кодоване позначення номінальної ємності містить дві або три цифри і букву.
Конденсатори з номінальним значенням до 100 пікофарад маркуються буквою П або латинською р, наприклад: 1пФ – 1П0 або 1р0; 1,5 пФ – 1П5 або 1р5; 15 пФ – 15П або 15 р; 15,2 пФ – 15П2 або 15р2.
Конденсатори з номінальним значенням від 100 пікофарад до 0,1 мікроофарад маркуються в нанофарадах літерою Н або латинською n, наприклад: 100 пФ (0,1 нФ) – Н10 або n10; 150 пФ (0,15 нФ) – Н15 або n15; 1000 пФ (1НФ) – 1Н0 або 1n0; 1500 пФ (1,5 нФ) – 1Н5 або 1n5; 0,01 мкФ (10 нФ) – 10Н або 10n; 0,068 мкФ (68 пФ) – 68Н або 68n.
Конденсатори з номінальним значенням від 0,1 мікрофарад і вище маркуються буквою М ((), наприклад: 0,1 мкФ – М10 ((10) (на деяких видах конденсаторів така ємність може позначатися і в нанофарадах латинською буквою n, наприклад 100 n = 100 нФ = 0,1 мкФ; 0,15 мкФ – М15 ((15); 0,22 мкФ – М22 ((22); 1мкФ – 1М0 (1(0); 15 мкФ – 15М (15().
Літерне позначення відсотка відхилення ємності, наведене в табл..2, для резисторів та конденсаторів однакове.
Таблиця 2. Літерне позначення відсотка відхилення ємності
Допустиме відхилення ємності від номінальних величин, %
Кодоване позначення кирилицею
Кодоване позначення латинською літерою
± 0,1
Ж
В
± 0,25
У
С
±0,5
Д
D
±1
Р
F
±2
Л
G
±5
И
J
±10
C
К
±20
В
M
±30
Ф
N
Після букви допустимого відхилення ємності в маркуванні конденсатора може бути літерний код групи за температурним коефіцієнтом (табл..3) і (або) номінальної напруги (табл..4). Групу за ТКЄ вказують на слюдяних, керамічних, склокерамічних та скляних конденсаторах.
Таблиця 3. ТКЄ груп керамічних та скляних конденсаторівта їх літерне Позначення
Позначення групи ТКЄ
Номінальне значення ТКЄ ((10-6/(C)
Літера
Позначення групи ТКЄ
Номінальне значення ТКЄ ((10-6/(C)
Літера
П100
+100
А
M150
– 150
P
П120
+120
M220
– 220
R
П60
+60
G
M330
– 330
S
П33
+33
N
M470
– 470
T
МПО
0
C
M750
– 750
U
M33
– 33
H
M1500
– 1500
V
M47
– 47
M
M2200
– 2200
K
M75
– 75
L
M3300
– 3300
Y
Таблиця 4. Номінальні напруги та їх кодоване позначення
Номінальна напруга, В
Код
Номінальна напруга, В
Код
Номінальна напруга, В
Код
1,0
I
25
G
200
Z
1,6
P
32
H
250
W
2,5
M
40
S
315
X
3,2
A
50
J
350
T
4,0
C
63
K
400
Y
6,3
B
80
L
450
U
10
D
100
N
500
V
16
E
125
P
–
–
20
F
160
Q
–
–
Контурні котушки індуктивності використовуються разом з конденсаторами для отримання резонансних контурів. Вони повинні мати високу стабільність, точність і добротність.
Маркування котушок індуктивності здійснюється шляхом нанесення на їх корпус основних параметрів – значення індуктивності і допустимого відхилення індуктивності від номінального значення.
При кодовому маркуванні на корпус котушки індуктивності наноситься цифрове або буквено-цифрове маркування. Номінальне значення індуктивності кодується цифрами, після яких слідує (або відсутня взагалі) літера, що позначає величину допуску.
