Лінійних кіл першого та другого порядку

Мета роботи

 

1. Вивчення методики практичного визначення часових характеристик лінійних кіл.

2. Експериментальне визначення часових характеристик лінійних кіл першого та другого порядку.

 

Програма роботи

 

1. Визначити параметри, від яких залежить тривалість перехідних процесів у колах першого та другого порядку.

2. Визначити параметри реальних імпульсних збуджень для дослідження часових характеристик лінійних кіл першого та другого порядку.

3. Дослідити експериментально перехідні та імпульсні характеристики лінійних кіл першого і другого порядку.

 

Підготовка до виконання роботи

1. За конспектом лекцій та рекомендованою літературою вивчити матеріали розділу “Поняття про часові характеристики лінійних кіл”.

2. Звернути увагу на те, що в данiй лабораторнiй роботi використовуються той самий електронний осцилограф, що й у попередній, але як генератор сигналів використовується генератор імпульсів Г5-63, який дозволяє формувати прямокутні імпульси не тільки змінної амплітуди та періоду повторювання, але й регульованої в широкому діапазоні тривалості.

3. У робочому зошиті для лабораторних робіт знайти заготовку для відповідного звіту і занести туди дані щодо мети та програми роботи.

4. У розділі “Домашнє завдання” накреслити принципові схеми RC - та RL -кіл інтегруючого і диференціюючого типів, записати аналітичні вирази для їх перехідних та імпульсних характеристик відносно напруги на виході та згідно з отриманими залежностями зобразити відповідні часові діаграми.

5. У цьому ж розділі накреслити можливі варіанти чотириполюсників, побудованих на базі послідовного RLC -кола, записати аналітичні вирази для їх часових характеристик відносно вихідних напруг та якісно зобразити графіки цих характеристик в аперіодичному і коливальному режимах роботи.

Опис лабораторної установки

У данiй лабораторнiй роботi використовуються той самий електронний осцилограф і той самий змінний блок 2, що й у попередній, але замість генератора сигналів Г3-112/1 використовується генератор імпульсів Г5-63, який має ширші функціональні можливості (дод. 1.2). На рис. 12.1 зображена передня панель змінного блока 2, схеми 1, 2 та 3 якого використовується при дослідженні часових характеристик RC - та RL -кіл першого порядку і RLC -кола другого порядку. Ці схеми підключаються до вимірювальних приладів за допомогою кнопок 1, 2 та 3, які розташовані зліва на передній панелі змінного блока.

 

 

Рис. 12.1. Передня панель змінного блока 2

 

При дослідженні часових характеристик RC - та RL -кіл першого порядку за допомогою перемикача “ R 1, R 2, R 3” можна встановлювати опір резисторів R ₁ = 50 Ом, R ₂ = 680 Ом, R ₃ = 360 Ом, а при дослідженні RLC -кола за допомогою такого самого перемикача “ R 1, R 2, R 3” – номінали опорів резисторів R ₁ = 1,3 кОм, R ₂ = 2,2 кОм, R ₃ = 50 Ом.

Діюче значення струму у колі можна вимірювати за допомогою цифрового вольтметра при натискуванні на передній панелі змінного блока кнопки “ І ”, а напруги на конденсаторі і на котушці індуктивності можуть підключатися на вхід другого каналу осцилографа при натискуванні кнопок “ U_C ” та “ U_L ” відповідно.

 

Порядок виконання роботи

 

1. Користуючись стислим описом вимiрювальних приладiв, наведеним у дод. 1.2, пiдготувати цифровий вольтметр i двоканальний осцилограф до роботи, пiдключити їх до мережi живлення за допомогою тумблера “Мережа”, який знаходиться на передній панелі змінного блока 2, і дати їм можливість прогрiтися протягом 5 – 10 хвилин.

Підключення до мережі живлення генератора імпульсів потребує спеці-альної підготовки.

2. Слід зазначити, що для генератора імпульсів у положеннях перемикача полярності “20 В” і при включеному атенюаторі “1:2” допускається робота на зовнішнє навантаження з опором, не меншим 500 Ом, а при включених атенюаторах “1:10” або “1:100” допускається робота на зовнішнє навантаження з опором не менше 48 Ом. При цьому шпаруватість імпульсної послідовності повинна бути не меншою 5.

3. Встановити перемикач “Амплітуда” генератора імпульсів у положення
“20 В”, вкючити атенюатор “1:10”, підключити генератор імпульсів до мережі і дати йому, як і іншим приладам, прогрітися протягом 5 – 10 хвилин.

4. За допомогою кнопки 1 з лівого краю змінного блока підключити до вимірювальних приладів RC -коло першого порядку і при натиснутій кнопці “ U _вх” встановити на виходi генератора імпульсну напругу u _вх(t) = u ₁(t) з частотою повторювання прямокутних імпульсів 5…10 кГц та амплітудою
U_{m 1} = 1 В. Включити у RC -коло резистор R 3, який має опір R ₃ = 360 Ом.

