3. Описание лабораторного стенда

Лаборатория оснащена стендами, на каждом из которых можно выполнить комплекс лабораторных работ, предусмотренный программой курса ОТЦ. Унификация стендов позволяет проводить лабораторные работы фронтальным методом.

Стенд смонтирован в металлическом корпусе, на вертикальной панели которого расположены блоки со схемами, соответствующими определенным лабораторным работам, блок включения электропитания стенда и блоки, содержащие дополнительные устройства и измерительные приборы.

Сборка электрических схем, а также соединение блоков между собой и подключение измерительных приборов производится путем соединения контактных гнезд перемычками из гибкого многожильного провода со штекерами на концах. Общий вид стенда представлен на рис. 1.10.

Рис. 1.10. Стенд для проведения лабораторных исследований

В центральной части лабораторного стенда расположены генератор импульсов и измеритель разности фаз (рис. 1.11.).

Генератор импульсов (ГИ) запускается от внешнего генератора синусоидальных колебаний, подключаемого к клеммам "Вход НЧ". Частота следования импульсов равна частоте колебаний запускающего генератора. С выхода ГИ по желанию можно снимать синусоидальные, прямоугольные, треугольные и модулированные колебания, а также экспоненциальные и короткие импульсы напряжения. Форма снимаемых с выходных клемм ГИ импульсов зависит от положения переключателя. При получении модулированных колебаний на вход ВЧ подается сигнал высокой частоты от внешнего генератора. Ручкой "Уровень" можно изменить напряжение на выходе ГИ. Измеритель разности фаз позволяет измерять фазовый сдвиг между двумя гармоническими колебаниями, подаваемыми на его входы. Для увеличения точности измерения фазы по стрелочному прибору можно воспользоваться переключателем "Предел измерения", для сдвига результата измерения на , используется переключатель "Сдвиг".

Рис. 1.11. Генератор импульсов и измеритель разности фаз

В правой части стенда находятся блоки "Нелинейные цепи", а также блоки "Фильтры Чебышева" и "Длинная линия". С помощью этих блоков исследуются нелинейные резонансные усилители и умножители частоты, автогенераторы, низкочастотные, высокочастотные и полосовые фильтры Чебышева, а также процессы в длинных линиях (рис. 1.12).

В левой части стенда расположены блоки "Простые и сложные цепи" и "Четырехполюсники" (рис. 1.13.). С помощью этих блоков проверяются методы анализа линейных электрических цепей, основанные на законах Ома и Кирхгофа.

Рис. 1.12. Блоки "Нелинейные цепи", "Фильтры Чебышева" и "Длинная линия"

Рис. 1.13. Блоки "Простые и сложные цепи" и "Четырехполюсники"

Лабораторная работа № 1

АМПЛИТУДНЫЕ И ФАЗОВЫЕ СООТНОШЕНИЯ В ПРОСТЕЙШИХ ЦЕПЯХ ПРИ ГАРМОНИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

1. Цель работы

Освоение методов расчета и экспериментальная проверка амплитудных и фазовых соотношений в линейных цепях при гармоническом воздействии. Исследование частотной характеристики простейшей цепи.

2. Основные обозначения, расчетные формулы и определения

Применение метода комплексных амплитуд для расчета линейных электрических цепей основано на их свойстве сохранять не изменными форму и частоту воздействующего гармонического колебания.

Так, если к цепи приложено напряжение

, (1.1)

то напряжение и ток на k-м элементе цепи также будут гармоническими функциями

, (1.2)

. (1.3)

Неизвестными при этом являются только амплитуды ,и начальные фазы,. Используя свойство суперпозиции, можно анализировать прохождение через линейную цепь не заданного сигнала (2.1), а комплексной функции, реальная часть которой равняется исходному ^{воздействию . При этом выходной сигнал является суперпозицией откликов} на составляющие входного воздействия из которой можно выделить реальную часть – отклик на . Таким образом, представляя входное воздействие в виде функции ^{- вектора, вращающегося на комплексной плоскости с частотой , выходной сигнал (напряжение на k-м элементе) получим в виде} , реальная часть которого соответствует искомому напряжению.^{Принимая во внимание, что входной и выходной векторы вращаются с одинаковой частотой, можно перейти к неподвижным векторами . Это комплексные числа, которые содержат информацию об амплитуде и начальной фазе гармонических функций и называются комплексными амплитудами.}

^{Для комплексных амплитуд напряжений и токов справедливы законы Ома и Кирхгофа. При этом вводятся понятия комплексных сопротивлений для резистора , индуктивности и емкости . Комплексные проводимости равны обратным величинам комплексных сопротивлений .}

^{При последовательном соединении элементов суммируются их комплексные сопротивления, а при параллельном – их комплексные проводимости. Законы Ома и Кирхгофа в комплексной форме имеют следующий вид:}

^{; ; . (1.4)}

Знак перед ЭДС в последнем выражении выбирается “-“, если направление тока в контуре совпадает с направлением ЭДС и “+”, если не совпадает.

В общем виде комплексная амплитуда выходного напряжения или тока является комплексной функцией частоты входного воздействия.

Зависимость отношения комплексных амплитуд отклика к постоянному по амплитуде (действующему значению) воздействию от частоты называется комплексной частотной характеристикой цепи (КЧХ):

^{. (1.5)}

^{Здесь - комплексная амплитуда входного, а - выходного напряжения или тока.}

^{Комплексная частотная характеристика не зависит от амплитуды и начальной фазы входного воздействия и является характеристикой цепи. Модуль КЧХ называется амплитудно-частотной характеристикой цепи (АЧХ):}

^{, (1.6)}

^{а ее аргумент – фазо-частотной характеристикой (ФЧХ):}

^{. (1.7)}

^{При анализе энергетических процессов в электрических цепях вводятся понятия полной , активной и реактивной мощностей:}

^{, , , (1.8)}

^{где и - действующие значения напряжения и тока, а - фазовый сдвиг между ними. Указанные мощности характеризуют скорость преобразования энергии источника и соответствуют различным ее составляющим. Активная мощность характеризует ту часть электрической энергии источника, которая преобразуется цепью в другие виды энергии, реактивная характеризует обмен энергией между цепью и источником, а полная – общую энергию, потребляемую цепью.}