Исследование делителей напряжения

Цель работы

       Изучить характеристики резистивных делителей напряжения при различных нагрузках. Научиться измерять коэффициент передачи четырехполюсника с помощью осциллографа.

 

Аппаратное и программное обеспечение

 Рабочая станция локальной сети (персональный компьютер). Графический манипулятор мышь. Программа Electronics Workbench 5.0.

 

Краткие теоретические сведения

Четырехполюсник- участок цепи, имеющий два входных и два выходных зажима.

Рисунок 3.1 – Четырехполюсник

 

Делитель напряжения - это четырёхполюсник, у которого коэффициент передачи меньше единицы.

Отношение напряжения (тока или мощности) на выходе к напряжению (току или мощности) на входе называется коэффициентом передачи.

Рассмотрим Г-образный делитель напряжения:

 

Рисунок 3.2 – Г-образный делитель напряжения

 

Коэффициент передачи  такой цепи:

 

Домашнее задание

Подготовить ответы на вопросы для самопроверки.

Решить задачу: рассчитать коэффициент передачи Г-образного делителя напряжения (рисунок 3.2), если R 1 = 500+ N Ом, где N – номер записи студента в учебном журнале; R 2 = 40, 80, 160, 320, 640, 1280, 2560, 5120 Ом. Результаты расчета занести в таблицу 3.2.

 

Порядок выполнения работы

            Собрать схему проведения исследований.

 

 

 

Рисунок 3.3 – Схема для исследования Г-образного делителя напряжения

 

 В данной схеме используются:

G – генератор сигнала – (генерирует сигналы различной частоты и длительности синусоидальной, треугольной и прямоугольной форм);

Осц. – осциллограф – для наблюдения формы сигналов на входе и выходе;

V 1, V 2 – вольтметры (показывают действующее значение напряжения).

 

Записать в таблицу 3.1 значение входного напряжения (показания вольтметра   V 1) и размах входного напряжения (определить на экране осциллографа).

 

Таблица 3.1 – Результаты измерений входного напряжения Г-образного делителя напряжения

 

Входное напряжение U вх, В	Входное напряжение (размах на экране осциллографа), клетки

 

Изменять величину сопротивления резистора R 2 от 40 до 5120 Ом, снимать значение выходного напряжения – показания вольтметра V 2 и размах изображения выходного напряжения на осциллографе (сигнал выделен другим цветом) для всех значений R 2. Полученные данные занести в таблицу 3.2.

Таблица 3.2 – Результаты измерений выходного напряжения Г-образного делителя напряжения

 

R2, Ом	Uвых,В	Выходное напряжение (размах изображения на осциллографе), клетки	К (рассчитан по формуле          в домашнем задании)	К (рассчитан через показания вольтметра V2)	К (рассчитан через   размах изображения на осциллографе)
40
80
160
320
640
1280
2560
5120

 

Рассчитать коэффициент передачи для всех значений R 2 по показаниям вольтметра V 2

K = U вых/Uвх

Рассчитать коэффициент передачи для всех значений R 2 по величине размаха изображения на экране осциллографа:

K = клетки(вых)/клетки(вх)

Расчетные данные занести в таблицу 3.2.

Исследовать делитель с плавной регулировкой (Rк). Собрать схему, представленную на рисунке 3.4.

В данной схеме используются:

G – генератор сигнала – (генерирует сигналы различной частоты и длительности синусоидальной, треугольной и прямоугольной форм);

V1, V2 – вольтметры (показывают действующее значение напряжения).

Рисунок 3.4 – Схема для исследования делителя напряжения с плавной регулировкой

 

Снять значения выходного напряжения – показания вольтметра V 2. Занести полученные данные в таблицу 3.3.

Изменить сопротивление резистора R к, т.е. установить сопротивление 10% от сопротивления резистора R к, что соответствует отношению r / R к =0,9. Снять показания вольтметра V 2. Занести полученные данные в таблицу 3.3. Проделать данный пункт для значений сопротивления 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 100% от R к, т.е. для r / R к = 0,8, 0,7, 0,6, 0,5 и т.д.

 

Таблица 3.3 – Данные о выходном напряжении делителя напряжения с плавной регулировкой

 

r/R к	При R н = ∞		При R н=0,1Rк
	U2, В	К	U2, В	К
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0

 

Исследование делителя напряжения в режиме холостого хода:

R н = ∞. Повторить предыдущий опыт для делителя напряжения, работающего в режиме холостого хода. Занести полученные данные в таблицу. 3.3.

Рассчитать коэффициент передачи:             K = U вых/Uвх.

Построить график зависимости К = f(r/R к) при R н = ∞ и при R н=0,1Rк в одной системе координат.

