Файл: Курсовой проект "Исследование параметров радиотехнических цепей с использованием современных прикладных программных пакетов".pdf

Федеральное агентство морского и речного транспорта
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
“Волжский государственный университет водного транспорта”
Кафедра электроники
Курсовой проект
“Исследование параметров радиотехнических цепей с использованием современных прикладных программных пакетов”
Вариант 33
Выполнил: студент группы Р-213
Синицын Владислав Евгеньевич
Проверил: доцент, к.т.н.
Лебедева Светлана Владимировна
Нижний Новгород
2021 г.

2
Оглавление
Задание на проект .................................................................................................... 3
Введение ......................................................................................................................................... 4
Глава 1. Исследование электрических параметров простейшей .............................................. 6
резистивной цепи. .......................................................................................................................... 6 1.1. Теоретический расчёт схемы ................................................................................................. 6 1.2. Моделирование процесса работы схемы в программном пакете Multisim....................... 9 1.3. Сравнительный анализ результатов теоретических расчётов и компьютерного моделирования ............................................................................................................................. 12 1.4. Вывод по главе 1 ................................................................................................................... 12
Глава 2. Исследование параметров напряжения в схемах с дискретными полупроводниковыми элементами в программном пакете Multisim. .................................... 13 2.1. Исследование параметров напряжений в схеме ................................................................ 13 2.2. Вывод по главе 2 ................................................................................................................... 17
Глава 3. Исследование схемы с усилительным элементом. Снятие амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик. .............................................................................................. 18 3.1. Исследование параметров напряжения в схеме с помощью осциллографа ................... 18 3.2. Снятие амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик с помощью плоттера
Боде. .............................................................................................................................................. 21 3.3 Снятие амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик с помощью встроенного анализатора ............................................................................................................ 22 3.4. Вывод по главе 3 ................................................................................................................... 23
Глава 4. Анализ работы электрических RC-цепей в программном пакете Multisim. ........... 24 4.1. Исследование параметров напряжений на входе и выходе цепи .................................... 24 4.2. Вывод по главе 4 ................................................................................................................... 28
Глава 5. Описание DesignLab ..................................................................................................... 29 5.1. Schematics .............................................................................................................................. 29 5.2. Редактирование и сохранение схемы ................................................................................. 33 5.3. Выбор источников сигнала .................................................................................................. 34 5.4. Установка режимов анализа ................................................................................................ 35 5.5. Расчет режима при изменении параметров схемы ............................................................ 36 5.6. Расчёт частотных характеристик ........................................................................................ 36 5.7. Расчёт переходных процессов ............................................................................................. 37 6. Заключение ............................................................................................................................... 39 7. Список используемых программ ........................................................................................... 40 8. Список альтернативных источников ..................................................................................... 40 10. Список используемой литературы ....................................................................................... 40

3
Задание на проект
Задание 1. Провести исследование электрических параметров простейшей резистивной цепи.
Задание 2. Провести исследование параметров напряжения в схемах с дискретными полупроводниковыми элементами в программном пакете Multisim.
Задание 3. Провести исследование параметров напряжения в схемах с усилительным элементом в программном пакете Multisim.
Задание 4. Провести анализ работы электрических RC-цепи в программном пакете
Multisim.
Задание 5. Описать функциональные возможности современных пакетов прикладных программ в радиоэлектронике.
Задание 6. Заключение. В заключении привести обзор результатов по всей работе, перечислив приобретенные знания и умения. общие выводы по характеристикам исследованных цепей.

4
Введение
Для исследования электрических цепей в цифровых пакетах программ необходимо правильно понимать принципы работы всех элементов этих цепей.
Элементы электрической цепи можно разделить на следующие элементы:
• генерирующие энергию (источники питания, активные элементы);
• элементы, преобразующие электромагнитную энергию в другие формы энергии (резистивные элементы).
Свойства первых двух групп элементов можно описывать зависимостями тока через них от напряжения (вольтамперными характеристиками). Исследовать их свойства можно применяя сигналы, не изменяющиеся во времени. Для исследования токов и напряжений в реактивных элементах, а также их свойств необходимо генерировать изменяющиеся во времени сигналы.
Резистивными называются такие электрические цепи, в схему замещения которых входят только элементы активного сопротивления и источники. Чаще всего это цепи, составленные из резисторов. Основной особенностью таких цепей является отсутствие накопителей энергии – индуктивностей и емкостей.
Анализ резистивных цепей представляет собой довольно простую задачу, так как колебания в резистивных цепях описываются линейными алгебраическими уравнениями.
Расчет токов и напряжений на участках таких цепей производится на основании правил расчета параллельно или последовательно соединенных резисторов, а также закона
Ома для участка цепи и законов Кирхгоффа.
Полупроводниковые приборы подразделяются по своей структуре на дискретные и интегральные. К дискретным полупроводниковым приборам относятся диоды, транзисторы, фотоэлементы, а также полупроводниковые приборы, управляемые внешними факторами, — фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, терморезисторы, которые используются в качестве датчиков физических параметров. К интегральным приборам относятся интегральные микросхемы и микропроцессоры.
Выпрямительные диоды представляют собой полупроводниковые приборы, состоящие из двух слоев полупроводникового материала с электропроводностью типа n и p. Граница между этими слоями обладает способностью пропускать электрический ток только в одном направлении. Такие диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.
В курсовом проекте также рассматривается усилитель. Он представляет собой

