Лабораторный практикум по курсам «Электроника», «Электроника и микропроцессорная техника».Часть 1

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана



ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

по курсам «Электроника», «Электроника и микропроцессорная техника»

Часть 1


Под редакцией Р.Ш. Загидуллина


Рекомендовано Научно-методическим советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия











Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 2011

УДК 621.38
ББК 32.85
     Л12



Рецензенты: С.Е. Квашнин, А.Ю. Никифоров

         Лабораторный практикум по курсам «Электроника», Л12 «Электроника и микропроцессорная техника» : учеб. пособие. -Ч. 1 / Д.В. Бутенко, С.В. Беляков, Р.Ш. Загидуллин, Б.Л. Со-зинов, А.С. Черников, Г.С. Черкасова ; под ред. Р.Ш. Загидул-лина. - М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. - 106, [2] с. : ил.



          Содержит описание лабораторных работ по курсу «Электроника» и «Электроника и микропроцессорная техника». Практикум может выполняться на лабораторном стенде c традиционными измерительными приборами, на персональном компьютере с виртуальными измерительными приборами как локально, на стенде, так и в режиме удаленного доступа в сети Интернет. Предполагается, что пользователи знакомы с теоретическими положениями, относящимися к материалу лабораторных работ.
          Для студентов факультетов РЛ, ИУ, БМТ, обучающихся по специальностям «Электроника», «Электроника и микропроцессорная техника».

УДК 621.38
ББК 32.85


© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011

ВВЕДЕНИЕ


   В лабораторном практикуме при измерении ВАХ полупроводниковых приборов на стенде применяют в качестве измерительных приборов мультиметры типа М3900 с цифровой индикацией показаний. Данный прибор можно использовать в качестве вольтметра или амперметра постоянного и переменного напряжения, а также в качестве омметра.
   При обращении к компьютерной технологии измерительные приборы воспроизводятся программной средой LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench), которая является идеальным средством для создания систем измерения, а также систем автоматизации управления. Среда разработки LabVIEW представляет собой пакет прикладного графического программирования, используемый в качестве стандартного инструмента для проведения измерений, анализа данных и последующего управления приборами и исследуемыми объектами. В нашем случае для организации измерительной системы необходимым элементом является DAQ-устройство (от англ. data acquisition - сбор данных). DAQ-устройства могут выполнять разнообразные функции: аналого-цифровое преобразование (A/D), цифроаналоговое преобразование (D/A), цифровой ввод/вывод (I/O) и управление счетчиком/таймером. Блок-схема DAQ-устройства представлена на рис. В.1.


Рис. В.1

3

   DAQ-устройство позволяет осуществлять не только сбор данных, но и их генерирование. В случае преобразования входящего сигнала в дискретную форму, читаемую компьютером, одно и то же DAQ-устройство способно провести большое число различных измерений посредством программ, которые считывают и обрабатывают принятые компьютером данные. Компьютер, оснащенный измерительно-управляющей аппаратной частью, позволяет полностью автоматизировать процесс физических исследований. Создание любой программы для достижения этих целей в среде LabVIEW отличается большой простотой, поскольку исключает множество синтаксических деталей.
   Проведение лабораторных работ в режиме удаленного доступа реализовано на настольной учебно-лабораторной станции NI ELVIS II, общий вид которой показан на рис. В.2.
   NI ELVIS II содержит аппаратную составляющую для построения схем, программное обеспечение по выполнению измерений и подключается к компьютеру с помощью интерфейса Hi-Speed USB 2.0.


1. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ДИОДОВ

   Цель работы - получение и исследование ВАХ германиевого и кремниевого полупроводниковых диодов и определение статических параметров их модели, размещение этой модели в базе данных программ схемотехнического анализа.

Порядок выполнения работы. Традиционный стенд

   1.   Определить диапазон изменений токов и напряжений, допустимых при экспериментальном измерении ВАХ полупроводниковых диодов.
   На каждом лабораторном макете помещены два диода (кремниевый и германиевый) с указанием марок в верхнем правом углу. Паспортные данные диодов следует занести в рабочую тетрадь для последующего представления в отчете по работе.