При визначенні величини індуктивності слід знати наступне:
• цифри позначають значення індуктивності в мікрогенрі;
• якщо індуктивність позначається в наногенрі, то після цифр наноситься буква N (2N2 = 2,2 нГн);
• якщо величина індуктивності менше 1 мкГн або виражається дробовим числом, вимірюваним у мікрогенрі, то застосовується розділова буква R (R47 = 0,47 мкГн; 1R5 = 1,5 мкГн);
• при маркуванні значень індуктивності від 10 мкГн після двозначної цифри проставляється множник, який вказує на кількість нулів після зазначеного двозначного числа (150 = 15 мкГн; 151 = 150 мкГн; 122 = 1200 мкГн = 1,2 мГн);
• в окремих випадках застосовується відмінне від зазначеного вище позначення індуктивності – індуктивність в мікрогенрі просто позначається одно-, дво- або тризначним числом без множника, або дробовим числом (560 = 560 мкГн; 3,3 = 3,3 мкГн).
Допуск котушок індуктивності позначається однією з чотирьох букв: D - для допуску ± 0,3 нГн; J – ± 5%; К – ± 10%; М – ± 20% (або не наноситься ніякої букви, що відповідає допуску ± 20%) .
4. Порядок виконання роботи
1. За допомогою графічного редактора MicroCap 8 створити принципову електричну схему LС-контуру згідно з заданим завданням. Схема містить джерело синусоїдального сигналу V1; послідовно увімкнену котушку індуктивності L1, паралельно увімкнений конденсатор C1 та резистор навантаження RН, номіналами L1=0,1N нГн, С1=10N мкФ, RН=0,5N кОм, де N – номер варіанту (рис.1). Конденсатор C1 вибрати з ряду Е24, а RН – з ряду Е12. Ємність конденсатора, індуктивність котушки індуктивності змінюються у процесі аналізу, опір резистора RН залишається незмінними.
Сигнал, що генерує джерело синусоїдального сигналу, задати частотою 1 кГц та амплітудою 1 В (див. Методичні вказівки, п.5.1).
/
Рис.1. Схема LС-фільтра в графічному редакторі MicroCap 8
2. За допомогою аналізу частотних характеристик отримати амплітудо-частотну характеристику (АЧХ) напруги та струму в резисторі навантаження (див. Методичні вказівки, п.5.2).
3. З амплітудочастотної характеристики визначити резонансну частоту LС-контуру fрез.
4. Задати зміну ємності конденсатора С1 в межах від 0,8С1 до 1,2С1 з кроком 0,2С1 (С1(20%). Виявити, як змінюється резонансна частота LС-контуру зі зміною ємності конденсатора.
5. Задати зміну індуктивності котушки L1 в межах від 0,8 L1 до 1,2 L1 з кроком 0,2 L1 (L1(20%). Виявити, як змінюється частота LС-контуру зі зміною індуктивності котушки індуктивності.
6. Зробити висновок про необхідність вибору допуску вибраних компонентів для забезпечення точності налаштування LС-контуру.
7. За допомогою аналізу перехідних процесів отримати осцилограми (графіки залежності від часу) напруги та струму в резисторі навантаження на частоті 1 кГц та на резонансній частоті (задати частоту джерела сигналу рівною резонансній частоті). Часовий інтервал вибрати удвічі більшим, ніж заданий на графіках джерела сигналу.
8. Зробити висновок про проходження сигналу через коло такого типу на різних частотах.
9. Записати маркування конденсатора, котушки індуктивності та резистора літерно-цифровим кодом.
5. Методичні вказівки
При аналізі частотних характеристик до входу схеми повинне бути відімкнене джерело синусоїдального SIN або імпульсного PULSE сигналу.
При розрахунку частотних характеристик комплексна амплітуда цього сигналу автоматично вважається рівною 1 В, початкова фаза нульовою (незалежно від того, як задані значення параметрів моделі сигналу), а частота змінюється у межах, що задаються аналізом частотних характеристик.
5.1. Вибір джерела синусоїдального сигналу здійснюється командою Компоненты/Analog Primitives/Waveform Sources/Sine Source. При цьому появиться зображення джерела сигналу, а при фіксації його в робочій області відкривається вікно, у якому потрібно вказати атрибути вибраного елемента (рис.2).
/
Рис.2. Вікно атрибутів джерела синусоїдального сигналу
У стрічці PART задається назва джерела сигналу (за замовчуванням присвоюється ім’я чергового джерела енергії (V1, V2 і т.д.).
У стрічці MODEL потрібно задати і’я моделі джерела сигналу (наприклад, SIN, 1kHz, ZI-2). При цьому появиться назва моделі у спису моделей Voltage vs.Time, і активуються стрічки для задавання параметрів моделі джерела сигналу (табл.5).
