Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Учреждение образования

«ВЫСШИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОЛЛЕДЖ СВЯЗИ»

Кафедра радиосвязи и радиовещания

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

НА макетах

по дисциплине

«ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ»

ЧАСТЬ 1

для студентов специальностей

2-45 01 02 — Системы радиосвязи, радиовещания и телевидения

2-45 01 03 — Сети телекоммуникации

Минск 2007

Составитель: Н.Л. Барташевич

Издание утверждено на заседании кафедры РиР

«_____» _______________2007 г., протокол №

Зав. кафедрой ___________ М. Т. Кохно

Лабораторная работа №1

ЗНАКОМСТВО С УНИВЕРСАЛЬНЫМ СТЕНДОМ ЛКЦТ

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.1 Ознакомится с блоками лабораторного стенда ЛКЦТ, выяснить их назначение.

1.2 Изучить органы управления генератора и осциллографа лабораторного стенда ЛКЦТ.

1.3 Приобрести практические навыки работы с генератором и осциллографом лабораторного стенда ЛКЦТ.

2 ЛИТЕРАТУРА

2.1 Добротворский И.Н. Лабораторный практикум по основам теории цепей. −М.: Высшая школа, 1986. С. 5…15.

2.2 Методическое руководство к работе.

3 ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

3.1 Изучить по [2.1] назначение, устройство и принцип действия блоков генератора и осциллографа, органы управления этими блоками. Методы измерения тока, напряжения.

3.2 Подготовить бланк отчета (см. раздел 7).

3.3 Подготовить ответы на вопросы самопроверки.

4 ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

4.1 Какое значение называется мгновенным значением ЭДС, напряжения и тока?

4.2 какое значение переменного тока принимают за амплитудное?

4.3 Какой формулой выражается связь между периодом, частотой и длиной волны при гармоническом колебании?

4.4 Какое значение называется размахом напряжения, тока?

4.5 Какое значение называется действующим значением ЭДС, напряжения, тока?

4.6 Каково соотношение между размахом, максимальным и действующими значениями переменного тока?

4.7 Приведите примеры источников сигналов.

4.8 С помощью какого устройства можно получить изображение сигнала?

4.9 Каким прибором и как можно измерить действующее значение напряжения, тока звуковой частоты?

5 ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

5.1 Универсальный стенд ЛКЦТ.

6 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

6.1 Ответить на вопросы преподавателя по домашнему заданию

6.2 Изучить конструкцию стенда ЛКЦТ. Найти на рисунках (рисунок 1…11) блоки и аналогичные блоки на стенде. Выяснить назначение блоков.

Соблюдать технику безопасности, работая со стендом.

Перед включением тумблера "СЕТЬ", "ВКЛ" на блоке питания, убедится, что остальные тумблеры выключены.

Выключение стенда производится в обратной последовательности.

Последним выключается тумблер "СЕТЬ" на блоке питания (рисунок 11).

6.2.1 Задающий генератор Г1 (рисунок 5, 6) вырабатывает синусоидальное напряжение и напряжение прямоугольной формы частоты 0,2-200 кГц.

6.2.2 Преобразователь сигналов Г2 (рисунок6) позволяет на выходе получить сигнал, указанный на передней панели.

6.2.3 Усилитель мощности Г3 (рисунок 7) позволяет получить выходное напряжение сигнала генератора (1 - 10) В.

6.2.4 Блок осциллографа (рисунок 3) позволяет получить на экране изображение входного сигнала задающего генератора - первый электронный луч, и изображение сигнала исследуемой цепи - второй электронный луч.

6.2.5 Многопредельный вольтметр (рисунок 8) - с автоматическим переключением пределов измерения V2.

6.2.6 Фазометр и вольтметр V3 (рисунок 9) позволяет измерить угол сдвига фаз между входным напряжением генератора и током цепи, а также при включении ключа в положение V3 - напряжение (1…10) В.

6.2.7 Блок питания (рисунок 11). Порядок включения: вначале тумблер "СЕТЬ", а затем остальные тумблеры. При выключении в обратном порядке, необходимо строго соблюдать этот порядок включения и выключения. Последним выключать тумблер "СЕТЬ".

6.2.8 Электронный коммутатор (рисунок 4) позволяет управлять размахом сигнала на экране осциллографа, получать изображение одновременно двух или поочередно каждого сигналов (входного сигнала цепи), изменять расстояние между кривыми на экране осциллографа, изменять частоту развертки.

