Порядок выполнения (1 способ)

1) Подготовка схемы измерения. Выставить значения сопротивления и емкости, указанные на рис. 7. В меню Analysis выбрать режим AC Frecuensy – режим анализа амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик. В появившемся окне установить указанные параметры моделирования (рис. 8). В данном примере частота входного сигнала будет меняться от 1 Гц до 1000 кГц. Амплитуда сигналов в точках 1 и 2 схемы (Nodes for analysis) в пределах 0 В – 1 В и фазы сигнала в пределах 0^о – 90^о будут откладываться по вертикальной оси в линейном масштабе (Linear), частота по горизонтали – по декадам (10Гц, 100Гц, 1кГц и т.д.).

2) Измерения. Нажать кнопку Simulate (рис. 8). На экране появится окно, в котором будут представлены амплитудно-частотная (верхняя) и фазо-частотная (нижняя) характеристики для заданных параметров RC-цепи (рис. 9).

Рис. 7 – Схема исследования RC – цепи

Рис. 8 – Настройка параметров измерений

Рис. 9 – Результаты измерений

Для получения численных значений необходимо подвести курсор к интересующей кривой, щелкнуть левой клавишей мыши, затем нажать на кнопку

.

Рис. 10 – Численные результаты измерений

На графиках появятся визирные линии и окна с численными значениями (рис. 10). Визирную линию можно передвигать, поставив на нее курсор и удерживая левую клавишу мыши. При этом в соседнем окне отражаются численные значения, в частности Х1, Y1– частота и амплитуда точки пересечения первой визирной линии и характеристики (1000 Гц и 846,733 мВ), X2, Y2 – частота и амплитуда точки пересечения второй визирной линии и характеристики (10 кГц и 157,1767 мВ).

Используя визирные линии, снять амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики, занести результаты в таблицы 3 и 4.

Изменяя параметры цепи и, используя описанную методику измерений, снять характеристики для различных значений R и C. Результаты занести в таблицы 3 и 4.

По результатам измерений построить амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики, а также годографы комплексной передаточной функции RC-цепи. Проанализировать полученные графики.

Табл.3

R(Ом)	C(мкФ)	К1 (мВ)	f1 (Гц)	…	…	Кn (мВ)	fn (Гц)

Табл.4.

R(Ом)	C(мкФ)	φ1 (рад)	f1 (Гц)	…	…	φn (рад)	fn (Гц)

Порядок выполнения (2 способ). Для исследования использовать схему, представленную на рис. 7.

1) Подготовка схемы измерения. Выставить значения параметров генератора, сопротивления и емкости, указанные на рис. 7. В меню Analysis выбрать режим Transient – режим анализа переходных характеристик. В появившемся окне (рис. 11) установить указанные параметры моделирования. В данном примере частота входного сигнала 50 Гц, амплитуда 1 В. Длительность времени анализа End time (TSTOP) = 0,04 с. (Длительность интервала выбирать таким образом, чтобы на осциллограмме укладывалось 2–5 периода исследуемых колебаний).

2) Измерения. Нажать кнопку Simulate (рис. 11). На экране появится окно, в котором будут представлены входной и выходной сигнал (на рис. 12 для частоты 50 Гц). Как видно из рисунка, для данных параметров RC-цепи сдвиг фаз между входным и выходным сигналами равен 0, амплитуды сигналов практически равны. Изменяя частоту генератора, снять амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики. Для изменения частоты генератора подвести курсор к его изображению и щелкнуть правой клавишей мыши. Изображение генератора изменит цвет на красный, на экране появится меню. Выбрать опцию Component Properties и в появившемся меню (закладка Value) выставить новое значение частоты генератора. На рис. 13 представлены результаты анализа для частоты 10 кГц (TSTOP=0,0002).

Рис. 11 – Настройка параметров измерения режима Transient

Для получения численных значений необходимо подвести курсор к интересующей кривой, щелкнуть левой клавишей мыши, затем нажать на кнопку

.

На графиках появятся визирные линии и окна с численными значениями (рис. 13). Визирную линию можно передвигать, поставив на нее курсор и удерживая левую клавишу мыши. При этом в соседнем окне отражаются численные значения (в частности Х1, Y1– время и амплитуда точки пересечения первой визирной линии и характеристики. Х2, Y2– время и амплитуда точки пересечения второй визирной линии и характеристики).

