Описание измерительной установки

С хема измерительной установки для исследования искусственной длинной линии приведена на рис. 6.3.

Рис. 6.3

Установка состоит из источника переменной ЭДС, 16-звенной искусственной длинной линии без потерь и вольтметра. В ходе выполнения работы, кроме того, потребуется осциллограф, универсальный генератор, а также различные элементы для нагрузки линии - резистор, конденсатор, катушка. Исходные параметры элементов указаны на схеме. Вольтметр включен в режиме переменного тока, внутреннее сопротивление вольтметра - 1 МОм,

Исследуемую искусственную длинную линию удобно рассматривать, как со­ставленную не из Г-образных, а из П-образных звеньев: поэтому конденсаторы СО и С16 имеют половинную емкость (предполагается, что каждое звено состоит из двух конденсаторов и одной катушки, однако реально соседние конденсаторы звеньев оказываются включенными параллельно и поэтому объединяются, крайние же кон­денсаторы остаются «половинными»). В целом емкость звена С₁ =1 нФ, а индуктивность L₁ = 200 мкГн. Звенья и соответствующие узлы пронумерованы от нагрузочного конца линии.

Порядок выполнения работы

1. Рассчитать для исследуемой длинной линии (рис. 6.3) волновое сопротивление: Z_B , постоянную распространения γ , эквивалентную длину l_экв и частоту f₀ , при которой на линии укладывается одна длина волны.

2. Собрать в программе Electronics Workbench установку, показанную на рис. 6.3. Задать частоту источника ЭДС равной найденной в п. 1 частоте f₀.

3. Включить схему в режиме холостого хода.

4. Исследовать распределение напряжения вдоль длинной линии, последовательно подключая вольтметр к узлам 0-16; результаты измерений занести в соответст­вующую строку табл. 6.1.

Таблица 6.1

Нагрузка

5. Включить схему в режиме короткого замыкания (подключить перемычку парал­лельно конденсатору С₀).

6. Повторить п. 4 для режима короткого замыкания.

7. Включить схему в согласованном режиме (подключить резистор, сопротивление которого равно найденному в пункте 1 волновому сопротивлению линии Z_B, па­раллельно конденсатору С₀).

8. Повторить п. 4 для согласованного режима.

9. Включить схему в несогласованном режиме (подключить резистор, сопротивле­ние которого в три раза больше найденного в п. 1 волнового сопротивления линии Z_B, параллельно конденсатору С₀).

10. Повторить п. 4 для несогласованного режима. Вычислить коэффициенты отраже­ния, бегущей волны, стоячей волны.

11. Подключить в качестве нагрузки (параллельно конденсатору С₀) конденсатор ем­костью 1 нФ. Рассчитать на сколько (в длинах волн) и в какую сторону должны сдвинуться узлы и пучности напряжения вдоль линии.

12. Повторить п. 4 для емкостной нагрузки.

13. Подключить в качестве нагрузки (параллельно конденсатору С0) катушку индук­тивностью 100 мкГн. Рассчитать на сколько (в длинах волн) и в какую сторону должны сдвинуться узлы и пучности напряжения вдоль линии.

14. Повторить п. 4 для индуктивной нагрузки.

15. По данным табл. 2.8.1 построить кривые распределения амплитуды напряжения вдоль линии в различных режимах. Объяснить полученные графики.

16. Установить частоту источника ЭДС равной 2∙f₀.

17. Включить схему в режиме холостого хода.

18. Исследовать распределение напряжения вдоль длинной линии, последовательно подключая вольтметр к узлам 0-16; результаты измерений занести в табл. 6,2.

Таблица 6.2.

Нагрузка

19. По данным табл. 6.2 построить кривую распределения амплитуды напряжения вдоль пинии а режиме холостого хода. Сравнить полученный график с графиком для режима холостого хода, полученным в п. 15.

20. Рассчитать время задержки искусственной линии

21. Вместо источника переменной ЭДС подключить универсальный генератор сигналов. Задать на его панели следующие параметры сигнала: синусоидальный сигнал, частота 50 кГц, амплитуда 2 В, постоянная составляющая 0 В

22. Отключить (удалить) вольтметр. Подключить согласованную нагрузку (п. 7).

