¶ آزمایش هفتهٔ ۳ · نمودار افت و بارگذاری ولتمتر
راهنمای هفته · برنامهٔ درسی · English
¶ هدف و زمان
اثر دستگاهی را بررسی کنید که هنگام اندازهگیری مدار را تغییر میدهد و نمودار افت نمایی بسازید. در پنجشنبه و جمعه ۱۰۰ تا ۱۴۰ دقیقه بگذارید. از نصب LTspice هفتهٔ قبل استفاده کنید. مبنای این آزمایش همان سری و موازی آموختهشده است؛ استخراج کامل تقسیم ولتاژ در هفتهٔ چهارم میآید.
¶ پیشبینی سه حالت · ۲۵ دقیقه
منبع ایدهآل ۱۰ ولت دو مقاومت سری ۱۰ کیلواهم را تغذیه میکند. خروجی بیبار ۵ ولت است. مقاومت فرضی ولتمتر Rm را موازی مقاومت پایین بگذارید. برای ۱۰ کیلواهم، ۱۰۰ کیلواهم و ۱۰ مگااهم، ابتدا Rp=R2 Rm/(R2+Rm)، سپس جریان کل و ولتاژ Rp را حساب کنید. خطای علامتدار (reading−5)/5 × 100% است. جداگانه زمان نصفشدن و مقدار ثانیهٔ دوم v(t)=6 exp(−t/2) را بیابید.
¶ تولید و خواندن نمودار · ۲۰ دقیقه
- بستهٔ آزمایش هفتهٔ ۳ را دریافت کنید و ZIP را از حالت فشرده خارج کنید.
- فایل
lab.pyرا در ویرایشگر پایتون باز و اجرا کنید، یا از پوشهٔ استخراجشده دستورpython3 lab.pyرا اجرا کنید. پایتون ۳ لازم است؛ بستهٔ اضافه نیاز نیست. - کنترلهای چاپشده را بخوانید. نمودارهای SVG را در مرورگر و جدولهای CSV را در صفحهگسترده باز کنید.
نمودار مرجع هم در بسته هست. اجرای lab.py آنها را دوباره میسازد؛ صرف بازکردن تصویر مرجع به معنی اجرای آزمایش نیست.
نمودارهای decay.svg و loading.svg و جدولها را باز کنید. در نمودار بارگذاری x=log10(Rm/Ω) است؛ مقادیر ۳، ۴، ۵، ۶ و ۷ بهترتیب ۱ کیلواهم، ۱۰ کیلواهم، ۱۰۰ کیلواهم، ۱ و ۱۰ مگااهماند. گام افقی برابر، مقاومت را ده برابر میکند. محور عمودی همچنان ولتاژ عادی است و لگاریتم ولتاژ نیست.
¶ تکرار اندازهگیری در LTspice · ۳۰ دقیقه
LTspice شرکت Analog Devices را نصب یا باز کنید. با File → Open فایل circuit.cir در بستهٔ استخراجشده را باز کنید. این فایل نتلیست متنی است و لازم نیست ابتدا شماتیک بکشید. اجرا کنید و در پنجرهٔ نمودار با Add Trace کمیتهای معرفیشده را انتخاب کنید. اگر پنجرهٔ انتخاب فایل پسوندها را محدود میکند، همهٔ فایلها را نمایش دهید. شکل زیر همان اتصال گرههای فایل را توضیح میدهد. فعالیتها فقط شبیهسازی نرمافزاری هستند.
Mogissi Academy Week 3 - voltmeter loading
V1 vin 0 0
R1 vin out 10k
R2 out 0 10k
RMETER out 0 {RM}
.step param RM list 10k 100k 10Meg
.dc V1 0 10 0.5
.save V(vin) V(out) I(R1) I(R2) I(RMETER)
.end
V(out) را رسم کنید. دستور .step جاروب DC را برای سه مقاومت ثابت ولتمتر تکرار میکند. با راهنمای مرحلهها یا انتخاب جداگانهٔ هر اجرا، مقاومت متناظر با هر خط را مشخص کنید. هر سه خروجی را در تنظیم ۱۰ ولت منبع بخوانید. گره ۰ مرجع مشترک است. شاخهٔ RMETER مدل مقاومت ورودی ولتمتر است، نه منبع مستقل دوم. برای ده مگااهم در SPICE عبارت 10Meg بنویسید؛ M در SPICE میلی تفسیر میشود، نه مگا.
¶ نتایج مورد انتظار
| ورودی ولتمتر | قرائت در منبع ۱۰ ولتی | خطای علامتدار |
|---|---|---|
| ۱۰ کیلواهم | ۳٫۳۳۳۳۳ ولت | ۳۳٫۳۳۳۳٪− |
| ۱۰۰ کیلواهم | ۴٫۷۶۱۹۰ ولت | ۴٫۷۶۱۹٪− |
| ۱۰ مگااهم | ۴٫۹۹۷۵۰ ولت | حدود ۰٫۰۵۰۰٪− |
زمان نصفشدن افت نمایی 2 ln 2≈1.3863 s و مقدار ثانیهٔ دوم 6/e≈2.2073 V است. دستگاه کاملاً کالیبرهشده هم میتواند با بارگذاری ولتاژ مدار را کم کند. مشخصهٔ درستی و خطای بارگذاری دو اثر متفاوتاند.
¶ خروجی و معیار آمادگی · ۲۵ دقیقه
دو نمودار پایتون، جاروب سه حالت ولتمتر و جدول مقایسهٔ دستی، پایتون و LTspice را نگه دارید. محور لگاریتمی و پسوند Meg را توضیح دهید. بگویید کدام دستگاه کمترین خطای بارگذاری را دارد و چرا. یک حالت را بدون نگاهکردن از مقاومت موازی بازحل کنید. برای اجرایی که انجام ندادهاید ادعای توافق شبیهسازی نکنید.