5 устройство, предназначенное для усиления мощности входного сигнала. Усиление происходит с помощью активных элементов за счет потребления энергии от источника питания. Активными элементами в усилителях чаще всего являются транзисторы; такие усилители принято называть полупроводниковыми, или транзисторными. В любом усилителе входной сигнал управляет передачей энергии источника питания в нагрузку.
Усилитель характеризуется коэффициентом усиления, который численно равен отношению номинала резистора обратной связи к номиналу входного резистора.
При рассмотрении RC - цепи, прежде всего, стоит дать определение, — это электрическая цепь, состоящая из конденсатора и резистора. Исследуя данную цепь, мы столкнемся с понятием переходного процесса. Под ним понимается процесс перехода цепи из одного установившегося состояния в другое. Переходные процессы возникают при любых изменениях режима электрической цепи:
• при подключении и отключении цепи;
• при изменении нагрузки;
• при возникновении аварийных режимов (короткое замыкание, обрыв провода и т.д.).
Переходные процессы обычно быстро протекают: длительность их составляет десятые, сотые, а иногда и миллиардные доли секунды. Сравнительно редко длительность переходных процессов достигает секунд и десятков секунд.
Переходные режимы в электрических цепях с конденсатором всегда связаны со способностью конденсатора накапливать и отдавать электрический заряд.

6
Глава 1. Исследование электрических параметров простейшей резистивной цепи.
Исходные данные:
E=10 В; ????
1
=36Ом; ????
2
=66 Ом; ????
3
=67Ом; ????
4
=71Ом; ????
5
=35 Ом; ????
6
=33 Ом.
Схема для исследования резистивной цепи представлена на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1. Базовая схема
1.1. Теоретический расчёт схемы
На схеме (рис.1) мы наблюдаем последовательное соединение R
5
и R
6
, можно заменить его эквивалентным R
7
(рис. 1.2).
R
7
= R
5
+ R
6
= 35+33= 69 (Ом)
Рисунок 1.2. Схема замещения с R
7

7
На схеме (рис. 1.2). мы наблюдаем параллельное соединение R
7 и R
4
, можно заменить его эквивалентным R
8
(рис. 1.3).
R
8
=
????
7
∗ ????
4
????
7
+ ????
4
=
71 ∗ 69 71+ 69
= 34,99 (Ом)
Рисунок 1.3. Схема замещения с R
8
На схеме (рис. 1.3) мы наблюдаем последовательное соединение R
3 и R
8
, можно заменить его эквивалентным R
9
(рис. 1.4).
R
9
= R
3
+ R
8
= 101,99 (Ом)
Рисунок 1.4. Схема замещения с R
9
На схеме (рис. 1.4). мы наблюдаем параллельное соединение R
9 и R
2
, можно заменить его эквивалентным R
10
(рис. 1.5).
R
10
=
????
9
∗ ????
2
????
9
+ ????
2
= 40,06 (Ом)

8
Рисунок 1.5. Схема замещения с R
10
На схеме (рис. 1.5). мы наблюдаем последовательное соединение R
1 и R
10
, можно заменить его эквивалентным R
11
(рис. 1.6).
R
11
= R
1
+ R
10
= 36 + 40.06 = 76.06 (Ом)
Рисунок 1.6. Схема замещения с R
11
Расчёт токов и напряжений на всех резисторах
1) I
1
=
????
????
11
=
10 ????
76.06 Ом
= 0,13 ????
U
1
= I
1
* R
1
= 0,13A * 36Oм = 4,68 B
2) U
2
= U
10
= E – U
1
= 10 B – 4.68 B = 5.383 B

9
I
2
=
????
2
????
2
=
5,32 ????
66 Ом
= 0,08 А
3) I
3
=
????
2
????
9
=
5,32 ????
101.99 Ом
= 0,05 А
U
3
= I
3
* R
3
= 0,05A * 67Oм = 3.35 B
4) U
4
= I
3
* R
8
= 0,05 A * 34.99Oм = 1.74 B
I
4
=
????
4
????
4
=
1,74 ????
71 Ом
= 0,02 А
5) U
7
= U
4
= 1,74 B
I
5
=
????
7
????
7
=
1,74 ????
69 Ом
= 0,02 А
U
5
= I
5
* R
5
=0,02 A * 35 Ом = 0.7 B
6) I
6
= I
5
= 0,02 A
U
6
= I
6
* R
6
=0,02 A * 33 Ом = 0,66 B
1.2.
Моделирование процесса работы схемы в программном пакете Multisim
Определим силу тока на каждом участке схемы с помощью амперметров, величину и полярность напряжения на каждом элементе схемы с помощью вольтметров и динамических пробников. Также определим силу тока на двух произвольных участках схемы и величину напряжения на двух произвольных элементах схемы с помощью мультиметров. Все полученные результаты занесём в таблицу 1.
Схема с использованием амперметров представлена на рисунке 1.7.
Рисунок 1.7. Схема с амперметрами

