Методические указания к практическим занятиям по курсу «Физические основы получения информации»




НазваниеМетодические указания к практическим занятиям по курсу «Физические основы получения информации»
страница1/6
Дата публикации12.04.2013
Размер0.54 Mb.
ТипМетодические указания
litcey.ru > Физика > Методические указания
  1   2   3   4   5   6
Министерство образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

«Алтайский государственный технический университет

им. И.И. Ползунова»

Е.М.Патрушев, Т.В. Патрушева




Методические указания к практическим занятиям по курсу

«Физические основы получения информации»

для студентов направления 200100

«Приборостроение»
Часть 2

Барнаул

2012г.
Патрушев Е.М., Патрушева Т.В.. Методические указания к практическим занятиям по курсу «Физические основы получения информации» для студентов направления 200100. Часть 2/АлтГТУ им. И.И.Ползунова. – Барнаул, 2012.- 44с.

Методические указания содержат описание работы в системе MicroCap, задания к практическим занятиям, требования к оформлению отчетов.


Рассмотрены и одобрены

на заседании НМС кафедры

«Информационные технологии»

Рецензент: доцент Кузьмин Ю.Г.

^

Практическая работа №1


Ознакомление с работой в системе моделирования Micro-Cap

Введение

Исследование процессов в неэлектрических системах (механических, акустических, тепловых, гидравлических и др.) или частично неэлектрических (например, в электромеханических) часто производят на электрических моделях-аналогах. Стремление использовать для этой цели электрические модели объясняется тем, что 1) электрические параметры можно легко изменять в широких пределах; 2) токи и напряжения можно измерять с большой точностью; 3) токи и напряжения относительно просто записать на осциллографе. В качестве неэлектрических будем рассматривать механические системы.

Механические системы подразделяют на системы поступательного, вращательного и поступательно – вращательного движения. В каждой из этих систем могут быть активные и пассивные элементы.

Активными являются источники силы и источники скорости для систем поступательного движения и источники вращающего момента и угловой скорости для систем вращательного движения.

Пассивными являются элементы упругости, трения и массы. Как и при рассмотрении электрических цепей, эти элементы часто идеализируют, например, считают, что идеальная пружина обладает только упругостью и не имеет массы.

Для заданной механической системы сначала составляют схему замещения, а затем, используя аналогию между механическими и электрическими величинами, образуют электрическую схему аналог, которую и подвергают исследованию.

^

Перед составлением схемы замещения механической системы необходимо:

  1. выбрать систему отсчета для сил и скоростей (или собственно для вращающих моментов и угловых скоростей);

  2. ^

    соединить между собой узлы, имеющие одинаковую скорость или одинаковую величину смещения;

  3. соединить неподвижные узлы в один узел;

  4. на схеме замещения между соответствующими узлами изобразить активные и пассивные элементы, имеющиеся в изучаемой системе.

Между отдельными элементами механической системы и элементами соответствующей электрической модели может быть аналогия двух типов в соответствии с тем, что для каждой электрической цепи может быть составлена дуальная ей цепь.

В первом типе аналогий сопоставимыми величинами являются: сила – напряжение, скорость – ток, масса – индуктивность, податливость пружины – емкость, сопротивление трения – электрическое сопротивление.

Во втором типе аналогий сопоставимыми величинами являются: сила – ток, скорость – напряжение, масса – емкость, податливость – индуктивность, сопротивление трения – электрическая проводимость.

^

Весьма удобным инструментом для выполнения подобных расчетов на компьютере может стать система Micro-Cap.


Практическая часть



Системные требования: Pentium-150MHz, 16Mb RAM, Windows 9x или Windows NT, Microsoft Word, Micro-Cap.
Цель работы: Научиться создавать расчетные схемы и выполнять их расчет по постоянному току, по переменному току, а также производить анализ переходных процессов.
Задание 1: Исследовать вольт-амперную характеристику диода.

Порядок выполнения работы:

Внимание! Сложность проведения исследований на Micro-Cap требует четкого выполнения каждого пункта хода работы! Недопустимо пропускать какие-либо из них!

