1. Назначение

1.1.Универсальный лабораторный стенд “Сигнал-USB” (далее стенд) предназначен для проведения лабораторных работ по курсам “Основы теории цепей ” и “Радиотехнические цепи и сигналы” в высших и средних профессиональных образовательных учреждениях и предназначен для работы при температуре от +10 до +35°С и относительной влажности воздуха до 80% при 25°С

2. Основные технические данные

2.1. Потребляемая мощность, В*А не более 80

2.2. Электропитание от сети переменного тока напряжением, В 220 ± 22 и частотой, Гц 50 ± 0,4

2.3. Источник питания вырабатывает стабилизированные напряжения, В 5, ± 15 при максимальном токе нагрузки по каждому напряжению, А 1

2.4. Погрешность величины выходного напряжения, % не более 5

2.5. Коэффициент пульсации выходного напряжения, % не более 0,5

2.6. Готовность стенда к работе после его включения, мин 5

2.7. Резонансная частота транзисторного усилителя, кГц 100±2

2.8. Коэффициент усиления транзисторного усилителя при резонансе, при напряжении смещения 0,7 В и амплитуде входного сигнала 20 мВ не менее 20

2.9. Точность установки и измерения постоянного напряжения смещения на гнезде «1:1», % не более 3

2.10. Коэффициент передачи сумматора со входов U₁ и U₂ на выход U₃ не менее 0,9

2.11. Частота среза ФНЧ Баттерворта, кГц 2±0,1

2.12. Неравномерность частотной характеристики ФНЧ Баттерворта в диапазоне частот 0 – 1 кГц, дБ не более 0,5

2.13. Различие полуволн сигнала на выходе нелинейного элемента НЭ2 при подаче на вход гармонического сигнала с частотой 10 кГц и амплитудой 2В, % не более 10

2.14. Различие амплитуд генерируемого и измеряемого сигналов в режиме работы с компьютером при генерации гармонического сигнала, % с частотой 10 кГц не более 5 с частотой 100 кГц не более 10

2.15. Точность установки частоты генерируемого сигнала, % не более 1

2.16. Максимальная частота генерируемого сигнала, кГц не менее 500

2.17. Уровень шума создаваемого стендом, дБ не более 50

2.18. Средняя наработка до отказа, ч не менее 500

2.19. Средний срок службы до списания, лет не менее 5

2.20. Габаритные размеры, мм не более 300х200х100

2.21. Вес, кг не более 5

3. Комплектность

3.1. Комплект поставки должен соответствовать указанному в таблице 2

Таблица 2

4. Устройство и принцип работы

4.1. Внешний вид стенда приведен на рис.1.

Рис.1. Внешний вид универсального лабораторного стенда “Сигнал-USB”.

Рис.2. Внешний вид задней панели универсального лабораторного стенда “Сигнал-USB”

Универсальный лабораторный стенд «Сигнал–USB» содержит две платы: нижнюю с блоком питания и вспомогательными усилителями и аттенюаторами и верхнюю, на которой смонтированы исследуемые устройства: универсальный транзисторный усилитель, сумматор и операционный усилитель, нелинейные звенья, фильтр нижних частот Баттерворта и вспомогательный источник постоянного напряжения.

4.2.Верхняя панель стенда.

Верхняя панель стенда показана на рис.1. На ней расположены:

· наборное поле, на котором с помощью сменных деталей собирают исследуемую электронную схему;

· кнопки «Вкл» и «Выкл», с помощью которых включается и выключается напряжение питания всех узлов, расположенных на верхней панели стенда;

· гнезда для вывода напряжений +5 В, ±15 В для питания исследуемых устройств;

· гнезда «Ген», к которым подводится сформированный компьютером сигнал; максимальная амплитуда сигнала – 10 В; выходное сопротивление источника сигнала – 5 Ом.