5. За допомогою часових діаграм напруг оцінити постійну часу t кола, що досліджується, та вибрати тривалість прямокутного відеоім-пульсу одиничної амплітуди, виходячи зі співвідношення t_і» (3…5)t. Включення такого імпульсу на вхід досліджуваного RC -кола дозволить отримати його перехідну характеристику як реакцію кола на позитивний стрибок постійної напруги величиною 1 В.

6. Подати сформований прямокутний відеоімпульс на вхід RC -кола і за допомогою осцилографа отримати та замалювати у відповідному масштабі перехідні характеристики цього кола відносно напруг на опорі та на ємності при різних номіналах опору резистора.

7. За допомогою кнопки 2 на передній панелі змінного блока 2 підключити до вимірювальних приладів RL -коло першого порядку і аналогічно дослідити його перехідні характеристики.

8. Виходячи зі значень постійних часу розглянутих RC - та RL -кіл, за допомогою генератора імпульсів сформувати короткі відеоімпульси тривалістю t_і << t, які мають велику амплітуду В. Включення такого ім-пульсу на вхід досліджуваного RC - або RL -кола дозволить наближено отримати його імпульсну характеристику.

9. По черзі подати на вхід кожного з двох кіл, що досліджувались згідно з пп. 4 – 7, сформовані короткі імпульси і замалювати імпульсні характеристики цих кіл відносно напруг на елементах у відповідних масштабах.

10. Провести порівняльний аналіз отриманих теоретично та експериментально часових характеристик кіл першого порядку та зробити відповідні висновки.

11. За допомогою кнопки 3 на передній панелі змінного блока 2 підключити до вимірювальних приладів послідовне RLC -коло другого порядку, до якого ввести резистор R 3 з найменшим номіналом опору (R ₃ = 50 Ом).

12. Подати на вхід RLC -кола прямокутні імпульси одиничної амплітуди з частотою повторювання 500…1500 Гц. Визначити характер перехідного процесу і, якщо він коливальний, знайти постійну часу кола.

13. Встановити тривалість імпульсів виходячи зі співвідношення , і замалювати перехідні характеристики RLC -кола відносно напруг при всіх трьох значеннях опору резистора (R ₁ = 1,3 кОм,
R ₂ = 2,2 кОм, R ₃ = 50 Ом). Перехідні характеристики відносно напруги на опорі зобразити виходячи з фізичних міркувань.

14. При найменшому значенні опору резистора RLC -кола визначити період власних коливань цього кола і сформувати за допомогою генератора короткі імпульси тривалістю з великою амплітудою В. Включення такого імпульсу на вхід досліджуваного RLC -кола дозволить наближено отримати його імпульсні характеристики як при коливальному, так і при аперіодичному характері перехідних процесів.

15. Подати на вхід RLC -кола сформовані короткі імпульси і замалювати імпульсні характеристики цих кіл відносно напруг на котушці індуктивності L та конденсаторі С у відповідних масштабах. Імпульсні характеристики відносно напруги на опорі R зобразити виходячи з фізичних міркувань.

16. Провести порівняльний аналіз отриманих теоретично та експериментально часових характеристик кіл другого порядку та зробити відповідні висновки.

 

Зміст звіту

 

1. Мета і програма роботи.

2. Результати, одержані в процесі підготовки до виконання роботи.

3. Схеми для проведення досліджень, виконані у відповідності до діючих стандартів.

4. Результати досліджень у вигляді розрахунків та часових діаграм.

5. Стислі висновки за результатами виконаної роботи.

 

Контрольні запитання та завдання

1. Що таке часова характеристика лінійного кола?

2. Які типові імпульсні збудження використовуються для отримання часових характеристик кіл?

3. Що таке функція одиничного стрибка стосовно електричних кіл?

4. Що таке одиничний імпульс (функція Дірака ) і які його основні властивості?

5. Чому дорівнює добуток довільної функції часу та функції Дірака?

6. У чому полягає сутність властивості фільтрації функції Дірака?

7. Дати визначення перехідної характеристики лінійного кола.

8. Який фізичний смисл перехідної характеристики кола?

9. Якою є методика аналітичного визначення перехідної характеристики кола?

10. Дати визначення імпульсної характеристики кола.

11. Який фізичний смисл імпульсної характеристики кола?

12. Як можна знайти імпульсну характеристику кола розрахунковим методом?

13. Яка методика експериментального визначення перехідної та імпульсної характеристик кіл першого порядку?

14. Яка методика експериментального визначення перехідної та імпульсної характеристик кіл другого порядку, що працюють у коливальному режимі?

15. Чому в разі визначення перехідної характеристики кола другого порядку, що працює в аперіодичному режимі, при виборі функції збудження слід виходити із значення меншого за абсолютною величиною кореня характеристичного рівняння кола?

16. Чому в разі визначення імпульсної характеристики кола другого порядку, що працює в аперіодичному режимі, при виборі функції збудження слід виходити із значення більшого за абсолютною величиною кореня характеристичного рівняння кола?

Лабораторна робота № 13