Главная | Обратная связь
МегаЛекции

Формирование входного сигнала




Б.П. Поллак, Л.И. Пейч, Д.А. Точилин

 

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЦЕПЕЙ

 

Лабораторные работы № 10, 11, 13, 14

 

 

Методическое пособие
по курсу
«Основы теории цепей»

для студентов, обучающихся
по направлению «Радиотехника»

 

Под ред. В.А. Гречихина

 

 

Москва Издательский дом МЭИ 2009

УДК

621.396

О–753

 

 

Утверждено учебным управлением МЭИ

Подготовлено на кафедре основ радиотехники

 

 

Рецензент: канд. техн. наук Е.Е. Чаплыгин

 

 

Поллак Б.П., Пейч Л.И., Точилин Д.А.

О–753 Основы теории цепей.

Лабораторные работы № 10, 11, 13, 14: методическое пособие /
Б.П. Поллак, Л.И. Пейч, Д.А. Точилин; под ред. В.А. Гречихина. – М.: Издательский дом МЭИ, 2009. – 32 с.

 

 

Сборник содержит описания четырех лабораторных работ, посвященных изучению основных понятий и методов теории линейных и нелинейных радиотехнических цепей, а также цепей с распределенными параметрами. Изучаются: переходные процессы в апериодических и колебательных цепях (работа № 10), апериодические и колебательные цепи при импульсных воздействиях (работа № 11), резистивная цепь с нелинейным двухполюсником (работа № 13), стационарные процессы в линии передачи (работа № 14).

Сборник предназначен для студентов радиотехнического факультета (всех специальностей).

 

Продолжительность лабораторных занятий – 4 часа.

 

 

© Московский энергетический институт

(технический университет), 2009

ВВЕДЕНИЕ

Сборник содержит описания четырех лабораторных работ по курсу «Основы теории цепей». Предлагаемые работы посвящены изучению основных понятий и методов теории линейных и нелинейных радиотехнических цепей, а также цепей с распределенными параметрами.

Лабораторные работы поставлены на базе всего предшествующего опыта преподавания теории радиотехнических цепей, накопленного кафедрой основ радиотехники. В частности, прототипами приведенных работ послужили соответствующие работы из предыдущего аналогичного сборника (Баскаков С.И., Радченко С.Г. Лабораторные работы по курсу ОТЦ: Радиотехнические цепи / Под ред. Б.П. Поллака. – М.: Издательство МЭИ, 1994).

Особенность предлагаемого лабораторного практикума — все работы выполняются на одной и той же многофункциональной лабораторной установке для изучения радиотехнических цепей и сигналов. Она отличается от обычно используемых лабораторных установок анало­гичного назначения — в ней нет обычных генераторов и измерительных приборов, а их функции выполняет компьютерная генераторно-измерительная система.

Ниже приведены краткие описания установки и генераторно-измерительной системы.

Многофункциональная лабораторная установка
для изучения радиотехнических цепей и сигналов

Лабораторная установка (рис.1) состоит из двух основных частей — лабораторного стенда и персонального компьютера.

Изучаемая цепь собирается на лабораторном стенде из имеющегося в стенде и прилагаемого к нему набора схемотехнических элементов (резисторов, конденсаторов, индуктивных катушек и т.п.). В предлагаемых лабораторных работах используется универсальный лабораторный стенд «Сигнал-1».

 
 

Рис.1. Лабораторная установка

Входной сигнал формируется компьютерной генераторно-измерительной системой. Он подается на цепь с генераторного выхода системы. Входной и выходной сигналы измеряются той же генераторно-измерительной системой. Измеряемый сигнал подается на измерительный вход системы.

Компьютерная генераторно-измерительная система представляет собой аппаратно-программную систему [4], специально разработанную для изучения радиотехнических цепей и сигналов. Аппаратная часть системы размещена частично в лабораторном стенде и частично — в компьютере.

Лабораторный стенд «Сигнал-1»

В лабораторных работах по курсу ОТЦ используются только генераторно-измерительная часть стенда и панель для сборки цепи.

