本实验室教程讨论了一个典型的本科电子实验室练习，以及如何使用 Moku:Go 及其 Windows 和 macOS 应用程序有效地进行练习，同时教授电路中电容器充电和放电的基础知识。 该实验室是与底特律梅西大学联合创建的。
Moku:Go
Moku:Go 在一台高性能设备中结合了 14 多种实验室仪器，具有 2 个模拟输入、2 个模拟输出、16 个数字 I/O 引脚和可选的集成电源。
介绍
示波器是电气工程师在整个本科教育和职业生涯中最常用的工具之一。 该实验室旨在向入门级电路分析课程的本科生介绍示波器和可编程电源。 您将使用 Moku:Go 完成本实验，其中涵盖电容器的充电和放电瞬变。 下面的图 1 显示了 Moku:Go 的示波器中的测量结果的图像。
本实验的目的不仅是介绍示波器，还介绍电容器的充电和放电。 电容器是电路中的基本元件之一，了解它们的各种特性对于成为一名成功的工程师至关重要。 电容器最广为人知的特性之一是它们可以以极板上电压差的形式储存能量。 然而，这种能量存储在电容器中需要非零时间，这在设计时序电路或电源控制电路时实际上是一个非常有用的特性。 本实验教程进一步研究了电容器充电至指定电压所需的时间。
图 1：示波器图像
实验前练习
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第一个练习是熟悉充电电容器瞬态电压的表达式。 下面的图 2 显示了一个带有充电电容器和一个在 t = 0s 时闭合的开关的电路。 使用 KVL 求解电容器两端的电压 VC(t)。
提示：回忆通过电容器的电流方程 i=C(dv/dt)
图 2：充电电容器设计
此练习对于培养基本的工程技能非常重要，例如从 KVTL 推导电路的方程式以了解其在测试下的运行方式。
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重复前面的练习，除了现在要放电的电容器。 下面的图 3 显示了一个带有放电电容器和一个在 t = 0s 时打开的开关的电路。
图 3：放电电容示意图
此练习对于培养基本的工程技能非常重要，例如从 KVL 推导电路的方程式以了解其在测试下的运行方式。 让学生使用 R 和 C 的各种串联或并联组合来推导此公式可能很有用。
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对图 2 中的充电电路使用以下值。当 t = 1ms 时求 VC
- VS = 15.5 V.
- R = 330Ω
- C = 10 微法
这个练习有利于在实验过程中应用导出的方程式并用预期结果确认实验值。
使用相同的值和练习 1 中的计算，计算
- 电容器两端的初始电压 VC(0)
- 电容器两端的最终电压 VC（∞）
- 时间常数，τ
这个练习对于应用课堂上关于时间常数的理论和培养工程直觉很有用。
实验装置
平台组件
- 莫库：走 [1x]
- 电阻 330Ω [x2]
- 电阻 1kΩ [x2]
- 电容 10μF [x1]
- 面包板 [x1]
实验室程序
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使用 R4 = R1 = 2 Ω 和 C = 330μF 构建图 10 中的电路。
图 4：充电电容器实验室电路
R2 如何影响时间常数 τ 和最终电压 VC 与您的实验前练习相比？
对于本实验室的学生来说，这是一个很好的练习，因为它引入了一些基本电路理论，例如分压器，以展示它如何影响电路的时间常数和最终电压。 学生应该发现时间常数减小，从而导致电容器达到其最终电压所需的时间减少。 随后，由于分压器使用两个并联的 2Ω 电阻器，最终电压降低了 330 倍。
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确保您的计算机上下载了最新版本的 Moku：桌面应用程序。 您可以从以下位置下载该软件 此处.
