Теория электрических цепей |
||
Лабораторные работы |
Методические указания к лабораторным работам №4-6 в формате Microsoft Word
Методические указания к лабораторным работам №4-6
Программа Electronics Workbench
После запуска программы пользователь попадает в основное окно программы, показанное на рисунке 1.
Рисунок 1
Окно программы EWB 5.12 состоит из меню, библиотек компонентов и рабочего поля. В рабочем поле располагается моделируемая схема с подключенными к ней иконками контрольно-измерительных приборов, а также краткое описание схемы (description)(только на английском языке). При необходимости каждый из приборов может быть «развернут» для установки режимов его работы и наблюдения результатов эксперимента. Кроме того присутствует дополнительное меню Analysis с расширенными настройками моделирования. Для перемещения схемы используются линейки прокрутки. Следует упомянуть также о наличии подсвечиваемых подсказок назначения всех кнопок.
Описание разделов «Меню» в данных методических указаниях не приводится. Отметим лишь наиболее употребительные сочетания горячих клавиш
1 Activate (CTRL+G) — запуск моделирования.
2 Stop (CTRL+T) — остановка моделирования.
Команды
1 и 2 могут быть выполнены также нажатием кнопки
,
расположенной в правом верхнем углу экрана.
3 Pause (F9) — прерывание моделирования.
4 Value... (CTRL+ U) — изменение номинального значения параметра компонента с помощью диалогового окна.
Команда
4 выполняется также двойным щелчком по компоненту или нажатием кнопки
.
Номинальное значение параметра вводится с клавиатуры, после чего нажатием курсора мыши на кнопки вверх-вниз выбирается множитель, кратный 1000. Например, для конденсатора задается его емкость в пикофарадах (пФ), нанофарадах (нФ), микрофарадах (мкФ) или миллифарадах (мФ).
5 Rotate (CTRL+R) — вращение выделенного компонента.
Большинство компонентов при каждом выполнении команды 5 поворачиваются против часовой стрелки на 90°. Для измерительных приборов (амперметр, вольтметр и др.) меняются местами клеммы подключения. Команда используется при подготовке схем: в готовой схеме пользоваться командой нецелесообразно, поскольку это чаще всего приводит к путанице. Поэтому вращать следует компонент, не включенный в схему.
Создание схем
В общем случае процесс создания схемы начинается с размещения на рабочем поле EWB компонентов из библиотек программы в соответствии с подготовленным эскизом. Одиннадцать разделов библиотек программы могут быть вызваны с помощью меню Window или с помощью иконок панели библиотек (см. рисунок 1).
Для открытия каталога нужной библиотеки необходимо подвести курсор мыши к соответствующей иконке и нажать на нее левой кнопкой, после чего серый фон иконки меняется на желтый. Каталог выбранной библиотеки открывается в горизонтальном окне в верхней части рабочего поля (устанавливается в любое место перетаскиванием за шапку заголовка).
Необходимый для создания схемы компонент переносится из каталога на рабочее поле программы при нажатой левой кнопке мыши, после чего кнопка отпускается (для фиксирования символа) и производится двойной щелчок по значку компонента. В открывшемся диалоговом окне устанавливаются требуемые параметры (например, сопротивление резистора, тип транзистора), настройки подтверждаются нажатием кнопки Ok или клавиши Enter.
При размещении элементов схемы необходимо предусмотреть место для контрольных точек и измерительных приборов.
После размещения компонентов производится соединение их выводов проводниками. При этом необходимо учитывать, что к каждому выводу компонента можно подключить только один проводник.
Для выполнения подключения:
курсор мыши подвести к выводу компонента;
после появления черного кружка нажать левую кнопку мыши, появляющийся при этом проводник протянуть к выводу другого компонента до появления на нем такого же кружка;
после чего отпустить кнопку мыши, соединение готово.
Для создания узла необходимо проделать следующие операции:
в
каталоге библиотеки Basic
выбрать
компонент Connector
перенести элемент на ранее установленный проводник
Если узел установлен правильно, то кружок полностью окрашивается черным цветом. Если на нем виден след от пересекающего проводника, то электрического соединения нет, и узел необходимо установить заново. После удачной установки к узлу можно подключить еще два проводника.
Если соединение нужно разорвать:
курсор мыши подвести к выводу элемента или узловой точки соединения;
при появлении черного кружка нажать левую кнопку мыши;
проводник отвести на свободное место рабочего поля;
отпустить кнопку мыши.
