Вимірювання миттєвих значень напруги за допомогою осцилографа
Вимірювання простою моделлю осцилографа Спостереження за зміною миттєвих та їх вимір проводиться у Workbench за допомогою осцилографа. Осцилограф (Oscilloscope в Electronics Workbench) є програмою, що імітує вимірювальний прилад, що використовується в лабораторній практиці і має досить широкий спектр можливостей для спостереження за процесами у схемах та вимірювання напруг у різних точках схеми. У той же час для того, щоб спостерігати за процесом, необхідно попередньо налаштувати цей досить складний інструмент. Опис процесу налаштування буде найбільш наочним, якщо ми розглянемо конкретний приклад дослідження. Нехай ми хочемо дослідити перехідний процес у RC-ланцюзі з параметрами, наведеними на рис. 1 при включенні її на джерело змінної напруги з частотою S кГц. При цьому ми маємо намір виміряти максимальну напругу на резистори R на третьому періоді струму і початкову точку перетину струму з віссю абсцис на цьому періоді. Для вирішення цього завдання необхідно передусім підключити осцилограф до резистор) (рис. 2). Для цього спочатку потрібно мишею витягнути осцилограф на робоче поле і потім підключити до схеми: вхід каналу підключаємо до незаземленого виведення конденсатора, верхній правий висновок осцилографа заземляємо. При цьому ми імітуємо дії, які виконуються при підключенні реального пристрою до реальної схеми.
Якщо тепер просто запустити моделювання, то за кілька секунд ми прийдемо до сумного результату наведеного на рис. 2. Ми отримали абсолютно неінформативну картинку і також витратили якісь ресурси про що повідомляє нам програма. Повідомлення на екрані говорить: "Диск, який використовується для запису результатів моделювання, заповнений". Це означає, що перевищено обсягпам'яті, що відведена для зберігання даних моделювання. В якості виходу з ситуації пропонується вибір: "Зупинити моделювання" "Очистити диск і продовжити моделювання" Скористаємося першою з можливостей, повернувши розрахунок до вихідного стану. Прямокутник у лівій стороні екрана свідчить про те, що ціна поділу по осі Y нас не влаштовує, необхідно розсунути картинку, щоб побачити замість прямокутника синусоїду. Враховуючи, що період при частоті 2 кГц становить 0.5 мс, виберемо ціну поділу такою, щоб період становив приблизно дві клітини. Для цього в полі TIME BASE осцилографа встановимо значення цього параметра 0.2 мс/діл (ms/div). Тепер у меню Circuit оберемо пункт Analysis Optous. Вікно (рис. 3) пропонує вибір різних опцій моделювання та інформує про ресурси. У нижньому рядку наведена інформація про обсяг тимчасового файлу, який використовується для зберігання даних моделювання. Знову запустивши програму на розрахунок, ми отримаємо вже більш інформативну картинку (рис. 4).
Однак це мало схоже на перехідний процес. Те що ми отримали - це режим, що встановився в даній схемі. Щоб зрозуміти, чому це так, звернемося знову до рис. 3. У правильній графі таблиці виділено опцію Steady State (встановлений режим). Це означає, що в якості початкових умов програма використовує дані, отримані в режимі (ненульові початкові умови). Оскільки наше завдання полягає у дослідженні перехідного процесу, необхідно вибрати опцію Transient. У цьому випадку для моделювання програма використовує початкові нульові умови. Якщо ми тепер запустимо програму, то вона змінить екран осцилографа три рази, зберігши в результаті картинку, що не відрізняється практично від рис. 4.Вийшло так, що осцилограма перехідного процесу "втекла" за лівий край екрану осцилографа.
