lab_4_kontur (1) (Методичка для исследования колебательного контура в Multisim)

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВКафедра прикладной физикиН. Э. НиколаевИССЛЕДОВАНИЕКОЛЕБАТЕЛЬНОГО КОНТУРАМетодическое руководствопо выполнению лабораторных работна компьютереДля студентов направлений«Физика», «Радиофизика»МоскваРоссийский университет дружбы народов2018УтвержденоРИС Ученого советаРоссийского университетадружбы народовНиколаев Н.

Э.Исследование колебательного контура: Методическоеруководство по выполнению лабораторных работ накомпьютере. — М.: РУДН, 2018. — 29 с.В методическом руководстве изложены краткие теоретические сведения об электрических колебательных контурах и даны практические рекомендации по выполнению лабораторныхработ по исследованию их свойств на компьютере с использованием программы Multisim.Для студентов направлений «Физика», «Радиофизика».Подготовлено в Институте физических исследований и технологий.© Николаев Н. Э., 2018© Российский университет дружбы народов, Издательство, 2018Краткое руководство к программе MultisimОбщая информацияПакет Multisim представляет собой программу для виртуального моделирования электрических цепей разной сложности.

Онвключает в себя большой набор источников питания и генераторов сигналов различной формы, большую элементную базу,в которую входят помимо пассивных элементов полупроводниковые элементы, микросхемы, нелинейные элементы, ключи идругие, обладает достаточным набором измерительных приборов, позволяющих проводить анализ схем.Данная программа позволяет проводить моделированиеэлектрических схем с минимальными временны́ми затратами,что удобно при разработке и исследовании заданных электрических и электронных цепей.Моделирование электрической цепи состоит из двух этапов.На первом этапе происходит создание исследуемой схемы на рабочем поле и подключение к ней измерительных приборов. Навтором — запуск схемы и снятие необходимых результатов.

Длясоздания схемы используются компоненты из соответствующихбиблиотек. Номиналы компонентов задаются пользователем всоответствии с исследуемой схемой. При запуске схемы начинается отсчёт времени работы схемы и происходит виртуальноемоделирование её работы.Элементная база MultisimПри запуске Multisim появляется рабочее поле (рис. 1). Всерадиотехнические элементы сгруппированы по функциональному назначению и расположены в верхней и боковой панелях:сверху находится панель с базами элементов, а справа — наборизмерительных приборов.Все элементы, представленные в верхней панели, разбитына следующие группы: источники питания (Sources), основныеэлементы (Basic), полупроводниковые диоды (Diodes), полупро3Рис.

1. Рабочее поле программы Multisimводниковые транзисторы (Transistors), аналоговые интегральные схемы (Analog), смешанные интегральные схемы, цифровыеинтегральные схемы, логические элементы, триггеры и прочиедискретные устройства, индикаторы (Indicators), контрольныеприборы, прочие устройства.Для выбора элемента следует открыть нужную группу, найти необходимый элемент и выбрать его номинал. После нажатиялевой кнопки мыши появляется возможность поставить выбранный элемент в нужное место схемы. Для соединения элементовсхемы необходимо подвести курсор к подсоединяемому концуодного элемента до появления точки на конце этого элемента,нажать левую кнопку мыши, подвести линию — «провод» к началу следующего элемента до появления точки, снова нажатьлевую кнопку мыши. При необходимости параметры всех эле4ментов можно менять в диалоговом окне свойств элемента, которое появляется автоматически при двойном щелчке левой кнопкой мыши, или после нажатия правой кнопки мыши и выборастроки «Свойства».На боковой панели инструментов представлены измерительные приборы.

Среди них: Мультиметр (Multimeter), Функциональный генератор (Function Generator), Измеритель активноймощности (Wattmeter) , Осциллограф (Oscilloscope), Измеритель АЧХ и ФЧХ (Bode Plotter), Спектроанализатор (SpectrumAnalyzer) и др.Любая схема в Multisim должна быть заземлена. Элементцепи «заземление» подключается к любой точке схемы и имеет нулевой потенциал, обеспечивая исходную точку для отсчётапотенциалов.

В программе Multisim в схемах без «заземления»,как правило, приборы не будут производить измерения, либо ихпоказания будут неверными.Чтобы схема начала функционировать, необходимо нажатькнопку с изображением выключателя (положение «1»), или «зелёный треугольник» на панели инструментов. Цепь выключается нажатием той же кнопки (положение «0»), или «красногоквадратика».Важно помнить следующую особенность программы: изменять электрическую схему можно только после остановки процесса моделирования.Для более подробного знакомства с программой «Multisim»,следует обратиться к литературе [1].5Лабораторная работа № 4ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНОГОКОНТУРАЦель работыИзучить теорию резонансных радиотехнических цепей — колебательных контуров (последовательного и параллельного).Исследовать амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) ифазочастотные характеристики (ФЧХ) параллельного колебательного контура, определить резонансную частоту и добротность контура.