23. Задать в программе режим анализа установившихся процессов (параметр «Steadу-state» в меню «Circuit-Analysis options») и покадровый режим работы осциллографа (флажок «Pause after each screen» в меню «Circuit-Analysis options»)

24. Подключить осциллограф для наблюдения напряжений в узлах 16 (вход) и 0 (выход). Для удобства наблюдения следует задать для проводов, по которым на ос­циллограф подаются входной и выходной сигналы, разные цвета: зеленый для входного сигнала, синий для выходного сигнала. Тогда на экране осциллографа входной сигнал будет отображаться зеленой линией, а выходной - синей. Чтобы изменить цвет провода на схеме, следует дважды щелкнуть по нему левой кноп­кой мыши (или выделить провод однократным щелчком и выполнить команду «Wire color» из меню «Circuit») и выбрать нужный цвет в появившейся палитре.

25.Установить на осциллографе время развертки таким образом, чтобы горизон­тальный размер экрана примерно соответствовал пяти периодам исследуемого сигнала, для этого следует выбрать время развертки time base≈5Т/14; т.к. время развертки не может быть установлено произвольно, то полученное значение следует округлить до ближайшего имеющегося значения, округлять предпочтительнее в большую сторону. Оба канала осциллографа следует переключить в режим открытого входа (DC). Усиление каналов А и В на осциллографе необxoдимо установить так, чтобы осциллограммы процессов полностью умещались на экране. Увеличить изображение лицевой панели осциллографа (кнопка «ZOOM»)

26. Включить схему. При необходимости изменить параметры развертки и усиления осциллографа для получения оптимального изображения; можно также для одного из каналов задать смещение луча по вертикали (чтобы визуально разнестивходной и выходной сигналы по вертикали на экране осциллографа). Измерить время задержки выходного сигнала. Зарисовать полученные осциллограммы, при этом также необходимо указать время развертки и усиление каналов на осциллографе (если установлены ненулевые смещения луча по вертикали, то следует указать числовые значения смещений).

27. Изменить параметры сигнала на генераторе: прямоугольный сигнал, частота повторения импульсов 50 кГц, скважность (duty cycle) 50, амплитуда 2 В, постоянная составляющая 2 В. Включить схему. При необходимости настроить осциллограф (повторить п. 25). Измерить время задержки выходного сигнала. Зарисовать осциллограммы (повторить п. 26).

28. Установить значение скважности равным 10. Включить схему. При необходимо­сти настроить осциллограф (повторить п. 25). Измерить время задержки выход­ного сигнала. Зарисовать осциллограммы (повторить п. 26).

29. Установить значение скважности равным 90. Включить схему. При необходимо­сти настроить осциллограф (повторить п. 25), Измерить время задержки выход­ного сигнала. Зарисовать осциллограммы (повторить п. 26).

30. Изменить параметры сигналя на генераторе: треугольный сигнал, частота повто­рения импульсов 50 кГц, скважность (duty cycle) 10, амплитуда 2 В, постоянная составляющая 2 В. Включить схему. При необходимости настроить осциллограф (повторить п. 25). Измерить время задержки выходного сигнала. Зарисовать ос­циллограммы (повторить п. 26).

31. Установить значение скважности равным 60- Включить схему. При необходимо­сти настроить осциллограф (повторить п. 25). Измерить время задержки выход­ного сигнала. Зарисовать осциллограммы (повторить п. 26).

32. Оценить искажение формы разных сигналов при прохождении через искусственную длинную линию (линию задержки). Объяснить результаты.

33. Заполнить отчет. Отчет должен содержать титульный лист, цель работы, схему исследуемой цепи, расчет параметров искусственной длинной линии (п. 1), табл. 6.1 и 6.2 с результатами измерений напряжений вдоль линии, графики рас­пределения амплитуды напряжения вдоль линии в различных режимах (пп. 15, 19), значения коэффициентов отражения, бегущей волны, стоячей волны для не­согласованного режима работы (п. 10), расчет времени задержки искусственной пинии (п. 20), осциллограммы (пп. 26-31), выводы.(по пп. 13, 15, 19, 32).