Панель для сборки цепи (рис.2) содержит достаточное количество гнезд, в которые вставляются сменные элементы собираемой схемы и соединительные проводники. Гнезда электрически соединены друг с другом и не соединены ни с какими другими элементами стенда.

 
 

Рис.2. Панель для сборки цепи

Выходные гнезда генератора и входные гнезда измерителя расположены рядом с панелью для сборки цепи (слева и справа от нее).

Компьютерная генераторно-измерительная система
(краткое руководство для пользователя)

Компьютерная генераторно-измерительная система предназначена для изучения радиотехнических цепей и сигналов методами автоматизированного физического эксперимента и математического моделирования.

Вход в систему

· На рабочем столе найдите ярлык «Генераторно-изме­рительная система» и вызовите эту систему. На экране поя­вится «заставка» системы.

· Из меню «заставки» вызовите нужную подсистему. На экране появится «передняя панель» выбранной подсистемы (название подсистемы указано на клавише вверху слева).

Выбор режима работы

· Для выбора нужного режима работы на передней панели имеются желтые клавиши со значком «u». Каждая из них раскрывает свое меню:

▼ клавиша вверху слева — для смены подсистемы, т.е. для смены изучаемых объектов (частотные характеристики, нелинейные цепи, цепи и сигналы, случайные процессы);

▼ клавиша вверху посередине — для выбора изучаемых характеристик цепей или сигналов (АЧХ, ФЧХ, осциллограммы, спектры и т.п.);

▼ клавиши в третьей строке снизу — для выбора математической модели формируемого сигнала (клавиша слева — тип сигнала, клавиша справа (с цифрой) — подтип, между ними — математическая модель сигнала);

▼ клавиши во второй строке снизу — для выбора математической модели изучаемой цепи (клавиша слева — тип цепи, клавиша справа (с цифрой) — подтип, между ними — математическая модель цепи);

▼ клавиша вверху справа — для смены отображаемых параметров выбранных математических моделей (параметры сигнала, параметры цепи).

· Клавишами отображения (над экраном) включите отображение нужных и отключите отображение ненужных характеристик:

§ клавиша «Расч.вх» — расчетный входной сигнал (рассчитанный по выбранной математической модели сигнала);

§ клавиша «Генер» — реальный входной сигнал (измеренный на генераторном выходе системы);

§ клавиша «Измер» — реальный выходной сигнал (измеренный на измерительном входе системы);

§ клавиша «Расч.вых» — расчетный выходной сигнал (рассчитанный по выбранным математическим моделям сигнала и цепи).

· В подсистеме «Частотные характеристики» или «Нелинейные цепи» клавишами запуска и режима измерений (внизу) запустите подсистему и установите нужный режим (однократный или непрерывный, со звуковой информацией об измерениях или без нее). Клавиши запуска и режима измерений работают только при включенном отображении измеряемых характеристик.

Формирование входного сигнала

· В подсистеме «Характеристики сигналов и цепей»:

▼ выберите тип и подтип сигнала;

▼ переключателем «Точность» или «Период» (под таблицей параметров) выберите требуемую точность установки частоты (для непрерывных сигналов) или требуемый период (для импульсных сигналов);

▼ введите в таблицу параметры расчетного входного сигнала (вводимые в таблицу значения частоты будут округляться в соответствии с выбранной точностью или выбранным периодом);

▼ клавишей «Калибровка» (над экраном справа) при необходимости скорректируйте возможное отклонение генерируемого напряжения от заданного.

В подсистемах «Частотные характеристики» и «Нелинейные цепи» входной сигнал — гармонический (в таблицу вводятся его параметры).

Форматирование графиков

Для управления графиками служит блок регуляторов (рис.3), расположенный под экраном справа.

 

Рис.3. Блок управления графиками

Регуляторы позволяют:

· фиксаторы автошкалирования (крайние слева) — включить или выключить непрерывное автошкалирование по каждой оси;

· кнопки «x» и «y» (если они «отжаты») — произвести одноразовое автошкалирование по соответствующей оси;

· «лупа» — изменить масштаб отображения. Из открывающегося меню можно выбрать варианты:

1) растянуть выделенный прямоугольник;

2) растянуть выделенный интервал горизонтальной оси;

3) растянуть выделенный интервал вертикальной оси;

4) вернуться к предыдущему масштабу;

5) растянуть изображение от указанной точки;

6) сжать изображение к указанной точке;

· «захват рукой» — передвигать графики по экрану;

· «+» — захватить курсор указателем мыши и переместить его.

