Учебное пособие 1429

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.

Рис. 3.1.

3. Измерьте напряжения и ток в цепи.

3.1. Устанавливая переключатель вольтметра на сменной панели стенда поочередно в положения UR, UL, UC, U=UR+UL+UC, измерьте соответствующие напряжения и ток в цепи I. Результаты занесите в табл. 3.2.

Таблица 3.2.

Ток и напряжения в цепи

3.2. Вычислите, исходя из UR, UL, UC, и занесите в табл. 3.2 значение напряжения Uвыч на последовательном соединении элементов R,L,C. Сопоставьте U и Uвыч, определите относительную погрешность = | Uвыч - U | / U. Если ошибка превышает 15-20 %, уточните результаты измерений.

3.3. Для измеренного общего напряжения U и известных сопротивлений элементов цепи (табл. 3.1) вычислите зна-

внесите их в табл. 3.2. Сравните результаты расчетов и измерений

3.4. По величинам U и I определите полное сопротив-

ление цепи Zизм и сопоставьте его с вычисленным значением Z из табл. 3.1. Определите относительную погрешность опре-

UR+UL+UC.

4.2. Подайте на входы коммутатора напряжений опорный сигнал (напряжение источника U) и напряжение на резисторе UR. Осциллограф подключите к выходу коммутатора и установите режим внешней синхронизации от блока усили-

телей БУ. Получите устойчивое изображение на экране двух гармонических колебаний, сдвинутых во времени.

Разберитесь, какой осциллограмме соответствует напряжение U, а какой UR. Измерьте по экрану период колебаний Т и сдвиг во времени t напряжения UR относительно U, определите знак t (если UR опережает по фазе U, то величина t отрицательна, а иначе положительна).

Результат занесите в табл. 3.3.

4.3. Вместо UR подайте на вход коммутатора напряжение на индуктивности UL и аналогично предыдущему измерьте сдвиг фаз L между UL и U. Результат внесите в табл. 3.3.

Таблица 3.3.

Фазовые соотношения

4.4. Аналогично вместо UL подайте на вход коммутато-

на элементах и общим напряжением цепи, результаты занесите

втабл.3.3. Сравните результаты.

4.5.Полагая начальную фазу источника напряжения равной нулю, определите по результатам измерений из табл.

4.6.По результатам измерений определите сдвиг фаз между общим напряжением и током в цепи.

4.7.Проанализируйте полученные результаты. При обнаружении больших (более 15-20 %) погрешностей повторите измерения.

5. По результатам измерений в пунктах 3 и 4 с помощью линейки и транспортира постройте векторную диаграмму

тока I и напряжений UR, UL, UC, U. Сложите графически векторы UR, UL и UC. Сравните результат с вектором U.

6. Тремя способами вычислите среднюю мощность, потребляемую цепью от источника:

P1 - по величине напряжения U и тока I с учетом сдвига фаз между ними;

P2 - по величине тока I и значениям сопротивлений элементов цепи;

P3 - по значениям напряжений на элементах и их сопротивлениям.

Определите среднее значение потребляемой мощно-

сти

Pср =(P1+P2+P3)/3.

31

Результаты занесите в табл. 3.5.

Сопоставьте полученные результаты. Если возникают значительные погрешности, проанализируйте возможные причины.

ДЛЯ ПЫТЛИВЫХ

7. Увеличьте частоту источника до f2=80 кГц. Изменяя уровень сигнала источника, добейтесь, чтобы ток в цепи остался прежним.

Измерьте напряжение U на последовательном соединении и сдвиг фаз между напряжением и током в цепи. По результатам измерений вычислите модуль полного сопротивления цепи Z и потребляемую мощность P. Результаты занесите в табл. 3.6 и сравните с полученными ранее на частоте f1.

Таблица 3.6.

Результаты измерений на частоте f2

8. При экспериментальном значении напряжения цепи U из табл. 3.6 на частоте 80 кГц проведите расчет сопротивления цепи Z, тока I, сдвига фаз и мощности P. Сравните результаты расчета и эксперимента.

МОДЕЛИРОВАНИЕ

Схема моделируемой цепи приведена на рис. 3.1.

32

Рис. 3.2.

Установите параметры элементов в соответствии с указанными на плате лабораторной установки и задайте требуемые амплитуду и частоту источника гармонического сигнала.

С помощью программы моделирования Lab3_1.cir в режиме Transient Analysis повторите экспериментальные исследования гармонических сигналов в цепи применительно к их амплитудам и фазам, сравните результаты.

Исследуйте амплитудные и фазовые соотношения в диапазоне частот от 10 кГц до 100 кГц, используя программу Lab3_1.cir в режиме AC Analysis. Рассмотрите амплитудночастотные (АЧХ) и фазочастотные (ФЧХ) характеристики для тока и каждого из напряжений в цепи. Объясните вид полу-

ченных зависимостей, сравните с ними экспериментальные результаты.

Проанализируйте зависимость от частоты мощности P, потребляемой цепью от источника, используя программу

Lab3_2.cir в режиме AC Analysis,

33

где Im и Um - амплитуды тока и напряжения цепи, а - сдвиг фаз между ними. Учтите, что начальная фаза напряжения источника принята равной нулю и функция ph(i) возвращает начальную фазу тока i(t) в градусах, а функция cos(x) требует значения аргумента x в радианах. Дайте физическое объяснение результатов моделирования.

