Методические указания для выполнения лабораторных работ

Лабораторная работа №1

Тема: " Потенциометрические датчики информации "

Цель работы:Изучить типовые схемы использования операционных усилителей и их технические характеристики. Способы задания коэффициента усиления и работу ОУ в режиме усиления постоянного и переменного тока. Ознакомится с мостовой схемой преобразования сигналов на основе дифференциальной схемы операционного усилителя.

Работа может выполняться как на учебном стенде, так и на ПЭВМ с использованием программы “Electronics Workbench”.

При подготовке и выполнении лабораторной работы необходимо использовать конспект лекций по предмету, а также рекомендованную преподавателем литературу и методические пособия.

Порядок выполнения работы:

1. В работе исследуются характеристики конкретного операционного усилителя по выбору или заданного преподавателем. В общем случае требуется получить переходную характеристику ОУ в инвертирующем и неинвертирующем режиме (зависимость U_вых от U_вх), определить:

· соответствие коэффициента усиления заданному;

· определить напряжение смещения;

· граничную частоту в режиме усиления переменного напряжения, которая определяется с помощью инструмента программы моделирования "Electronics Workbench" – Bode Plotter.

На рисунках 1, 2 и 3 приводятся варианты схем включения ОУ.

2. Методика выполнения работы доводится до студента преподавателем непосредственно перед выполнением лабораторной работы и зависит от типа исследуемой схемы.

Рисунок 1. Схема неинвертирующего ОУ

Рисунок 2. Схема инвертирующего ОУ

Рисунок 3. Схема дифференциального усилителя

3. При выполнении этой лабораторной работы необходимо получаемые данные заносить в таблицу 1.

Таблица 1. Характеристики операционного усилителя

4. По полученным данным построить графические зависимости параметров, определить заданные параметры и сделать выводы о возможности применения ОУ в различных узлах радиоэлектронной аппаратуры.

Для исследования ОУ на переменном напряжении применяется схема включения ОУ (рисунок 4) на вход которого, вместо входного источника постоянного напряжения, включают синусоидальный источник и осциллограф, включенный одним лучом на вход, а другим - на выход операционного усилителя.

Рисунок 4. Изучаемая схема включения ОУ

5. После изучения свойств операционного усилителя собрать мостовую схему преобразования сигналов на основе схемы рис.3. Разобраться в принципе ее действия. Снять зависимость выходного напряжения от величины сопротивления одного из элементов, принятого за датчик. Оценить линейность преобразования, занести в отчет полученную информацию, сделать выводы

6. Выполнить и предоставить отчет содержащий следующее:

· титульный лист;

· цель работы;

· схему соединения приборов;

· характеристики и осциллограммы, полученные в результате выполнения лабораторной работы;

· результаты вычисления;

· в отчете сделать выводы;

7. При защите лабораторной работы ответить на контрольные вопросы, заданные преподавателем.

Пример варианта схемы исследования приведен на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема преобразования сопротивления в напряжение

Контрольные вопросы:

1. Параметрами каких элементов определяется коэффициент усиления инвертирующего операционного усилителя?

2. Дать определение термину датчик.

3. Как поведет себя операционный усилитель если в схеме, представленную на рисунке 1 оборвать отрицательную обратную связь.

4.Коэффициент усиления операционного усилителя LM741.

5. Назовите отечественный аналог ОУ LM741.

6. В какой сигнал преобразуется значение исследуемого параметра в данной лабораторной работе.

Рекомендуемая литература

1. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. - М.: Солон, 1999.- 512 с.

2. Фарзане Н.Г., Илясов Л.В., Азим-Заде А.Ю. Технологические измерения и приборы: Учеб. для ВУЗов. – М.: Высш. школа, 1989. – 456с.

3. Тутевич В.Н. Телемеханика. – 2-е изд. – М.: Высш. шк., 1985. -423 с.

4. Котур В.И., Скомская М.А., Храмова Н.Н. Электрические измерения и электроизмерительные приборы: Учебник. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 400 с.

