2. Задания на экспериментальные исследования и методика их выполнения

Лабораторные задания выполнять в соответствии с вариантом указанным преподавателем (см. табл.2.1.).

Таблица.2.1

№ Варианта	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Uд ,(В)	0,2	0,5	0,7	0,4	0.3	0,6	0,4	0,5	0,6	0,7
f, (кГц)	1	2	3	4	5	1	2	3	4	5

Задание 1. Измерить параметры гармонических колебаний с помощью осциллографа и вольтметра.

1. Собрать схему измерения (см. рис.2.1).

Рис.2.1. Схема подключения измерительных приборов и стенда (задания 1и 2).

2. На выходе генератора установить гармонический сигнал с действующим значением напряжения U и частотой f, согласно номеру варианта в табл.2.1.

Результат установки действующего значения напряжения U контролировать вольтметром, а результат установки частоты – частотомером, встроенным в осциллограф.

3. Измерить с помощью вольтметра амплитуду гармонического сигнала.

Для этого измерить вольтметром действующее значение гармонического сигнала и записать его показания в отчет U=_____.

Измерение амплитуды для гармонического сигнала сводится к пересчету действующего значения напряжения по формуле

U_m = U  U /0.707= 1.41U.

Записать результат измерения амплитуды в отчет U_m=______.

4. Измерить параметры гармонического сигнала с помощью осциллографа.

4.1. Нарисовать в отчет временную диаграмму гармонического сигнала в соответствии с изображением сигнала на экране осциллографа, показав единицы измерения по осям, а также амплитуду и период сигнала (рис.5).

4.2. Измерить осциллографом амплитуду U_m гармонического сигнала.

Для этого:

- измерьте размах сигнала в делениях шкалы по вертикали Н (рис.2.2);

- рассчитайте значение размаха в вольтах по формуле: 2U_m = H^.K_х,

где K_х, - масштабный множитель осциллографа по (кан. 1), индицируется на дисплее осциллографа в левом нижнем углу – CH1 (рис.2.3).

- найдите амплитуду гармонического сигнала (U_m=2U_m/2).

Р езультаты записать в отчет.

Рис.2.2. Временная диаграмма Рис. 2.3. Индикатор осциллографа

5. Рассчитать действующее значение амплитуды U= U_m/ 0.707^.U_m и сравнить с значением вольтметра. Результаты измерений записать в отчет.

Пример (рис.2.2 и 2.3): Н= 5,4 дел., масштабный множитель по оси K_х=0,2 В/дел,

Размах сигнала:- 2U_m = H^.K_х= 5,4 [дел.] х 0,2 [В/дел.] = 1,2 В;

Амплитуда сигнала: U_m= 2U_m/2=0.6 В.

Действующее значение: U_Д= U_m/ 0.707 U_m=0.42 В.

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

Измеряемый временной интервал Т (период) определяется из соотношения

Т=К_Т^. L ,

где L [дел.] - длины измеряемого интервала по оси Х в делениях шкалы (Рис.2.2.); К_Т - масштабный множитель [Время/Дел] канала развертки, который отображается на индикаторе осциллографа (рис.2.3) в верхнем левом углу (TIME).

Частоту сигнала рассчитать по формуле f=1/Т и сравнить ее с показаниями частотомера осциллографа.

Результаты измерений периода и частоты записать в отчет.

Пример (рис.2.2 и 2.3):L= 4 дел., масштабный множитель по оси - К_Т K=0,2 мС/дел,

Период- Т=К_Х^. L = 4 [дел.] х 0,2 [мС /дел.] = 0,8мС;

Частота f=1/Т= 1/(0.8 х 10^-3)= 1250 Гц= 1.25 кГц. Частотомер- f=1.25кГц.

Задание 2. Измерить параметры прямоугольных импульсов

2.1. Собрать схему измерения (см. рис.2.1).

2.2. Установить на выходе генератора сигнал в виде последовательности прямоугольных однополярных импульсов с амплитудой U_m, частотой f согласно номеру варианта (табл. 2.1) и длительностью импульса t_u=100мксек.

