Упражнение 1. Получение временного и частотного откликов резистивно-емкостного фильтра низких частот

1.1. Соберите на лабораторном макете гибкими проводниками резистивно-емкостный фильтр низких частот по схеме (см. рис. 3.1).

Рис. 3.1

Присоедините коаксиальный кабель к коаксиальному разъему генератора BNC1. Выводы на другом конце кабеля подключите ко входу НЧ-фильтра. При этом потенциальный вывод нужно подключить к гнезду 1 макета. Другой вывод – «земляной» необходимо подключить к гнезду 2 макета, выделенному знаком «┴».

Еще один коаксиальный кабель следует присоединить к разъему BNC2. При этом выводы другого конца этого кабеля нужно присоединить к выводу НЧ-фильтра. Потенциальный вывод подключите к гнезду 13 макета, а «земляной» конец кабеля – к гнезду 0₃. Тогда выход фильтра окажется подключенным ко входам виртуальных измерительных приборов.

1.2. Подключите коаксиальные разъемы BNC1 и BNC2 к гнездам функционального генератора и осциллоскопа соответственно. Для этого поставьте или проверьте правильность установки соединителя. Первый разъем соединителя должен быть над строками гнезд субпанели P2, начиная с гнезда «ACH0+» и заканчиваться гнездом «ACH1+». Второй разъем с рядом штырьков должен быть над субпанелью Р1, начиная со строки ее гнезд «3-WIRE».

1.3. Включите виртуальный функциональный генератор FGEN. Для этого выберите щелчком мыши в меню Instrument Launcher позицию Functional Generator. Тогда на экране монитора появится лицевая панель генератора.

Переведите переключатель режима генератора, расположенной на панели станции, в режим программного управления. Это делается перемещением ручки переключателя «MANUAL» вниз. Признаки перехода генератора в режим программного управления:

– гаснет световой индикатор «MANUAL» на передней панели станции;

– становятся более яркими ручки управления и индикаторы на лицевой панели виртуального генератора.

Передвиньте мышкой лицевую панель генератора в правый верхний угол экрана монитора.

Установите необходимые параметры сигнала, вырабатываемого генератором.

Переведите ручку трехпозиционного переключателя вида сигналов «Waveforms», изображенную на лицевой панели виртуального прибора, в положение « », соответствующее генерации прямоугольного периодического сигнала, «меандра».

Установите ручкой и кнопками «Peak Amplitude» амплитуду сигнала, равную 0,5 В, а ручкой и кнопками на подпанели «Frequency» – частоту сигнала, при которой период меандра составляет 3…5 значений расчетной постоянной времени цепи.

Ручкой и кнопками «DC Offset» установите добавочное постоянное напряжение смещения с уровнем 0,5 В. В результате сложения меандра с амплитудой 0,5 В и постоянного напряжения уровня 0,5 В получится периодическая последовательность прямоугольных импульсов напряжения положительной полярности с амплитудой 1 В.

Запустите генератор кнопкой «On» на его лицевой панели.

1.4. Включите виртуальный осциллоскоп OSC. Для этого щелкните мышкой на соответствующей позиции меню Instrument Launcher. Передвиньте мышкой появившуюся лицевую панель осциллоскопа в правый нижний угол экрана монитора.

Нажмите кнопку «Display» субпанели «CHANNEL A», чтобы на ней появилось обозначение «ON». Выберите в выпадающем меню «Source» подпанели «CHANNEL A» вариант «ACHО». Тогда канал А осциллоскопа будет подключен к выходу фильтра – конденсатору С.

Кроме того, кнопкой «Display» включите канал В (CHANNEL B) и выберите в выпадающем меню «Source» подпанели «CHANNEL В» позицию «FGEN FUNC OUT». При этом канал В осциллоскопа будет связан с выходом функционального генератора FGEN. На экране осциллоскопа появится осциллограмма импульсов.

Установите режим внешней синхронизации осциллоскопа от сигнала генератора FGEN. Для этого в выпадающем меню «Source» субпанели «TRIGGER» выделите значение «SYNC OUT».

В меню выбора типа синхронизации «Type» установите значение «Digital».

Нажмите клавишу «Run» на лицевой панели осциллоскопа.

Ручками «Position» разведите по вертикали линии развертки каналов с тем, чтобы линия развертки канала А (зеленая) оказалась выше линии развертки канала В (синяя).

1.5. Включите питание макетной платы выключателем «PROTOTYPING BOARD POWER». Ручками управления осциллоскопом отрегулируйте вертикальные размеры осциллограмм. Добейтесь, чтоб изображения входного сигнала и реакции фильтра не пересекались и занимали как можно больше места на экране осциллоскопа.

Отрегулируйте период разверток так, чтобы на экране осциллоскопа наблюдался не более, чем один период входного прямоугольного сигнала и не более одной реакции на этот сигнал.

Проведите с помощью курсоров измерение постоянной времени фильтра. Для этого включите курсоры переводом левой клавиши субпанели «CURSORS» в положение «ON».Захватывая курсоры мышью (при нажатой левой клавише) и следя за уровнем сигнала, выделенным курсорами и отмеченным под экраном осциллоскопа, установите штриховые линии курсоров на расстоянии по линии развертки, равном постоянной времени.

Расстояние между курсорами вдоль линии развертки равно постоянной времени, если:

– на участке возрастания выходного сигнала его относительной уровень изменяется от нуля до 63,2 % от максимально возможного (установившегося значения);

– на участке убывания (по модулю) выходного сигнала его относительной уровень изменяется от исходного максимального (по модулю) до значения 36,8 % от исходного.

Можно определить также утроенное значение постоянной времени по относительным уровням 95 % и 5 % соответственно. Но точность такого измерения хуже из-за меньшей крутизны графиков для этих уровней.

Отметьте выделенное под экраном осциллоскопа расстояние между курсорами dT как постоянную времени цепи на бланке отчета в табл. 2.4.

1.6. Зарегистрируйте наблюдаемые осциллограммы. Для этого остановите виртуальный осциллоскоп нажатием кнопки «Run» и затем, нажмите кнопку «Log». Тогда таблица значений осциллограммы будет записана на жесткий диск компьютера для дальнейшей обработки и распечатки графиков. При нажатии кнопки «Log» появляется окно «Сохранить как». Затем нужно указать выбранное имя файла для регистрации в соответствующем окошке и нажать кнопку «ОК». Выключите окно «Сохранить как».

1.7. Выключите виртуальные осциллоскоп и генератор FGEN нажатием кнопки «×» на их лицевых панелях.

1.8. Включите виртуальный анализатор амплитудно-частотных (АЧХ) и фазо-частотных (ФЧХ) характеристик (анализатор Боде).

Выберите в меню виртуальных приборов Instrument Launcher позицию Bode Analyzer. После щелчка мышью на этой позиции должна появиться лицевая панель анализатора.

Установите кнопками счетчиков «Start» и «Stop», находящихся на субпанели «Settings» («Установки»), начальное значение диапазона циклических частот 10 Гц и конечное значение 35 кГц соответственно. Кроме того, установите шаг отсчета частоты – 10 значений на декаду кнопкой «Steps».

Установите клавишу выбора полярности входного сигнала «Op-Amp Signal Polarity» в положение «Normal».Значение амплитуды сигнала генератора FGEN, подключенного к исследуемой цепи, выберите в счетчике «Peak Amplitude» равным 2 В.

Для запуска анализатора нажмите кнопку «Run» на его лицевой панели. При этом на экранах этой панели должны появиться графики АЧХ и ФЧХ.

Подождите, пока графики АЧХ и ФЧХ полностью установятся.

1.9. Выберите формы представления АЧХ и ФЧХ.

В выпадающем меню «Y Scale» субпанели «Display» анализатора выберите щелчком мыши позицию «Auto». Тем самым Вы перейдете в режим автоматического выбора шкалы.