6.2.9 Блок умножения частоты (рисунок 10) позволяет получать на экране осциллографа форму сигнала частоты f, 2f, 3f или суммарный сигнал.

6.2.10 Анализатор спектра (рисунок 2) предназначен для получения на экране осциллографа временную и спектральную характеристику сигнала.

6.2.11 Блок активных элементов (рисунок 12), содержащий нелинейные элементы и активные элементы (ОУ), позволяет исследовать их работу.

6.2.12 Блок пассивных элементов (рисунок 12) содержит резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы, и позволяет собирать из них различные электрические схемы.

6.3 Получить на экране осциллографа изображение опорного сигнала синусоидальной формы различной частоты, амплитуды с разным числом периодов.

6.3.1 На блоке питания включить тумблеры: "СЕТЬ" - при этом загораются на обоих сторонах блока питания световые индикаторы, тумблер "ГЕНЕРАТОР" - при этом загораются индикаторы на блоках Г1, Г2, Г3, тумблер "КОММУТАТОР ОСЦИЛЛОГРАФ" - загорается световой индикатор на блоке "ЭЛЕКТРОННЫЙ КОММУТАТОР".

6.3.2 На блоке Г1 тумблер режима работы генератора установить в положение "ВНУТР".

6.3.3 На блоке Г2 переключатель вида сигналов установить в позицию " " (3-е положение при повороте переключателя по часовой стрелке).

6.3.4 На блоке Г3 тумблер переключателя пределов вольтметра V1 в положение "10 В", тумблер переключателя мощности в положение "НОРМ".

6.3.5 На блоке электронного коммутатора (ЭК) тумблер "ВХОД Х", который находится в правой части блока (ЭК), установить в положение "ВНУТР".

Тумблер ступенчатого изменения входного напряжения канала 1, называемый "ОСЛАБЛЕНИЕ" установить в положение "1:10".

Тумблер, открывающий вход первого канала переключить в положение "ВНУТР".

Тумблер "КАНАЛА 1 и 2" установить в среднее положение, при этом включаются оба вертикальных входа каналов 1 и 2.

6.3.6 На экране осциллографа получить изображение. С помощью регуляторов "↕" и "↔" вертикальную ось начала координат установить в левой части экрана.

6.3.7 Поворачивая регулятор "РАСХОЖДЕНИЕ" на блоке (ЭК), установить на экране осциллографа изображение первого канала, которое должно находиться в верхней части экрана, а второго канала - в нижней.

Поворачивая регулятор "УСИЛ" первого канала установить такое положение, при котором размах синусоиды занимает четыре клетки.

6.3.8 Поворачивая регулятор "УСИЛ. Х" установить изображение размером шесть - восемь клеток по горизонтали. С помощью регулятора "↔" установить изображение симметрично относительно краев трубки осциллографа.

6.3.9 Проверить работу регулятора "РАЗВЕРТКИ" на блоке (ЭК). Поворот регулятора должен изменять количество периодов. Установить регулятором положение, при котором один период занимает четыре клетки по горизонтали.

6.3.10 Убедиться в том, что при установке переключателя "ВХОД Х" во второе положение - "ВНЕШ", на экране вместо изображения синусоиды окажется вертикальная линия. Возвратить переключатель "ВХОД Х" в положение "ВНУТР". Записать положение регуляторов, зарисовать изображения.

6.4 Научиться производить тарировку. Определить цену деления клетки по вертикали. Для чего нажать кнопку "ТАРИР" первого канала и одновременно поворачивая регулятор "ТАРИР. НА ПР.", установить размер прямоугольного сигнала в одну клетку, а также снять показания по верхней шкале вольтметра " V1".

Например, если тарировочный прямоугольный сигнал занимает по вертикали одну клетку, а вольтметр при этом показывает 25 делений (2,5 В), то это означает, что цена деления по вертикали составляет 2,5 В/клетку.

6.5. Получить на экране осциллографа изображение сигнала различной формы.

6.5.1. Соединить внешним приводом гнезда " " на блоке Г1 и гнезда "ВХ. 2" второго канала на блоке (ЭК). На экране появится синусоида по второму каналу. Регулятором "УСИЛ. 2 КАНАЛА" установить размах синусоиды три клетки.

6.5.2 Определить цену деления по вертикали второго канала. Записать цену деления, зарисовать изображение.

