 |
Ход выполнения лабораторной работы
|
|
|
|
Особенности лабораторного исследования цепей
К теоретическому и экспериментальному исследованию в настоящей лабораторной работе предлагается три цепи (рис. 1.8). Номера исследуемых цепей для каждой бригады и условия проведения экспериментов приведены в табл.1.
Рис. 1.8 – Схемы исследуемых электрических цепей
Табл. 1 – Варианты исследуемых цепей и условия проведения эксперимента
| Номера бригад | Номера исследуемых цепей | L, мГн | C, нФ | R, Ом | Частота, кГц |
| Рис. 1.4, б, в. | |||||
| Рис. 1.4, а, в. | |||||
| Рис. 1.4, б, в. | |||||
| Рис. 1.4, а, в. |
Описание лабораторной установки
В состав лабораторной установки входят: генератор стандартных сигналов, электронный осциллограф и лабораторный модуль (рис. 1.9) с набором необходимых элементов и коммутационных полей.
Рис. 1.9 - Лабораторный модуль
Соединение элементов в схеме осуществляется с помощью соединительных проводов, а также с использованием коммутационных полей (обозначены числами от 1 до 11).
В качестве генератора гармонического напряжения используется внешний генератор гармонического напряжения с амплитудой выходного сигнала 1 В. Для контроля напряжения на элементах схемы и для измерения разности фаз между напряжением на элементе схемы и ЭДС используется электронный осциллограф.
Задание на самоподготовку
Заготовьте бланк отчета по лабораторной работе. Бланк отчета должен содержать следующие структурные элементы:
· титульный лист, содержащий информацию о названии учебного учреждения (ФГАОУ ВПО БФУ им. И. Канта), кафедры, на которой происходит обучение по данной дисциплине (кафедра телекоммуникаций), дисциплины (Теория электрических цепей), номере и названии лабораторной работы, группе и ФИО студентов, выполнивших лабораторную работу и составивших отчет по ней, ФИО преподавателя, проверяющего отчет, город и год;
|
|
|
· цель работы;
· схемы исследуемых цепей и расчеты, выполненные при самоподготовке;
· результаты экспериментального исследования (осциллограммы и расчеты сдвигов фаз к ним, сводная таблица, векторные диаграммы);
· конструктивные выводы, содержащие сравнение экспериментально полученных результатов с результатами расчетов и известными теоретическими положениями.
В соответствии с исходными данными (табл.1) рассчитать амплитуды и начальные фазы напряжений на элементах заданных электрических цепей, воспользовавшись формулами П1.1, П1.2, П2.1, П2.2, П3.1, П3.2 и П3.3, полученными в примерах. Результаты перенести в сводную таблицу бланка отчета. Построить теоретические векторные диаграммы.
Ознакомиться с лабораторным заданием.
Лабораторное задание
1. Соберите с помощью перемычек двухэлементную цепь согласно заданию (RL или RC). Помните, что элемент, на котором измеряется напряжение, должен располагаться в схеме последним. Подключите к электрической цепи контрольно-измерительную аппаратуру (генератор гармонического напряжения и осциллограф) с помощью коаксиальных кабелей. Для возможности одновременной подачи напряжения с генератора в электрическую цепь и на осциллограф используйте коаксиальный тройник. Представьте собранную электрическую цепь на проверку преподавателю.
2. После получения разрешения включите генератор гармонического напряжения и произведите его настройку: выберите режим генерации гармонического напряжения Sine (вторая строка кнопок под экраном с изображением типа сигнала), установите заданную частоту и амплитуду 1 В (обратите внимание на то, что на генераторе выставляется размах гармонического напряжения, то есть удвоенная амплитуда). Для установки используйте первый ряд кнопок. Назначение каждой из них подписано внизу экрана (необходимы кнопки Freq и Ampl). Повторное нажатие на кнопку переводит ее в режим задания другого параметра генерируемого сигнала. Число может быть набрано с клавиатуры или установлено с помощью верхней правой ручки на панели и двух кнопок смены разряда числа, расположенных под ней. В случае набора с клавиатуры по окончании набора необходимо выбрать единицу измерения с помощью первого ряда кнопок под экраном (μHz, mHz, Hz, kHz или MHz – для частоты; mVpp или Vpp – для размаха напряжения). Нажмите кнопку Output.
|
|
|
3. Включите и произведите автоматическую настройку осциллографа. Для этого нажмите кнопку Autoscale. Разнесите полученные осциллограммы по высоте, используя ручки перемещения изображения каждого из каналов осциллографа, обозначенные цифрами 1 и 2 над коаксиальными входами. Если масштаб полученных осциллограмм Вас не устраивает, воспользуйтесь ручками вертикальной и горизонтальной разверток, обозначенных символами ~. Помните, что измерение будет точнее, если в пределах экрана будет укладываться 1-2 периода колебаний. Убедитесь, что сигналы отображаются в масштабе 1:1. Для этого нажмите подсвеченную кнопку 1 и с помощью вертикальной линейки кнопок (расположены справа от экрана) и ручки-кнопки 
, расположенной рядом, установите усиление x1 (по умолчанию выставлено x10). Функциональное назначение кнопок будет подписано в правой части экрана. Проделайте то же самое со вторым каналом, нажав подсвеченную кнопку 2.
4. Произведите измерение амплитуд напряжений с помощью системы измерительных курсоров. Для этого нажмите кнопку Cursor и с помощью вертикальной линейки кнопок и ручки-кнопки 
, расположенной рядом, выберите ручной тип курсора (Manual). Используя тот же набор кнопок, выберите источник сигнала Source (канал CH1 или CH2 в зависимости от измеряемого напряжения) и тип курсоров (Voltage или Time). Теми же кнопками выберите курсор A и, перемещая его с помощью ручки-кнопки , установите его по максимуму измеряемого сигнала. Выберите курсор B и, перемещая его с помощью ручки-кнопки 
, установите его по минимуму измеряемого сигнала. В левом верхнем углу осциллографа отображается таблица, в нижней строке которой указывается расстояние между курсорами по вертикали ΔY в вольтах (V) или милливольтах (mV). Это размах напряжения, то есть его удвоенная амплитуда. Аналогично измерьте амплитуду второго напряжения, не забыв при этом сменить тип источника Source.
|
|
|
5. С помощью той же системы курсоров произведите измерение сдвига фаз напряжения, являющегося реакцией исследуемой электрической цепи, относительно воздействия (напряжения, подаваемого с выхода генератора на вход электрической цепи). Для этого смените тип курсоров на временной (Voltage или Time). Выберите курсор A и, перемещая его с помощью ручки-кнопки , установите его на одну из вершин напряжения генератора. Выберите курсор B и, перемещая его с помощью ручки-кнопки , установите его на ближайшую вершину второго напряжения. В левом верхнем углу осциллографа отображается таблица, в нижней строке которой указывается расстояние между курсорами по горизонтали ΔX в миллисекундах (ms) или микросекундах (μs). Аналогичным образом измерьте период любого из напряжений по двум его ближайшим вершинам. Рассчитайте величину сдвига фаз по формуле (1.15) с учетом знака (смотри пояснение к формуле 1.15).
6. Зарисуйте осциллограммы напряжений на заранее заготовленную сетку или сохраните с использованием flash-памяти. Для этого нажмите кнопку Save и с помощью вертикальной линейки кнопок, расположенной справа от экрана, и ручки-кнопки 
выберите тип вывода png. После этого выберите тип носителя – внешнее устройство (теми же кнопками можно выбрать или создать папку для сохранения файлов) и либо согласитесь с автоматически сгенерированным названием рисунка, либо задайте его сами с помощью ручки-кнопки (для стирания символов используйте соответствующую кнопку из вертикальной линейки, расположенной справа от экрана). После этого сохраните файл, нажав соответствующую кнопку из вертикальной линейки.
7. Отключите напряжение на входе электрической цепи, нажав на осциллографе кнопку Output. Не выключайте генератор и осциллограф, так как в противном случае Вам придется проводить их настройку заново. Пересоберите схему электрической цепи таким образом, чтобы поменять элементы местами (R и C; R и L). Повторите пункты 4, 5 и 6 по отношению к новой системе напряжений.
|
|
|
8. Повторите пункты 1-7 по отношению к трехэлементной RLC-цепи, трижды пересобрав ее таким образом, чтобы последним элементом по очереди оказывались R, L и C.
9. Результаты измерений и вычислений занесите в сводную таблицу бланка отчета.
10. По результатам измерений амплитуд и сдвигов фаз напряжений относительно ЭДС в тех же осях постройте практические векторные диаграммы.
11. Проведите сравнение результатов расчета амплитуд и начальных фаз с результатами их экспериментального определения. Оцените относительную погрешность измерения и сделайте вывод (приемлемы погрешности не выше 10%):
.
12. Проведите сравнение полученных сдвигов фаз между различными напряжениями (используйте результаты сводной таблицы) в исследуемых электрических цепях с известными теоретическими положениями (смотри пункт 1.1.2). Сделайте вывод.
1.3 Контрольные вопросы
1. Дайте определение гармонического тока (напряжения).
2. Что понимается под амплитудным значением (амплитудой) гармонического тока (напряжения)?
3. Дайте определение периода гармонического тока (напряжения).
4. Что понимается под циклической (линейной) частотой гармонического тока (напряжения)? Укажите ее связь с периодом.
5. Что называется полной фазой (фазой) гармонического тока (напряжения)?
6. Дайте определение угловой частоты гармонического тока (напряжения). Укажите ее связь с циклической частотой и с периодом.
7. Что называется начальной фазой гармонического тока (напряжения)?
8. Как определяется фазовый сдвиг между двумя гармоническими токами (напряжениями)? Как определить какой из сигналов опережает другой или отстает от него по фазе и на сколько?
9. В чем состоит символический метод анализа линейных электрических цепей? В чем его преимущества?
10. Что называется комплексным мгновенным значением (комплексом) гармонического тока (напряжения)? Укажите связь между комплексом и мгновенным значением гармонического тока (напряжения).
11. Дайте определения комплексной амплитуды гармонического тока (напряжения).
12. Сформулируйте первый закон Кирхгофа для комплексных амплитуд. Приведите пример составления уравнения по данному закону. Обоснуйте выбор знака комплексной амплитуды тока ветви.
13. Сформулируйте второй закон Кирхгофа для комплексных амплитуд. Приведите пример составления уравнения по данному закону. Обоснуйте выбор знака комплексной амплитуды напряжения на элементе контура.
|
|
|
14. Дайте определения комплексным сопротивлению и проводимости участка электрической цепи. Укажите, как определяется комплексное сопротивление (или проводимость) сложного двухполюсника.
15. Какой физический смысл имеют модуль и аргумент комплексных сопротивления и проводимости?
16. В чем состоит задача анализа линейной электрической цепи в установившемся гармоническом режиме? Как определяется число уравнений, которое необходимо составить для решения данной задачи в соответствии с законами Кирхгофа для комплексных амплитуд?
Литература
1. Атабеков Г. И. Основы теории цепей: Учебник для вузов. Специальная литература. С.Пб.: Лань, 2009. – 424 с.
2. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: Учебник. – Москва: «Гардарики», 2002 г. – 638 с.
3. Демирчян К. С., Нейман Л. Р., Коровкин Н. В., Чечурин В. Л. Теоретические основы электротехники: Учебник для вузов. т. 1-2 – СПб.: «Питер», 2006 г. – 463 (576) с.
4. Новгородцев А. Б. Теоретические основы электротехники. 30 лекций по теории электрических цепей: Учебное пособие. – СПб.: «Питер», 2006 г. – 576 с.
5. Попов В. П. Основы теории цепей: Серия Бакалавр: Базовый курс. М.: Юрайт-Издат, ООО, 2013. – 696 с.
[1] Поскольку принятый в курсе «Высшей математики» для обозначения мнимой единицы символ в теории электрических цепей используется для обозначения переменного тока, то для обозначения мнимой единицы применяется символ.
|
|
|
