Исследование входных ачх и фчх rl- и rc- цепей

Цели работы: исследовать входные характеристики неразветвленных цепей RL и RC; развивать навыки работы с программой Electronics Workbench 5.0.

 

Подготовка к выполнению лабораторной работы

1 Изучить по [1] входные характеристики неразветвленных цепей.

2 Подготовить ответы на вопросы самопроверки.

3 Подготовить бланк отчета (см. раздел «Содержание отчета»).

4 Сделать предварительный расчет:

4.1 Для цепи из последовательного соединения резистора и конденсатора рассчитать реактивное сопротивление х_с, входное сопротивление цепи Z_вх и угол сдвига фаз φ_вх на частотах, заданных в таблице 4.1, если R= 100 Ом, С = 300 + N, нФ, где N – номер записи студента в учебном журнале. Данные расчета занести в табл. 4.1.

4.2 Повторить расчет по п. 4.1 для цепи RL на частотах заданных в таблице 4.2, если R= 100 Ом, L = 20 + N, мГн. Данные расчета занести в таблицу 4.2.

4.3 По данным расчета построить графики зависимостей Z_вх =F(f) и φ_вх=F(f) для цепей RC и RL.

 

Таблица 4.2 – Расчет данных для цепи RС

 

f, кГц	хс, Ом	Zвх, Ом	φвх, град.
2
4
6
8
10

 

 

Таблица 4.2 – Расчет данных для цепи RL

 

f, кГц	хL, Ом	Zвх, Ом	φвх, град.
0,2
0,4
0,6
0,8
1

 

Вопросы для самопроверки

 

1 Какие характеристики электрических цепей носят название входных?

2 Что показывают входные амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики?

3 От каких величин зависят входные функции в линейных электрических цепях?

4 Дайте определение граничной частоты.

5 Как определяется значение граничной частоты в цепях RL и в цепях RC?

6 Чему равно значение модуля входного сопротивления Z_вх на граничной частоте?

7 Какова величина угла сдвига фаз φ_вх на граничной частоте?

8 Начертите графики зависимостей входных АЧХ и ФЧХ для цепей RL и RC.

 

 

Аппаратное и программное обеспечение

1 Рабочая станция локальной сети (персональный компьютер).

2 Графический манипулятор мышь.

3 Программа Electronics Workbench 5.0.

 

Порядок выполнения работы

 

1 Проверка подготовки студентов к лабораторной работе по вопросам самопроверки.

2 Получить инструктаж по технике безопасности.

ВНИМАНИЕ! Аккуратно обращайтесь с персональным компьютером и его периферийными устройствами. Соблюдайте требования эргономики. Проверьте наличие устройств заземления.

3 Включить персональный компьютер, для этого:

3.1 Включить рабочую станцию компьютерной сети с помощью сетевого переключателя на системном блоке «Power».

3.2 Наблюдать загрузку компьютера.

3.3 Войти в программу Electronics Workbench 5.0. Получить изображение стандартного окна программы.

4 Собрать схему исследования цепи RC (рисунок 4.1). Для этого из библиотек программы достать необходимые элементы. 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 все элементы схемы.

Рисунок 4.1 – Схема для исследования входных АЧХ и ФЧХ цепи RC

В данной схеме используются:

V – вольтметр (показывают действующее значение напряжения);

А – амперметр (показывает действующее значение тока);

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

Изм. АЧХ и ФЧХ – предназначен для анализа амплитудно-частотных (АЧХ) и фазочастотных (ФЧХ) характеристик. Подключение прибора к цепи осуществляется зажимами IN (вход) и OUT (выход). Левые клеммы зажимов подключаются соответственно к входу и выходу исследуемой цепи, а правые – к общей шине (земле).

4.1 Установить значения C и R согласно раздела «Подготовка к выполнению лабораторной работы» п. 4.1. Чтобы установить значение элемента, надо два раза щёлкнуть левой клавишей манипулятора мышь на изображение элемента и поменять его значение в раскрывшемся окне. Нажать «OK», окно закроется, значение элемента изменится.

4.2 Установить в вольтметрах и амперметре режим измерения переменного тока. Для чего щёлкнуть мышью два раза по изображению элемента и в раскрывшемся окне выбрать режим (Mode) – АС (переменный ток).

4.3 Щёлкнуть два раза по изображению генератора. Установить режим генерации синусоидальных импульсов, нажав на соответствующее изображение в раскрывшемся окне лицевой панели генератора.

4.4 Установить частоту (frequency), равную 2 кГц, амплитуду (amplitude) 3 В, длительность импульса (duty cycle) 50% от периода, постоянную составляющую (offset) сигнала на выходе генератора, равную нулю, изменяя эти данные в окошках напротив параметров в раскрывшемся окне лицевой панели генератора.

