Лабораторная работа №2
Воздействие гармонических сигналов
на линейные цепи
Цель работы: Исследование свойств линейных цепей при гармоническом воздействии.
Продолжительность работы: 4 часа
Приборы, используемые в работе: Для получения характеристик цепей при гармоническом воздействии в Electronic Workbench можно использовать четыре типа приборов: вольтметр, амперметр, осциллограф и Боде-плоттер.
Описание приборов, используемых в работе
Работа с амперметром и вольтметром не вызвывает затруднений и особых пояснений не требует. Эти приборы измеряют действующие значения тока или напряжения, если вы не забыли переключить их в режим переменного тока (AC - alternative current), выбрав в меню поля Circuit - Value.
1. Работа с осциллографом.
Осциллограф, имитируемый программой Workbench, представляет собой аналог двухлучевого запоминающего осциллографа.
На схему выводится уменьшенное изображение осциллографа (рис.1,а), на котором имеется четыре входных зажима. Верхний правый зажим - корпус (ground). Нижний предназначен для внешнего запуска и его назначение будет рассмотрено ниже. Левый и правый нижние зажимы представляют собой два входа: вход канала А (channel A) и вход канала В (channel B).
Рис.1
После двойного щелчка мышью на этом маленьком изображении на дисплее разворачивается изображение передней панели осциллографа с кнопками управления, информационными полями и экраном (рис.1,б). На передней панели имеются те же четыре зажима, что и на свернутом изображении.
Панель управления разделена на четыре части:
1. Управление масштабом времени.
2. Управление запуском.
3. Управление каналом А.
4. Управление каналом В.
На панели масштаба времени в верхнем информационном поле задан временной масштаб в c/дел, мс/дел или мкс/дел (s/div,
ms/div, mks/div). Масштаб может дискретно уменьшаться на один шаг при щелчке мышью на кнопке справа от поля и или увеличиваться при щелчке на кнопке . Под этим полем расположено поле, позволяющее сдвигать начало осциллограммы вдоль оси X (X POZ) при щелчке мышью на соответствующих кнопках справа от поля. Три нижних поля являются одновременно информационными и управляющими. Они определяют, какие величины откладываются по осям. Первое поле - Y/T позволяет получать осциллограммы, при щелчке на втором поле - В/А по оси Y будет откладываться сигнал входа В, а по оси X - сигнал входа А. В этом случае осциллограф выступает в роли характериографа, позволяя получать вольтамперные характеристики, коэффициенты передачи, сопротивления, проводимости и т.п.
Две нижних части панели являются панелями управления сигналами, поданными на входы А и В соответственно.
Верхнее поле позволяет управлять масштабом сигнала, изменяя его диапазон дискретно от 50 В/дел до 10 мкВ/дел. Поле, расположенное под ним позволяет сдвигать ось Y вверх или вниз на дискретный шаг.
Три нижние кнопки реализуют различные режимы работы осциллографа по входу:
1. Кнопка АС позволяет работать в режиме “закрытого входа”, когда сигнал подается как бы через внутренний конденсатор, не пропускающий постоянную составляющую сигнала.
2. При щелчке на кнопке dc осциллограф переходит в режим “открытого входа” и постоянная составляющая не исключается.
3. При щелчке на кнопке “ 0 “ вход соединяется с корпусом, что позволяет определить положение нулевой отметки по оси Y.
Верхняя правая панель управления “Запуск” (trigger) определяет положение начала осциллограммы. Верхние поля “Срез” (Edge) определяют запуск по фронту или по срезу импульса. Под ними расположено поле “Уровень” (Level), позволяющее дискретно сдвигать уровень запуска на фронте или на срезе импульса.
Имеется четыре режима запуска.
1. Автоматический режим (AUTO) - запуск производится в начале переходного процесса и когда “луч” доходит до конца экрана, осциллограмма снова прописывается с начала экрана (новый экран).
2. Режимы “A” и “B”, при которых запускающим сигналом является сигнал, поступающий на соответствующий вход.
3. Режим “Внешний запуск” (EXT - external). В этом случае сигналом запуска является третий сигнал, подаваемый на вход запуска.
