Материал: Исследование и моделирование линейных цепей. Каневский З.М., Литвиненко В.П

После установки луча подается входной сигнал, выбираются требуемые размеры изображения по вертикали с помощью входного аттенюатора (В/дел.) и скорость развертки (с/дел.). Изображение может быть размытым, неустойчивым, многократно повторяющимся.

Для получения устойчивого изображения необходимо провести синхронизацию осциллографа (в режиме внешней синхронизации на вход «1:1» БС должен быть подан внешний синхросигнал). Для этого ручка «Стаб.» из крайнего левого положения поворачивается вправо до погасания луча и немного возвращается назад до появления изображения. Затем ручкой «Уровень» в окрестности среднего положения добиваются стабилизации (хотя бы частичной) изображения. После этого опять поворачивают ручку «Стаб.» вправо до погасания луча и возвращают назад до появления изображения и вновь ручкой «Уровень» добиваются его устойчивости.

Эта процедура повторяется несколько раз и обеспечивается режим ждущей развертки, в котором синхронность не нарушается при переключении входного аттенюатора или скорости развертки. Производится окончательная настройка изображения временной диаграммы сигнала.

По изображению сигнала можно проводить измерения уровня (амплитуды) и временных параметров (например, периода повторения). Полученная соответствующая величина размера изображения в делениях сетки экрана умножается на цену деления по вертикали (задается переключателем входно-

19

го аттенюатора) или горизонтали (задается переключателем скорости развертки).

Необходимо следить, чтобы ручки плавной регулировки входного аттенюатора и скорости развертки находились в крайнем правом положении (в защелке), в противном случае будет нарушаться калибровка вертикальной и горизонтальной осей изображения.

4. Лабораторный стенд

Лабораторный стенд является нестандартным лабораторным оборудованием и предназначен для фронтального выполнения лабораторных работ по курсам «Основы теории цепей», «Общая электротехника» и «Электротехника и электроника». Внешний вид стенда показан на рис. 5.

Рис. 5.

20

Для каждой работы используется специальная плата с установленными элементами (на стенд можно установить две платы).

В правой части расположен блок усилителей (БУ), на вход которого подается напряжение от генератора Г4-42. Блок имеет выход «Вых. Е», соответствующий источнику напряжения, и выход «Вых. I», близкий по свойствам источнику тока.

Каждый выходной сигнал имеет органы регулировки амплитуды «Е» и «I» соответственно.

Ток в исследуемой цепи измеряется миллиамперметром, расположенным в верхней части стенда, его вход расположен рядом с измерительной головкой. Предел измерения выбирается переключателем «Предел».

Вправой части стенда находится электронный коммутатор «Эл. К». Он имеет два симметричных (без земляной точки) входа «Вх.1» и «Вх.2» и выход, к которому подключается один канал осциллографа. Отсутствие «земли» на входах коммутатора позволяет подключать их к любым точкам исследуемой цепи и попеременно подавать два гармонических напряжения на осциллограф для измерения сдвига фаз между ними.

На верхней панели стенда находится выход электронного коммутатора ЭК для выполнении лабораторной работы «Свободные процессы в линейных цепях».

Вправой части стенда расположен переключатель сигнала синхронизации от блока усилителей (БУ) или от электронного коммутатора (ЭК). Синхросигнал подается на вход внешней синхронизации осциллографа.

21

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1

ОЗНАКОМЛЕНИЕ С ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМИ ПРИБОРАМИ

Цель работы - ознакомление с измерительными приборами, установленными на рабочем месте, освоение органов управления и правил их использования при проведении измерений.

ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ

1.Ознакомьтесь и инструкцией по технике безопасности при проведении экспериментальных работ в лаборатории.

2.Получите инструктаж преподавателя о порядке выполнения лабораторных работ, об используемом оборудовании и лабораторном стенде. Освойте назначение всех узлов лабораторного стенда и органов управления.