Если необходимо подключить вывод к имеющемуся на схеме проводнику:
от вывода компонента проводник курсором мыши подвести к нужному проводнику;
после появления точки соединения отпустить кнопку мыши.
Следует отметить, что при прокладке соединительных проводников препятствия — компоненты и другие проводники — огибаются по ортогональным направлениям (по горизонтали или вертикали) автоматически. Если необходимо переместить отдельный сегмент проводника вручную, к нему подводится курсор, нажимается левая кнопка и после появления двойной стрелки производятся нужные перемещения.
Подключение к схеме контрольно-измерительных приборов производится аналогично остальным компонентам. Причем для таких приборов, как осциллограф или логический анализатор, соединения целесообразно проводить цветными проводниками, поскольку их цвет определяет цвет соответствующей осциллограммы. Для изменения цвета проводника необходимо дважды щелкнуть по нему левой кнопкой мыши и в появившемся окне выбрать желаемый цвет.
Узлы в схемах нумеруются автоматически. При этом номера узлов не отображаются. В некоторых работах необходимо знать номера узлов. Для отображения номеров узлов:
В меню Circuit выбрать раздел Schematic Options
Выбрать раздел Show/Hide
Поставить галочку в пункте Show Nodes
Для скрытия номеров узлов галочку снять.
Если по каким-то причинам программа выдает странные результаты, необходимо вернуться к настройкам по умолчанию для этого:
В меню Analysis выбрать раздел Analysis Options;
Выбрать раздел Global;
Нажать Reset Defaults.
Библиотеки компонентов
Для выполнения работ необходимо ознакомиться с некоторыми библиотеками компонентов, необходимыми для выполнения лабораторных работ.
Sources — источники сигналов (каталог компонентов библиотеки показан на рисунке 2). Заметим, что под источниками сигналов подразумеваются не только источники питания, но и управляемые источники.
Рисунок 2
Заземление
(метка).
Батарея
(напряжение).
Источник
постоянного тока (ток).
Источник
переменного синусоидального напряжения (действующее значение
напряжения, частота, фаза).
Источник
переменного синусоидального тока (действующее значение тока, частота,
фаза).
Basic — в библиотеке собраны все пассивные компоненты, а также коммутационные устройства (рисунок 3).
Рисунок 3
Резистор
(сопротивление).
Конденсатор
(емкость).
Катушка
(индуктивность).
Indicators — библиотека индикаторных устройств (рисунок 4).
Рисунок 4
Вольтметр
(внутреннее сопротивление установить равным 100 МОм, режим измерения
постоянного или переменного тока).
Амперметр
(внутреннее сопротивление установить равным 1 мОм, режим измерения
постоянного или переменного тока).
Обратите внимание, «минусовой» вывод приборов в программе обозначается утолщенной клеммой. (На рисунке у вольтметра «минус» внизу, у амперметра – справа.)
Дополнительные пояснения по использованию компонентов схемы, включая измерительные приборы, даны в описании лабораторных работ.
Лабораторная работа № 4
Исследование реактивных двухполюсников
Цель работы
Исследование зависимости входного сопротивления реактивного двухполюсника от частоты.
Подготовка к выполнению работы
При подготовке к работе необходимо изучить теорию реактивных двухполюсников, методы их анализа и синтеза (параграфы 4.5 и 16.6 электронного учебника).
Экспериментальная часть
3.1. Собрать схему реактивного двухполюсника (рисунок 4.1, а), изображенного по 1-й форме Фостера. В программе Electronics Workbench 512 схема имеет вид, приведенный на рисунке 4.2,б. Установить E = 1 В, f = 1кГц, R0 = 10 кОм, L1 = L2 = 1 мГн, C1 = 63,536 нФ, С2 = 15,831 нФ, С = (100+Nx5) нФ, где N- номер варианта (последняя цифра пароля).
Рисунок 4.1
Рисунок 4.2 а
Рисунок 4.2 б
Подключить прибор Bode Plotter (измеритель коэффициента передачи Н по напряжению от частоты) следующим образом:
Гнезда IN – к резистору R0 (для измерения Uo), гнезда OUT – к входу реактивного двухполюсника – точки 1- 1’ (для измерения Uвх). Установить следующие настройки прибора:
Линейный масштаб LIN по вертикали и горизонтали;
По вертикали масштаб шкалы 0 – 1;
По горизонтали масштаб шкалы 0,1 мГц – 80 кГц
В этом случае на экране прибора будет отображаться частотная характеристика H(f)=Uвх(f)/U0(f), которая пропорциональна входному сопротивлению двухполюсника.
Входное сопротивление при этом определяется косвенным методом по формуле:
В
диапазоне частот 0,1 мГц – 80 кГц на частотах резонансов и по
одной частоте между резонансами измерить и записать в таблицу 4.1
значения Н. Рассчитать по формуле
(Ом)
входное
сопротивление Zвх
реактивного двухполюсника и также записать в таблицу 4.1
Таблица 4.1
f, кГц |
f1 |
f2 |
fрез1 |
f4 |
fрез2 |
f6 |
fрез3 |
f8 |
fрез 4 |
f10 |
f11 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
80 |
|
Н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Zвх |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Определить параметры элементов обратного двухполюсника (рисунки 4.1, б и 4.2, б) по формулам:
Собрать схему обратного двухполюсника (рисунки 4.1, б и 4.2, б), подключить прибор Bode plotter и произвести измерения согласно п.п. 3.2, 3.3. Данные измерений и расчетов записать в таблицу аналогичную таблице 4.1.
По результатам расчета Zвх (f) построить в масштабе графики зависимости модуля входного сопротивления исходного и обратного реактивных двухполюсников от частоты и указать на них частоты резонансов напряжений и токов.
Требования к отчету
Отчет по работе должен содержать:
Схемы эксперимента с указанием элементов и их величин;
Таблицу 4.1 (для исходного двухполюсника) и аналогичную ей (для обратного двухполюсника) измеренных и рассчитанных величин;
Два графика зависимости Zвх (f) – исходного и обратного двухполюсников, построенные в масштабе и с учетом знака реактивности;
Выражение
,
записанное
через резонансные частоты.
Выводы по работе.
Лабораторная работа № 5
Исследование пассивных четырехполюсников
Цель работы
Экспериментальное исследование свойств пассивных линейных четырехполюсников.
Подготовка к выполнению работы
При подготовке к работе необходимо усвоить типы четырехполюсников, уравнения передачи в различных формах, параметры-коэффициенты, характеристические параметры, рабочие меры передачи, методы их расчета (глава 12 электронного учебника).
Экспериментальная часть.
3.1. Собрать схему пассивного резистивного четырехполюсника (рисунки 5.1,а и 5.1,б).
Установить Е = 10 В, f = 1 кГц,
R1 = 100 Ом, R2 = 200 Ом, R3 = 300 Ом, R4 = (100 + Nx10) Ом,
где N – номер варианта (последняя цифра пароля).
Рисунок 5.1 а
Рисунок 5.1 б
Определить А-параметры четырехполюсника по опытам холостого хода (ХХ) и короткого замыкания (КЗ).
Параметры А11 и А21 можно определить в режиме ХХ (рисунок 5.1,б), измерив вольтметром напряжение U1 на входных (1-4) и U2 на выходных зажимах (3-4) четырехполюсника и амперметром входной ток I1 (в схеме указан амперметр, работающий в режиме постоянного тока DC).
Результаты измерений записать в таблицу 5.1.
Таблица 5.1
Опыт ХХ (I2 = 0) |
Опыт КЗ (U2 = 0)
|
||||
U1, В |
U2, В |
I1, мА |
U1, В |
I1, мА |
I2, мА |
|
|
|
|
|
|
По результатам опыта ХХ определяются параметры A11 и А21:
Параметры А12 и А22 можно определить в режиме КЗ. Для этого замкнуть зажимы 3-4 (рисунок 5.1,б) проводом и измерить напряжение на входе U1 (точки 1-4) ток I1 (на входе) и ток I2 (на выходе). Результаты измерений также записываются в таблицу 5.1. По результатам опыта КЗ определяются параметры А12 и А22:
Необходимо проверить правильность определения А-параметров, используя соотношение:
Если погрешность превышает 5%, то необходимо измерения повторить вновь.
По найденным А-параметрам рассчитать параметры холостого хода и короткого замыкания Z1х, Z1к, Z2х, Z2к, характеристические сопротивления Zс1, и Zс2 и собственное ослабление четырехполюсника Ас по формулам:
,
Ом
,
Ом
,
дБ
Измерить собственное ослабление четырехполюсника Ас.
Для этого собрать схему для измерения ослабления (рисунки 5.2,а и 5.2,б). Установить значение Zн1 равным Zc1, а значение Zн2 равным Zc2 (это означает «согласование» четырехполюсника на входе и выходе, что необходимо при определении собственного ослабления).
Вольтметром (в режиме работы DC) измерить E и U2.
Рисунок 5.2 а
Рисунок 5.2 б
Тогда собственное ослабление четырехполюсника Ас, определенное экспериментально, равно:
,
дБ
Следует сравнить его с рассчитанным, в п. 3.2.3.
Определить коэффициент передачи четырехполюсника по напряжению:
Измерить рабочее ослабление четырехполюсника при несогласованном режиме работы.
Уменьшить сопротивление Zн1 в 2 раза (рассогласование по входу), увеличить сопротивление Zн2 в 2 раза (рассогласование по выходу) и повторить измерения и расчеты аналогично п. 3.3.
Сделать вывод о влиянии режима работы на величину рабочего ослабления Ар.
Требования к отчету
Отчет должен содержать:
схему эксперимента и данные элементов схемы;
схемы опытов ХХ и КЗ, таблицы измеренных величин и рассчитанные А-параметры, Zc1, Zc2, Ас, Z1х, Z1к, Z2х, Z2к;
экспериментально найденные Ас и Hu (при согласованном) и Ар и Huр (при несогласованном режиме работы);
теоретический расчет А-параметров и собственного ослабления Ас четырехполюсника;
выводы по работе.
Лабораторная работа № 6
Исследование амплитудных корректоров
Цель работы
Исследование частотной характеристики ослабления пассивного однозвенного амплитудного корректора второго порядка и активного однозвенного корректора первого порядка.
Подготовка к выполнению работы
При подготовке к работе изучить теорию амплитудных и фазовых корректоров, методы расчета элементов и частотных характеристик (глава 18 электронного учебника).
Исследование пассивного однозвенного амплитудного корректора.
Экспериментальная часть
Собрать схему амплитудного корректора (рисунки 6.1,а и 6.1,б - для нечетных вариантов; рисунки 6.2,а и 6.2,б - для четных вариантов).
Рисунок 6.1 а
Рисунок 6.1 б
Рисунок 6.2 а
Рисунок 6.2 б
Данные элементов схемы корректора:
L1 = 1 мГн, C1 = 63,326 нФ, R1 = 500 Ом, R0=(200+Nx10) Ом. Значения L2, C2, R2 – определить из условия обратности двухполюсников:
Значения сопротивлений Rг и Rн, нагружающих корректор со стороны входа и выхода, установить равными характеристическому сопротивлению R0.
Исследовать зависимость входного сопротивления Zвх и собственного ослабления корректора Ак от частоты f.
Для этого установить на выходе генератора напряжение, например, Е=2 В и частоту f = 50 Гц и вольтметром измерить напряжение U1 на входе корректора, ток I1 (амперметр на схеме указан) и напряжение U2. Данные измерения записать в таблицу 6.1. Повторить измерения на остальных частотах, указанных в таблице 6.1.
Входное сопротивление Zвх корректора на каждой частоте определяется по формуле:
,
а собственное ослабление корректора Ак по формуле:
,
дБ
Данные расчета занести в таблицу 6.1.
Таблица 6.1
F, кГц |
0,05 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
45 |
50 |
U1, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I1, мА |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U2, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Zвх,кОм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
АК, дБ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Исследование активного корректора
Целью данной части лабораторной работы является исследование частотной характеристики искажающей цепи, частотной характеристики активного корректора и частотной характеристики всего тракта в целом (искажающая цепь совместно с корректором). Рассматривается прохождение сигнала прямоугольной (треугольной) формы по тракту.
Если пассивная электрическая цепь может быть преобразована к виду, показанному на рисунке 6.3, то комплексный коэффициент передачи по напряжению для такой цепи записывается по формуле:
а
комплексная передаточная функция по напряжению:
,
где H(w) – амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) цепи;
φ(w) – фазо-частотная характеристика (ФЧХ) цепи.
В общем случае H(w) и φ(w) зависят от частоты и, следовательно, отдельные составляющие частотного спектра сигнала U1(jw) передаются по-разному. Это приводит к искажению спектра сигнала на выходе цепи U2(jw) и значит к искажению самого сигнала u2(t). В этом случае говорят, что «цепь внесла амплитудно-частотные и фазо-частотные искажения».
Рисунок 6.3
Для коррекции (устранения) этих искажений каскадно с искажающей цепью может быть включен корректор, выполненный на операционном усилителе (рисунок 6.4).
Рисунок 6.4
Для идеальной коррекции необходимо выполнить условие:
или
т.
е.
,
отсюда
или
в комплексной форме
.
При этом результирующее ослабление АЦ
+ АК
= 0, т.е. АЦ
= – АК.