6.5.3 Штекер, включенный в гнездо " " на блоке Г1, переключить в гнездо " ", изображение на втором канале превратится в прямоугольное.

6.5.4 На блоке Г2 переключатель "ПФ" перевести в следующее положение " ". Убедится что с помощью регулятора "ПОДСТРОЙКА 2" можно изменить форму сигнала от треугольной до пилообразной. Зарисовать изображение пилообразной формы с наименьшим размахом.

6.5.5 Переключить "КАНАЛ" на (ЭК) из среднего положения переключить в левое положение "1". На экране останется только изображение первого канала. Зарисовать изображение.

6.5.6 Переключить переключатель "КАНАЛ" на (ЭК) из левого положения "1" в правое положение "2". На экране появится изображение только второго канала. Зарисовать это изображение.

6.5.7 Переключатель "КАНАЛ" перевести в левое положение "1".

6.5 На экране осциллографа получить сигналы различной длительности.

Для этого:

6.6.1 На блоке Г2 переключить "ПФ" перевести в следующее положение " ". С помощью регулятора "ПОДСТРОЙКА 2" установить длительность импульса в 2, 4, 8 раз короче периода. Зарисовать эти изображения.

6.6.2 На блоке Г2 переключатель "ПФ" перевести в положение " ". С помощью регуляторов "ПОДСТРОЙКА 1" и "ПОДСТРОЙКА 2" убедится, что кривая синусоидальной формы превращается в кривую трапециидальной формы. Зарисовать изображения.

6.7. На экране осциллографа получить кривые одно- и двухполупериодного выпрямления.

6.7.1 Переключатель "ПФ" перевести в положение " ". С помощью регулятора

"ПОДСТРОЙКА 2" изменить форму сигнала от однополупериодной до двухполупериодной. Зарисовать изображения.

6.7.2 Переключатель "ПФ" перевести в положение " ". Проделать аналогичные п. 6.7.1 операции и зарисовать изображения.

6.7.3 Переключатель "ПФ" перевести в положение " ". Изменить форму сигнала регуляторами "ПОДСТРОЙКА 2" и "ПОДСТРОЙКА 1". Зарисовать изображения.

6.7.4 Переключатель "КАНАЛ" ЭК установить в среднее положение. Регуляторами "РАСХОЖДЕНИЕ", "↔", "↕" установить наилучшее изображение; регулятором "РАЗВЕРТКА" установить два или три периода сигналов. Зарисовать изображения.

6.8 Самостоятельно и поочередно изменять положения регуляторов и переключателей, запомнить назначение регуляторов. По окончании работы установить регуляторы и переключатели в следующие позиции.

На блоке Г1: тумблер "ГЕНЕРАТОР" - "ВНУТР".

На блоке Г2: переключатель "ПФ" в позицию 3 " " 2кГц, регуляторы "ПОДСТРОЙКА" - до отказа против часовой стрелки.

На блоке ЭК: "ВХОД ПЕРВОГО СИГНАЛА" в положение "ВНУТР".

Тумблеры "ОСЛАБЛЕНИЕ" - "1:10".

Тумблер "ВХОД Х" "ВНУТР".

7 СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

7.1 Наименование работы.

7.2 Цель работы.

7.3 Схематичный внешний вид стенда с наименованием блоков.

7.4 Ответы на контрольные вопросы.

8 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

8.1 Нарисовать кривые пяти переменных напряжений, изменяющиеся по различным законам.

8.2 Что такое скважность сигналов?

8.3 Как рассчитать действующее значение напряжения (тока, ЭДС) сигналов прямоугольной формы с различными скважностями.

9 МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

9.1 Стенд работает как от внутреннего, так и от внешнего генератора, обеспечивает на выходе сигналы следующих форм:

- гармонический с переменной частотой от 200 Гц до 20 кГц (с возможностью расширения до 200 кГц);

- прямоугольный - с периодом от 50 мс до 5 мкс;

- треугольный - с главным изменением до пилообразного при Т - 500 мкс;

- прямоугольный - с переменной скважностью от 2 до 20;

- гармонический - с одно- и двухсторонним ограничениями на 25% в каждую сторону;

- однополупериодной - с главным изменением до двух полупериодов;

- коротких односторонних - с главным перемещением отрицательных импульсов от 0 до 0,45 Т;

- коротких односторонних;

- радиоимпульсов с заполнением в диапазоне от 2 до 20 кГц;

- большого количества сигналов, синтезированных из частот первой, второй и третьей гармоник при плавной регулировке амплитуд и начальной фаз каждой;

- сигнала сложных форм, синтезированные из более чем трех составляющих.