4

Анализаторы импеданса, Боде, тока и напряжения

Цифровой мультиметр

Рис. В.2

   В паспорте на каждый диод обязательно указывают максимальные прямой ток и обратное напряжение, при превышении которых завод-изготовитель не гарантирует сохранение работоспособности прибора, поэтому при проведении экспериментов следует руководствоваться правилом: токи и напряжения на диоде должны оставаться меньше разрешенных значений.
   2.    Измерить входные сопротивления измерительных приборов токов и напряжений.
   Все реальные измерительные приборы имеют конечное значение входного внутреннего сопротивления: входное сопротивление вольтметров не равно бесконечности, входное сопротивление амперметров не равно нулю. Для того чтобы минимизировать погрешности измерений, подключение измерительных приборов следует проводить с учетом их внутреннего сопротивления.
   Для измерения каждой величины имеется несколько пределов, позволяющих повысить точность. В паспорте на прибор гарантируется, что последняя цифра индикации показаний измерений тока или напряжения имеет точность не хуже 1 %.
   В технических характеристиках на М3900 указано, что при работе в качестве вольтметра входное сопротивление на всех пределах - не менее 10 МОм.
   Проведите первоначально измерения входного сопротивления М3900 при использовании его в качестве вольтметра в диапазоне 2...20 В и убедитесь в его высоком значении. Для этого соберите схему, показанную на рис. 1.1, а.


а                                  б
Рис. 1.1

   В приведенной схеме мультиметр V выполняет роль вольтметра, для которого определяется внутреннее сопротивление, а второй мультиметр A - амперметра, определяющего ток, потребляемый вольтметром. Отношение показаний вольтметра к пока

6

заниям амперметра определяет входное сопротивление вольтметра. При проведении эксперимента следует подать напряжение от источника питания «Марс», близкого к установленному пределу измерения вольтметра. Предел измерения тока устанавливайте из условия получения максимальной точности измерения потребляемого тока (20 или 200 мкА). Результаты измерений занесите в рабочую тетрадь.
   Для измерения входного сопротивления М3900 при использовании в качестве амперметра соберите схему, показанную на рис. 1.1, б. Здесь мультиметр А выполняет роль амперметра, измеряющего входное сопротивление, а второй мультиметр V служит вольтметром, показания которого соответствуют падению напряжения на входных клеммах амперметра. Значение сопротивления R, поставленного в цепь измерения, и напряжение, подаваемое от источника «Марс», определяют ток, при котором происходит измерение. Отношение показаний вольтметра к показаниям амперметра определяет входное сопротивление амперметра R при работе на определенном пределе. Измерения следует провести для амперметра на пределах 200, 20, 2 мА, 200 и 20 мкА со своим номиналом резистора для каждого предела. Напряжение, подаваемое на вход схемы от источника «Марс», подбирается таким, чтобы показания амперметра соответствовали не менее чем половине установленного предела. Результаты измерений занесите в табл. 1 рабочей тетради.


Таблица 1

Предел, мА   R, кОм   U I R = U/I
   200       0,620               
    20         3                 
    2      3 (или 51)            
   0,02       100                

   3.    Измерить прямую ветвь ВАХ полупроводниковых диодов.
   Для экспериментального измерения прямой ветви ВАХ диода следует собрать на лабораторном макете схему, представленную на рис. 1.2, а с одним из имеющихся диодов. Для ограничения тока в цепи измерения следует поставить резистор с сопротивлением R = 620 Ом.


7

а                              б

Рис. 1.2

   При расстановке приборов в данной схеме учтено, что входное сопротивление R вольтметра V1 значительно больше сопротивления диода, а входное сопротивлений R амперметра А1 соизмеримо с ним. Показания вольтметра соответствуют истинному падению напряжения на диоде, а показания амперметра определяют суммарный ток через диод и вольтметр. Так как входное сопротивление вольтметра (около 10 МОм) значительно больше сопротивления диода при прямом токе (около 1... 100 Ом), ошибка в измерении тока через диод незначительна.
   Прямая ветвь ВАХ полупроводникового диода представляет собой быстро восходящую ветвь: начиная с некоторого прямого напряжения, малому его приращению соответствует быстрый рост прямого тока. При экспериментальном измерении подобных характеристик используют следующее правило, позволяющее равномерно заполнить поле (Y - X) экспериментальными точками. Задают ряд значений тока через диод c равными приращениями и фиксируют соответствующие им изменения значений напряжения. Фактически для использования данного метода измерения прямой ветви ВАХ диода необходим регулируемый источник тока с высоким выходным сопротивлением. В лабораторном оборудовании, как правило, есть регулируемые источники напряжения (в данном случае источник «Марс»).
   Для превращения источника напряжения в источник тока в цепь питания последовательно включают сопротивление R. Значение этого сопротивления и максимальное выходное напряжение регулируемого источника определяют возможный максимальный ток в исследуемом приборе, ибо в первом приближении сопротивление диода при прямом смещении можно принять равным нулю. Так, если в схеме поставить резистор с номиналом R = 620 Ом (минимальное сопротивление из магазина сопротивлений на лабораторном макете) и от источника «Марс» подать максимальное

