Изучение электрических процессов в простых цепях

Цель работы: научиться измерять коэффициент передачи в простых цепях с помощью осциллографа, исследовать входные и передаточные характеристики простых цепей с одним реактивным элементом, научиться определять диапазон частот, в которых входное сопротивление цепи имеет практически чисто резистивный или чисто реактивный характер.

Приборы и принадлежности: кассета ФПЭ-09/ПИ, источник питания, генератор, осциллограф.

Описание установки

На плате ФПЭ-09 установлены элементы: активные сопротивления R₁ и R₂,реактивные емкость С и индуктивность L, а также плата коммутатора A₁(рисунок 9.6).

X1

X2

X3

X4

X5

L

R1

C

R2

SB1

SB2

SB3

A1

Рисунок 9.6 – Принципиальная схема установки

На передней панели установлен кнопочный переключатель SB, позволяющий исследовать колебания в трех различных целях: в цепи, содержащей активные сопротивления R₁ и R₂ , активное сопротивление R₂ и емкость С; активное сопротивление R₂ и индуктивность L.

Входной сигнал от генератора, характеризуемый амплитудой до 3 В и частотой в пределах 20–100 кГц подается на гнезда X₁, Х₂. Осциллограф подключается к выходным гнездам Х_З, Х₄, Х₅.

Для определения сдвига фаз и разности амплитуд сигналов, поступающих на вход цепи и снимаемых с выхода, используется коммутатор А₁, который позволяет наблюдать на экране осциллографа одновременно входной сигнал и выходной, снимаемый с сопротивления R₂. Для получения устойчивого изображения на экране осциллографа с гнезда Х₃ подается сигнал на вход «синхронизация» осциллографа.

U

t

U

U1

U

b

a

Рисунок 9.7 – Определение сдвига фаз

осциллографическим способом

Ход работы

Упражнение 1. Изучение электрических процессов в цепи, содержащей два резистора.

1 Согласно рисунку 9.6 к кассете ФПЭ-09 подключите источник питания через разъем, осциллограф и генератор. Переключателем S₁₁ включите сопротивление R₁, при этом C и L выключены. Получите схему, показанную на рисунке 9.1.

2 Зарисуйте колебания, наблюдаемые на экране осциллографа при частоте f = 20 кГц.

3 Рассчитайте коэффициенты передачи, имея в виду, что R₁ = 470 Ом, R₂=51 Ом. Получите этот же результат опытным путем, сравните. Обратите внимание, что сдвиг фаз между входным U₁ и выходным напряжением U₂ отсутствует.

4 Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 9.1.

Таблица 9.1 – Расчетные и экспериментальные данные

Uвх , В	Uвых , В	К

Упражнение 2. Изучение электрических процессов в цепи, содержащей резистор и конденсатор.

1 Выключите сопротивление R₁ и включите емкость C. Получите схему, показанную на рисунке 9.2.

2 Зарисуйте колебания, наблюдаемые на экране осциллографа при частоте f = 20 кГц.

3 Определите угол сдвига фаз между силой тока в цепи и входным напряжением. Для этого измерьте в делениях шкалы экрана осциллографа сдвиг по времени между изображениями двух исследуемых сигналов (а) и период колебаний (б) (рисунок 9.7).

4 Разность фаз рассчитайте по формуле

. (9.8)

5 Повторите задания пунктов 2 и 3 при частоте генератора f = 100 кГц.

6 Произведите измерения амплитуд напряжений на входе и выходе цепи при различных значениях частоты генератора (от 20 кГц до 100 кГц с шагом 10 кГц).

7 Рассчитайте коэффициент передачи К цепи по формуле для всего исследованного диапазона частот.

8 Постройте график зависимости .

9 C помощью графика оцените емкость С конденсатора. Для этого определите угол наклона α линейного участка графика к оси f , получите , откуда .

10 По формуле (9.5) рассчитайте разность фаз φ при двух значениях частоты генератора: 20 и 100 кГц. Сравните результаты расчета с результатами непосредственного измерения угла φ.

11 Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 9.2.

Таблица 9.2 – Расчетные и экспериментальные данные

f, Гц	Uвх , В	Uвых , В	K	C, Ф	a, дел	b, дел	φизм , град	φрасч , град

Упражнение 3. Изучение электрических процессов в цепи, содержащей резистор и катушку индуктивности.

1 Выключите емкость C и включите индуктивное сопротивление L.

2 Зарисуйте колебания, наблюдаемые на экране осциллографа при частоте f = 20 кГц.

3 Определите угол сдвига фаз между силой тока в цепи и входным напряжением при частоте f = 20 кГц. Для этого измерьте в делениях шкалы экрана осциллографа сдвиг по времени между изображениями двух исследуемых сигналов (а) и период колебаний (б) (рисунок 9.7). Разность фаз рассчитайте по формуле (9.8).

4 Повторите задания пунктов 2 и 3 при частоте генератора f = 100 кГц.

5 Произведите измерения амплитуд напряжений на входе и выходе цепи при различных значениях частоты генератора (от 20 кГц до 100 кГц с шагом 10 кГц).

6 Рассчитайте коэффициент передачи К цепи по формуле для всего исследованного диапазона частот.

7 Постройте график зависимости .

8 C помощью графика оцените индуктивность L катушки. Для этого определите угол наклона α линейного участка графика к оси 1/f , получите , откуда .

9 По формуле (9.7) рассчитайте разность фаз φ при двух значениях частоты генератора: 20 и 100 кГц. Сравните результаты расчета с результатами непосредственного измерения угла φ.

10 Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 9.3.

Таблица 9.3 – Расчетные и экспериментальные данные

f, Гц	1/ f, с	Uвх , В	Uвых , В	K	L, Гн	a, дел	b, дел	φизм , град	φрасч , град

Тема 10