Для задавання простого синусоїдального сигналу достатньо задати його частоту та амплітуду, а решту параметрів залишити незмінними. Наприклад, F =1k, А=1 означає, що задана частота 1 кГц і амплітуда 1 В.
Таблиця 5. Параметри моделі джерела синусоїдального сигналу
Позначення
Параметр
Розмірність
Значення за замовчуванням
F
Частота
Гц
106
A
Амплітуда
В
1
DC
Постійна складова
В
0
PH
Початкова фаза
радіан
0
RS
Внутрішній опір
Ом
0,001
RP
Період повторення затухального сигналу
с
0
TAU
Стала часу зміни амплітуди сигналу за експоненціальним законом
с
0
Перевірити вигляд заданого сигналу можна натиснувши кнопку График в діалоговому вікні задавання параметрів моделі (рис.3).
/
Рис.3. Залежність напруги від часу змодельованого джерела синусоїдального сигналу
5.2. Аналіз частотних характеристик запускається командою Analysis/Частотные характеристики (АC) і виводить у вигляді графіків дійсні значення (Re) розрахункових величин, уявні (Im), модуль (mag), фазу (pH), значення в децибелах (db) та ін., тобто аналіз орієнтований на побудову амплітудочастотних характеристик (АЧХ) та фазочастотних характеристик (ФЧХ).
Після вибору команди аналізу частотних характеристик з’являється діалогове вікно задавання параметрів моделювання Расчет частотных характеристик (АС Analysis Limits) (рис.4).
/
Рис.4. Вікно задавання параметрів розрахунку частотних характеристик
У вікні задавання параметрів розрахунку частотних характеристик, показаному на рис.1, є наступні розділи: команди, числові параметри, вирази та опції (такі ж, як і в аналізі перехідних процесів).
В розділ «Числові параметри» входять:
Диапазон частот (Frequency Range) – специфікація кінцевої та початкової частоти розрахунку частотних характеристик за форматом Fmax, Fmin. Від’ємні значення частоти не допускаються. Якщо Fmin не вказана, то розрахунок не відбувається.
Количество точек (Number of Points) – кількість точок по частоті, в яких відбувається розрахунок частотних характеристик. Мінімальна кількість дорівнює 5.
Температура (Temperature) – діапазон зміни температури.
Макс. Приращение % (Maximum Change, %) – максимально допустимий приріст графіка першої функції на інтервалі кроку за частотою (у процентах від повної шкали). Береться до уваги тільки при виборі опції діапазону частоти Auto. Якщо графік функції змінюється швидше, то крок приросту частот автоматично зменшується.
Входной источник (Noise Input) – ім’я вхідного джерела, що використовується при розрахунку шумових параметрів.
Выходные узлы (Noise Output) – номери вузлів вихідних затискачів кола, в яких обчислюється спектральна густина напруги вихідного шуму кола.
Виведення результатів моделювання.
Нижче розділу «Числові параметри» і лівіше розділу «Вирази» містяться піктограми 1-5 (рис.4). Призначення піктограм 1-4 таке ж, як в аналізі перехідних процесів. За допомогою піктограми 5 можна вибрати тип виведення графіка: / – у прямокутній (декартовій) системі координат, / – в полярній системі координат, / – на круговій діаграмі (діаграмі Сміта).
У графі Р (Plot Group) числом від 1 до 9 вказується номер графічного вікна, у якому має бути побудована введена функція. Всі функції, відмічені тим самим номером, виводяться в одному вікні. Якщо це поле пусте – графік функції не будується.
Розділ «Вирази» містить:
X Expression – ім'я змінної, відкладаються по осі Х. Зазвичай при аналізі частотних характеристик по цій осі відкладається частота (змінна F).
Y Expression – математичний вираз для змінної, що відкладається по осі Y. Це може бути проста змінна або математичний вираз, подібно, як описано для аналізу перехідних процесів. Після клацка правою кнопкою миші при розташуванні курсора у будь-якій графі Y Expression відкривається меню, за допомогою якого можна вибрати із запропонованих списків змінні та вирази, що розміщаються у цих графах.