5. Электрические измерения: Учеб. для ВУЗов / Малиновский В.Н., Демидова-Панферова Р.М., Евланов Ю.Н. и др.; Под ред. В.Н.Малиновского. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 416 с.

Контрольные задания для СРС [2, 4, 5,]

1. Назначение и область применения потенциометрических датчиков.

2. Основные схемы включения операционных усилителей.

3. Напряжение смещения в схемах с ОУ.

4. Чем определяется граничная частота усилителя.

5. Основные характеристики операционных усилителей.

Лабораторная работа №2

Тема: "Исследование датчиков температуры"

Цель работы:Познакомится с техническими возможностями программы EWB по моделированию температурных режимов элементов и изучить работу температурного датчика на терморезисторе.

При подготовке и выполнении лабораторной работы необходимо использовать конспект лекций по предмету, а также рекомендованную преподавателем литературу и методические пособия.

Порядок выполнения работы:

1.Работа может выполняться как на учебном стенде, так и на ПЭВМ с использованием программы “Electronics Workbench”. В этом случае следует использовать мостовую схему с операционным усилителем из лабораторной работы №1.

2. Вместо потенциометрического датчика необходимо применить термодатчик, то есть резистор, параметры которого зависят от температуры.

3. Значение первого температурного коэффициента установить 0,0001, а значение второго температурного коэффициента установить равным -0,00001+n0,00001, где n – номер рабочего места. Остальные методики измерения аналогичны лабораторной работе №1.

4. Выполнить и предоставить отчет содержащий следующее:

· титульный лист;

· цель работы;

· схему соединения приборов;

· характеристики и осциллограммы, полученные в результате выполнения лабораторной работы;

· результаты вычисления;

· в отчете сделать выводы;

5. При защите лабораторной работы ответить на контрольные вопросы, заданные преподавателем.

Контрольные вопросы:

1. Для чего нужны термопреобразователи?

2. Как можно скомпенсировать погрешность измерений, связанную с изменением температуры (сопротивления соединительных проводов.

3. Какие элементы могут быть использованы в качестве датчиков температуры в данной лабораторной работе.

4. Как называется схема, используемая в работе для изучения принципа действия датчиков.

5. Какую характеристику имеет терморезистор, используемый в данной лабораторной работе.

Рекомендуемая литература

1. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. - М.: Солон, 1999.- 512 с.

2. Электрические измерения неэлектрических величин / А.М. Туричин, Л.В. Новицкий и др. – Л.: Энергия, 1982.

3. Виглеб Г. Датчики : Пер. с нем. – М.: Мир, 1989 .

4. Шульц Ю. Электроизмерительная техника. 1000 понятий для практиков: Справочник / Пер. с нем.; Под ред. Е.И.Сычева. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 288 с.

Контрольные задания для СРС [2, 3, 4,]

1. В каких технологических процессах используются датчики температуры и для чего?

2. Схемы включения генераторных термопреобразователей.

3. Схемы включения термоэлектрических термометров.

4. Назначение пирометров, принцип действия прирометров.

5. Термопары, назначение, область применения и принцип действия.

Лабораторная работа №3

Тема: "Исследование емкостных датчиков"

Цель работы:Ознакомится с мостовой схемой преобразования сигналов с использованием емкостных датчиков.

При подготовке и выполнении лабораторной работы необходимо использовать конспект лекций по предмету, а также рекомендованную преподавателем литературу и методические пособия.

Порядок выполнения работы:

1. Работа может выполняться как на учебном стенде, так и на ПЭВМ с использованием программы “Electronics Workbench”. В этом случае следует использовать мостовую схему с операционным усилителем из лабораторной работы №1.

2. К одному из измерительных элементов моста подсоединить конденсатор емкостью1нФ, питание моста осуществить от источника переменного напряжения амплитудой 10 В и частотой 1 кГц.

3. Сбалансировать мост по выходному сигналу операционного усилителя и в дальнейшем, изменяя емкость конденсатора, получить характеристику преобразования.

4. Остальные методики измерения аналогичны лабораторной работе №1.