Работа с курсорами

С помощью курсоров можно измерить характерные значения напряжения, времени, частоты и т.п. в любой точке экрана. Для работы с курсорами служат два блока управления (рис.4), расположенные под экраном:

Рис.4. Блоки управления курсорами

· посередине — блок кнопок «ручного» управления (вправо-влево, вверх-вниз). «Нажимая» на соответствующую кнопку можно перемещать «активные» (отмеченные «■») курсоры;

· слева — редактор курсоров. В каждой строке имеет 6 позиций (слева направо):

1 – номер курсора;

2 – абсцисса центра курсора;

3 – ордината центра курсора;

4 – кнопка активизации курсора («активный» отмечается «■»);

5 – редактор изображения курсора (при потере курсора — «Bring to Center»);

6 – переключатель «привязки» курсора к графикам.

 

Правила
выполнения лабораторных работ в лаборатории ОТЦ

Подготовка к лабораторному занятию заключается в изучении соответствующего раздела курса (по учебнику или конспекту лекций) и выполнении домашнего задания.

Отчет по домашнему заданию представляется каждым студентом индивидуально.Если отчет не представлен или выполнен неудовлетворительно, то студент к лабораторной работе не допускается.

В процессе выполнения лабораторного задания студенты, как правило, зарисовывают (с экрана) различные графики. Графики можно зарисовывать «от руки», но с примерным соблюдением масштаба. На зарисованных графиках должныбыть приведены шкалы значений измеряемых величин и указаны условия эксперимента.

Выполнив лабораторное задание, следует, не выключая установку, предъявить результаты преподавателю.

По окончании занятия (после приема результатов работы преподавателем) следует выключить установку, разобрать схему, сдать лаборанту набор проводов и комплектующих деталей, навести порядок на рабочем месте.

Отчет по лабораторной работе представляется каждым студентом индивидуально. Он должен содержать:

1) материалы домашней подготовки;

2) исправление выявленных в них ошибок;

3) оформленные результаты выполнения лабораторного задания — указанные в задании графики, таблицы и пр.;

4) анализ обнаруженных расхождений между вашими исходными теоретическими представлениями и экспериментальными фактами либо вывод об отсутствии таких расхождений.

Защитавыполненной работы осуществляется каждым студентом индивидуально. При оценке работы студента учитываются:

1) уровень подготовки к лабораторному занятию;

2) качество выполнения лабораторного задания;

3) качество представленного отчета;

4) уровень усвоения основных вопросов, изучаемых в работе. Примерные контрольные вопросы приведены в описании каждой работы.

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Ниже приведены описания четырех лабораторных работ по курсу «Основы теории цепей». Работы посвящены изучению основных понятий и методов теории радиотехнических цепей и получению практических навыков работы с генераторно-измерительными блоками и электрическими схемами.

Лабораторные занятия проводятся фронтальным методом. На выполнение каждой лабораторной работы отводятся 4 академических часа. Домашняя подготовка к каждой работе рассчитана также на 4 часа.

__________

Лабораторная работа № 10

ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ
В АПЕРИОДИЧЕСКИХ И КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ ЦЕПЯХ

Цельработы — освоить основные понятия и методы анализа переходных процессов в линейной цепи, получить практические навыки экспериментального исследования переходных процессов.

Изучаются следующиеосновные вопросы:

1) понятия свободного и переходного процессов в линейной цепи; 2) качественное описание переходных процессов в апериодических и колебательных цепях первого и второго порядка; 3) количественное описание переходных процессов в вышеуказанных цепях; 4) понятие переходной характеристики цепи; 5) переходные характеристики апериодических и колебательных цепей первого и второго порядка.

Домашнее задание

Изучите вышеперечисленные основные вопросы. Рекомендуются учебное пособие [1] (§§ 8.1÷8.4, 8.6) и конспект лекций.