Такую передаточную характеристику корректора можно получить, используя схему включения операционного усилителя с не- инвертирующим входом (рисунки 6.5,а и 6.5,б).
Рисунок 6.5 а
Рисунок 6.5 б
Экспериментальная часть
Собрать схему искажающей цепи с корректором (рис. 6.5,б).
Установить R1 = 1 кОм, R2 = 2 кОм, C = (50+N) нФ
(Операционный усилитель можно найти в библиотеке аналоговых микросхем (5 слева) Analog ICs, элемент идет первым по счету).
Подключить источник переменного напряжения к входным зажимам цепи (1-1’) (параметры источника можно не изменять, поскольку на частотные характеристики они не влияют).
Подключить вход In прибора BODE PLOTTER к входным зажимам цепи 1-1’, а зажимы Out к выходным зажимам цепи 2-2’. Установить линейный масштаб по вертикали 0-1, по горизонтали 0,1 мГц – 50 кГц.
Снять зависимость коэффициента передачи цепи по напряжению HЦ и ослабление АЦ, дБ в диапазоне частот 0.1мГц – 50 кГц с шагом 10 кГц. Полученные данные записать в таблицу 6.2.
Таблица 6.2
f,кГц |
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
|
Цепь |
НЦ |
|
|
|
|
|
|
АЦ, дБ |
|
|
|
|
|
|
|
Корректор |
НК |
|
|
|
|
|
|
АК, дБ |
|
|
|
|
|
|
|
Тракт |
Н |
|
|
|
|
|
|
А, дБ |
|
|
|
|
|
|
В дальнейшей работе схему цепи не убирать!
Указание: Для снятия ослабления переключить вертикальную ось в логарифмический масштаб измерения. Значение ослабления в таблицу записывать с противоположным знаком (это объясняется принципом работы прибора).
Снять зависимость коэффициента передачи корректора по напряжению НК и ослабления корректора на этих же частотах. Для этого вход In подключить к точкам 2-2’ а Out к точкам 3-3’. Данные измерений записать в таблицу 6.2.
Снять зависимость коэффициента передачи цепи по напряжению Н и ослабления А, дБ всего тракта. Для этого вход In подключить к точкам 1-1’ а Out к точкам 3-3’. Данные записать в таблицу 6.2. Убедиться, что на всех частотах Н=1, а А=0.
Убедиться, что сигнал, сильно искажаемый цепью, полностью восстанавливается примененным корректором. Для этого подать на вход 1-1’ цепи прямоугольный сигнал (от функционального генератора Functional Generator) с амплитудой Um = 3 В и частотой f = 5 кГц. С помощью осциллографа получить осциллограммы в следующих точках:
- входной сигнал (точки 1-1’),
- искаженный цепью сигнал (точки 2-2’),
- восстановленный корректором сигнал (точки 3-3’).
Зарисовать эти осциллограммы.
По результатам измерений построить графики HЦ (f), HК (f),
Н(f) – на одном рисунке разными цветами, графики Ац (f), Ак (f),
A(f)– на одном рисунке разными цветами.
Привести также осциллограммы входного сигнала, искаженного цепью сигнала и сигнала, восстановленного корректором (тоже на одном рисунке разными цветами).
Требования к отчету
Отчет должен содержать:
схему амплитудного корректора и данные элементов схемы;
таблицу 6.1 и графики зависимости Zвх и Ак от частоты;
используя формулу
где X1 – сопротивление реактивного двухполюсника продольной ветви, рассчитать ослабление корректора на частоте 20 кГц и сравнить его с экспериментальным значением. Определить
и сравнить его с экспериментальным значением.
- результаты измерений по пунктам 4.6 и 4.7 (для активного корректора) в отчете можно не приводить.
выводы по работе, в том числе по пунктам 4.6 и 4.7.
Литература
Бакалов В. П., Дмитриков В. Ф., Крук Б. И. Основы теории цепей: Учебник для вузов/ Под ред. В. П. Бакалова – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Горячая линия – Телеком, 2009 – 536 с. (электронная версия).
Бакалов В. П., Дмитриков В. Ф., Крук Б. И. Теория электрических цепей. – М.: Радио и связь, 1998.
Шебес М. Р., Каблукова М. В. Задачник по теории линейных электрических цепей: Учебное пособие для вузов. – М.: Высшая школа, 1990.
Чирков В.Д., Гусельникова Н.М. Основы теории цепей: методические указания к лабораторным работам (для студентов заочного факультета). – Новосибирск: СибГУТИ, 2011. – 29 с.