9.2 На экране осциллографа можно наблюдать одновременно два временных или спектральных изображения.

9.3 Электронный вольтметр имеет пределы (0,1 - 1 - 10 - 100) В с автоматическим переключением.

9.4 Электронный фазометр обеспечивает отсчет фазных углов при гармоническом воздействии от +90˚ до -90˚.

Лабораторная работа №2

ИССЛЕДОВАНИЕ ИСТОЧНИКОВ

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.1 Изучить нагрузочные характеристики источников.

1.2 Ознакомиться с зависимыми источниками.

2 ЛИТЕРАТУРА

2.1 Добротворский И.Н. Теория электрических цепей. – М.: Радио и связь, 1989.

2.2 Агасьян М.В., Орлов Е.А. Электротехника и электрические измерения. М.: − Радио и связь, 1983, – С. 46…52.

2.3 Методическое руководство к работе.

3 ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

3.1 Изучить по [2.1], [2.2] нагрузочные характеристики источников.

3.2 Подготовить бланк отчета (см. раздел 7).

3.3 Подготовить ответы на вопросы самопроверки.

3.4 Сделать предварительный расчет: рассчитать ток I, напряжение на зажимах источника U, КПД (η).

Известно, что в цепи с ЭДС (величину ЭДС брать по номеру в журнале в вольтах) R_i=320 Ом; сопротивление потребителя R=0, 80, 160, 320, 640, 1280, 5120, ∞ Ом.

Данные расчета занести в таблицу 3.1. По данным построить графики зависимости η=f(R). При построении кривых наибольшее значение всех величин отложить по вертикали на одной высоте.

Таблица 3.1– Расчетные данные домашнего задания 3.4

R, Ом	I, мА	U, В	η







∞

4 ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

4.1 Дайте определение источника напряжения.

4.2 Дайте определение источника тока.

4.3 Дайте схемное изображение источников напряжения и тока.

4.4 Дайте определение зависимого и независимого источников.

4.5 Дайте схемное изображение зависимого источника ИНУТ.

4.6 На какую величину отличается ЭДС источника от напряжения на его зажимах?

4.7 Дайте определение режимов холостого хода, короткого замыкания, согласованного режима.

4.8 Запишите закон Ома для замкнутого контура.

4.9 Как измерить ЭДС источника?

4.10 Запишите формулу для расчета кпд.

5 ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

5.1 Лабораторный стенд ЛКЦТ.

5.2 Соединительные провода - 8 шт.

6 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

6.1 Проверка подготовки студентов к лабораторной работе по вопросам самопроверки.

6.2 Подготовка лабораторной установки к работе, получение инструктажа по технике безопасности.

6.2.1 Ознакомление с элементами, из которых собираются исследуемые цепи (рисунок 1, рисунок 2): генератором на блоке Г3, вольтметрами V2 и V3, источником напряжения Е₁, источником тока I, магазином сопротивлений R_м, регулятором Е- VАR, переключателем П₁ ("незав.", "завис.").

6.2.2 Для работы источника Е₁ необходимо подать питание на плату активных элементов, поэтому надо соединить гнезда "ВЫХОД" на блоке Г3 с гнездами "ОТ ГЕНЕРАТОРА", находящимися в верхней части блока активных элементов (верхнее гнездо генератора с верхним гнездом "ОТ ГЕНЕРАТОРА", а нижнее соответственно с нижним). Регулятор выходного напряжения на блоке Г3 повернуть до упора против часовой стрелки.

6.2.3 Собрать электрическую цепь по схеме (рисунок 3.1). В качестве источника взять источник напряжения Е₁, в качестве нагрузочного сопротивления – магазин R_м _. R_ш2 включается в цепь для расчета I= . Пригласить преподавателя проверить собранную цепь.

6.2.4 Включить на блоке питания стенда тумблеры "СЕТЬ", "ГЕНЕРАТОР", V2, V3. Установить на блоке Г2 переключатель формы в третью позицию по часовой стрелке, что соответствует гармоническому сигналу ().

6.2.5 Указатель пределов РV1, РV2 поставить в позицию 10 В.

6.3 Изучение нагрузочных характеристик источника.