  1. Запустить приложение Microsoft Word и создать пустой документ. Это необходимо для выполнения отчета по работе.

  2. Запустить приложение Micro-Cap. В новом проекте создать схему, приведенную на рисунке 1.1. Марка диода выбирается исходя из номера варианта по таблице 1.1.



Рисунок 1.1 – Схема для исследования вольт-амперных характеристик диодов
^
Таблица 1.1 – Выбор диода для исследования

Вариант

Диод

Вариант

Диод

1

1N3016A

9

1N3033A

2

1N6097

10

1N3046A

3

SD51

11

1N3491

4

1N3909

12

1N3889

5

1N750

13

SD41

6

1N3024A

14

1N6629

7

1N6306R

15

1N746

8

1N3017A

16

SD241


Таблица 1.2 – Множители для десятичных кратных и дольных единиц (СИ) в системе Micro-Cap

Множитель

Приставка

Micro-Cap

109

Гига

G

106

Мега

Meg

103

кило

k

10-3

милли

m

10-6

микро

u

10-9

нано

n

10-12

пико

p




  1. Сохранить схему в файл. Схемы Micro-Cap должны храниться в каталоге C:\Program Files\MC6\DATA или C:\Temp, либо C:\Мои документы. Имя файла должно содержать не более 8 латинских букв и (или) цифровых символов. Расширение по умолчанию *.cir. Настоятельно рекомендуется выполнять сохранение перед каждым запуском расчета! Также необходимо сохранять и отчёт, выполняемый в приложение Microsoft Word.

  2. Скопируйте начертание схемы в будущий отчет на Microsoft Word. Для этого рекомендуется сделать следующее:

  • выполнить копирование рисунка в буфер обмена (пункт меню «Edit\Copy to Clipboard\Copy the Visible Portion of Window in BMP Format» - копируется вся видимая область окна, рекомендуется для копирования графиков; либо «Edit\Copy to Clipboard\Copy the Select Box Part in BMP Format» - копируется выделенная часть окна, рекомендуется для копирования схем);

  • Перейти в редактор Microsoft Word и выбрать пункт меню «Правка\Специальная вставка» и в раскрывшемся диалоговом окне выбрать «Аппаратно-независимый точечный рисунок», а флажок «Поверх текста» отключить.

  1. Для исследования вольт-амперной характеристики необходимо запустить режим анализа по постоянному току (пункт меню Analysis\DC Analysis или Alt-3).

  2. В появившемся диалоговом окне DC Analysis Limits необходимо выполнить следующие установки:

  • поля Variable2 и Range оставить без изменений. Поле Method должно содержаться значение NONE. Используются только когда в схеме несколько источников постоянного напряжения;

  • в поле Range (диапазон напряжений источника 1) ввести «10,0,0.3» - это означает конечное напряжение источника 10В, начальное напряжение источника 0В, шаг при исследовании 0,3В;

  • в поле Variable 1 Name необходимо указать название самого источника напряжения. В нашем случае, согласно рисунку 1.1 – источником является батарея V1, следовательно, ввести V1;

  • В поле Temperature ввести температуру окружающей среды по шкале Цельсия. Взять значение 20;

  • включить флажок Auto Scale Ranges (Автоматический выбор масштаба) – это позволит наилучшим образом отобразить график;

  • поле Run Options должно содержать значение Normal;

  • в поле X Expression (Выражение по оси абсцисс) таблицы введите V(D1) – т.е. напряжение на диоде D1;

  • в поле Y Expression (Выражение по оси ординат) таблицы введите I(D1) – т.е. ток через диод D1;

  • запустить вычисления, нажав кнопку Run.

  1. Построить семейство вольт-амперных характеристик в зависимости от температуры. Для этого в поле Temperature\Range указать «100,0,20» - это означает начальное значение температуры 0˚С, конечное 100˚С, шаг 20˚С. Поле Method должно содержать Linear. На графике подписать кривые, как это сделано на рисунке 1.3.



Рисунок 1.3 – Вольт-амперные характеристики диода в зависимости от температуры.

  1. Полученный график сохранить в отчете.