Осциллограф дает исчерпывающую информацию о процессах при любых видах воздействия. При гармоническом воздействии наиболее наглядно процессы изображаются с помощью векторных диаграмм.
Рассмотрим, как можно построить по данным. полученным с помощью осциллографа векторные топографические диаграммы в простейшей схеме RL-контура при гармоническом воздействии (рис 2).
Рис. 2
Для построения экспериментальной векторной диаграммы необходима информация о четырех величинах:
1. О максимальном значении UR
2. О начальной фазе напряжения UR.
3. О максимальном значении UL.
4. О начальной фазе напряжения UL.
Для измерения первых двух величин необходимо включить осциллограф согласно рис.2,а. Тогда на канале А мы получим входной сигнал, а на канале В - напряжение на резисторе UR, которое при изменении масштаба характеризует ток в цепи.
Пусть входной сигнал имеет действующее значение 10 В при частоте 50 Гц. Установим запуск по фронту импульса от сигнала на входе А ( то есть от гармонического входного сигнала) на уровне 0. Амплитуда входного сигнала в этом случае равна 14.1 В, следовательно при масштабе 5 В/дел мы увидим всю синусоиду
(такой масштаб позволяет видеть сигнал с размахом 35В). Увеличение масштаба до 10 В/дел будет создавать неточность в измерениях напряжения, при изменении масштаба до 2 В/дел максимум напряжения “уедет” за пределы экрана.
Займемся теперь установкой режима по оси времени. Если мы хотим видеть на экране полтора периода входного сигнала , то при частоте 50 Гц на экране должна быть видна кривая за время не менее 30 мс. Поскольку протяженность экрана по оси Y составляет около 11 делений необходимо выбрать масштаб 5 мс/дел ( при масштабе 2 мс/дел на экране помещается только часть процесса длительностью 22 мс). Выберем величину сопротивления равной 1 Ому и такую же величину индуктивного сопротивления (что соответствует индуктивности L=1/2f=1/314=3.18 мГн). Если выставить по каналу В тот же масштаб 5 В/дел, то мы получим осциллограмму , приведенную на рис. 2.2,г. Амплитуда напряжения составляет два деления, то есть 10 В. Нуль тока на фронте появляется через некоторый временной интервал после нуля входного напряжения, то есть ток отстает от напряжения на некоторый угол. Время запаздывания составляет 0.5 дел, или 2.5 мс. Можно точнее измерить величину запаздывания, если установить масштаб 0.2 мс. При этом точка нуля уедет за экран, но ее можно вернуть выставив X POZ на значение -2.0. При этом к измеренному от начала экрана сдвигу нуля следует добавить величину 0.2*2 =0.4 мс. определить угол сдвига в градусах можно из выражения
=(2.5/20) 360=45.
Таким образом вектор напряжения на сопротивлении запаздывает на 45 (рис.2,в). Второй вектор UL можно получить в схеме рис. 2.б. Поскольку этот вектор опережает вектор входного напряжения, имеется два способа измерения угла.
1. Измерить угол между нулями на срезах импульсов
2. Запустить осциллограф от сигнала на канале В. При этом способе наши операции будут идентичны уже описанным и возможно более точное измерение угла.
Векторная топографическая диаграмма для схемы рис. 2,а приведена на рис. 2,в. Для схемы рис. 2,б векторная топографическая диаграмма будет иной, поскольку в этом случае от нулевого потенциала необходимо отложить вектор напряжения на индуктивности и потенциал точки соединения R и L будет занимать другое положение на комплексной плоскости.
Изменив частоту генератора можно получить амплитуду и фазу вектора UR на другой частоте и по нескольким точкам построить зависимости амплитуды и фазы от частоты- амплитудно-частотную (АЧХ) и фазочастотную (ФЧХ) характеристики. Получение АЧХ и ФЧХ по точкам это достаточно трудоемкий процесс. Программа Workbench позволяет провести его автоматически, подключив к схеме специальный прибор, не имеющий лабораторного аналога - Боде-плоттер.