6.3.1. Регулятор выходного напряжения на блоке Г3 установить в положение наибольшего напряжения, т.е. повернуть до отказа по часовой стрелке.

Рисунок 3.1 – Схема для исследования источника напряжения

6.3.2 Проверить работу регулятора Е=VАR и убедится, что поворотом регулятора можно изменять выходное напряжение в широких пределах. Установить регулятор в положение наибольшего напряжения по вольтметру V3(R_м=2560 Ом).

6.3.3 Измерить ЭДС Е₁. Для этого отключить магазин R_м от клеммы источника. Показание вольтметра V3 в режиме холостого хода равно ЭДС источника. Снова подключить R_м.

6.3.4 Изменяя сопротивление магазина добиться согласованного режима работы. Этот режим получается когда показания V3 равны половине найденного значения ЭДС в этом случае внешнее сопротивление (R_м) будет равно внутреннему сопро-

тивлению R_i (R_м= R_i). Полученное значение Е и R_i занести в таблицу 3.2.

6.3.5. Установить на магазине R_м величины сопротивлений, в соответствии с заданными в таблицу 3.2. Результаты измерений U₂ и U₃ занести в таблицу 3.2. Сделать вычисления.

Таблица 3.2– Опытные и расчетные данные при исследовании источника напряжения

Задано	Из опыта	Вычисления
R_м, Ом		E=; R_i=	I_max=; Р_max=
U₃, B	U₂, мВ	мА		U/ U_max	Р мВт	Р/Р_max	η







R_м=∞ (отключено)

6.4 Исследование независимого источника тока I_к и источника тока управляемого напряжением (ИТУН).

6.4.1 Собрать цепь по схеме рисунка 3.2.

Провода к гнездам "ОТ ГЕНЕРАТОРА" с выхода блока Г3 оставить включенными. Резистор R_ш2 выбрать 100 Ом. Вольтметр V3 оставить подключенным к источнику напряжения Е₁. Переключатель П₁ ("незав.", "завис.") установить в положение "НЕЗАВ.". При этом ток источника не будет зависеть от напряжения на зажимах источника Е_I.

Рисунок 3.2– Схема для исследования источника тока.

6.4.2 Установить на магазине R_м сопротивление 1280 Ом. Регулятором Е - VАR изменять напряжение на зажимах источника Е_I. Убедиться, что падение напряжения на шунтовом сопротивлении R_ш3, а следовательно и ток в цепи остается при этом неизменным. Изменяя сопротивление R_м от нуля до максимального показания прибора V2 записать в таблице 3.3.

Рассчитать ток в цепи по формуле:

Таблица 3.3 – Опытные и расчетные данные при исследовании источника тока

При R_ш3=100 Ом
Из опыта	Вычисление
R_м, Ом	U₂, мВ	U₃, В	, мА
0…5120		0…Е

6.4.3 Установить R_м в произвольное положение, переключатель П₁ перевести в положение "ЗАВИС.", при этом источник тока становится зависимым от напряжения на зажимах источника напряжения Е₁. Регулятором Е - VАR изменять показания V3, убедится, что ток при этом также изменяется. Записать показания вольтметров V2 и V3 при U₃= U₃_max и U₃= 0,5U₃_max.

Результаты измерений записать в таблице 4

Таблица 3.4 – Опытные и расчетные данные при исследовании зависимого источника

	Из опыта	Вычисление
	U₂, мВ	U₃, В	,А	R_упр, кОм
при U_3max
при 0,5U_3max

6.4.4 Рассчитать ток по формуле: = ,

управляющую проводимость ,

управляющее сопротивление R_упр= .

7 СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

7.1 Наименование и цель работы.

7.2 Предварительный расчет:

- расчетные данные;

- заполненная таблица 3.1;

- график зависимости η=F(R)

7.3 Схемы исследований (рисунок 3.1, 3.2).

7.4 Заполненные таблицы (таблица 3.2, 3.3, 3.4).

7.5 По результатам обработки результатов построить кривые зависимости:

При построении кривых отношение откладывать по горизонтали в масштабе, при котором одинаковый линейный отрезок соответствует удваивающейся величине .

7.6 Сделать выводы по работе.

7.7 Ответить на контрольные вопросы.

8 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

8.1 Как на практике получить источник тока?

8.2 Как опытным путем получить значение R_i?

8.3 Чему равно напряжение на зажимах источника в согласованном режиме?