1. Изобразите схемы изучаемых цепей:

· фильтра нижних частот (НЧ) первого порядка из последовательно соединенных резистора и конденсатора;

· фильтра верхних частот (ВЧ) первого порядка из последовательно соединенных конденсатора и резистора;

· апериодической цепи второго порядка в виде каскадного соединения двух вышеуказанных фильтров (соединенных через ИНУН [1] с коэффициентом управления Купр=1);

· последовательного колебательного контура (выходное напряжение снимается с конденсатора);

· цепи с простым параллельным колебательным контуром (входное напряжение подается на контур через резистор Rг, включаемый последовательно с контуром; выходное напряжение снимается с контура).

На каждой схеме укажите стрелками входное и выходное напряжения.

2. Для каждой цепи выпишите формулы, составляющие математическую модель изучаемых процессов, а именно:

· формулу для переходной характеристики g(t). В формуле используйте обозначения основных параметров цепи — коэффициента затухания a, а также (для колебательных контуров) резонансной частоты wр, собственной частоты wс и добротности Q;

· формулы для расчета указанных параметров цепи через параметры ее элементов.

3. Для каждой цепи изобразите вид переходной характеристики (для апериодической цепи второго порядка примите, что αФНЧ >>αФBЧ). На рисунках обозначьте характерные значения g и t.

4. Для каждого из фильтров первого порядка (НЧ, ВЧ) изобразите вид семейства переходных характеристик для различных значений a.

5. Для каждой из колебательных цепей изобразите вид семейства переходных характеристик для различных значений a и Q.

Лабораторное задание

Подготовка установки к работе

Для сборки цепи из имеющихся элементов подберите два резистора (20÷50 Ом и 50÷100 кОм), конденсатор (2÷5 нФ) и индуктивную катушку (2÷5 мГн).

Соберите первую из исследуемых цепей — RC-фильтр НЧ первого порядка (R=50÷100 кОм). Подключите к цепи генераторно-измери­тельную систему: напряжение с генераторного выхода системы подайте на вход цепи, а напряжение с выхода цепи (с конденсатора) — на измерительный вход системы.

Включите генераторно-измеритель­ную систему (ее ярлык — на рабочем столе) и подготовьте ее к измерениям:

· установите режим изучения характеристик (осциллограмм) сигналов;

· оставьте отображение только расчетного входного сигнала и сформируйте сигнал в виде последовательности прямоугольных импульсов с амплитудой 1 вольт, длительностью импульса 2 мс:

где u0 = 0, амплитуда импульса UИ = 1 В, длительность импульса ТИ = 2 мс, t0 = 1 мс, период 4 мс;

· включите отображение генерируемого сигнала. Проверьте, что реальное входное напряжение действительно соответствует заданному. Если это не так, то выполните сервисную программу «калибровка». После этого отображение расчетного входного сигнала отключите;

· включите отображение измеряемого сигнала. Наблюдайте реальные входной и выходной сигналы. После этого отображение генерируемого сигнала отключите;

· оставьте на экране один период измеряемого выходного сигнала (это удобно сделать поочередным автомасштабированием по горизонтали и вертикали);

· перейдите на шкалу времени, удобную для изучения переходных процессов (примерно от -0,2 до +1,0 мс).

1. Переходные процессы в фильтре НЧ первого порядка

Убедитесь, что измеренный выходной сигнал хорошо описывается известной вам математической моделью. Для этого включите отображение расчетного выходного сигнала, выберите из меню цепей фильтр НЧ 1-го порядка, а затем, подбирая параметры модели, добейтесь аппроксимации измеренного сигнала расчетным. Зарисуйте выходной сигнал (со шкалами uвых и t).

По измеренному сигналу определите параметры собранного фильтра. При хорошей аппроксимации измеренного сигнала расчетным можно принять, что введенные параметры модели равны реальным параметрам собранной цепи. Измеренные параметры фильтра НЧ внесите в таблицу и сравните с ожидаемыми (оцененными по номинальным значениям R и C).