Найти характеристики нагруженного колебательного контура.Теоретические сведенияОдной из важнейшей задач радиотехники является осуществление так называемой частотной избирательности (или селективности) радиоустройств.В общем случае в любой приёмной антенне возбуждаетсяодновременно множество э.д.с. различных частот, излучаемыхпередающими станциями, а также источниками промышленныхи атмосферных помех.Радиоприёмное устройство должно на фоне всех сигналоввыделить один нужный сигнал.Для выделения одного из сигналов приёмное устройстводолжно иметь частотную характеристику, позволяющую пропускать только частоты, лежащие внутри некоторой полосы∆fпр . При этом колебания всех других частот не должны вызывать никаких откликов.Для настройки на различные сигналы, необходимо иметьвозможность перемещать полосу ∆fпр вдоль шкалы частот.Простейшими электрическими цепями, позволяющими осуществлять частотную избирательность, являются RC-цепи.

Однако, несмотря на то, что такие цепи широко применяются в6радиотехнической практике, надо иметь в виду, что одна из граничных частот полосы пропускания этих цепей равна либо нулю,либо бесконечности, в то время как осуществление избирательности в общем случае требует, чтобы обе граничные частотыбыли конечны.Идеальная частотная характеристика радиоприёмногоустройства имеет прямоугольную форму, при которой приём всех частот в интервале ∆fпр осуществляется одинаковохорошо.Реализовать цепи, имеющие частотную характеристику прямоугольной формы, практически не представляется возможным, удаётся лишь приблизиться к подобному виду характеристики, используя для этого избирательные (резонансные)цепи.

Таким цепями являются колебательные контуры.I. Последовательный колебательный контурПоследовательным колебательным контуром называется цепь, составленная из катушки индуктивности L и конденсатора C, соединённых последовательно относительно входных зажимов, к которым может быть подключён генератор илидругие элементы цепи. Обычно в состав колебательного контуравключается активное сопротивление R, которое определяет сопротивление омических потерь провода, из которого выполненаиндуктивность.Рассмотрим цепь, coстоящую из последовательно включённых катушки индуктивности L, конденсатора C и резистора R(рис.

2).Рис. 2. Последовательный колебательный контур7Положим, что на входе последовательного контура действует гармоническое напряжение с амплитудой Uвх и частотой ω.Запишем полное входное сопротивление контура:Ż = R + jωL +1,jωC(1)1— реактивные сопротивления соответственно инjωCдуктивности и ёмкости.Формулу (1) для полного входного сопротивления можно переписать в виде:1Ż = R + j ωL −= R + jX.(2)ωCгде jωL и1Здесь X = ωL −— реактивная составляющая входного соωCпротивления.Активную составляющую входного сопротивления R можно приближённо считать не зависящей от частоты генератора.1Реактивная составляющая X = ωL − ωCявляется функциейчастоты и в зависимости от величин L, C, и ω изменяется повеличине и знаку (рис.

3).Рис. 3. Зависимость реактивной составляющей колебательногоконтура от частоты8В зависимости от соотношения величин индуктивного сопро1тивления XL = ωL и ёмкостного сопротивления XC = ωCмогутиметь место три случая:1. XL > XC ; тогда X > 0, и, следовательно, реактивная составляющая входного сопротивления имеет индуктивныйхарактер;2. XL < XC ; реактивная составляющая входного сопротивления X < 0, т. е.

она имеет ёмкостный характер;3. XL = XC ; реактивная составляющая входного сопротивления равна нулю (X = 0).Особый интерес представляет случай 3, когда XL = XC . Рассмотрим его более подробно.Выполнение условия XL = XC означает, что реактивная составляющая входного сопротивления несмотря на наличие реактивных элементов равна нулю. Такой режим работы цепи называется резонансом. При резонансе полное входное сопротивление цепи чисто активно:резZвх= Zрез = R.(3)Амплитуды напряжений на реактивных элементах равнымежду собой:ULрез = UCрез .При этом сдвиг фаз между э.д.с. и током в цепи ϕ = 0.

Приложенная э.д.с. уравновешивается только падением напряженияна активном сопротивлении (E = I рез R).В контуре с заданными параметрами L и C резонанс наступает при определённой частоте ω0 , величина которой определяется из равенстваX = ω0 L −91= 0,ω0 Cоткуда1.(4)LCЧастота ω0 , при которой реактивная составляющая входного сопротивления равна нулю, называется резонансной частотойколебательного контура.Резонансная частота контура зависит от параметров реактивных элементов L и C и возрастает с их уменьшением.Угловой частоте ω0 соответствуют —ω0 = √• циклическая частота:f0 =ω01,= √2π2π LC(5)λ0 =√c= 2π LC ,ω0(6)• и длина волны:где c — скорость света.Когда ω = ω0 , то говорят, что контур настроен на частотуисточника.

Если ω 6= ω0 , то контур расстроен.В настроенном контуре индуктивное и ёмкостное сопротивления реактивных элементов равны между собой:ω0 L =1.ω0 CПодставив в (7) вместо ω0 её значение из (4), получимrL1ω0 L ==.ω0 CC(7)(8)Величинаrρ=ULрезUCрезL1= ω0 L == рез= рез.Cω0 CII(9)называется характеристическим сопротивлением колебательного контура. Характеристическое сопротивление равно10отношению амплитуд напряжения на каждом из реактивныхэлементов контура и тока при резонансе, т.