Виберемо тепер у меню Analysis Options у розділі Oscilloscope Dysplay опцію "Pause after each screen" - "Пауза після кожного екрана". Крім того, збільшимо для каналу розмах кривої напруги на екрані осцилографа.В результаті, після запуску схеми отримаємо картинку, зручну для вирішення нашого завдання: вимірювання максимуму напруги на третьому періоді і точки перетину з віссю абсцис кривої струму на початку цього періоду (рис. 5). Амплітуда обчислюється за такою формулою:
а час Т – за формулою:
Тут Nгоріз і-Nверт - число поділів по горизонтальній та вертикальній шкалах, DV та DT - ціни поділів вертикальної та горизонтальної шкал, раховані з відповідних табло. Вимірювання розширеної моделлю осцилорафа (Режим Zoom) В даний час у серйозній дослідницькій практиці велике застосування знаходять цифрові осцилографи, що запам'ятовують, і у версіях Electronics Workbench, починаючи з четвертої, модель такого осцилографа викликається при подвійному клацанні на позиції Zoom простого осцилографа. Процедура виміру розширеною моделлю не відрізняється від процедури виміру простою моделлю осцилографа.
На лицьовій панелі розширеної моделі осцилографа є три додаткові табло. Величини, що відбиваються на них, відповідно позначають Т1 - час, відповідний позиції першого курсору, VA1 - напруга на вході А в цій позиції, VB1 - напруга на вході У цій позиції, Т2 - час, відповідний позиції другого курсора, VA2 - напруга на вході А в цій позиції, VB2 - напруга на вході в цій позиції. Третє табло показує безпосередньо різницю величин,відповідних позицій курсорів. Таким чином, підвівши курсор до відповідної точки, можна безпосередньо рахувати з табло миттєве значення напруги та момент часу. Оскільки цифрові осцилографи зберігають у пам'яті інформацію для всього виміряного ряду миттєвих значень, етапи зняття та обробки інформації можуть бути розділені. Такою самою властивістю володіє і розглянута модель. Лінійка прокручування внизу екрана дозволяє зрушувати картинку від кінця процесу до самого початку, простежуючи його в зручному часовому масштабі та проводячи необхідні вимірювання миттєвих напруг та часових інтервалів. Напевно, єдиним недоліком цієї моделі є те, що вона займає багато місця на екрані монітора.
Реалізація диференціального входу для осцилографа Аналогом диференціальних підсилювачів Electronics Workbench є залежні джерела напруги, керовані напругою. На рис. 7 показані схема та осцилограми вимірювання зсуву фаз між напругами на конденсаторі та котушці індуктивності. Оскільки вхідний опір цих джерел нескінченно велике, вони не вносять спотворень у режим схеми, а вихідний їхній потенціал при заземленні одного затиску (як на рис. 7) пропорційний (а при одиничному коефіцієнті передачі просто дорівнює) вхідному напрузі. Часто необхідно простежити за зміною відразу трьох сигналів (наприклад при дослідженні трифазних ланцюгів). У той же час у програмі Electronics Workbench є лише двопроменевий осцилограф. Для розширення його можливостей можна використовувати комутатор, як це робиться у реальних осцилографах. Для цього можна використовувати керовані ключі, які є серед компонентів Electronics Workbench. Внутрішня структура блоку commutпредставлено на схемі рис. 8. Схема містить два ключі, керованих напругою, один з яких нормально замкнутий (якщо напруга нижче 0.1), інший -нормально розімкнутий. Ключі, що керуються з частотою 1 кГц від джерела тактової частоти, включаються поперемінно, перемикаючи вхід осцилографа з одного вхідного потенціалу на інший. На схемі рис. 9 наведено схему для вимірювання фазних напруг у трифазній мережі з використанням комутатора commut і відповідні осцилограми.
Як видно із рис. 9, напруга на фазі А подано на вхід Л безпосередньо і малюється суцільною кривою, напруги ж на фазах і З подано через комутатор і можуть бути визначені по огинаючих. Літери у кривих проставлені лише на рис. 9 на екрані осцилографа вони, звичайно, відсутні.