Задание 2: Исследовать простейшую электрическую цепь по переменному току. Построить амплитудно – частотную характеристику.
Порядок выполнения работы:

  1. В новом проекте Micro-Cap создать схему, приведенную на рисунке 1.4. Параметры элементов выбираются исходя из номера варианта по таблице 1.3.




Рисунок 1.4 – Колебательная RLC-цепь. Метками In и Out обозначены входной и выходной зажимы соответственно. Номиналы элементов не обозначены, поскольку для каждого варианта они выбираются из таблицы


^
Таблица 1.3 – Выбор параметров колебательного контура для исследования
Вариант
R1, Ом
C1
L1
Вариант
R1, Ом
C1
L1
1
300
1 нФ
100 мГн
9
320
3 нФ
150 мГн
2
250
4.3 нФ
187 мГн
10
200
2.5 нФ
100 мГн
3
490
0.1 нФ
18 мГн
11
500
0.5 нФ
40 мГн
4
160
0.1 нФ
2 мГн
12
110
0.4 нФ
15 мГн
5
75
25 пФ
10 мкГн
13
65
15 пФ
35 мкГн
6
60
4 пФ
20 мкГн
14
50
3 пФ
10 мкГн
7
30
10 пФ
15 мкГн
15
25
1 пФ
2 мкГн
8
20
7 пФ
3 мкГн
16
35
0.1 нФ
10 мкГн

  1. Сохранить схему в отдельный файл аналогично п.3.

  2. Запустить режим анализа по переменному току (Analysis\AC Analysis или Alt-2).

  3. В случаях, когда заранее неизвестно на какой частоте в данной схеме наблюдается резонанс (резонансы), поступают следующим образом:

  • строят АЧХ в широком диапазоне частот (например, 1Гц – 100МГц), при этом используют логарифмический масштаб по оси частот, поскольку нижнее и верхнее значения диапазона отличаются на несколько порядков;

  • по логарифмической АЧХ определяют частотные границы наиболее важной части графика (т.е. определяют поддиапазон частот, в котором наблюдается резонанс);

  • повторно строят АЧХ в узком диапазоне частот околорезонансной области (масштаб по оси частот теперь берут линейный).

  1. В появившемся диалоговом окне AC Analysis Limits необходимо выполнить следующие установки:

  • в поле Frequency Range (диапазон частот) ввести «100Meg, 1». Это означает, что частотный диапазон, в котором будет осуществлен расчет, составит 1Гц – 100МГц;

  • в поле Temperature ввести значение 20, хотя это также не имеет большого значения, поскольку в схеме отсутствуют температурно-зависимые элементы;

  • в поле Frequency Step (шаг по частоте) выберите Auto.

  • включите флажок Auto Scale Ranges (Автоматический выбор масштаба графика);

  • в поле X Expression (выражение по оси абсцисс) таблицы введите «F», что означает частоту;

  • в поле Y Expressison (выражение по оси ординат) таблицы введите V(OUT), т.е. напряжение на зажиме, обозначенном «OUT»;

  • слева от таблицы имеется набор цветных пиктограмм, необходимо установить режим логарифмического масштаба по оси абсцисс;

  • запустить вычисления, нажав кнопку Run.



Рисунок 1.5 – Логарифмическая АЧХ колебательного контура в широком диапазоне частот


  1. По графику логарифмической АЧХ определить околорезонансный диапазон частот. Данный график сохранить в отчете.

  2. В диалоговом окне AC Analysis Limits необходимо выполнить следующие установки:

  • в поле Frequency Range (диапазон частот) через запятую ввести значение верхнего и нижнего пределов;

  • в поле Frequency Step (шаг по частоте) выберите Linear (линейный);

  • в поле Number of Points (количество точек) введите значение 1000 (вообще, чем больше точек, тем более гладкий график получится).

  • слева от таблицы графиков имеется набор цветных пиктограмм, необходимо установить режим линейного масштаба по оси абсцисс;

  • запустить вычисления, нажав кнопку Run.



Рисунок 1.6 – АЧХ в линейном масштабе. Определение полосы пропускания колебательного контура.