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将磁性电源适配器插入 Moku:Go 并等待前面的 LED 变为绿色。
Moku:Go 可以通过三种不同的方式连接到您的笔记本电脑：以太网、USB-C 或 Wi-Fi。 请参阅 Moku:Go 快速入门指南 关于如何连接您的 Moku：转到您的计算机。 连接后，Moku:Go 将显示在 Windows 或 MacOS 应用程序的设备选择屏幕中。
图 5：Moku App 设备选择屏幕
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现在您的 Moku:Go 已连接，双击示波器仪器。 右侧控件抽屉中将有五个不同的选项卡； 这些访问通道、时基、触发器、测量和电压表设置。
- 将触发模式设置为单次。 这使您可以捕获单个瞬态波形。
- 启用通道 1 和输入 1 的源。
- 触发类型选择边沿，充放电练习选择上升沿或下降沿。
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要将电压源应用于您的电路，请导航至主菜单按钮 
在屏幕的左上角，然后单击“电源”。
图 6：电源设置
确保 PPSU 2 已打开并设置为 15.5V。
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在 Moku:Go 的示波器上捕捉充电电容器的瞬态电压波形。
再次导航到触发选项卡并找到触发级别设置。 触发电平用于使示波器显示屏上的波形居中。 如果触发电平介于初始电压和最终电压之间，充电波形将在充电电压超过触发电平的瞬间 t = 0s 时显示在显示屏的中心。 对于本实验，将触发电平设置为电路的 RC 时间常数很有帮助。 您可以使用公式 1 计算该值，该值应约为最终电压的 63.2%。
下面的图 7 显示了充电电容器的示波器显示应该是什么样子的示例。
图 7：充电电容器的示波器显示
一旦您的绘图类似于图 7，请使用光标测量以下内容：
- 电容器两端的初始电压 VC(0). 将其设为参考电压光标。
- 电容器两端的稳态电压 VC(∞)。
- 时间常数，τ1. （即从开关闭合到 V 时的时间C(t) = 0.632*VC(∞))。
- 一个时间常数 V 后电容器两端的瞬时电压C（t1)
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重复步骤 6，但针对放电电容器的瞬态电压。
对于放电电路，请确保边缘类型设置为下降，因为电压会在开关打开后立即开始下降。 重复相同的过程来确定触发电平，但这次将初始电压乘以 36.8% 以获得最佳值。
下面的图 8 是该图的外观。
图 8：放电电容器的示波器显示
一旦绘图类似于图 8，请使用光标测量以下内容：
- 电容器两端的初始电压 VC(0). 将其设为您的参考电压。
- 电容器两端的稳态电压 VC(∞)。
- 时间常数，τ2. （即从开关闭合到 V 时的时间C(t) = 368*VC(0))。
- 一个时间常数 V 后电容器两端的瞬时电压C（t2)
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使用以下值重复步骤 6 和 7。 等式 1 和 2 是否仍然成立？
- Vs = 5 伏
- R1 = R.2 = 1kΩ
- C = 10 微法
总结
这个关于一阶瞬态电路的实验室很好地介绍了电气工程仪器和实用实验室技能。 Moku: 平台有很多仪器可供使用，这个实验室使用了示波器和四个集成可编程电源之一的独特组合。 通过 Moku: 应用程序中的屏幕截图或文件共享，可以轻松地发布和报告结果。 您可以通过单击屏幕顶部的云图标来执行此操作。 下面的屏幕截图显示了如何保存结果。
图 9：示波器数据导出
Moku:Go 的好处
对于教育工作者和实验室助理
- 有效利用实验室空间和时间
- 易于一致的仪器配置
- 专注于电子设备而不是仪器设置
- 最大化实验室助教时间
- 个人实验室，个人学习
- 通过屏幕截图简化评估和评分
对于学生
- 以自己的节奏进行的各个实验室可以增强理解和记忆
- 便携式，选择实验室工作的节奏、地点和时间，无论是在家、在校园实验室还是远程协作
- 熟悉的 Windows 或 macOS 笔记本电脑环境，但配备专业级仪器
Moku:Go 演示模式
您可以在 Liquid Instruments 下载适用于 macOS 和 Windows 的 Moku:Go 应用程序 官网. 演示模式无需任何硬件即可运行，并提供了使用 Moku:Go 的精彩概述
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