Для каждой частоты измерить амплитуды выходного (Авых) и входного (Авх) сигналов, а также величину Δt (сдвиг по времени входного и выходного сигналов), по которой можно вычислить сдвиг фаз:

φ = ωΔt = 2πfΔt(радиан).

(8)

Поскольку за несколько периодов переходные процессы не успевают закончиться (изменяется постоянная составляющая сигнала, рис. 13), в качестве амплитудных значений нужно брать полный размах колебаний.

Рис. 12 – Результаты измерений на частоте 50 Гц

Рис. 13 – Результаты измерений на частоте 10 кГц

Результаты измерений занести в таблицу 5.

Табл.5.

	50 Гц	…	…	100 кГц
Авых/Авх
φ,град

По результатам измерений построить амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики, а также годограф комплексной передаточной функции RC-цепи. Проанализировать полученные графики.

Порядок выполнения (3 способ). Для исследования использовать схему, представленную на рис. 7.

1) Подготовка схемы измерения. Подключить к схеме осциллограф (рис. 14). Линии подключения ко входам осциллографа сделать разного цвета (такого же цвета будут осциллограммы соответствующих сигналов на экране). Выставить значения параметров генератора, сопротивления и емкости, указанные на рис. 14.

Рис. 14 – Схема исследования RC – цепи с помощью осциллографа

2) Измерения. Развернуть переднюю панель осциллографа, дважды щелкнув левой клавишей мыши по его изображению. Нажать кнопку

на передней панели осциллографа. Появится увеличенное изображение передней панели осциллографа. Запустить режим моделирования кнопкой

.

Выбрать длительность развертки (Time Base) и масштаб по вертикальной оси (Channel А) таким образом, чтобы на экране помещались несколько периодов колебаний. С помощью визирных линий измерить амплитуду входного Авх и выходного Авых сигнала RC–цепи (рис. 15). Значение коэффициента передачи цепи на данной частоте равно Авых/Авх. Измерить временной сдвиг между входным и выходным сигналом и вычислить сдвиг фаз по формуле (8). На рис. 15 для частоты 50 кГц с помощью левой визирной линией измеряется амплитуда входного сигнала Авх (VA1 = 1.3864 В), с помощью правой визирной линии – амплитуда выходного сигнала Авых (VB2 = 43.8695 мВ), в третьем окне – временной сдвиг между сигналами (Т2–Т1 = 4.7600 мкс).

Изменяя частоту генератора, снять амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики, результаты занести в таблицу 6.

Рис. 15 – Измерение параметров сигнала

Табл.6.

	50 Гц	…	…	100 кГц
Авых/Авх
φ,град

По результатам измерений построить амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики, а также годограф комплексной передаточной функции RC-цепи. Проанализировать полученные графики.

2) Принципиальная схема CR-цепи представлена на рис. 16.

Рис. 16 – Схема CR-цепи

Входное сопротивление цепи определяется формулой (3). Комплексная передаточная функция по напряжению имеет вид

Ku (jω) = Ů2/Ů1= R/Zвх = 1/[1+ 1/(jωC)].

(9)

Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики

Ku (ω) = 1/√ 1+ (1/ωτ)2 ; φ(ω) = arctg (1/ ωτ)

(10)

показаны на рис. 17 (здесь также τ =RC).

CR-цепь пропускает колебания с частотами выше частоты среза ω_ср = 1/τ. Сверху полоса пропускания не ограничена. Сдвиг фаз между входным и выходным сигналами на низких частотах составляет 90^о, на высоких – стремится к нулю.

Задание. Собрать схему, представленную на рис. 16. Изменяя значения R и C, снять амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики цепи. Результаты измерений занести в таблицы 7,8. Порядок выполнения изложен выше.

Рис. 17 – Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики CR – цепи

Табл.7

R(Ом)	C(мкФ)	К1 (мВ)	f1 (Гц)	…	…	Кn (мВ)	fn (Гц)

Табл.8.

R(Ом)	C(мкФ)	φ1 (рад)	f1 (Гц)	…	…	φn (рад)	fn (Гц)

По результатам измерений построить амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики, а также годограф комплексной передаточной функции СR-цепи. Провести сравнительный анализ полученных для двух схем АЧХ и ФЧХ.

РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА № 5

«ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ RL-ЦЕПЕЙ»

Цель: изучить частотные характеристики RL-цепей, сравнить и проанализировать их для двух предложенных схем.