Для этого контролируя осциллографом:

1. Генератор установить в режим формирования прямоугольных импульсов;

2. Установить частоту выходного сигнала -контролировать частотомером;

3. Установить размах выходного сигнала равный заданной амплитуде -контролировать осциллографом;

4. Установить смещение равное заданной амплитуде, т.е. U₀= U_m.

5. Регулировкой коэффициента заполнения установить длительностью импульса t_u - контролировать осциллографом.

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

Нарисовать в отчет временную диаграмму сигнала, показав единицы измерения по осям, а также амплитуду, период и длительность импульса

2.3. Измерить с помощью осциллографа основные параметры сигнала (U_m, Т, t_u, Q) на выходе генератора. Результаты записать в отчет и сравнить с параметрами на выходе генератора.

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

Задание 3. Измерить с помощью двухканального осциллографа коэффициента передачи цепи по напряжению

1. Собрать схему, приведенную на рис.2.4 (R=2 кОм, С= 10 нФ).

На выходе генератора установить гармонический сигнал с амплитудой U_1m=1В и частотой f=5кГц.

2. Установите осциллограф в двухканальный режим работы поставив переключатель РЕЖИМ (14) в положение ДВОЙН. На экране осциллографа получить устойчивое не искаженное изображение (рис. 2.5) обоих сигналов, измерить их амплитуды U_2m ,U_1m и рассчитать коэффициент передачи K_u=U_2m/U_1m.

Рис. 2.4. Схема подключения измерительных приборов и стенда (задания 3 и 4).

3. Анализ RC-цепи показывает, что ее коэффициент передачи определяется выражением K_u=(1+(RC)²)^1/2, где  - угловая частота входного сигнала цепи (=2πf , где f – циклическая частота входного сигнала цепи). Рассчитать по нему коэффициент передачи и сравнить с экспериментальным.

Задание 4. Измерить с помощью двухканального осциллографа фазовый сдвиг двух гармонических сигналов в простейших RC- цепях

1. Собрать схему приведенную на рис.2.4. На выходе генератора установить гармонические колебания с амплитудой U_1m=1В и частотой f=5кГц.

2. Установите осциллограф в двухканальный режим работы поставив переключатель РЕЖИМ (14) в положение ДВОЙН. На экране осциллографа получить устойчивое не искаженное изображение двух сигналов (см. рис.2.5), измерить период сигнала T и временной сдвиг между сигналами T_φ.

Фазовый сдвиг рассчитывается по формуле  =φ₂ - ₁ =360^о (T_/T), где T – период сигнала (рис. 2.5.), а T_φ – временной сдвиг между сигналами (рис.9). Результаты измерений занести в отчет.

Рис. 2.5. Временные диаграммы сигналов на входе и выходе линейной цепи.

Выходной сигнал может отставать по фазе от входного сигнала и тогда он располагается справа от входного. 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. 9, 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 нагрузке от величины сопротивления нагрузки.

1. Собрать схему исследования (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Схема подключения измерительных приборов и стенда (задание 5).

2. Установить на выходе генератора гармонический сигнал с частотой 1 кГц и действующим напряжением U_Г=1В (напряжение контролировать вольтметром) в режиме холостого хода (R_Н = ).

3. Включая различные резисторы в качестве сопротивления нагрузки R_Н генератора, измерить вольтметром действующее значение напряжения на резисторе R_Н , результаты измерений занести в табл. 2.

Таблица2

RН,Ом	10	20	51	100	200	470	1000	
UН, В
PН=UН2/RН

4. Рассчитать активную мощность нагрузки P_Н, используя результаты эксперимента и записать ее значении в табл.2.

5. Построить зависимости U_Н (R_Н) и P_Н (R_Н), определить сопротивление нагрузки R_Н и сделать выводы относительно условий получения на нагрузке максимальной амплитуды напряжения (условие согласования по напряжению) и максимальной активной мощности выделяемой в нагрузке (условие согласования по мощности).