АППАРАТНОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ. 1.1 Изучить явления, происходящие в последовательном контуре с R, L, C
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.1 Изучить явления, происходящие в последовательном контуре с R, L, C.
1.2 Научиться практически определять резонансную частоту, полосу пропускания и добротность последовательного колебательного контура.
ЛИТЕРАТУРА
2.1 Добротворский И.Н. Теория электрических цепей. – M.: Радио и связь, 1989. - С. 211..225.
2.2 Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC – М.: Солон-Р, 1999. - С. 151…152.
3 ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ
3.1 Изучить по [2.1] тему “Резонанс напряжений”.
3.2 Подготовить ответы на вопросы самопроверки.
3.3 Подготовить бланк отчета (см. раздел 7).
3.4 Решить задачу:
В последовательном контуре дано: L=30 мГн; R1=160 Ом; значение емкости конденсатора (С) равно номеру записи студента в учебном журнале (в нФ).
Вычислить резонансную частоту fо, добротность контура – Q и полосу пропускания – П.
Чему будут равны эти же параметры контура, если вместо R1 будет включен резистор, сопротивление которого R2=640 Ом?
4 ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
4.1 Дайте определение последовательного колебательного контура.
4.2 Запишите условие резонанса напряжений.
4.3 Чему равен угол сдвига фаз“φ ” в момент резонанса напряжений?
4.4 Укажите свойства последовательного колебательного контура при резонансе напряжений.
4.5 Поясните, почему резонанс в последовательном колебательном контуре называется резонансом напряжений.
4.6 Нарисуйте графики и запишите формулы входных АЧХ и ФЧХ последовательного колебательного контура.
4.7 Дайте определение расстройки, запишите формулы расстроек.
4.8 Запишите формулу резонансной частоты последовательного колебательного контура.
4.9 Дайте определение и запишите формулу характеристического сопротивления последовательного колебательного контура.
4.10 Дайте определение и запишите формулу добротности последовательного колебательного контура.
4.11 Поясните энергетический процесс в последовательном колебательном контуре.
4.12 Как можно получить в последовательном колебательном контуре резонанс напряжений?
4.13 Нарисуйте передаточную АЧХ последовательного колебательного контура и запишите её формулу.
4.14 Поясните характер реактивного сопротивления последовательного колебательного контура на частотах до резонансной, после резонансной и на частоте fо.
АППАРАТНОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
5.1 Рабочая станция локальной сети (персональный компьютер).
5.2 Графический манипулятор мышь.
5.3 Программа Electronics Workbench 5.0.
6 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
6.1 Проверка подготовки студентов к лабораторной работе по вопросам самопроверки.
6.2 Получить инструктаж по технике безопасности.
ВНИМАНИЕ! Аккуратно обращайтесь с персональным компьютером и его периферийными устройствами. Соблюдайте требования эргономики. Проверьте наличие заземления устройств.
6.3 Включить персональный компьютер, для этого:
6.3.1 Включить рабочую станцию компьютерной сети сетевым переключателем на системном блоке “Power”.
6.3.2 Наблюдать загрузку компьютера.
6.3.3 Набрать на клавиатуре цифру 1 – загрузка с локального диска.
6.3.4 Для входа в систему нажать Ctrl + Alt + Delete.
6.3.5 После появления окна “Вход в систему” нажать Enter.
6.3.6 Наблюдать выход компьютера в операционную среду Windows.
6.3.7 Два раза щёлкнуть манипулятором мышь на ярлык “Мой компьютер”.
6.3.8 Выбрать диск D: найти папку Work, затем папку EWB 512 (программа Electronics Workbench 5.0); открыть файл WEWB 32. Получить изображение стандартного окна программы.
6.4 Собрать схему проведения исследований (рис.7.1). Для этого из библиотек программы достать необходимые элементы. Необходимый элемент переносится из каталога на рабочее поле движением мыши при нажатой левой кнопке, после чего кнопка отпускается. После того, как все необходимые элементы будут вызваны из библиотек, производится соединение их выводов проводниками.
Для соединения необходимо нажать левую клавишу манипулятора мышь в точке соединения в момент появления стрелки. Удерживая клавишу, перемещать манипулятор мышь по коврику. Отпустить клавишу необходимо в момент появления другой точки в нужном месте соединения. Появляющаяся
линия – подтверждение правильности соединения. Аналогично включить остальные элементы схемы.