X Range – максимальне і мінімальне значення змінної Х на графіку High [, Low]. Якщо мінімальне значення дорівнює нулю, його можна не вказувати. Для автоматичного вибору діапазону змінних в цій графі вказується Auto (або AutoAlways). Зручно також зі спису, що появляється клацком правою кнопкою миші при підведення курсору у це поле, вибрати FMAX, FMIN, що позбавляє необхідності при зміні діапазону частоти моделювання, змінювати її для кожної змінної.
Y Range – максимальне і мінімальне значення змінної Y на графіку. Для автоматичного вибору діапазону змінних в цій графі вказується Auto (або AutoAlways) .
У розділі «Опції» передбачається здійснити вибір режимів дослідження:
Выходные узлы (Run Options) – управління видачею результатів розрахунку.
Начальные условия (State Variables) – установка початкових умов..
Расчет по постоянному току (Operation Point) – включення режиму за постійним струмом перед початком кожного розрахунку перехідних процесів. Дані цього режиму замінюють значення всіх початкових умов, якщо вони були встановлені.
Автомасштаб (Auto Scale Ranges) – присвоєння ознаки автоматичного масштабування "Auto" по осях X, Y для кожного нового варіанту розрахунків. Якщо ця опція вимкнена, то беруться до уваги масштаби, зазначені в графах X Range, Y Range.
Коли задані всі параметри моделювання, командою Запуск (Run) або відповідною піктограмою / на панелі інструментів ініціюється процес моделювання і будуються графіки, задані введеними виразами у заданих графічних вікнах. При цьому змінюється склад меню команд (рис.5). З’являється новий режим АС, який має такі команди:
/
Рис.5. Список команд режиму АС
Ці команди можуть виконуватись за допомогою кнопок з піктограмами, що з’являються на панелі інструментів:
/
Рис.6. Піктограми команд режиму АС: Параметры анализа (1); Вариация (2); Оптимизация (4)
Якщо потрібно змінити параметри аналізу, то у розділі АС вибирається команда Параметры анализа. При цьому знову з’являється діалогове вікно Расчет частотных характеристик, де можна задати нові параметри або змінити попередні.
Якщо курсор помістити у ділянку графіків, то з’являється іконка, у якій містяться два числа: перше означає абсцису, а друге через кому – ординату. Якщо задавалась покрокова зміна якихось параметрів компонентів, то це також відображається в іконці, при цьому вказується параметр, який змінюється і його значення.
Вихід з вікна аналізу здійснюється вибором команди Выход из Анализа в розділі АС.
6. Вимоги до оформлення звіту
Звіт повинен містити:
1. Назву та мету роботи.
2. Постановку задачі дослідження.
3. Створену схему з вибраними номіналами пасивних компонентів та з заданими параметрами джерела сигналу.
4. Амплітудочастотну характеристику напруги та струму в резисторі навантаження.
5. Висновки про вплив конденсатора С1 та індуктивності котушки індуктивності L1 на вигляд АЧХ.
6. Висновок про необхідність вибору допуску вибраних компонентів для забезпечення точності налаштування LС-контуру.
7. Осцилограми вхідної та вихідної напруг в резисторі навантаження за частоти 1 кГц та за резонансної частоти.
8. Висновок про проходження сигналу через коло такого типу на різних частотах.
9. Літерно-цифрове маркування застосованих пасивних компонентів.
Контрольні запитання
Як задається синусоїдальне джерело сигналу і яким чином задаються його параметри?
Якою командою запускається аналіз частотних характеристик?
Як отримати на графіку сім’ю залежностей з заданою зміною параметра компонента схеми?
Як отримати інформацію про те, якому змінному параметру відповідає певна крива у сім’ї АЧХ?
За яким принципом здійснюється літерно-цифрове маркування конденсаторів та котушок індуктивності.
Література
Разевиг В. Д. Система схемотехнического моделирования Micro-Cap 6 / В. Д. Разевиг. – M. : Горячая линия-Телеком, 2001. – 334 с.
Кардашев Г.А. Виртуальная электроника. Компьютерное моделирование аналогових устройств – M. : Горячая линия-Телеком, 2006. – 260 с.
3. Амелина М.А. Конспект лекций по курсу «Компьютерный анализ и синтез электронных устройств» Пакет программ схемотехнического анализа MicroCap-8. Смоленск. – 2006. 135 с.
Укладач: доцент кафедри захисту інформації
к.т.н. Кеньо Галина Володимирівна
04.03.2016 01:03-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора