1.1. Измерение мгновенных значений напряжения с помощью осциллографа

Измерения простой моделью осциллографа Наблюдение за изменением мгновенных и их измерение производится в Workbench с помощью осциллографа. Осциллограф (Oscilloscope в Electronics Workbench) является программой, имитирующей измерительный прибор, используемый в лабораторной практике и обладающий достаточно широким спектром возможностей для наблюдения за процессами в схемах и измерения напряжений в различных точках схемы. В то же время для того, чтобы наблюдать за процессом необходимо предварительно настроить этот довольно сложный инструмент. Описание процесса настройки будет наиболее наглядным, если мы рассмотрим конкретный пример исследовательской задачи. Пусть мы хотим исследовать переходный процесс в RC-цепи с параметрами, приведенными на рис. 1, при включении ее на источник переменного напряжения с частотой S кГц. При этом мы намерены измерить максимальное напряжение на резисторе R на третьем периоде тока и начальную точку пересечения тока с осью абсцисс на этом периоде. Для решения этой задачи необходимо прежде всего подключить осциллограф к резистор) (рис. 2).Для этого сначала нужно мышью вытащить осциллограф на рабочее поле и затем подключить к схеме: вход канала В подключаем к незаземленному выводу конденсатора, верхний правый вывод осциллографа заземляем. При этом мы иммитируем действия, которые производятся при подключении реального прибора к реальной схеме.

Если теперь просто запустить моделирование, то через несколько секунд мы придем к печальному результату приведенному на рис. 2. Мы получили совершенно неинформативную картинку и вдобавок израсходовали какие-то ресурсы о чем сообщает нам программа. Сообщение на экране гласит: "Диск, используемый для записи результатов моделирования, заполнен". Это означает, что превышен объем памяти, отведенной для хранения данных моделирования. В качестве выхода из создавшейся ситуации предлагается выбор: "Остановить моделирование" "Очистить диск и продолжить моделирование " Воспользуемся первой из возможностей, вернув расчет к исходному состоянию. Прямоугольник в левой стороне экрана свидетельствует о том, что цена деления по оси Y нас не устраивает, необходимо раздвинуть картинку , чтобы увидеть вместо прямоугольника синусоиду. Учитывая, что период при частоте 2 кГц составляет 0.5 мс выберем цену деления такой, чтобы период составлял примерно две клетки. Для этого в поле TIME BASE осциллографа установим значение этого параметра 0.2 мс / дел (ms / div). Теперь в меню Circuit выберем пункт Analysis Optous. Открывшееся окно (рис. 3) предлагает выбор различных опций моделирования и информирует о ресурсах. В самой нижней строке приведена информация об объеме временного файла, используемого для хранения данных моделирования. Снова запустив программу на расчет, мы получим уже более информативную картинку (рис. 4).

Однако это мало похоже на переходной процесс. И действительно, то что мы получили -это установившийся режим в данной схеме. Чтобы понять, почему это так, обратимся опять к рис. 3. В верней графе таблицы выделена опция Steady State (установившийся режим). Это 1 означает, что в качестве начальных условий программа использует данные, полученные в установившемся режиме (ненулевые начальные условия). Поскольку наша задача состоит в исследовании переходного процесса, то необходимо выбрать опцию Transient. В этом случае для моделирования программа использует нулевые начальные условия. Если мы теперь запустим программу, то она сменит экран осциллографа три раза, сохранив в результате картинку не отличающуюся практически от рис. 4. Получилось так, что осциллограмма переходного процесса "убежала" за левый край экрана осциллографа.

Выберем теперь в меню Analysis Options в разделе Oscilloscope Dysplay опцию "Pause after each screen" - "Пауза после каждого экрана". Кроме того, увеличим для канала В размах кривой напряжения на экране осциллографа.В результате, после запуска схемы получим картинку, удобную для решения нашей задачи: измерения максимума напряжения на третьем периоде и точки пересечения с осью абсцисс кривой тока в начале этого периода (рис. 5). Амплитуда вычисляется по формуле:

а время Т - по формуле:

Здесь Nгориз и- Nверт - число делений по горизонтальной и вертикальной шкалам, DV и DT - цены делений вертикальной и горизонтальной шкал, считанные с соответствующих табло. Измерения расширенной моделью осциллорафа (Режим Zoom) В настоящее время в серьезной исследовательской практике большое применение находят цифровые запоминающие осциллографы и в версиях Electronics Workbench, начиная с четвертой, модель такого осциллографа вызывается при двойном щелчке на позиции Zoom простого осциллографа. Процедура измерения расширенной моделью не отличается от процедуры измерения простой моделью осциллографа.

На лицевой панели расширенной модели осциллографа имеется три дополнительных табло. Величины отражаемые на них соответственно обозначают Т1 - время, соответствующее позиции первого курсора, VA1 - напряжение на входе А в этой позиции, VB1 - напряжение на входе В в этой позиции, Т2 - время, соответствующее позиции второго курсора, VA2 - напряжение на входе А в этой позиции, VB2 - напряжение на входе В в этой позиции. Третье табло показывает непосредственно разность величин, соответствующих позициям курсоров. Таким образом, подведя курсор к соответствующей точке, можно непосредственно считать с табло мгновенное значение напряжения и момент времени. Поскольку цифровые осциллографы хранят в памяти информацию для всего измеренного ряда мгновенных значений, этапы снятия и обработки информации в них могут быть разделены. Таким же свойством обладает и рассматриваемая модель. Линейка прокрутки внизу экрана позволяет сдвигать картинку от конца процесса до самого начала, прослеживая его в удобном временном масштабе и проводя необходимые измерения мгновенных напряжений и временных интервалов. Пожалуй, единственным недостатком этой модели является то, что она занимает много места на экране монитора.

Реализация дифференциального входа для осциллографа Аналогом дифференциальных усилителей в Electronics Workbench являются зависимые источники напряжения, управляемые напряжением. На рис. 7 показаны схема и осциллограммы измерения сдвига фаз между напряжениями на конденсаторе и катушке индуктивности. Поскольку входное сопротивление этих источников бесконечно велико, они не вносят искажений в режим схемы, а выходной их потенциал при заземлении одного зажима (как на рис. 7) пропорционален (а при единичном коэффициенте передачи просто равен) входному напряжению. Измерение более чем двух напряжений с помощью осциллографа Часто необходимо проследить за изменением сразу трех сигналов (например при исследовании трехфазных цепей). В то же время в программе Electronics Workbench имеется только двухлучевой осциллограф. Для расширения его возможностей можно использовать коммутатор, как это делается в реальных осциллографах. Для этого можно использовать управляемые ключи, имеющиеся среди компонентов Electronics Workbench. Внутренняя структура блока commut представлена на схеме рис. 8. Схема содержит два ключа, управляемых напряжением, один из которых нормально замкнут (если напряжение ниже 0.1 В), другой -нормально разомкнут. Ключи, управляемые с частотой 1 кГц от источника тактовой частоты, включаются попеременно, переключая вход осциллографа с одного входного потенциала на другой. На схеме рис. 9 приведены схема для измерения фазных напряжений в трехфазной сети с использованием коммутатора commut и соответствующие осциллограммы.

Как видно из рис. 9, напряжение на фазе А подано на вход Л непосредственно и рисуется сплошной кривой, напряжения же на фазах В и С поданы через коммутатор и могут быть определены по огибающим. Буквы у кривых проставлены лишь на рис. 9, на экране осциллографа они, конечно, отсутствуют.