4.5 Щёлкнуть два раза на изображение измерителя АЧХ и ФЧХ. На открывшейся лицевой панели данного прибора нажать манипулятором мышь кнопку Phase (для измерения фазы), вид шкалы Lin – линейная. Щелчками манипулятора мышь установить в окошках пределы измерения: F – максимальное и I – минимальное значение по осям X (Horizontal) и Y (Vertical). По оси X: F = 25 кГц; I = 0,1 Гц, по оси Y: F = 90⁰, I = -90⁰.

5 Снять входные характеристики цепи RC:

5.1 Включить режим анализа схемы, щелкнув манипулятором мышь на изображение I включателя, расположенного в правом верхнем углу панели инструментов.

5.2 Нажать мышью надпись «Pause» на панели инструментов, для того чтобы остановить анализ работы схемы, или нажать левой клавишей манипулятора мышь на изображение 0 в правом верхнем углу окна.

5.3 Снять показания вольтметра V – входное напряжение U_вх. Измерить с помощью амперметра А значение тока в цепи. Показания занести в таблицу 4.3.

5.4 Измерить угол сдвига фаз между напряжением и током. Для чего на лицевой панели измерителя АЧХ и ФЧХ переместить курсор, расположенный в начале шкалы на частоту работы цепи (2 кГц), и снять показания фазы на информационном поле внизу справа. Занести полученные данные в таблицу 4.3.

5.5 Повторить пп. 5.2 – 5.3 для других значений частоты f = 4, 6, 8, 10 кГц.

 

Таблица 4.3 – Экспериментальные и расчетные данные исследования цепи RC

при U_вх = ____ В

	Результаты измерений	Вычисление
f, кГц	I, мА	φвх, град.	Zвх, Ом
2
4
6
8
10

 

5.6 По результатам измерений вычислить модуль входного сопротивления цепи Z_вх = U_вх/ I. Результаты вычислений записать в таблицу 4.3.

5.7 По результатам измерений и вычислений построить графики зависимостей Z_вх =F(f) и φ_вх=F(f).

6 Снять входные характеристики цепи RL. Для этого в схему (рис 4.1) вместо конденсатора C включить катушку индуктивности L. Значение индуктивности катушки установить согласно п. 4.2 раздела «Подготовка к проведению лабораторной работы».

6.1 Аналогично пп. 5.1 – 5.5 измерить значение тока и фазы в цепи RL, изменяя частоту генератора (frequency): f = 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1; 2; 4 кГц. Результаты измерений занести в таблицу 4.4.

 

Таблица 4.4 – Экспериментальные и расчетные данные исследования цепи RL

 

при U_вх = ____ В

	Результаты измерений	Вычисление
f, кГц	I, мА	φвх, град.	Zвх, Ом
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Продолжение таблицы 4.4
2
4

 

6.3 По результатам измерений вычислить модуль входного сопротивления цепи RL. Результаты вычислений записать в таблицу 4.4.

6.4 По результатам измерений и вычислений построить графики зависимостей Z_вх =F(f) и φ_вх=F(f).

7Для цепей RL и RC определить значения граничных частот. Отметить их на графиках Z_вх =F(f).

8 Показать результаты выполнения работы преподавателю.

9 Выключить оборудование.

10 Составить отчет по работе.

 

Содержание отчета

 

1 Наименование и цель работы.

2 Расчет домашнего задания по п. 4.1, 4.2, 4.3 раздела «Подготовка к проведению лабораторной работы».

3 Схема исследований (рисунок 4.1).

4 Результаты измерений и вычислений (таблица 4.1, 4.2, 4.3, 4.4).

5 Графики зависимостей Z_вх =F(f), φ_вх=F(f) для цепей RC и RL.

6 Ответы на контрольные вопросы (по заданию преподавателя).

7 Выводы по работе.

 

Контрольные вопросы

 

1 По каким формулам определяется модуль входного сопротивления для цепей RL и RC? Запишите эти формулы через параметры цепей и через граничную частоту.

2 По каким формулам рассчитывается угол сдвига фаз в цепях RL и RC?

3 Постройте входные характеристики Z_вх =F(f), φ_вх=F(f) для схем приведенных на рисунке 4.2.

 

 

 

Рисунок 4.2 – Схемы цепей

 

4 По каким формулам определяется коэффициент передачи для цепей RL и RC? Запишите эти формулы через параметры цепей и через граничную частоту.

5 Приведите формулы расчета передаточных ФЧХ для цепей RL и RC.

 

Содержание зачёта

Студент должен знать ответы на контрольные вопросы; должен уметь проводить измерения, предусмотренные заданием на работу, анализировать результаты измерений.

 

Литература

 

1 Добротворский И. Н. Теория электрических цепей. – M.: Радио и связь, 1989. – C.193 – 194.

2 Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC – М.: Солон-Р, 1999. – С. 22 – 50.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5