Учебное пособие, страница 4

Цель работы: Экспериментальное определение (измерение) амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и фазочастотной характеристики (ФЧХ) RC- и RL- цепи первого порядка, сравнение экспериментальных зависимостей с теоретическими характеристиками данных цепей.

Порядок выполнения работы

1. На рис. 7.1 приведены элементы, смонтированные на плате лабораторного макета, указаны номера клемм, к которым следует подключать источник сигнала, измерительные приборы и проводники, осуществляющие заземление. Вставьте плату в разъем универсального лабораторного источника питания (лабораторного столика), включите источник питания и соберите схему рис. 7.3. Исследуемая цепь представляет собой одну из схем, приведенных на рис. 7.2 (конкретную схему для вашего исследования вам укажет преподаватель).

Рис. 7.1

1. Установите частоту входного гармонического сигнала 1 кГц, амплитуду – в пределах 0,5 … 2 В (контроль периода колебаний и амплитуды осуществляется по осциллографу). Подключая осциллограф поочередно на вход и выход исследуемой цепи, пронаблюдайте входной и выходной гармонические сигналы; отметьте, изменяется ли частота, амплитуда.

а) б)

в) г)

Рис. 7.2

Рис. 7.3

1. Подключив вольтметр ко входу исследуемой цепи, измерьте действующее значение входного напряжения, запишите его. Далее подключите вольтметр к выходу, а осциллограф – ко входу цепи. Используйте осциллограф для контроля амплитуды входного сигнала. Если при изменении частоты она станет меняться, восстанавливайте прежнее значение путем регулировки амплитуды на панели генератора сигнала. В течение всех измерений амплитуда входного сигнала должна поддерживаться постоянной. Изменяя частоту сигнала, измеряйте вольтметром действующее значение выходного напряжения. Шаг и диапазон изменения частоты установите самостоятельно, исходя из того, чтобы проследить общий характер АЧХ. Общее количество экспериментальных точек 10–12. Коэффициент передачи по напряжению вычислите для каждой частоты по формуле:

, (7.1)

где U_вх и U_вых – действующие значения входного и выходного напряжений. Результаты измерений занесите в таблицу:

Таблица 7.1

f, кГц		…
Uвых, В		…
К		…

1. Постройте график АЧХ К(f). Отметьте на графике граничную частоту f_гр (К(f_гр) = 0,707 К_max), рассчитайте постоянную времени цепи:

(7.2)

1. Соберите схему рис. 7.4, предназначенную для измерения ФЧХ. Осциллограф включается в режим внешней синхронизации. Косвенное измерение фазового сдвига между выходным и входным сигналами основывается на прямом измерении временного сдвига. Осциллограф поочередно включается на вход и выход исследуемой цепи. Установите характерную точку входного сигнала (переход через нуль) в центре экрана. Измеряйте смещение этой точки у выходного сигнала. Измеряйте также период сигнала. Для ускорения измерений временной сдвиг и период рекомендуется определять в делениях сетки, нанесенной на экран осциллографа. Частоты устанавливайте те же, что и при измерении АЧХ. При увеличении частоты изменяйте скорость развертки (масштаб по оси времени), чтобы на экране укладывалось не более одного периода сигнала, иначе измерения временного сдвига будут очень неточными. Условно будем считать временной сдвиг положительным ( > 0), если выходной сигнал опережает по фазе входной (сдвигается влево). В случае запаздывания выходного сигнала (сдвиг вправо) временной сдвиг считается отрицательным ( < 0) (см. рис. 7.5).

Рис. 7.4

а) б)

Рис. 7.5

Фазовый сдвиг рассчитайте по формуле:

(7.3)

Занесите результаты измерений в таблицу:

Таблица 7.2

f, кГц		…
, дел.		…
Т, дел.
, рад		…

Постройте график ФЧХ  (f).

1. Установите частоту, на которой значение АЧХ в 2–3 раза меньше максимального, и изобразите в одних координатных осях осциллограммы входного и выходного гармонических сигналов. Обозначьте на графиках сигналов их амплитуды, период и временной сдвиг.

2. Напишите комментарии и выводы по проделанной работе. Опишите ход кривых АЧХ и ФЧХ (что вы наблюдаете в области нижних частот, что – в области верхних частот). Объясните ход кривых, учитывая изменения комплексных емкостного и индуктивного сопротивлений с ростом частоты. Запишите выражения для АЧХ и ФЧХ исследуемой схемы на основании теоретических соображений и сравните теоретические и экспериментальные зависимости.

8. Лабораторная работа «Частотные характеристики
последовательного колебательного контура»

Цель работы: Экспериментальное определение (измерение) АЧХ и ФЧХ последовательного колебательного контура при съеме напряжения с сопротивления, емкости или индуктивности, объяснение полученных закономерностей на основании физических процессов в контуре, сравнение экспериментальных результатов с теоретическими характеристиками.

Порядок выполнения работы

1. Элементы последовательного колебательного контура с указанием номеров клемм макета изображены на рис. 8.1. Из этих элементов следует собирать одну из схем контура (см. рис. 8.2; конкретную схему вам укажет преподаватель). Изобразите полученную вами схему в отчете, проставьте номера клемм и используйте этот подготовленный материал при сборке общей схемы экспериментальной установки. Вставьте плату в разъем лабораторного столика, включите источник питания. Соберите схему рис. 7.3.