Образец таблицы

Цепь R, кОм C, нФ fср, кГц a, 1/с t, мкс Примечание
Фильтр НЧ 1-го порядка           Измерение
      Оценка по RC
          Измерение
      Оценка по RC
Фильтр ВЧ 1-го порядка           Измерение
      Оценка по RC
          Измерение
      Оценка по RC

 

Изучите влияние постоянной времени фильтра на переходной процесс. Для этого, заменяя резистор или конденсатор, измените постоянную времени в 2¸4 раза (в любую сторону). Наблюдайте соответствующие изменения выходного сигнала, измерьте параметры нового фильтра и сравните их с ожидаемыми (внесите новые данные в ту же таблицу).

2. Переходные процессы в фильтре ВЧ первого порядка

Оставив в цепи исходные резистор и конденсатор и поменяв их местами, перейдите к следующей цепи — фильтру ВЧ первого порядка. Аналогично п.1 изучите переходной процесс в фильтре ВЧ и влияние на него постоянной времени фильтра.

3. Переходные процессы в последовательном колебательном контуре

Соберите последовательный колебательный контур (резистор в контур не включайте). Входное напряжение включите в контур, выходное напряжение снимайте с конденсатора. Аналогично пп.1÷2 изучите переходной процесс в последовательном контуре — зарисуйте измеренный выходной сигнал, определите параметры контура и внесите их в таблицу. По измеренным параметрам и номинальному значению C определите сопротивление потерь r=ρ/Q=1/(ωрCQ).

 

Образец таблицы

Контур С, нФ rдоб, Ом fр, кГц Q t, мкс r, Ом Примеч.
Последовательный           Измерение
          Измерение
        Оценка
Параллель­ный           Измерение
        Оценка

 

Изучите влияние потерь в контуре на переходной процесс. Для этого включите в контур (последовательно) добавочный резистор (rдоб=20¸50 Ом). Наблюдайте соответствующие изменения выходного сигнала, измерьте параметры нового контура и сравните их с ожидаемыми (оцененными по измеренным параметрам исходного контура и номинальному значению rдоб).

4. Переходные процессы в параллельном колебательном контуре

Соберите простой параллельный колебательный контур из тех же элементов (резистор в контур не включайте). Входное напряжение подайте на контур через резистор (Rг=50¸100 кОм), включенный последовательно с контуром; выходное напряжение снимайте с контура. Увеличьте амплитуду генерируемых импульсов до U1=8 В и «растяните» шкалу напряжения. Аналогично п.3 изучите переходной процесс в параллельном контуре, измерьте параметры цепи и сравните их с ожидаемыми (оцененными по измеренным параметрам последовательного контура и номинальному значению Rг).

5. Переходные процессы в апериодической цепи второго порядка

Соберите апериодическую цепь второго порядка (на ваш выбор) и изучите (качественно) переходные процессы в этой цепи. Изобразите схему собранной цепи и запишите параметры ее элементов. Зарисуйте характерные осциллограммы.

Контрольные вопросы

1. Что такое переходной процесс?

2. Дайте качественное объяснение вида наблюдавшихся в работе переходных процессов.

3. В чем заключается качественное отличие переходного процесса в апериодической цепи первого порядка от переходного процесса в апериодической цепи второго порядка?

4. В чем заключается качественное отличие переходного процесса в колебательной цепи от переходного процесса в апериодической цепи?

5. Дайте определение понятия переходной характеристики цепи.

6. Как связана переходная характеристика цепи с комплексной передаточной функцией? с операторной передаточной функцией?

7. Поясните способы экспериментального определения параметров исследуемых цепей (постоянная времени, коэффициент затухания, резонансная частота, добротность).

8. Наблюдались ли в работе расхождения измеренных параметров с расчетными? Если да, то укажите наиболее вероятную причину (причины) расхождений.

_____________

Лабораторная работа № 11

АПЕРИОДИЧЕСКИЕ И КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ
ПРИ ИМПУЛЬСНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Цель работы — освоить методику и получить практические навыки анализа процессов в линейной цепи при воздействии импульсов.

Изучаются следующиеосновные вопросы:

1) временные характеристики апериодических и колебательных цепей первого и второго порядка; 2) качественное описание процессов в вышеуказанных цепях при воздействии прямоугольных импульсов; 3) количественное описание реакции вышеуказанных цепей на воздействие «кусочно-линейных» импульсов; 4) влияние частотной характеристики цепи на характер искажений импульсного сигнала.

Домашнее задание

Изучите вышеперечисленные основные вопросы. Рекомендуются учебное пособие [1] (§§ 8.1÷8.4, 8.6), и конспект лекций.

1. Изобразите схемы исследуемых цепей:

· фильтра НЧ первого порядка из последовательно соединенных резистора и конденсатора;

· фильтра ВЧ первого порядка из последовательно соединенных конденсатора и резистора;

· последовательного колебательного контура (выходное напряжение снимается с конденсатора).

На каждой схеме укажите стрелками входное и выходное напряжения.

2. Выпишите формулы, составляющие математические модели изучаемых цепей, а именно:

· для каждой цепи — формулу для переходной характеристики g(t), описывющей реакцию цепи на скачок напряжения, т.е.

где ;

· для фильтров первого порядка, кроме того, — формулу для характеристики f(t), описывающей реакцию цепи на линейно-нарастающее напряжение, т.е.

где .

В формулах используйте обозначения основных параметров цепи — коэффициента затухания a, а также (для колебательного контура) резонансной частоты wр, собственной частоты wс и добротности Q.

3. Выпишите формулы для расчета реакций линейной цепи с характеристиками g(t) и f (t) на прямоугольный и треугольный импульсы.

4. Изобразите (качественно) характер осциллограмм входного и выходного сигналов при воздействии прямоугольного импульса:

· на фильтр НЧ первого порядка (τ << Tи, τ = Tи, τ >> Tи);

· на фильтр ВЧ первого порядка (τ << Tи, τ = Tи, τ >> Tи);

· на последовательный колебательный контур (τ < Tи).

5. Изобразите (качественно) характер осциллограмм входного и выходного сигналов при воздействии треугольного импульса:

· на фильтр НЧ первого порядка (τ << Tи);

· на фильтр ВЧ первого порядка (τ >> Tи).

Лабораторное задание

Подготовка установки к работе

Соберите первую из исследуемых цепей — RC-фильтр НЧ первого порядка (R = 50÷100 кОм, C = 2÷5 нФ). Подключите к цепи генераторно-измери­тельную систему: напряжение с генераторного выхода системы подайте на вход цепи, а напряжение с выхода цепи (с конденсатора) — на измерительный вход системы.

Включите генераторно-измерительную систему (ее ярлык — на рабочем столе) и подготовьте ее к измерениям:

· установите режим изучения характеристик (осциллограмм) сигналов;

· оставьте отображение только расчетного входного сигнала и сформируйте сигнал в виде последовательности прямоугольных импульсов с амплитудой 1 вольт, длительностью импульса 2 мс:

где u0 = 0, амплитуда импульса UИ = 1 В, длительность импульса ТИ = 100 мкс, t0 = 50 мкс, период 2 мс;

· наблюдайте осциллограмму прямоугольного импульса, т.е. одного периода сформированной периодической последовательности (это удобно сделать поочередным автомасштабированием по горизонтали и вертикали);

· включите отображение генерируемого сигнала. Проверьте, что реальное входное напряжение действительно соответствует заданному. Если это не так, то выполните сервисную программу «калибровка». После этого отображение расчетного входного сигнала отключите;

· включите отображение измеряемого сигнала. Наблюдайте реальные входной и выходной сигналы;

· перейдите на шкалу времени, удобную для изучения реакции цепи на генерируемый импульс (примерно от −0,1 до +0,3 мс).

1. Искажения прямоугольного импульса в фильтре НЧ

Изучите влияние постоянной времени фильтра НЧ на выходной сигнал. Для этого, заменяя резистор или конденсатор, уменьшайте постоянную времени фильтра, наблюдайте соответствующие изменения выходного сигнала и сравните их с ожидаемыми. Убедитесь, что искажения сигнала тем меньше, чем меньше постоянная времени фильтра.