Чтобы наблюдать одновременно импульсы на входе и выходе цепи, надо соединить выход генератора со вторым каналом осциллографа. Эту линию соединения (на рис. 7.1 – линия (1)) выделить другим цветом, для чего два раза щёлкнуть левой клавишей манипулятора мышь на линию и в раскрывшемся окне выбрать другой цвет. Нажать “OK”, окно закроется, цвет линии поменяется.
Рис. 7.1 Схема исследования последовательного колебательного контура
В данной схеме используются:
V1, V2 – вольтметры (показывают действующее значение напряжения);
А – амперметр (показывает действующее значение тока);
G - генератор сигнала - (генерирует сигналы различной частоты и длительности синусоидальной, треугольной и прямоугольной формы).
Осц. – осциллограф - для наблюдения формы сигналов на входе и выходе;
Изм. АЧХ и ФЧХ - измеритель АЧХ и ФЧХ предназначен для анализа амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик. Подключение прибора к схеме осуществляется с помощью зажимов IN (вход) и OUT (выход). Левые клеммы зажимов подключаются соответственно ко входу и выходу исследуемой схемы, а правые – к общей шине (земле).
6.4.1 Установить значения L, C, R согласно п.п. 3.4 данного методического руководства. Чтобы установить значение элемента, надо два раза щёлкнуть левой клавишей манипулятора мышь на изображение элемента и поменять его значение в раскрывшемся окне, с помощью манипулятора мышь. Нажать “OK”, окно закроется, значение элемента изменится.
6.4.2 Установить в вольтметрах и амперметре режим измерения переменного тока. Для чего щёлкнуть манипулятором мышь два раза на изображение элемента и в раскрывшемся окне выбрать режим (Mode) – АС (переменный ток).
6.5 Исследовать последовательный колебательный контур.
6.5.1 Щёлкнуть два раза на изображение генератора. Установить режим генерации синусоидальных импульсов, нажав на соответствующее изображение в раскрывшемся окне лицевой панели генератора.
6.5.2 Установить частоту (frequency) равной резонансной частоте данного контура (см.п.п.3.4 – fо), амплитуду (amplitude) 2В, длительность импульса (duty cycle) 50% от периода, постоянную составляющую (offset) сигнала на выходе генератора равной нулю, изменяя эти данные в окошках напротив параметров в раскрывшемся окне лицевой панели генератора.
6.5.3 Щёлкнуть два раза на изображение осциллографа и на изображение измерителя АЧХ и ФЧХ для того, чтобы открыть изображения лицевой панели этих приборов.
6.5.4 Включить режим анализа схемы, щелкнув манипулятором мышь на изображение I включателя, расположенного в правом верхнем углу панели инструментов.
6.5.5 Щёлкнуть на изображение Expand лицевой панели осциллографа. Наблюдать временные диаграммы входного и выходного сигналов на расширенном экране.
6.5.6 Нажать манипулятором мышь надпись Pause на панели инструментов, остановив анализ построения программой временных диаграмм или отключить
формирование сигналов, нажав левой клавишей манипулятора мышь на изображение 0 в правом верхнем углу окна.
6.5.7 Щелчками манипулятора мышь установить на лицевой панели осциллографа переключателем “время на деление” (Time base) – время, соответствующее наблюдению двух периодов колебания.
6.5.8 Установить переключателем “Вольт на деление” (U/div) – масштаб по оси амплитуд.
Резонансная частота может быть определена:
– по максимальному напряжению на вольтметре – напряжение на конденсаторе;
– угол “φ ” – минимальный (близкий к нулю), т.е. входной и выходной сигналы совпадают по фазе.
Убедиться по осциллографу, что обе синусоиды совпадают по фазе, т.е. установленная частота fo является резонансной.
6.5.9 На лицевой панели измерителя АЧХ и ФЧХ наблюдать получившуюся АЧХ данного контура. Для чего нажать манипулятором мышь кнопку MAGNITUDE (включена по умолчанию) и кнопку LIN (линейная шкала) по осям X (Horizontal) и Y (Vertical). Щелчками манипулятора мышь установить в окошках пределы измерения: F – максимальное, и I – минимальное значение по осям X и Y. По оси Х: F=2fо, I=1 Гц; пооси Y: F=1, I=0.
6.6 Измерить амплитудно-частотную характеристику последовательного колебательного контура.
6.6.1 Записать в табл.7.1 значение резонансной частоты – fo, Uвх (входное напряжение) – показания вольтметра V1, Uc (напряжение на конденсаторе) – показания вольтметра V2, I (значение тока в цепи) – показания амперметра.