  1. По графику АЧХ определить резонансную частоту контура (по максимуму). Ординату максимума умножить на 0.707 – будет получено значение ординаты краев полосы пропускания. Далее , используя это значение определить полосу пропускания контура (В появившемся диалоговом окне ввести значение и нажать на клавиши Left и Right несколько раз). Сохранить полученный график в отчете.

  2. Подсчитать добротность Q колебательного контура по графику:

,

где

f0 – резонансная частота;

Δf0.707 – полоса пропускания контура по уровню 0.707.

  1. Подсчитать добротность и резонансную частоту колебательного контура по номиналам элементов и сравнить со значениями, полученными в предыдущем пункте:

,

Результаты вычислений вместе с формулами занести в отчет.



  1. Используя режим Stepping построить семейство из пяти АЧХ в зависимости от сопротивления резистора R1, аналогично рисунку 1.6. Необходимо пометить кривые соответствующими подписями. При вводе данных в диалоговое окно Stepping обязательно нужно указывать соответствующие приставки (см. таблицу 1.2). Полученный график сохранить в отчет.




Рисунок 1.7 – Семейство АЧХ в зависимости от сопротивления резистора R1.


  1. Аналогично п.17 построить семейство АЧХ в зависимости от емкости С1 и индуктивности L1. Параметры режима Stepping выбирают так, чтобы максимумы всех кривых были видны на экране. Графики также помещаются в отчет.

  2. Выключить режим Stepping.

  3. Для построения фазо-частотной характеристики в диалоговом окне AC Analysis Limits вторую строку таблицы приводят в полное соответствие с первой, в колонку «P» вводят 2 – т.е. второй график, в колонку «Y Expression» вводят PH(V(OUT)) – т.е. фаза выходного напряжения. (см. рисунок 1.8)




Рисунок 1.8 – АЧХ и ФЧХ на одном графике

  1. Полученный график сохранить в отчет


Задание 3: Исследовать простейшую электрическую цепь в режиме анализа переходных процессов.


  1. В схему, исследованную в предыдущем задании вносят следующие изменения:

  • генератор синусоидальных колебаний V1 заменяют источником сигналов произвольной формы E1 (пункт меню Component\Analog Primitives\Function Sources\NFV);

  • будет установлен генератор, форма сигналов которого, определяется функцией времени. В первом примере зададим выходной сигнал генератора – постоянное напряжение 1Вольт (см. рисунок 1.9);

  • выполняется сохранение схемы в отдельный файл.




Рисунок 1.9 – Колебательная RLC-цепь, подготовленная к анализу переходных процессов. Номиналы элементов не обозначены, поскольку для каждого варианта они выбираются из таблицы


  1. Схема для исследования переходных процессов помещается в отчет.

  2. Для получения формы выходного сигнала схемы при подаче на вход постоянного напряжения 1В необходимо запустить режим анализа переходных процессов (пункт меню Analysis\Transient Analysis).

  3. В раскрывшемся диалоговом окне Transient Analysis Limits необходимо выполнить следующие установки:

  • поле Time Range (Временной диапазон) задается значение продолжительности процесса, в котором будет построена зависимость. Чем больше эта величина, тем больший отрезок времени будет исследован, однако при этом возрастает и время выполнения расчета. Рекомендуется в это поле вводить значение, определяемое следующей формулой:

;

  • поле Maximum Time Step определяет кванта времени при вычислении. Чем этот квант меньше, тем точнее выполняется расчет, но и дольше. Рекомендуется, чтобы на один период колебания приходилось не менее 500 точек. Этот параметр рассчитывается по следующей формуле:

;

  • в поле Temperature ввести 20;

  • флажок Auto Scale Ranges (Автоматический выбор масштаба) включить;

  • флажок Operation Point выключить;

  • в таблице, в первой строке в колонку X Expression (выражение по оси абсцисс) ввести T – т.е. время;

  • в таблице, в первой строке в колонку Y Expression (выражение по оси ординат) ввести V(OUT) – т.е. напряжение на зажиме, обозначенном OUT;

  • вторую строку таблицы очистить, все остальные установки оставить по умолчанию;

  • запустить вычисления кнопкой Run.

