1.5.4. Измеритель ачх и фчх (Bode Plotter)

Измеритель диаграмм Боде (или плоттер Боде) предназначен для измерения амплитудно-частотных АЧХ и фазочастотных ФЧХ характеристик электрических цепей.

Лицевая панель измерителя АЧХ-ФЧХ показана рис.12.

Р ис.12. Лицевая панель измерителя АЧХ-ФЧХ (измерителя диаграмм Боде).

Измеритель позволяет проводить анализ амплитудно-частотных (при нажатой кнопке Magnitude, включена по умолчанию) и фазочастотных (при нажатой кнопке Phase).

По вертикальной оси указываются параметры выходных величин: модуля или аргумента комплексного коэффициента передачи, а по горизонтальной оси значение частоты. Возможны различные масштабы по вертикальной оси (VERTICAL) - осьY и горизонтальной (HORIZONTAL) - ось Х: логарифмический (нажать кнопка LOG, она включена по умолчанию) или линейный (кнопка LIN).

Настройка измерителя заключается в выборе пределов измерения коэффициента передачи и вариации частоты с помощью кнопок в окошках F- максимальное и I- минимальное значение.

В приборе предусмотрена одна визирная линия для точного отсчета значений частоты и параметра частотной характеристики цепи. По умолчанию она совпадает с вертикальной осью, а перемещается с помощью курсора. Возможно перемещение визирной линии с помощью стрелок (← →). Установленному положению визирной линии, точное значение частоты и соответствующее ей значение коэффициента передачи или фазы, индицируется

в окошках в правом нижнем углу измерителя: в нижнем - частота, в верхнем – параметр.

Подключение прибора к исследуемой схеме осуществляется с помощью зажимов IN (вход) и OUT (выход). Входные зажимы четырехполюсника подключаются к клеммам in измерителя, а выходные — к клеммам out. Для правильного получения ФЧХ правые (от пользователя) контакты клемм подключаются к корпусу, а левые клеммы зажимов подключаются соответственно к входу и выходу исследуемого устройства. К входу исследуемой цепи необходимо подключить функциональный генератор или другой источник переменного напряжения, при этом каких-либо настроек в этих устройствах не требуется.

2. Задания на экспериментальные исследования и методика их выполнения

Задание 1. измерение параметров сигнала генератора гармонических колебаний с помощью осциллографа и вольтметра

1. С обрать схему измерения (см. рис.13).

Рис.13

1.2. Измерить параметры гармонического сигнала с помощью осциллографа.

1.2.1. Установить на выходе генератора гармонический сигнал с амплитудой U_m=5B, частотой f=2кГц .

1.2.2. Получить на экране осциллографа устойчивое, неограниченное сверху, по оси Y, изображение 2 – 3 периодов гармонического сигнала в пределах всего экрана по оси х.

Это достигается путем регулировки чувствительности канала А по оси Y (переключатель В/Дел), времени развертки по оси Х (переключатель Время/Дел) и установки осциллографа в режим внутренней синхронизации по каналу А с запуском развертки по положительному перепаду входного сигнала.

1 .2.3. Нарисовать в отчете временную диаграмму гармонического сигнала с амплитудой, в соответствии с изображением сигнала на экране осциллографа, показав единицы измерения по осям, а также амплитуду и период сигнала (смотри рис.14).

Рис.14.

1.2.4. Измерить осциллографом амплитуду U_m гармонического сигнала. Измерение амплитуды сводится к расчету ее по формуле (Рис. 14)

U_m = H_m^.K_y,

где H_m^.- амплитуда изображения сигнала в делениях шкалы по оси Y; K_y, - масштабный множитель по оси Y (значение переключателя В/Дел).

1.2.5. Измерить с помощью осциллографа период и вычислить частоту исследуемого сигнала.

Измерение периода сводится к расчету его по формуле (Рис. 14)

T = L^.K_x,

где L – изображение периода в делениях шкалы по оси Х; K_x, - масштабный множитель по оси Х (значение переключателя Время/Дел).

Частоту сигнала рассчитать по формуле f=1/Т.

1.2.6. Измерить амплитуду и период сигнала с помощью визирных линий осциллографа и сравнить полученные значения с измеренным ранее.

Для таких измерений перейти в режим увеличенной передней панели осциллографа (нажав кнопку Expand).

1.3. измерить мультиметром (вольтметром) амплитуду гармонического сигнала.

На дисплее мультиметра отображается действующее (эффективное) значение переменного напряжения U_д.