Зарисуйте осциллограммы входного и выходного сигналов (на одном рисунке) для случая относительно небольших искажений (t ≈ Tи/10).

Здесь и далее осциллограммы можно зарисовывать «от руки», но с примерным соблюдением масштаба. На осциллограммах должны быть приведены шкалы значений напряжения и времени и указаны условия эксперимента.

2. Искажения прямоугольного импульса в фильтре ВЧ

Поменяв местами резистор и конденсатор, перейдите к следующей цепи — фильтру ВЧ первого порядка. Аналогично п.1 (только не уменьшая, а увеличивая t) изучите влияние постоянной времени фильтра ВЧ на выходной сигнал и убедитесь, что искажения сигнала тем меньше, чем больше постоянная времени фильтра.

Зарисуйте осциллограммы входного и выходного сигналов для случая относительно небольших искажений (t ≈ 10 Tи).

3. Искажения прямоугольного импульса в апериодической цепи второго порядка

Соберите апериодическую цепь второго порядка в виде каскадного соединения фильтра НЧ (t ≈ Tи / 10) и фильтра ВЧ (t ≈ 10 Tи). Убедитесь, что наблюдаемые искажения сигнала качественно соответствуют ожидаемым. Зарисуйте осциллограммы сигналов (на одном рисунке) на входе цепи, на выходе (конденсаторе) первого звена и на выходе двухзвенной цепи.

4. Искажения прямоугольного импульса в последовательном колебательном контуре

Соберите последовательный колебательный контур (L = 2÷5 мГн, C = 2÷5 нФ, резистор в контур не включайте). Входное напряжение включите в контур, выходное напряжение снимайте с конденсатора. Убедитесь, что наблюдаемый выходной сигнал качественно соответствуют ожидаемому.

Зарисуйте осциллограммы выходных сигналов:

· для исходного контура;

· для контура с дополнительным резистором (20÷50 Ом).

5. Преобразование сигнала в фильтре НЧ с большой постоянной времени

Соберите фильтр НЧ с относительно большой постоянной времени (порядка 1 мс) и сформируйте входной сигнал в виде последовательности сдвоенных прямоугольных импульсов:

где u0 = 0, U1 = 1 В, U2 = –2 В, U3 = 1 В, , t1 = 0, t2 = 100 мкс, t3 = 200 мкс, период 2 мс. Сначала наблюдайте осциллограммы входного и выходного сигналов, а затем «растяните» шкалу напряжения (для этого проще всего, временно отключив отображение генерируемого сигнала, выполнить автомасштабирование изображения по вертикальной оси).

Зарисуйте осциллограмму выходного сигнала. Обратите внимание, что выходной сигнал изменяется примерно пропорционально интегралу от входного сигнала.

6. Преобразование сигнала в фильтре ВЧ с малой постоянной времени

Соберите фильтр ВЧ с относительно малой постоянной времени (порядка 10 мкс) и сформируйте входной сигнал в виде последовательности треугольных импульсов:

где u0 = 0, UИ = 1 В, ТИ = t0 = 100 мкс, период 2 мс.

Аналогично п.5 сначала наблюдайте осциллограммы входного и выходного сигналов, а затем «растяните» шкалу напряжения.

Зарисуйте осциллограмму выходного сигнала. Обратите внимание, что выходной сигнал изменяется примерно пропорционально производной входного сигнала.

Контрольные вопросы

1. Дайте качественное объяснение характера наблюдавшихся в работе процессов в апериодических цепях (первого и второго порядка) при воздействии прямоугольных импульсов.

2. Дайте качественное объяснение характера наблюдавшихся в работе процессов в колебательном контуре при воздействии прямоугольных импульсов.

3. Как, зная переходную характеристику цепи, рассчитать реакцию этой цепи на прямоугольный импульс?

4. Как, используя принцип суперпозиции, оценить реакцию линейной цепи на «кусочно-линейный» импульс?

5. В каких фильтрах (нижних частот? верхних частот? полосно-пропускающих?) наблюдались искажения «быстрых» участков импульсного сигнала, например, сглаживание фронтов (скачков) прямоугольного импульса?