  1. На полученном графике, с помощью инструмента для определения горизонтальных размеров, выделить 10 периодов колебаний, рассчитать частоту колебаний. Результат занести на график (см. рисунок 1.10).




Рисунок 1.10 – Затухающие колебания в контуре при подаче на вход постоянного напряжения 1Вольт. Выделено 10 периодов колебаний. Подсчитана частота колебаний


  1. График сохранить в отчете.

  2. Вернуться к редактору схем и задать в функциональном генераторе Е1 следующую зависимость SIN(2*PI*1.2*F0*t), где вместо F0 – должно стоять значение резонансной частоты.

  3. Построить временную зависимость выходного сигнала, а вторым графиком построить спектр выходного сигнала. Для этого в поле X Expression ввести F – т.е. частоту, а в поле Y Expression – HARM(V(OUT)) – т.е. спектр выходного напряжения. На полученном графике спектра нужно выделить область основных частотных составляющих. Оба графика вместе (см. рисунок 1.11) помещаются в отчет.





Рисунок 1.11 – Переходный процесс установления выходного сигнала при подаче на вход гармонического сигнала частоты, близкой к резонансу и его спектр.

32. С помощью Microsoft Word выполнить отчет по работе, который должен включать:

  • титульный лист;

  • задание, цель исследования;

  • краткие теоретические сведения;

  • порядок проведения лабораторной работы, в который помещен расчет и результаты, выполненные в Micro-Cap

  • выводы по каждому из заданий (выводы должны содержать суть проведенных исследований и полученных результатов)

Отчет сдается в распечатанном виде.
  1   2   3   4   5   6

Похожие:

Методические указания к практическим занятиям по курсу «Физические основы получения информации» iconМетодические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации»
Патрушев Е. М., Патрушева Т. В., Седалищев В. Н. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения...
Методические указания к практическим занятиям по курсу «Физические основы получения информации» iconМетодические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации»
Патрушев Е. М., Седалищев В. Н. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации» для...
Методические указания к практическим занятиям по курсу «Физические основы получения информации» iconМетодические указания аннотация Методические указания разработаны...
Методические указания разработаны для того, чтобы помочь студентам в подготовке к практическим занятиям по курсу «Основные направления...
Методические указания к практическим занятиям по курсу «Физические основы получения информации» iconВ. Н. Седалищев физические основы получения информации
Седалищев В. Н., Физические основы получения информации: учебное пособие/Алт гос техн ун-т им. И. И. Ползунова. – Барнаул: Изд-во...
Методические указания к практическим занятиям по курсу «Физические основы получения информации» iconМетодические указания по количественному анализу (химические методы)...
Учебно-методическое пособие предназначено для самостоятельной подготовки студентов биотехнологического факультета к лабораторно-...
Методические указания к практическим занятиям по курсу «Физические основы получения информации» iconМетодические указания по выполнению курсовой работы и к практическим...
Методические указания разработаны канд экон наук, ст преподавателем А. В. Иконниковой, ст преподавателем В. В. Иконниковым
Методические указания к практическим занятиям по курсу «Физические основы получения информации» iconЯкутский филиал спб ауиэ кафедра экономики утверждаю
Общие методические указания по изучению дисциплины, Методические рекомендации по практическим занятиям по дисциплине, Методические...
Методические указания к практическим занятиям по курсу «Физические основы получения информации» iconВ. А. Купцов актуальные проблемы уголовного права
Методические указания к практическим занятиям и самостоятельной работе студентов заочной формы полного срока обучения направления...
Методические указания к практическим занятиям по курсу «Физические основы получения информации» iconМетодические указания Новосибирск 2003 Государственный комитет Российской Федерации
Методические указания предназначены для использования в процессе лабораторного практикума по курсу «Основы теории массового обслуживания»...
Методические указания к практическим занятиям по курсу «Физические основы получения информации» iconМетодические указания по лабораторным занятиям По дисциплине
Методические указания рассмотрены и утверждены на заседании умкс и рекомендованы к изданию
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
litcey.ru
Главная страница