· гнезда «Изм1» и «Изм2», с которых измеряемый сигнал подается на вход аналого-цифрового преобразователя и далее – в компьютер; входное сопротивление – около 2 МОм;

· гнезда для подключения исследуемых узлов;

· кнопки для коммутации и управления исследуемыми устройствами;

· индикаторные светодиоды;

· кнопки для управления величиной постоянного напряжения и индикатор (цифровой вольтметр) этого напряжения;

· гнезда Г1 и Г2 соединенные с коаксиальными разъемами на задней стенке стенда, предназначенными для подключения внешних приборов.

4.3.Наборное поле.

На стенде применено наборное поле фирмы Wisher Enterprise Co, контакты которого рассчитаны более чем на 10000 коммутаций. Наборное поле содержит около 800 гнезд, которые соединены друг с другом в средних рядах группами по 5 штук вертикально; в верхних и нижних рядах гнезда соединены горизонтально, как показано на рис.3. Гнезда не соединены ни с какими другими элементами стенда. В гнезда вставляют сменные детали и соединительные проводники для подведения и снятия сигнала. Диаметр вставляемых в гнезда проводников должен лежать в пределах от 0,3 до 0,8 мм. Шаг наборного поля составляет 2,54 мм, что позволяет собирать электронные схемы с использованием микросхем.

Рис.3. Схема соединения гнезд на наборном поле

4.4.Универсальный транзисторный усилитель.

Упрощенная схема усилителя представлена на верхней панели стенда. С помощью кнопок можно подключать к коллекторной цепи в качестве нагрузки резистор; колебательный контур с резонансной частотой 100 кГц; колебательный контур, зашунтированный резистором R_ш; произвольную нагрузку Z_н. Индикация подключенной нагрузки осуществляется с помощью светодиодов. Напряжение с выхода усилителя поступает на гнездо U₂. В усилителе предусмотрена возможность регистрации и измерения коллекторного тока посредством снятия сигнала с резистора R = 20 Ом и последующего его усиления.

Напряжение питания усилителя – 10 В. Тип транзистора и режим его работы подобраны таким образом, чтобы можно было исследовать как линейный, так и нелинейный режимы работы усилителя.

Коэффициент усиления усилителя в зависимости от величины напряжения смещения составляет от 30 до 150, полоса пропускания – от 3 до 4 кГц.

Рекомендуемый режим работы при снятии АЧХ: напряжение смещения 0,7 – 0,8 В, амплитуда входного сигнала – 20 мВ.

В режиме нелинейного резонансного усиления амплитуда входного напряжения не должна превышать 0,5 В.

4.5.Сумматор.

На верхней панели изображена условная схема узла. Суммируемые сигналы подаются на гнезда U₁ и U₂. В частности, на один из входов сумматора может подаваться исследуемый сигнал, а на другой вход – постоянное напряжение смещения; сумма этих напряжений с выхода сумматора U₃ может подаваться на вход U₁ транзисторного усилителя.

4.6.Нелинейный элемент.

Нелинейный элемент представляет собой нелинейный безынерционный четырехполюсник с проходными характеристиками двух видов: типа «однополупериодный выпрямитель» и типа «двухполупериодный выпрямитель». Коммутация характеристик осуществляется с помощью кнопок. Рекомендуемая величина напряжения, подводимого к нелинейному элементу – от 0,5 до 10 В.

4.7.Фильтр нижних частот.

На стенде смонтирован фильтр нижних частот Баттерворта 6-го порядка с частотой среза 2 кГц. Ослабление на частоте 4 кГц – не хуже 30 дБ. Фильтр собран на операционных усилителях с напряжением питания ±15 В, которое включается кнопкой «Вкл» на правой верхней части лицевой панели. Коэффициент передачи фильтра на низких частотах – равен 1, максимальное напряжение сигнала на входе фильтра – 5 В .

4.8.Источник ЭДС.

Источник ЭДС используется для подачи постоянного напряжения смещения на исследуемое устройство. Величина напряжения регулируется с помощью кнопки и может изменяться от –10 В до +10 В с изменяющимся шагом 0,1 В или 0.01В при снятии напряжения с гнезда «1:1». При снятии с гнезда «1:5» значения напряжения в 5 раз меньше. Выходное сопротивление источника ЭДС на гнезде «1:1» – 2 кОм, на гнезде «1:5» - 500 Ом.

4.9.Вспомогательные элементы и гнезда на верхней панели стенда.

Исследуемый сигнал формируется стендом под управлением от компьютера. Через вспомогательный усилитель и мощный повторитель, выходное сопротивление которого равно 5 Ом, он подается на гнезда «Ген». С этих гнезд сигнал с помощью внешних соединительных проводников подается на исследуемое устройство.

Гнезда «Изм1» и «Изм2» соединены с высокоомными входами усилителей, с которых исследуемый сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь и далее – в компьютер. Входное сопротивление усилителя – около 2 МОм, максимальное напряжение сигнала – ±10 В.

Гнезда «+5 В», «-15 В», «+15», служат для питания исследуемых устройств, собираемых на наборном поле. Все встроенные узлы стенда питаются от внутреннего источника питания, напряжение на них подается при горящих индикаторных светодиодах «+5 В», «-15 В», «+15 В».

Гнезда «Г1» и «Г2» соединены с коаксиальными разъемами, расположенными на задней стенке стенда. Они предназначены для подключения внешних радиоизмерительных приборов.

4.10.Сменные детали.

Сменные детали предназначены для сборки исследуемой схемы на наборном поле. В комплект сменных деталей входят:

· резисторы: 10 Ом, 18 Ом, 30 Ом, 100 Ом, 1 кОм, 2 кОм, 3 кОм, 5 кОм, 10 кОм, 20 кОм, 47 кОм, 100 кОм, 300 кОм, 1 МОм;

· конденсаторы: два одинаковых конденсатора емкостью около 1 нФ (для колебательных контуров), два конденсатора 2 нФ, по одному конденсатору 5,1 нФ, 10 нФ, 22 нФ, 33 нФ, 47 нФ, 100 нФ, 1 мкФ;

· две одинаковые катушки индуктивности около 2,1 мГн;

· два диода Д-219.

4.11.Соединительные проводники и запасные детали.

К стенду прилагается 12 гибких и 70 жестких проводников различной длины для сборки и подключения исследуемой схемы и запасные колодки для подпайки дополнительных сменных элементов.

4.12.Формирование радиотехнических сигналов.

Программное обеспечение комплекса позволяет формировать радиотехнические сигналы несколькими способами:

· выбор сигналов с помощью меню, которое включает в себя сумму гармонических сигналов с произвольными частотами, амплитудами и фазами (до 5 гармоник), модулированные сигналы, видеоимпульсы различной формы;

· формирование импульсов по узловым точкам, координаты которых задаются численно. Таким методом формируются видеоимпульсы прямоугольной, треугольной, трапециевидной и любой другой формы, описываемой отрезками прямых линий, а также радиоимпульсы с произвольной частотой заполнения и огибающей из отрезков прямых линий;

· формирование псевдослучайных сигналов осуществляется с помощью меню. Можно формировать «белый» шум с шириной спектра 2 МГц и заданным законом распределения (нормальным, равномерным, релеевским и райсовским) и нормальный случайный процесс с произвольной корреляционной функцией.

4.13.Измерение характеристик сигналов.

Программное обеспечение позволяет осуществлять следующие действия:

· получение осциллограмм с возможностью измерения напряжений и временных интервалов с помощью маркеров;

· получение спектрограмм с возможностью определения амплитуд и частот гармоник;

· для случайных процессов – наблюдение реализаций, измерение плотностей вероятности, интегральных законов распределения, корреляционных функций и энергетических спектров.

4.14.Ассортимент исследуемых устройств:

· произвольные электрические цепи, собираемые на наборной панели из прилагаемых элементов, а также любых других элементов, по желанию пользователя;

· универсальный транзисторный усилитель с нагрузкой в виде резистора, колебательного контура или с произвольной нагрузкой;

· нелинейный элемент, изображенный на верхней панели стенда;

· фильтр нижних частот Баттерворта 6-го порядка;

· произвольные электронные схемы, собираемые из узлов верхней панели с использованием наборного поля.

4.15.Измерение характеристик радиотехнических цепей и устройств:

· снятие амплитудно-частотных, фазо-частотных, импульсных и переходных характеристик линейных цепей;

· снятие вольтамперных характеристик нелинейных элементов;

· снятие колебательных, модуляционных и детекторных характеристик нелинейных устройств.

4.16.Сопоставление экспериментальных результатов с расчетными:

· одновременное наблюдение осциллограмм сигналов на входе и выходе цепи, как экспериментальных, так и расчетных (режим четырехлучевого осциллографа);

· возможность измерения параметров исследуемой цепи двумя способами: как по характерным точкам, так и по всему массиву экспериментальных точек.

4.17. Стенд позволяет проводить следующие лабораторные работы.

Лабораторные работы по дисциплине «Основы теории цепей».

1. Разветвленная цепь постоянного тока.

2. Последовательная RC-цепь при воздействии гармонических колебаний.

3. Последовательная RL-цепь при воздействии гармонических колебаний.

4. Частотные характеристики однозвенных RC-цепей.

5. Частотные характеристики двухзвенных RC-цепей.

6. Частотные характеристики последовательного колебательного контура.

7. Частотные характеристики параллельного колебательного контура.

8. Частотные характеристики связанных колебательных контуров.

9. Переходные характеристики апериодических и колебательных цепей.

10. Апериодические цепи при импульсных воздействиях.

11. Импульсные характеристики апериодических и колебательных цепей.

12. Цепи с нелинейным двухполюсником.

13. Стационарные процессы в линии передачи.

Лабораторные работы по дисциплине «Радиотехнические цепи и сигналы».

1. Гармонический анализ и синтез сигналов.

2. Воздействие АМ-сигналов и радиоимпульсов на резонансные цепи.

3. Нелинейное резонансное усиление.

4. Получение сигналов с амплитудной модуляцией.

5. Детектирование АМ-сигналов.

6. Законы распределения случайных процессов.

7. Корреляционные функции и энергетические спектры.

8. Прохождение случайных сигналов через линейные цепи.

9. Узкополосные случайные процессы.

5. Указания мер безопасности

5.1. К работе на стенде допускаются лица, ознакомленные с его устройством, принципом действия и мерами безопасности в соответствии с требованиями, приведенными в настоящем разделе.

5.2. Перед эксплуатацией стенда подключите заземляющий винт на его корпусе, обозначенный знаком " ", к контуру заземления лаборатории.

5.3. Наладочные работы, осмотры и ремонт производить только после отключения стенда от сети питания с помощью сетевой вилки.

5.4. Запрещается во время работы отключать кабели, соединяющие между собой отдельные составные части стенда.

5.5. Запрещается работа на стенде при снятом кожухе.

6. Подготовка к работе

6.1. Произведите внешний осмотр стенда и убедитесь в целостности индикаторных светодиодов, надежном креплении крепежных винтов, отсутствии оторванных проводов в монтаже и т.д.

6.2. Соедините стенд с компьютером плоским шлейфом.

6.3. Вставьте сетевую вилку в сеть 220В.

6.4. Включите стенд выключателем “сеть” на задней панели (рис.4). При этом должен загореться индикаторный светодиод в правом верхнем углу на верхней панели стенда.

6.5. Подключите к разъему Г1 на задней стенке стенда источник сигнала, а к разъему Г2 на задней стенке - измерительный прибор (вольтметр или осциллограф).

6.6. Включите радиоизмерительные приборы.

6.7. Включите компьютер.

6.8. После загрузки системы запустите программу "ГИС".

6.8. После прогрева в течении 10-15 минут, проверить работоспособность лабораторной установки. Для этого соединить гнезда "Ген" и "Изм" на стенде и в режиме "Характеристики сигналов и цепей" подать гармонический сигнал с частотой 1 кГц и амплитудой 1 В. Наблюдать осциллограммы генерируемого и измеряемого сигнала. Они должны совпадать.

7. Порядок работы

7.1. Исследование электрической цепи, содержащей только пассивные элементы.

7.1.1. Соберите исследуемую цепь на наборном поле.

7.1.2. Если Вы работаете с внешними радиоизмерительными приборами, сигнал на вход исследуемой цепи нужно подавать с гнезд Г1 на верхней панели стенда, а измеряемый сигнал с выхода цепи должен подаваться на гнезда Г2 на верхней панели.

7.1.3. Если Вы работаете с компьютером, сигнал на вход исследуемой цепи нужно подавать с гнезд "Ген" на верхней панели стенда, а измеряемый сигнал с выхода цепи должен подаваться на гнезда "Изм" на верхней панели.

7.1.4. Напряжение питания верхней панели стенда включать не нужно.

7.1.5. Провести необходимые измерения.

7.2. Исследование электронной схемы, содержащей активные элементы.

7.2.1. Собрать исследуемую электронную схему с помощью соединительных проводников и сменных деталей.

7.2.2. Подключить вход схемы к источнику сигнала, а выход - к измерительному устройству, как указано выше.

7.2.3. Включить питание верхней панели стенда с помощью кнопки "Вкл". При этом должны загореться три индикаторных светодиода.

7.2.4. Провести необходимые измерения.

7.2.5. Выключить питание верхней панели стенда с помощью кнопки "Выкл".

7.3. Исследование электронной схемы, содержащей операционный усилитель

При работе с операционным усилителем необходимо соблюдать осторожность, чтобы не допустить подачу сигнала на вход усилителя при выключенном напряжении питания. Для этого необходимо соблюдать следующую последовательность действий.

7.3.1. Нажать кнопку "Сумматор", при этом должен загореться соответствующий индикаторный светодиод.

7.3.2. Собрать исследуемую электронную схему при выключенном питании верхней панели стенда.

7.3.3. Включить питание верхней панели стенда.

7.3.4. Включить операционный усилитель нажатием кнопки "Опер. усил.".

7.3.5. Провести необходимые измерения.

7.3.6. Отключить операционный усилитель нажатием кнопки "Сумматор", после этого выключить питание верхней панели стенда и разобрать исследуемую цепь.

7.4. Работа с транзисторным усилителем

7.4.1. При работе с транзисторным усилителем на его вход кроме напряжения сигнала нужно подать напряжение смещения. Для этого на один вход сумматора нужно подать сигнал, а на другой вход - требуемое напряжение смещения с гнезда 1:1 источника ЭДС. Выход сумматора (гнездо U₃) соединить с входом транзисторного усилителя (гнездо U₁).

7.4.2. Подключить требуемую нагрузку в коллекторной цепи. Усиленный сигнал снимать с гнезда U₂.

7.4.3. Включить питание верхней панели стенда и произвести необходимые измерения.

7.4.4. Выключить питание стенда и разобрать схему.

Примечание. При работе компьютерной программы в режиме "Исследование сигналов и цепей" можно не использовать сумматор, а напряжение смещения формировать программным путем (см. Компьютерная генераторно-измерительная система. Краткое руководство для пользователя). При снятии частотных характеристик необходимо использовать сумматор и источник ЭДС на верхней панели стенда, как указано выше.

8. Техническое обслуживание

8.1. Перечень и содержание работ по техническому обслуживанию стенда, приборы и материалы, необходимые для проведения работ, приведены в таблице 3.

Таблица 3

9. Возможные неисправности и методы их устранения

Возможные неисправности и методы их устранения приведены в таблице 4.

Таблица 4

10. Гарантии изготовителя

10.1 Предприятие-изготовитель гарантирует нормальную работу стенда и соответствие его требованиям технических условий ТУ в течение 12 месяцев со дня ввода его в эксплуатацию, но не более 24 месяцев со дня приобретения. Стенды, у которых в течение гарантийного срока обнаруживается несоответствие требованиям технических условий, безвозмездно заменяются или ремонтируются предприятием-изготовителем при условии соблюдения потребителем правил транспортирования, хранения и эксплуатации.