При необходимости подкорректируйте границы просматриваемого частотного диапазона.

Включите курсоры, нажав на кнопку «OFF», находящуюся на субпанели «Display».

Линии курсоров выделяется красным цветом. Назначение курсоров следующее. Вертикальный курсор выделяет значение частот в Гц. Горизонтальный курсор выделяет соответствующие выбранные вертикальным курсором значения АЧХ в дБ и «разах» и ФЧХ в градусах.

Выделите курсорами значения частоты среза по относительному уровню АЧХ в (–3) дБ, а также значение ФЧХ в градусах, соответствующее выбранной частоте среза. Отметьте выделенные курсорами значения на бланке отчета в табл. 2.4.

Примечание. Положение курсоров можно также изменять кнопкой «Position».

1.10. Зарегистрируйте полученные АЧХ, ФЧХ и их параметры путем нажатия клавиши «Run» и «Log» на лицевой панели анализатора.

При появлении окна «Сохранить как» нужно указать имя файла для сохраняемых результатов и нажать «ОК». Тогда полученные результаты будут записаны в расширяемый файл с расширением txt на жестком диске компьютера для последующей распечатки.

×

1.11. Отключите виртуальный анализатор, щелкнув мышью на кнопке « » его передней панели. Также отключите кабель, связывающий входные гнезда макета и гнезда BNC макетной платы.

1.12. Определите входное сопротивление фильтра на частоте среза. Включите виртуальный анализатор импеданса (комплексного сопротивления).

Выберите в меню виртуальных приборов Instrument Launcher позицию Impe-dance Analyzer. Тогда, после щелчка мышью на этой позиции появиться лицевая панель анализатора импеданса IA.

Клавишу установки типа шкалы «Scale» установите в положение «Linear». Выберите сектор просмотра диаграммы сопротивлений (импеданса) кнопками «Visible Section» на субпанели «Display Settings».

Выберите кнопками счетчика «Measurement frequency» на лицевой панели анализатора значение частоты, равной частоте среза, определённой с применением анализатора Боде.

Нажмите клавишу запуска «Run».

1.13. Подключите анализатор импеданса ко входу фильтра. Для этого соедините проводником «токовые» гнезда мультиметра HI и LO, находящиеся на передней панели рабочей станции с входными гнездами «Вх» макета.

1.14. Измерьте значение входного комплексного сопротивления фильтра на заданной частоте, определяя декартовы и полярные координаты светящейся точки на диаграмме сопротивлений анализатора.

Считайте с субпанели «Impedance (Z)», расположенной правее диаграммы сопротивлений, значения полного сопротивления «Magnitude», аргумента комплексного сопротивления «Phase», активного сопротивления «Resistance (R)» и реактивного сопротивления «Reactance (X)». Оцените характер реакции исследуемой цепи.

Перенесите результаты на бланк отчета в табл. 3.5.

1.15. Если значение активного и реактивного входных сопротивлений фильтра оказались неравными, а аргумент комплексного сопротивления цепи не равен по модулю 45⁰, изменяйте частоту генератора FGEN кнопками «Measurement frequency» анализатора до тех пор, пока отмеченные сопротивления не сравняются.

Определите новое, уточненное значение частоты генератора f ^/_ср и сравните его с частотой среза f_ср, определенной с помощью анализатора Боде.

1.16. Измените частоту генератора до значений, в три раза отличающихся от уточненной частоты среза, т.е. частот 1/3 f ^/_ср и 3 f ^/_ср.

Вновь найдите значения полного, активного и реактивного сопротивлений цепи и аргумента сопротивления. Сравните эти значения с теми, что были получены на частоте среза f_ср.

Запишите результат на бланк отчета в табл. 3.5.

1.17. Выключите анализатор импеданса кнопкой « » на его лицевой панели.

Упражнение 2. Получение временного и частотного откликов резистивно-