Рисунок 3.5 – График зависимости   К = f(r/Rк) при R н = ∞ и при R н=0,1Rк

Контрольные вопросы

1 Чему равен коэффициент передачи делителя напряжения с плавной регулировкой, если движок потенциометра находится в верхнем положении? Почему? __________________________________________________________

__________________________________________________________________

 

2 Чему равен коэффициент передачи делителя напряжения с плавной регулировкой, если движок потенциометра находится в нижнем положении? Почему? __________________________________________________________

__________________________________________________________________

 

3 Какой становится зависимость коэффициента передачи делителя напряжения с плавной регулировкой от угла поворота движка при подключении нагрузки? ____________________________________________

____________________________________________________________________________________________________________________________________

 

Выводы ____________________________________________________________________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________________________________________________________________

 

«___» ____________ ________г.

 

Лабораторная работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИВНЫХ ЦЕПЕЙ

 

 Цель работы

 Изучение передаточных свойств цепей с активным элементом. Изучение свойств активных цепей.

 

Аппаратное и программное обеспечение

Рабочая станция локальной сети (персональный компьютер). Графический манипулятор мышь. Программа Electronics Workbench 5.0.

 

Краткие теоретические сведения

Активной называют цепь, содержащую активные элементы. Активным называют элемент, отдающий в цепь энергию большую, чем поступила на его вход. К активным элементам относят операционный усилитель, транзистор и другие.

Операционный усилитель - активный резистивный элемент, который выполняет в технике связи основной усилительный эффект. Выполняется в виде интегральных микросхем.

УГО операционного усилителя представлено на рисунке 4.1:

Рисунок 4.1 – УГО операционного усилителя

 

Операционный усилитель имеет 8 выводов: 2 входных, 1 выходной, 1 заземлённый и 2 для регулировки, 2 источника питания. Напряжение питания 12-15 В.

Достоинства:

1) очень высокий коэффициент усиления μ = 10⁴ - 10⁵;

2) очень высокое входное сопротивление R_вх = 10⁵ и выше;

3) маленькое выходное сопротивление R_вых = единицы Ом.

Операционный усилитель чаще используется с цепью обратной связи. Обратная связь - это цепь, через которую часть напряжения с выхода четырёхполюсника снова подаётся на вход того же четырехполюсника.

 

 

 

 

Рисунок 4.2 – операционный усилитель с цепью обратной связи

 

Коэффициент передачи определяется формулами:

   или .

Домашнее задание

Дать ответы на вопросы для самопроверки.

Выполнить предварительный расчет: рассчитать коэффициент передачи цепи, изображенной на рисунке 4.2, если     R ₂ = N /2, кОм,

где N – номер записи студента в учебном журнале.

Напряжение питания операционного усилителя U _пит = 20 В. Расчет выполнить для различных значений сопротивлений резистора R ₁. Результаты вычислений занести в таблицу 4.1.

 

 

Таблица 4.1- Результаты вычислений:

 

R 1, Ом	5000	2500	1200	640	320	160	80	40
К

 

Порядок выполнения работы

 

Собрать схему электрической цепи.

   В данной схеме используются:

G - генератор сигнала;

Осц. – осциллограф;

ОУ – операционный усилитель;

  S 1 – ключ.

 

 

Рисунок 4.3 - Схема исследования операционного усилителя

 

Определить размах входного и выходного сигнала, определить форму выходного сигнала, рассчитать коэффициент передачи цепи и данные исследования занести в таблицу 4.2.

Исследовать фазы выходного напряжения, для чего получить осциллограммы синусоидального, треугольного и прямоугольного сигналов при замкнутом и разомкнутом ключе (с включенной и отключенной цепью обратной связи).  Изобразить полученные диаграммы.

 

Таблица 4.2- Данные исследования коэффициента передачи операционного усилителя

 

При U 1 =2 В размах U вх =  в клетках При U 1 =1 В размах U вх =  в клетках
R 1, Ом			5000	2500	1200	640	320	160	80	40
U 1 =2В	U вых	клетки
		Форма сигнала
	К
U 1 =1В	U вых	клетки
		Форма сигнала
	К

 

Сигнал синусоидальной формы:

Рисунок 4.4 – Временная диаграмма       Рисунок 4.5 – Временная диаграмма

при включенной цепи ОС                    при отключенной цепи ОС 

Сигнал треугольной формы:

Рисунок 4.6 - Временная диаграмма        Рисунок 4.7 – Временная диаграмма

при включенной цепи ОС                         при отключенной цепи ОС

Сигнал прямоугольной формы:

Рисунок 4.8 – Временная диаграмма        Рисунок 4.9 – Временная диаграмма

при включенной цепи ОС                    при отключенной цепи ОС 

 

 Контрольные вопросы

 1 Когда напряжение на входе и выходе операционного усилителя будут в противофазе и почему?   ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

2  Какой формы будет сигнал на выходе операционного усилителя без обратной связи? Почему? ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

3 Когда и почему сигнал на выходе операционного усилителя ограничивается? ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

Выводы ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

«____»______________ ______г.

 

Лабораторная работа № 5

ИССЛЕДОВАНИЕ ВХОДНЫХ И ПЕРЕДАТОЧНЫХ АЧХ И ФЧХ RL- И RC- ЦЕПЕЙ

 

Цель работы

Исследовать входные и передаточные характеристики неразветвленных цепей RL и RC. Развить навыки работы с программой Electronics Workbench 5.0.