3.После объяснений преподавателя по методическим указаниям в лаборатории изучите описание, правила подготовки к работе и проведения измерений для следующих приборов: осциллографа С1-55; вольтметра универсального В726; генератора стандартных сигналов Г4-42; лабораторного стенда.

4.Установите уровень сигнала на выходе генератора Г4-42 равным 0,5 В на частоте 50 кГц. Подключите к выходу генератора осциллограф, установите устойчивое изображение гармонического сигнала на экране и измерьте его амплитуду и частоту. Сравните результаты с установленными данными. Проведите измерения при других исходных параметрах сигнала.

5.Соедините с выходом генератора Г4-42 вольтметр и измерьте уровень сигнала. Сравните результат с установленным значением и с результатом осциллографических измерений.

6.Подключите генератор Г4-42 к входу лабораторного стенда и установите уровень входного сигнала 0,3-0,7 В на час-

22

тоте 100 кГц. Соедините вольтметр с выходом источника напряжения и регулятором уровня установите напряжение источника 1,5 В. Отключите вольтметр и подайте сигнал источника на осциллограф, измерьте параметры сигнала, сравните с показаниями вольтметра.

7. Подготовьтесь к сдаче устного зачета. Отчет по данной лабораторной работе не оформляется.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2

МОДЕЛИ ИСТОЧНИКОВ И ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Цель работы - изучить методику экспериментального определения параметров схем замещения (эквивалентных схем) источников сигнала и пассивных элементов цепи.

ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ

1.Подключите к плате исследуемой цепи (рис. 2.1) источник напряжения, вольтметр и измеритель тока. Подайте на вход блока усилителей (БУ) стенда от генератора Г4-42 напряжение 0,3-0,7 В на частоте 30 кГц.

2.Исследуйте источник напряжения лабораторного

стенда.

2.1.Переключатель Т1 на плате переведите в положение 2 (режим холостого хода). Регулятором уровня установите выходное напряжение источника - напряжение холостого хода

U В

I мА

Uхх - равным 0,5-1 В.

2.2. Ручку переменного резистора R переведите в крайнее правое положение (максимальное сопротивление), переключатель Т1 установите в положение 3. Уменьшая сопротивление R, снимите вольтамперную характеристику источника (зависимость тока источника I от напряжения U).

23

Рис. 2.1. Схема исследуемой цепи

Проведите 5-7 измерений с равномерным шагом по напряжению (или току), результаты занесите в табл. 2.1. Постройте на миллиметровке график I(U).

Таблица 2.1.

Вольтамперная характеристика

2.3.Установите минимальное (нулевое) сопротивление R - режим короткого замыкания источника. Измерьте ток короткого замыкания Iкз.

2.4.Вычислите внутреннее сопротивление источника Rвн=Uхх/Iкз. Используя модель реального источника напряжения (рис. 2.2), рассчитайте его вольтамперную характеристику в тех же точках, что и в пункте 2.2 и внесите результаты в таблицу, аналогичную предыдущей. Полученную зависи-

24

мость нанесите на экспериментальный график, проанализируйте результаты.

2.5. Изменяя сопротивление R, установите на нем напряжение, равное половине напряжения холостого хода. Переведите переключатель Т1 в положение 2, отключив резистор R от источника, и измерьте омметром его сопро-тивление. Оно равно внутреннему со-

Рис. 2.2. противлению источника Rвн (докажите это). Сравните измеренное значение

внутреннего сопротивления с вычисленным в пункте 2.4.

3. Переведите переключатель Т1 в положение 1 и исследуйте катушку индуктивности, установленную на плате стенда.

3.1. Изменяя частоту генератора от 30 до 100 кГц с шагом 10 кГц, измерьте величины напряжения и тока на катушке индуктивности, результаты занесите в табл. 2.2.