6.6.2 Изменяя частоту генератора в разные стороны от резонансной (см. табл. 7.1), снимать значения Uвх, Uc, I. Результаты измерений занести в табл. 7.1.
6.6.3 Установить поочередно значения резистивного сопротивления R=640 Ом; R=1500 Ом и повторить пункты 6.6.1…6.6.2.
6.6.4 По результатам измерений вычислить значения К = Uвых/Uвх и К/Ко (Ко – значение коэффициента передачи на резонансной частоте). Результаты вычислений занести в табл. 7.1.
6.6.5 По результатам измерений и вычислений построить в одной системе координат зависимость К/Ко = F(f), сравнить полученные АЧХ с получившимися АЧХ на измерителе АЧХ и ФЧХ.
6.6.6 По построенным графикам определить полосу пропускания – П и добротность последовательного колебательного контура – Q для всех значений R.
Таблица 7.1
Экспериментальные и расчетные данные исследований последовательного колебательного контура
Uвх= _ В
| R=160 Ом | R=640 Ом | R=1500 Ом | ||||||||||
| f, Гц | Uc, В | I, мА | К | К/Ко | Uc, В | I, мА | К | К/Ко | Uc, В | I, мА | К | К/Ко |
| fo -3000= | ||||||||||||
| fo -2000= | ||||||||||||
| fo -1000= | ||||||||||||
| fo -200= | ||||||||||||
| fo -100= | ||||||||||||
| fo = | ||||||||||||
| fo +100= | ||||||||||||
| fo +200= | ||||||||||||
| fo +1000= | ||||||||||||
| fo +2000= | ||||||||||||
| fo +3000= |
6.7 Измерить ФЧХ последовательного колебательного контура.
6.7.1 Для этого клемму измерителя АЧХ и ФЧХ, которая была присоединена к входу схемы, включить на выход, а выходную клемму – на вход. На лицевой панели измерителя нажать кнопку Phase – анализ фазочастотных характеристик, установить линейную шкалу (Lin) и пределы измерения по осям X (минимальное I и максимальное F значения частоты) и Y (минимальное I = минус 90о и максимальное F=90о значения фазы).
6.7.2 Включить режим анализа схемы, затем его выключить (см. п.6.5.5…6.5.6) и зарисовать полученную ФЧХ в отчёт. Значения частоты и фазы в отдельных точках можно получить с помощью визирной линии, для этого нажать кнопку манипулятора мышь на визирной линии и, не отпуская кнопку манипулятора мышь, перемещать линию в необходимую точку.
6.7.3 Снять ФЧХ для другого значения резистивного сопротивления R. Зарисовать ФЧХ в отчёт.
6.8 Установить режим генерации треугольных импульсов, нажав на соответствующее изображение в раскрывшемся окне лицевой панели генератора.
6.8.1 Наблюдать на осциллографе форму входного и выходного сигналов. Зарисовать их в отчет.
6.8.2 Снять ФЧХ последовательного колебательного контура для этой формы входного сигнала. Зарисовать ФЧХ в отчет.
6.9 Установить режим генерации прямоугольных импульсов. Повторить п. 6.8.1…6.8.2.
6.10 Показать результаты выполнения работы преподавателю.
6.11 Выключить оборудование.
6.12 Составить отчет по работе.
7 СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
7.1 Наименование и цель работы.
7.2 Решение задачи по пункту 3.4.
7.3 Схема исследований (рис. 7.1).
7.4 Результаты измерений и вычислений (табл. 7.1).
7.5 Расчетные данные и формулы.
7.6 Графики зависимостей К/Ко = F(f).
7.5 Ответы на контрольные вопросы (по заданию преподавателя).
7.6 Выводы по работе.
8 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
8.1 Как определить резонансную частоту по показанию амперметра?
8.2 Как определить резонансную частоту с помощью осциллографа по анализу временных диаграмм напряжения на входе и на выходе?
8.3 Как построить передаточную АЧХ в абсолютных и относительных координатах?
8.4 Дайте определение полосы пропускания последовательного колебательного контура и поясните, как она определяется на графике предаточной АЧХ.
8.5 Как зависит полоса пропускания последовательного колебательного контура от величины резистивного сопротивления?
9 СОДЕРЖАНИЕ ЗАЧЁТА
Студент должен знать ответы на контрольные вопросы. Должен уметь проводить измерения, предусмотренные заданием на работу, анализировать результаты измерений.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8