6. В каких фильтрах (нижних частот? верхних частот? полосно-пропускающих?) наблюдались искажения «медленных» участков импульсного сигнала, например, спад плоской вершины прямоугольного импульса?

_____________

Лабораторная работа № 13

РЕЗИСТИВНАЯ ЦЕПЬ
С НЕЛИНЕЙНЫМ ДВУХПОЛЮСНИКОМ

Цель работы — освоить метод и получить практические навыки анализа процессов в резистивной цепи с безынерционным нелинейным двухполюсником.

Изучаются следующиеосновные вопросы:

1) понятие безынерционного резистивного нелинейного элемента; 2) метод анализа статического режима в цепи с резистивным нелинейным двухполюсником; 3) принцип действия диодного ограничителя напряжения.

Домашнее задание

Изучите вышеперечисленные основные вопросы. Рекомендуются учебные пособия [1] (§§ 6.1÷6.2), [2] и конспект лекций.

1. Для снятия вольтамперной характеристики диода в работе собирается цепь из последовательно соединенных миллиамперметра и диода (выходное напряжение снимается с диода).

Изобразите схему этой цепи. На схеме укажите стрелками напряжение на диоде (u) и ток диода (i).

2. В работе изучается цепь из последовательно соединенных нагрузочного резистора и полупроводникового диода (выходное напряжение снимается с диода).

Изобразите схему изучаемой цепи. На схеме укажите стрелками входное (uвх) и выходное (uвых) напряжения.

3. Приведите рисунок, поясняющий процессы в изучаемой цепи. На рисунке изобразите вольтамперную характеристику диода, нагрузочную прямую и рабочую точку, а также укажите характерные значения напряжения и тока (uвх, uвых=uр.т., iр.т.).

4. Изобразите вид семейства зависимостей uвых(uвх) для различных значений сопротивления нагрузки R.

5. Изобразите вид осциллограмм напряжений на входе uвх(t) и на элементах изучаемой цепи uвых(t) и uR(t) при подаче на ее вход гармонического напряжения.

Лабораторное задание

Подготовка установки к работе

Для сборки цепи из имеющихся элементов подберите полупроводниковый диод и два резистора (1÷2 кОм и 20¸50 кОм).

На стенде «Сигнал–1», используя имеющийся в нем источник постоянного напряжения и внешний миллиамперметр, соберите цепь для снятия вольтамперной характеристики диода.

1. Измерение вольтамперной характеристики диода

Снимите по точкам вольтамперную характеристику полупроводникового диода. Постройте ее график в необходимых для дальнейшей работы пределах (от –4 до 4 В и от 0 до 5 мА).

2. Измерение характеристики uвых (uвх) исследуемой цепи

Соберите исследуемую цепь из нагрузочного резистора (R=20¸50 кОм) и полупроводникового диода. Подключите к цепи генераторно-измери­тельную систему: напряжение с генераторного выхода системы подайте на вход цепи, а напряжение с выхода цепи (с диода) — на измерительный вход системы.

Включите генераторно-измерительную систему (ее ярлык — на рабочем столе) и подготовьте ее к измерениям:

· установите режим изучения характеристик (осциллограмм) сигналов и удобную для дальнейшей работы шкалу напряжения (от –4 до 4 В);

· оставьте отображение только расчетного входного сигнала и сформируйте постоянное напряжение uвх(t)=u0, где u0=0;

· включите отображение реального генерируемого сигнала. Проверьте, что генерируемое напряжение действительно равно нулю. Если это не так, то выполните сервисную программу «калибровка»;

· включите отображение измеряемого сигнала (отображение генерируемого сигнала тоже оставьте, а расчетного входного — отключите).

Варьируя u0, снимите по точкам зависимость uвых(uвх) (в пределах uвх от –4 до 4 В). Измеренные напряжения сведите в таблицу. Измеренные значения uвых.мин и uвых.макс сравните с рассчитанными по вольтамперной характеристике диода (п.1) и нагрузочной прямой.

3. «Автоматизированное» измерение характеристики uвых (uвх) исследуемой цепи





©2015- 2017 megalektsii.ru Права всех материалов защищены законодательством РФ.