5. Выполнить и предоставить отчет, содержащий следующее:

· титульный лист;

· цель работы;

· схему соединения приборов;

· характеристики и осциллограммы, полученные в результате выполнения лабораторной работы;

· результаты вычисления;

· В отчете сделать выводы;

6. При защите лабораторной работы ответить на контрольные вопросы, заданные преподавателем.

Контрольные вопросы:

1. Какой параметр можно измерить при помощи емкостного датчиках ?

2. Как влияет емкость соединительных проводов на результаты лабораторной работы.

3. Какие конструкции могут быть использованы в качестве емкостных датчиков.

4. Можно ли применять емкостные датчики в цепях постоянного тока.

5. В каких измерительных системах наиболее часто находят применение емкостные датчики.

Рекомендуемая литература

1. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. - М.: Солон, 1999.- 512 с.

2. Электрические измерения неэлектрических величин / А.М. Туричин, Л.В. Новицкий и др. – Л.: Энергия, 1982.

3. Виглеб Г. Датчики : Пер. с нем. – М.: Мир, 1989 .

4. Шульц Ю. Электроизмерительная техника. 1000 понятий для практиков: Справочник / Пер. с нем.; Под ред. Е.И.Сычева. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 288 с.

Контрольные задания для СРС [2, 3, 4,]

1. Использование емкостных датчиков для определения состава сред.

2. Применение емкостных датчиков в цепях резонансными частотоми.

3. Как влияет диэлектрическая проницаемость среды на величину емкости емкостных преобразователей.

4. Статические характеристики емкостных преобразователей.

5. Чувствительность емкостных преобразователей.

Лабораторная работа №4

Тема: "Исследование индукционных датчиков"

Цель работы:Ознакомится с мостовой схемой преобразования сигналов с использованием индукционных датчиков.

При подготовке и выполнении лабораторной работы необходимо использовать конспект лекций по предмету, а также рекомендованную преподавателем литературу и методические пособия.

Порядок выполнения работы:

1. Работа может выполняться как на учебном стенде, так и на ПЭВМ с использованием программы “Electronics Workbench”. В этом случае следует использовать мостовую схему с операционным усилителем из лабораторной работы №1.

2. Последовательно с одним из измерительных элементов моста подсоединить катушку индуктивности 1мГн, питание моста осуществить от источника переменного напряжения амплитудой 10 В и частотой 1 кГц.

3. Сбалансировать мост по выходному сигналу операционного усилителя и в дальнейшем, изменяя емкость конденсатора, получить характеристику преобразования.

4. Остальные методики измерения аналогичны лабораторной работе №1.

5. Выполнить и предоставить отчет содержащий следующее:

· титульный лист;

· цель работы;

· схему соединения приборов;

· характеристики и осциллограммы, полученные в результате выполнения лабораторной работы;

· результаты вычисления;

· в отчете сделать выводы;

6. При защите лабораторной работы ответить на контрольные вопросы, заданные преподавателем.

Контрольные вопросы:

1. На каких принципах основана работа индукционных датчиков?

2. Сравнительный анализ чувствительности у дифференциального и недифференциального индуктивных преобразователей.

3. Какие основные достоинства и недостатки индуктивных преобразователей?

4. Можно ли применять индукционные преобразователи в цепях постоянного тока.

5. Какие преобразователи называют трансформаторными.

Рекомендуемая литература

1. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. - М.: Солон, 1999.- 512 с.

2. Основы метрологии и электрические измерения / Авдеев Б.Я., Антонюк Е.М., Душин Е.М. и др.; Под ред. Е.М.Душина. – Л.: Энергоатомиздат, 1987. – 480 с.

3. Информационно-измерительная техника: Учебное пособие / Г.А.Эм, Е.Б.Потемкина;Карагандинский государственный технический университет. – Караганда: Изд-во КарГТУ, 2006. – 121 с.

4. Виглеб Г. Датчики : Пер. с нем. – М.: Мир, 1989 .

Контрольные задания для СРС [2, 3, 4,]

1. Какое конструктивное решение индуктивного преобразователя позволяет получить линейную зависимость?

2. Индуктивные преобразователи с переменной длиной воздушного зазора.

3. Индуктивные преобразователи с незамкнутой магнитной цепью.