Рассмотрите влияние параметров элементов цепи на результаты моделирования.

Проведите расчеты токов и напряжений в цепи с помощью пакета MATHCAD 6.0 PLUS, пример программы находится в файле Lab3.mcd.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4

ПРИНЦИП НАЛОЖЕНИЯ И ТЕОРЕМА ОБ ЭКВИВАЛЕНТНОМ ИСТОЧНИКЕ

Цель работы - экспериментальная проверка применимости метода (принципа) наложения и теоремы об эквивалентном источнике.

ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ

1. Подключите генератор Г4-42 к блоку усилителей БУ стенда и осциллограф к электронному коммутатору. Устано-

вите уровень сигнала генератора 0,3-0,6 В на частоте 40 кГц. Соедините с платой источник напряжения (тумблер Т1 поставьте в положение 2), и с помощью вольтметра установите его напряжение равным 3-5 В.

Соедините с платой источник тока, тумблер Т2 поставьте в положение 2, подключите микроамперметр и установите ток источника равным 0,5-1 мА. Начальную фазу источника тока выберите по собственному усмотрению, установив переключатель в нижней части БУ стенда в положение “ ” или “ + ” , где - начальная фаза источника напряжения.

34

2. Проверьте применимость метода (принципа) наложе-

ния.

2.1. К исследуемой цепи, схема которой показана на рис.4.1 (переключатель Т3 - замкнут), подключите источники тока (тумблер Т2 - в положении 1) и напряжения (тумблер Т1 - в положении 1).

Рис. 4.1. Схема исследуемой цепи

Измерьте вольтметром напряжение на конденсаторе UC. На один из входов коммутатора подайте сигнал от источника напряжения, на другой вход - напряжение на конденсаторе, и определите сдвиг фаз между ними, как это делалось в предыдущей лабораторной работе.

Полагая начальную фазу напряжения источника равной нулю, найдите начальную фазу напряжения на конденса-

2.2. Отключите от исследуемой цепи источник тока, установив переключатель Т2 в положение 2. Источник напряжения оставьте включенным в цепь и измерьте создаваемое им напряжение UC1 на конденсаторе.

Аналогично предыдущему определите его начальную фазу C1. Результаты запишите в табл. 4.1.

2.3. Отключите от цепи источник напряжения (тумблер Т1 - в положении 2) и включите источник тока (тумблер Т2 - в положении 1). Как и в пункте 2.2, измерьте напряжение на конденсаторе UC2, создаваемое источником тока, и его начальную фазу C2 , результаты внесите в табл. 4.1.

2.4. Сложите измеренные напряжения на конденсаторе, создаваемые отдельно источниками напряжения и тока. Суммарное напряжение UCР и его начальную фазу CР запишите в табл. 4.1.

Сравните результаты расчета и эксперимента. Если погрешность превышает 15-20 %, повторите измерения.

3. Проверьте применимость теоремы об эквивалентном источнике напряжения.

3.1. Подключите к исследуемой цепи оба источника (оба тумблера Т1 и Т2 - в положении 1). В табл. 4.2 занесите измеренные в пункте 2.1 значения напряжения на конденсаторе UC и его начальной фазы C .

Таблица 4.2. Результаты измерений по теореме об эквивалентном источнике

тем к тем же точкам подключите микроамперметр и измерьте ток короткого замыкания Iкз. Отключите от цепи оба источника (тумблеры Т1 и Т2 - в положении 2) и прибором В3-26 определите внутреннее сопротивление Rэ полученной пассивной резистивной цепи. Результаты внесите в табл. 4.2.

3.3. Рассчитайте величину внутреннего сопротивления Rэр=Uхх/Iкз, сравните его с Rэ. По измеренным параметрам эквивалентного источника Uхх и Rэ по теореме вычислите напряжение на конденсаторе UCР и его начальную фазу CР.

Результаты запишите в табл. 4.2 и сравните их с измеренными величинами. При возникновении больших погрешностей уточните измерения.

ДЛЯ ПЫТЛИВЫХ

4. По известным значениям параметров цепи и установленным уровням сигналов источников рассчитайте напряжение на конденсаторе при включении каждого из источников в отдельности. Методом наложения определите напряжение на

конденсаторе при действии двух источников. Сравните результаты расчета и эксперимента.

5. При тех же условиях рассчитайте параметры эквивалентного источника напряжения и по теореме определите напряжение на конденсаторе. Сравните расчетные и экспериментальные значения.

МОДЕЛИРОВАНИЕ

Моделируемая цепь показана на рис. 4.2, файл программы Lab4.cir. Необходимо задать параметры элементов R1, R2, R3, C и источников в соответствии с лабораторным за-

37

данием. Особенностью гармонического источника e2 является высокое внутреннее сопротивление (параметр RS принят равным 10Meg), при этом он соответствует источнику тока I2,

где E2 - э.д.с. источника e2, принятая равной 10 кВ, тогда ток I2 равен 1 мА.

Рис. 4.2.