Таблица 2.2. Частотные характеристики катушки индуктивности

f кГц 30 40 50 60 70 80 90 100

U В

I мА

Z Ом

L мГн

Xср Ом

Zр Ом

3.2. По результатам измерений вычислите значения сопротивления Z катушки индуктивности и внесите их в ту же таблицу. Постройте график Z(f). На каждой из частот отдель-

25

но определите величину индуктивности L без учета сопротивления потерь, результаты занесите в таблицу 2.2.

3.3.Найдите среднеарифметическое значение индуктивности Lср. На указанных в таблице 2.2 частотах рассчитайте зависимость от частоты реактивного сопротивления Xср индуктивности Lср. Результаты внесите в таблицу 2.2 и отобразите на графике совместно с Z(f). Проведите сравнительный анализ.

3.4.Переведите переключатель Т1 в положение 2, отключив тем самым катушку индуктивности от источника. С помощью прибора В7-26 измерьте величину сопротивления r катушки на постоянном токе.

3.5.По величинам Lср и r рассчитайте зависимость от частоты модуля полного сопротивления катушки индуктивности (с учетом потерь) Zр(f) на тех же частотах, на которых ранее проводились измерения. Результаты занесите в табл. 2.2 и постройте график, совместив его с кривой Z(f) в пункте 3.2. Сравните результаты, сделайте выводы.

ДЛЯ ПЫТЛИВЫХ

4. По результатам измерений тока и напряжения на индуктивности на двух частотах (например, 30 кГц и 100 кГц) рассчитайте величину индуктивности L и ее активного сопротивления r. Для этого необходимо составить и решить систему из двух квадратных уравнений относительно искомых величин.

МОДЕЛИРОВАНИЕ

Схема моделируемой цепи приведена на рис. 2.3, а моделирующая программа содержится в файле Lab2.cir. Цифрами в кружках обозначены узлы цепи (точки соединения двух и более элементов в соответствии с требованиями

MICRO-CAP V).

Примите амплитуду источника гармонического напряжения E и его внутреннее сопротивление Rвн=R1 равными

26

экспериментальным значениям (в примере выбраны E=4 В и

R1 =50 Ом).

Рис. 2.3.

Задайте большое значение индуктивности, например, L=1000 Гн, что исключит ее влияние на токи и напряжения в цепи. Повторите лабораторные эксперименты, связанные с источником сигнала в режимах холостого хода (R2=1000 МОм) и короткого замыкания (R2=0).

Выберите большое значение сопротивления (R2=1000 МОм) и исследуйте свойства индуктивности, повторив лабораторное задание. Величины L и сопротивления потерь катушки r=R3 установите по результатам измерений в лабораторной работе (в примере L=4 мГн и r=20 Ом). Сравните результаты измерений и моделирования.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3

ГАРМОНИЧЕСКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ И ТОК В ЭЛЕМЕНТАХ ЦЕПИ R, L, C И ИХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОМ СОЕДИНЕНИИ

Цель работы - изучить взаимосвязь гармонических токов и напряжений в элементах цепи и их последовательном соединении.

27

ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ

1.Подключите к плате исследуемой цепи (рис. 3.1) источник напряжения, вольтметр, микроамперметр, коммутатор. Соедините со стендом генератор и осциллограф. Откалибруйте измерительные приборы, подготовьте их к измерениям.

На выходе Г4-42 установите напряжение 0,3-0,6 В при частоте 40 кГц. На выходе источника напряжения лабораторного стенда установите уровень сигнала 2-4 В, так, чтобы ток

вцепи составлял 500-1000 мкА. Переключатель режимов синхронизации лабораторного стенда установите в положение синхронизации от блока усилителя «БУ» Запишите значения параметров цепи, указанные на плате.

2.На частоте f1 = 40 кГц вычислите реактивные сопротивления емкости XC, индуктивности XL и полное сопротивление последовательной RLC цепи Z. Результаты расчета внесите в табл. 3.1.