Рис. 8.1

а) б)

в)

Рис. 8.2

1. Установите частоту входного сигнала 1 кГц, амплитуду 0,5 … 2 В (контролируйте период и амплитуду сигнала по осциллографу). Пронаблюдайте входной и выходной гармонические сигналы.

2. Произведите измерение АЧХ (см. описание к лаб. работе гл. 7, п. 3).

3. Постройте график АЧХ К(f). На графике отметьте резонансную частоту f_о (К(f_о) = К_max), верхнюю и нижнюю граничные частоты f_в и f_н (К(f_в) = К(f_н) = 0,707 К_max). Определите добротность колебательного контура по формуле:

(8.1)

1. Соберите схему рис. 7.4 и произведите измерение ФЧХ (см. описание к лаб. работе гл. 7, п. 5). Постройте график ФЧХ  (f).

2. Для частот f_о, f_в и f_н изобразите векторные диаграммы комплексных амплитуд входного и выходного колебаний. Используйте графики АЧХ и ФЧХ. Примите, что амплитуда входного сигнала 1 В, а его начальная фаза равна нулю.

3. Напишите комментарии и выводы по проделанной работе. Объясните ход кривых K(f) и (f) на основании явления резонанса, учета характера изменения комплексных емкостного и индуктивного сопротивлений при изменении частоты (примите в рассмотрение, что с ростом частоты модуль емкостного сопротивления уменьшается, а индуктивного возрастает; что ток емкости опережает напряжение на ней на /2, а ток индуктивности отстает от напряжения на ней на /2; что сопротивление резистивного элемента от частоты не зависит, а ток и напряжение на нем изменяются в фазе). Запишите теоретические выражения для АЧХ и ФЧХ исследуемой вами цепи и сопоставьте их с экспериментальными зависимостями.

9. Лабораторная работа «Переходные процессы
в простейших RC- и RL- цепях»

Цель работы: Экспериментальное исследование переходных характеристик простейших RC- и RL- цепей, наблюдение реакции цепей на последовательность прямоугольных импульсов при различных соотношениях между длительностью импульса и постоянной времени цепи.

Порядок выполнения работы

1. Элементы цепи и исследуемые цепи изображены соответственно на рис. 7.1 и 7.2. Конкретные схемы для исследования вам укажет преподаватель. Соберите экспериментальную установку в соответствии с рис. 9.1.

Рис. 9.1

1. Произведите экспериментальное определение переходной характеристики цепи – реакции на единичное скачкообразное воздействие. Для этого установите параметры импульсного сигнала: длительность импульса _и = 1000 мкс, период повторения Т = 4000 мкс, амплитуда U_и = 1 В (контроль параметров осуществляется по осциллографу). Полярность импульсов, снимаемых с генератора, - отрицательная. Установите такую развертку осциллографа, чтобы наблюдать на экране однократное ступенчатое воздействие. Подключите осциллограф к выходу исследуемой цепи, наблюдайте переходную характеристику. Развертку подберите так, чтобы характеристика была достаточно растянутой. Изобразите осциллограмму переходной характеристики в отчете. Найдите по ней постоянную времени цепи. Примерные графики переходных характеристик приведены на рис. 9.2, там же показано, как определить постоянную времени .

а) б)

Рис. 9.2

1. Исследуйте реакцию цепи на последовательность прямоугольных импульсов. Устанавливая следующие параметры импульсов: длительность импульса а) _и = 10, б) _и = , в) _и = 0,1; период Т = 5_и, амплитуда U_и = 1 В, зарисуйте в одном масштабе осциллограммы входных и выходных импульсов. Отметьте, как изменяется форма выходных импульсов при варьировании их длительности.

2. Сделайте комментарии и выводы по проделанной работе. Объясните вид переходной характеристики исходя из свойств емкости, индуктивности и сопротивления, а также свойств образуемой ими одноконтурной цепи. Учтите, что напряжение на емкости и ток через индуктивность не могут изменяться скачком, что вследствие инерционных свойств реактивных элементов возникают переходные процессы в цепи. Поскольку прямоугольный импульс можно представить как наложение смещенных во времени ступенчатых воздействий, следует утверждать, опираясь на принцип суперпозиции и принцип инвариантности во времени линейной цепи, что форма выходного импульса определяется наложением смещенных во времени переходных характеристик. Используйте данное положение для объяснения характера выходного сигнала цепи при различных длительностях входных импульсов. Сопоставьте экспериментальные результаты с выводами теоретического анализа процессов в исследуемых цепях.

Литература

1. Кузнецов Ю.В., Тронин Ю.В. Основы анализа линейных радиоэлектронных цепей (временной анализ): Учеб. пособие. – М.: Изд-во МАИ, 1992.

2. Кузнецов Ю.В., Тронин Ю.В. Основы анализа линейных радиоэлектронных цепей (частотный анализ): Учеб. пособие. – М.: Изд-во МАИ, 1992.

3. Кузнецов Ю.В., Тронин Ю.В. Линейные радиоэлектронные цепи и сигналы (упражнения и задачи): Учеб. пособие. – М.: Изд-во МАИ, 1994.

4. Матханов П.Н. Основы анализа электрических цепей. Линейные цепи. – М.: Высш. школа, 1990.

5. Сиберт У.М. Цепи, сигналы, системы. – М.: Мир, 1988.

Оглавление

1. Постановка задачи ………………………………………………… 3