4. Область применения магнитоупругих преобразователей.

5. Индуктивные с переменным сечением воздушного зазора.

Лабораторная работа №5

Тема: "Ввод сигналов с аналоговых датчиков в цифровую систему"

Цель работы:Ознакомится с преобразованием сигналов из аналоговой формы в цифровую.

При подготовке и выполнении лабораторной работы необходимо использовать конспект лекций по предмету, а также рекомендованную преподавателем литературу и методические пособия.

Порядок выполнения работы:

1. Работа может выполняться как на учебном стенде, так и на ПЭВМ с использованием программы “Electronics Workbench”. В этом случае следует использовать схему с операционным усилителем из лабораторной работы №1.

2. На основе одной из приведенных схем собрать компаратор, на сигнальный вход которого подать переменное напряжение от любого источника амплитудой 10 В и частотой 1 кГц.

3. С помощью осциллографа наблюдать преобразование аналогового сигнала в цифровой. Измерить параметры цифрового сигнала и установить от чего они зависят.

4. Выполнить и предоставить отчет содержащий следующее:

· титульный лист;

· цель работы;

· схему соединения приборов;

· характеристики и осциллограммы, полученные в результате выполнения лабораторной работы;

· результаты вычисления;

· в отчете сделать выводы;

5. При защите лабораторной работы ответить на контрольные вопросы, заданные преподавателем.

Контрольные вопросы:

1. Какое устройство преобразует аналоговый сигнал в цифровую форм?

2. Какие основные параметры АЦП Вы знаете?

3. В каком режиме работы ОУ может служить преобразователем аналогового сигнала в цифровую форму?

4. В каких областях техники находят применение АЦП?

5. Какая характеристика непосредственно зависит от количества разрядов аналого-цифрового преобразователя.

Рекомендуемая литература

1. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. - М.: Солон, 1999.- 512 с.

2. Измерения в электронике: Справочник / В.А.Кузнецов, В.А.Долгов, В.М.Коневских и др.; Под ред. В.А.Кузнецова. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 512 с.

3. Кушнир Ф.В. Электрорадиоизмерения: Учеб. пособие для ВУЗов. – Л.: Энергоатомиздат, 1983. – 304 с.

4. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. – Л.: Энергоатомиздат, 1988. – 288 с.

5. Мелик-Шахназаров А.М., Маркатун М.Г., Дмитриев В.А. Измерительные приборы со встроенными микропроцессорами. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 232 с.

Контрольные задания для СРС [3, 4, 5]

1. Схемы аналого-цифровых преобразователей.

2. Квантование в аналого-цифровых преобразователях.

3. Принцип работы компаратора.

4. Схемы АЦП с динамической компенсацией.

5. Назначение и область применения аналого-цифровых преобразователей.

Лабораторная работа №6

Тема: "Ввод сигналов с цифровых датчиков"

Цель работы:изучить ввод сигналов с цифровых датчиков на основе мультиплексора и демультиплексора.

При подготовке и выполнении лабораторной работы необходимо использовать конспект лекций по предмету, а также рекомендованную преподавателем литературу и методические пособия.

Порядок выполнения работы:

1.Работа может выполняться как на учебном стенде, так и на ПЭВМ с использованием программы “Electronics Workbench”.

· Собрать схему с применением мультиплексора (рис.1).

· Составить таблицу истинности.

· Проверить работу устройства в режиме демультиплексора (рис.2).

· Данные занести в отчет и сделать вывод.

Рисунок 1. Схема устройства в режиме мультиплексора.

Таблица 1-Таблица истинности.

Рисунок 2. Схема устройства в режиме демультиплексора.

2. Выполнить и предоставить отчет содержащий следующее:

· титульный лист;

· цель работы;

· схему соединения приборов;

· характеристики и осциллограммы, полученные в результате выполнения лабораторной работы;

· результаты вычисления;

· в отчете сделать выводы;

3. При защите лабораторной работы ответить на контрольные вопросы, заданные преподавателем.

Контрольные вопросы:

1. Какое устройство преобразует цифровой сигнал в аналоговую форму?