10
Схема с использованием вольтметров представлена на рисунке 1.8.
Рисунок 1.8. Схема с вольтметрами
Схема с использованием динамических пробников представлена на рисунке 9.
Рисунок 1.9. Схема с динамическими пробниками

11
Схема с использованием мультиметров представлена на рисунке 1.10.
Рисунок 1.10. Схема с мультиметрами
Показания мультиметров представлены на рисунке 1.11.
Рисунок 1.11. Схема с мультиметрами

12 1.3. Сравнительный анализ результатов теоретических расчётов и компьютерного моделирования
Показатели
Результаты расчетов
Результаты измерений
Измерения амперметром и вольтметром
Измерения динамическим пробниками
Измерения мультиметрами
R
1
= 36 Ом
U
1
, B
4,68 4,735 10 - 5,27= 4,73
I
1
, A
0,13 0,132 0,132 0,131527
R
2
= 66 Ом
U
2
, B
5,32 5,265 5,27
I
2
, A
0,08 0,08 0,0798
R
3
= 67Ом
U
3
, B
3,35 3,467 5,27 – 1,8 = 3,47 3,467
I
3
, A
0,05 0,052 0,0518
R
4
= 71Ом
U
4
, B
1,74 1,798 1,8
I
4
, A
0,02 0,075 0,0253
R
5
= 35Ом
U
5
, B
0,7 0,925 1,8 – 0,872 = 0,928 0,925227
I
5
, A
0,02 0,076 0,0264
R
6
= 33 Ом
U
6
, B
0,66 0,872
I
6
, A
0,02 0,026 0,026435
Таблица 1.1. Сравнительный анализ теоретических расчетов и результатов моделирования
1.4. Вывод по главе 1
По результатам исследования электрических параметров простейшей электрической цепи с помощью расчётов и в программе Multisim, было установлено, что более точные результаты мы получили с помощью мультиметров, так как у приборов разная точность и результаты измерений расходятся.
Падение напряжения на резисторах R1, R3 и R5 рассчитывалось как разность показаний динамических пробников, подключенных к выводам этих резисторов. Такой расчёт связан с тем, что пробник выводит показание напряжения между проводником схемы, к которому он присоединен, и так называемой «землёй» схемы.

13
Глава 2. Исследование параметров напряжения в схемах с дискретными полупроводниковыми элементами в программном пакете Multisim.
Исходные данные:
R1 = 1 кОм; R2 = 2 кОм; Uвх = 50 В.
С источника переменного напряжения на схему подан гармонический сигнал напряжением
50 В и частотой 100 Гц.
Для исследования параметров напряжений в схеме с дискретным полупроводниковым элементом в пакете Multisim была собрана схема, представленная на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1. Схема исследования параметров напряжений
2.1. Исследование параметров напряжений в схеме
Исследуем параметры напряжений в схеме с диодом и тремя резисторами. Для этого подключим различные осциллографы к схеме и занесём результаты моделирования в сравнительную таблицу.
Схема с подключением двухканального осциллографа Agilent к источнику напряжения представлена на рисунке 2.1.

14
Рисунок 2.1. Схема подключения осциллографа к источнику переменного напряжения
Подключим виртуальный двухканальный осциллограф к схеме. Осциллограмма исследуемых напряжений представлена на рисунке 2.2.
Рисунок 2.2. Подключение виртуального двухканального осциллографа
Результаты моделирования:
????
????
1
(канал А) = 14,431В; ????
????
2
(канал В) = 56,277 В
????
????
1
(канал А) = -23,565 В; ????
????
2
(канал В) = -47,13 В
Подключим двухканальный осциллограф смешанных сигналов Agilent.
Поскольку при данном подключении на канале 2 потенциал меньше 0, сигнал получается инвертированным. Поэтому было выполнено инвертирование данного канала.

15
Осциллограмма напряжений представлена на рисунках 2.3 и 2.4.
Рисунок 2.3. Осциллограмма исследуемых напряжений (канал 1)
Рисунок 2.4. Осциллограмма исследуемых напряжений (канал 2)
Результаты моделирования:
????
????
1
(канал 1) = 14.43 В; ????
????
2
(канал 2) = -47.14 В
????
????
1
(канал 1) = -23.57 В; ????
????
2
(канал 2) = 56.28 В

16
Подключим виртуальный четырехканальный осциллограф. Осциллограмма исследуемых напряжений представлена на рисунке 2.5.
Поскольку при данном подключении на канале В потенциал меньше 0, сигнал получается инвертированным. Поэтому было выполнено инвертирование данного канала.
Рисунок 2.5. Осциллограмма исследуемых напряжений
Результаты моделирования:
????
????
1
(канал А) = 14.429 В; ????
????
2
(канал В) = 56.272 В
????
????
1
(канал А) = -23.567 В;????
????
2
(канал В) = -47.134 В
Подключим четырехканальный осциллограф Tektronix. Осциллограмма напряжений на исследуемых участках представлена на рисунке 2.6.
Рисунок 2.6. Осциллограмма исследуемых напряжений