8

напряжение 15 B, то в эксперименте максимальный ток через диод будет ограничен на уровне 24 мА. Реально максимальный ток через диод будет немного меньше, так как при его вычислении не учитывалось падение напряжения на диоде. При установке такого сопротивления появляется возможность плавно регулировать прямой ток диода в пределах 1. ..20 мА, изменяя выходное напряжение источника напряжения «Марс», и гарантировать ограничение прямого тока ниже разрешенного паспортного значения.
   Собрав схему для измерения прямой ветви ВАХ диода на лабораторном макете, установите на М3900 пределы измерения амперметра и вольтметра. Исходя из того что прямой ток может быть на уровне 24 мА, установите предел измерения постоянного тока 200 мА. Прямое напряжение на диоде при любом прямом токе никогда не превышает 1-2 В, поэтому установите на М3900, выполняющем роль вольтметра, предел измерения постоянного напряжения 2 В. После сборки схемы по измерению прямой ветви ВАХ диода обратитесь к преподавателю для проверки вашей схемы и получения разрешения на проведение эксперимента.
   Включив приборы (источник питания, мультиметры), подайте на схему от источника «Марс» максимальное выходное напряжение (15 В) и зафиксируйте ток через диод и падение напряжения на нем. Далее с шагом ~ 2 мА изменяйте ток в диоде и фиксируйте соответствующие каждому току напряжения на нем. Изменение тока через диод происходит за счет изменения выходного напряжения источника, у которого есть два регулятора - «Грубо» и «Плавно». При измерении следите за установкой предела измерения тока. Так, при уменьшении тока, допустим до 18 мА, следует поменять предел измерения амперметра с 200 мА на 20 мА и т. д.
   При уменьшении прямого тока диода до 1-2 мА поменяйте в схеме сопротивление с 620 Ом на 3 кОм (на макете они расположены рядом) и дальнейшее изменение тока от 1 мА и ниже проведите с шагом 200 мкА. Все результаты измерений токов и напряжений следует занести в виде таблицы в рабочую тетрадь с точностью, которую показывают приборы.
   Если предполагается, что в отчете ВАХ диода будет представлена с помощью пакета MathCAD (либо аналогичным), то в эксперименте шаг изменения тока не обязательно выдерживать строго постоянным. Например, можно устанавливать последовательно изменения токов в виде ряда 20 мА, 18,25 мА, 16,73 мА, фиксируя

9

для каждого тока соответствующие напряжения на диоде. Точное выдерживание шага изменения тока необходимо для облегчения построения ручным способом (по точкам) ВАХ диода.
   По окончании измерения прямой ветви ВАХ диода дайте ее графическое отображение, убедитесь, что его вид соответствует теории и в эксперименте не допущены ошибки, результаты представьте преподавателю.
   После одобрения преподавателем результатов эксперимента, замените в схеме диод на другой, имеющийся в макете (на каждом макете один диод кремниевый, другой - германиевый). Повторите измерения прямой ветви ВАХ второго диода по аналогичной методике. Рекомендуется начинать эксперимент с установки максимального тока (в данной работе для обоих диодов максимальный прямой ток диодов составляет около 20 мА) и в дальнейшем его уменьшать. Результаты измерения прямой ветви ВАХ второго диода занесите в виде таблицы в рабочую тетрадь, постройте прямую ветвь ВАХ второго диода на том же графике, что и первого. Графики прямых ветвей ВАХ двух диодов представьте преподавателю, и только после одобрения их приступайте к выполнению следующего задания.
   4.    Измерить обратную ветвь ВАХ полупроводниковых диодов.
   Для измерения обратной ветви ВАХ диодов следует собрать схему, соответствующую рис. 1.2, б. Предлагаемое подключение измерительных приборов для проведения экспериментального измерения обратной ветви ВАХ диодов учитывает, что сопротивление диодов при обратном смещении очень велико. Так, если в паспорте на диод указано, что обратный ток не более 1 мкА при обратном напряжении 10 B (типичные данные для кремниевых диодов), то сопротивление диода при обратном смещении больше или равно 10 МОм. Реально обратные токи у диодов всегда меньше паспортного значения. В силу того что обратное сопротивление диода больше, чем входное сопротивление вольтметра, прибор следует подключить, как на схеме рис. 1.2, б. В приведенной схеме амперметр показывает истинный ток диода, а вольтметр фиксирует суммарное напряжение на диоде и амперметре. Но поскольку входное сопротивление амперметра даже на пределе измерения (20 мкА) на четыре и более порядков меньше сопротивления диода при обратном смещении, ошибка измерения обратного напряжения на диоде будет мала.

10