2. Какой прибор называют мультиплексором, его назначение?

3. Какой прибор называют демультиплексором, его назначение?

4. В каких областях техники находят применение мультиплексоры и демультиплексоры?

5.Назначение выводов схемы, применяемой в работе для мультиплексора.

Рекомендуемая литература

1. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. - М.: Солон, 1999.- 512 с.

2. Измерения в электронике: Справочник / В.А.Кузнецов, В.А.Долгов, В.М.Коневских и др.; Под ред. В.А.Кузнецова. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 512 с.

3. Кушнир Ф.В. Электрорадиоизмерения: Учеб. пособие для ВУЗов. – Л.: Энергоатомиздат, 1983. – 304 с.

4. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. – Л.: Энергоатомиздат, 1988. – 288 с.

5. Мелик-Шахназаров А.М., Маркатун М.Г., Дмитриев В.А. Измерительные приборы со встроенными микропроцессорами. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 232 с.

Контрольные задания для СРС [3, 4, 5]

1. Способы ввода сигналов с цифровых датчиков.

2. Схемы мультиплексирования сигналов на логических элементах.

3. Схемы демультиплексирования сигналов на логических элементах.

4. Назначение и область применения демультиплексоров

5. Назначение и область применения мультиплексоров.

Лабораторная работа №7

Тема: "Исследование систем технического зрения нижнего уровня"

Цель работы:изучить ввод сигналов с цифровых датчиков на основе мультиплексора и демультиплексора.

При подготовке и выполнении лабораторной работы необходимо использовать конспект лекций по предмету, а также рекомендованную преподавателем литературу и методические пособия.

Порядок выполнения работы:

1. Получить у инженера, обслуживающего компьютерный класс, WEB – камеру и подключить ее к соответствующему порту компьютера.

2. Обнаружить и запустить соответствующее программное обеспечение.

3. Изучить параметры, технологию использования и возможности WEB – камеры используя информацию, имеющуюся в соответствующих файлах программного обеспечения, данные законспектировать.

4. Практически проверить параметры, декларированные в программном обеспечении. Среди них обязательно:

- угол обзора;

- быстродействие;

- разрешающую способность.

5. Освоить технологию получения изображений и их перенос в Word. Подготовить фотографии авторов отчета и поместить их на титульном листе электронного отчета.

6. Выполнить и предоставить отчет содержащий следующее:

· титульный лист;

· цель работы;

· схему соединения приборов;

· характеристики и осциллограммы, полученные в результате выполнения лабораторной работы;

· результаты вычисления;

· в отчете сделать выводы.

7. При защите лабораторной работы ответить на контрольные вопросы, заданные преподавателем.

Контрольные вопросы:

1. Является ли функция идентефикации объекта элементом системы технического зрения?

2. Обязательным ли условием системы технического зрения является наличия процессора?

3. Для чего предназначены системы технического зрения.

4. Требуется ли системе технического зрения запоминающее устройство?

5. Является сканирующее устройство элементом технического зрения.

Рекомендуемая литература

1. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. - М.: Солон, 1999.- 512 с.

2. Цифровые системы автоматизации и управления / Г.Олсон, Дж. Пиани – Санкт-Петербург, 2001.

3. Шульц Ю. Электроизмерительная техника. 1000 понятий для практиков: Справочник / Пер. с нем.; Под ред. Е.И.Сычева. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 288 с.

4. Мирский Г.Я. Микропроцессоры в измерительных приборах. – М.: Радио и связь, 1984. – 160 с.

5. Информационно-измерительная техника: Учебное пособие / Г.А.Эм, Е.Б.Потемкина;Карагандинский государственный технический университет. – Караганда: Изд-во КарГТУ, 2006. – 121 с.

Контрольные задания для СРС [2, 3, 4, 5]

1. Области производства, в которых находят применение системы технического зрения.

2. Датчики и первичные преобразователи, применяемые в системах технического зрения.

3. Структура и алгоритм работы системы.

4. Основные требования, предъявляемые к системам технического зрения.

5. Сканирующие устройства, как элементы системы технического зрения