Амплитуду сигнала рассчитать по формуле

U_m = U_д = U_д /0.707= 1.41U_д

и сравнить с измеренным ранее.

Задание 2. изменрение параметров генератора прямоугольнных импульсов

1. Собрать схему измерения (см. рис.13).

2. Установить на выходе генератора сигнал в виде последовательности прямоугольных однополярных импульсов с амплитудой U_m=6B, частотой f=2кГц и длительностью t_u=100мкс.

3. Получить на экране осциллографа устойчивое, неограниченное сверху, по оси Y, изображение 2 – 3 периодов сигнала в пределах всего экрана по оси х.

Нарисовать временную диаграмму сигнала, наблюдаемого на экране, показав единицы измерения по осям, а также амплитуду, период и длительность импульса.

4. Измерить с помощью осциллографа основные параметры сигнала на выходе генератора. Результаты записать в отчет.

2.5. Поставить по входу осциллограф в режим наблюдения переменного сигнала (режим АС). Зарисовать временную диаграмму, обьяснить ее характер.

задание 3. измерение с помощью двухканального осциллографа коэффициента передачи по напряжению

По определению коэффициент передачи по напряжению определяется из соотношения K_u=U_2m/U_1m , где: U_2m ,U_1m – амплитуды гармонических сигналов на выходе и входе исследуемой цепи

3.1. Собрать схему приведенную на рис.15. На выходе генератора установить гармонические колебания с амплитудой U_1m=1В и частотой f=5кГц.

3.2 На экране осциллографа получить устойчивое не искаженное изображение обоих сигналов и измерить их амплитуды U_2m ,U_1m..

3.3. По экспериментальным данным рассчитать коэффициент передачи K_u=U_2m/U_1m.

3 .4 Анализ RC-цепи показывает, что ее коэффициент передачи определяется выражением K_u=(1+(RC)²)^1/2. Рассчитать по нему коэффициент передачи и сравнить с экспериментальным.

Рис.15. Схема измерения коэффициента передачи и фазового сдвига

Задание 4. измерение с помощью двухканального осциллографа фазового сдвига двух гармонических сигналов в простейших rc (rl) – цепях

4.1 Собрать схему приведенную на рис.15. На выходе генератора установить гармонические колебания с амплитудой U_1m=1В и частотой f=5кГц.

4 .2 На экране осциллографа получить устойчивое не искаженное изображение обоих сигналов и измерить период сигнала T и временной сдвиг между сигналами T_φ (см. рис.16).

Рис.16.

Это можно выполнить по формуле  =₂ - ₁ =360^о (T_/T), где T – период сигнала (рис.16 а.), а T_φ – временной сдвиг между сигналами (рис.16 б.). Временной интервал на экране осциллографа можно измерить, используя визирные линии, которые ориентируют по максимуму гармонической

функции, как показано на рис. 16а. Значительно точнее можно измерить временной сдвиг ориентируясь по пересечению сигналами уровня нуля. Визирные линии можно вызвать, включив режим Expand. Величину временного интервала можно прочесть в окне под экраном. Результаты измерений занести в отчет.

Выходной сигнал может отставать по фазе от входного сигнала и тогда он располагается справа от входного (рис.16 б.). Фазовый сдвиг в этом случае берется со знаком минус. В случае опережения выходного сигнала (он располагается слева от входного) фазовый сдвиг берется положительным.

Например, на рис.7, T=500 мс, |T_φ|=67 мс, тогда  =₂ - ₁ = –360^о (T_/T) примерно равняется –48^o. Выходной сигнал отстает по фазе от входного на 48^о.

задание 5. исследовать зависимость мощности и напряжения на нагрузки от величины сопротивления нагрузки

5 .1 Собрать схему исследования (Рис.17).

На выходе генератора установить гармонический сигнал с амплитудой 1В. Изменяя сопротивление Rn диапазоне от 0 до ∞ измерять U_mn. Результаты измерений занести в таблицу 1. Рассчитать активную мощность на сопротивление нагрузки Rn (Р_н= U²_mn/Rn) и результаты занести в таблицу.

Рис. 17.

Таблица 1.

Rn, Ом	0	10	20	30	50	70	100	103	∞
Umn, В
Рн, Вт

Построить графики зависимостей U_mn =F(Rn), Р_н, =F(Rn) и сделать выводы относительно условий получения на нагрузке максимальной амплитуды напряжения и максимальной активной мощности выделяемой в нагрузке.