8.4 Как изменяется напряжение на зажимах источника при увеличении сопротивления нагрузки?

8.5 Как на практике получить режим холостого хода, короткого замыкания, согласованный режим?

8.6 Запишите формулы для расчета мощностей источника, нагрузки, потерь внутри источника.

8.7 Дано Е =20 В, U =18 B, I =2 A. Найти внутренне сопротивление источника R_i.

8.8 При каком условии отдача мощности во внешнюю цепь будет максимальной?

8.9 чему равен к п д источника в согласованном режиме?

8.10 Является ли экономически выгодным согласованный режим работы?

9 КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

9.1 Источники питания делятся на источники напряжения и источники тока.

Источником напряжения называется источник, ЭДС которого не зависит от величины нагрузочного сопротивления, подключенного к данному источнику. Если внутреннее сопротивление источника R_i пренебрежительно мало, то такой источник является идеальным, а если конечно - то реальным.

Источником тока называется источник, ток которого не зависит от величины внешнего сопротивления. У идеального источника тока внутренняя проводимость G равна нулю, а идеального - больше нуля.

Рисунок 3.3 – Условно-графическое изображение источников

На рисунке 3а показано схематическое изображение источника напряжения, а на рисунке 3.3 б - источник тока. Каждый из этих источников может быть независимым и зависимым (управляемым).

В работе также исследуется независимый источник напряжения (рисунок 3.1). Каждый источник напряжения характеризуется ЭДС Е и внутренним сопротивлением R_i. Физические явления, происходящие в цепи (рисунок 3.1), при подаче энергии к нагрузочному сопротивлению R, величина которого меняется от нуля до бесконечности, характеризуется законом Ома.

Ток в цепи: (1)

При режиме короткого замыкания R=0;

При согласованном режиме R=R_i; ток в цепи ;

при холостом ходе R=∞ ток I =0.

Напряжение на нагрузке

Мощность источника Р_и=ЕI

Мощность в нагрузочном сопротивлении

Мощность, рассеиваемая на внутреннем сопротивлении источника

Р₀=Р_и-Р_Н или Р₀ =

КПД

Характер нагрузочных графиков зависимостей приведен на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 – Графики нагрузочных характеристик

Лабораторная работа №3

ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕЛИТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ

1 ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ

1.1 Изучить характеристики делителей напряжения при различных нагрузках.

1.2 Научиться измерять коэффициент передачи четырехполюсника с помощью электронно - лучевого осциллографа.

2 ЛИТЕРАТУРА

2.1 Агасьян М.В., Орлов Е.А. Электротехника и электрические измерения. – М.: Радио и связь, 1983, – С. 53…55, С. 60…61.

2.2 Методические указания.

3 ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

3.1 Изучить по [2.1] и [2.2] тему "Делители напряжения".

3.2 Ответы на вопросы самопроверки.

3.3 Подготовить бланк отчета (см. раздел 7).

3.4 Решить письменно задачу.

Рассчитать коэффициент передачи Г-образного четырехполюсника (рисунок 2.1), если Rв=500 Ом, Rм=40, 80, 160, 320, 640, 1280, 2560, 5120 Ом.

Рисунок 2.1– Г-образный делитель напряжения.

Полученный коэффициент передачи занести в таблицу 1.1.

4 ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

4.1 Дайте определение двухполюсника.

4.2 Дайте определение четырехполюсника.

4.3 Изобразите четырехполюсник и укажите направления тока и напряжения на его входе и выходе.

4.4 Дайте определение входного сопротивления цепи.

4.5 Дайте определение коэффициента передачи четырехполюсника по напряжению,

току, мощности.

4.6 Запишите эти коэффициенты формулами.

4.7 Дайте определение делителя напряжения.

4.8 Изобразите Г-образный делитель напряжения.

4.9 Изобразите делитель напряжения с плавной регулировкой (потенциометр).

4.10 В каких пределах изменяется коэффициент передачи по напряжению потенциометра.

5 ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

5.1 Лабораторный макет.

5.2 Соединительные провода 6 шт.

6 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

6.1 Проверка подготовки студентов к лабораторной работе по вопросам самопроверки.

6.2 Подготовка лабораторной установки к работе, получение инструктажа по технике безопасности.

6.2.1 Ознакомление с элементами из которых собирают исследуемые цепи (рисунок 2.2, рисунок 2.3): генератор на блоке Г3, вольтметрами V 2 и V 3, магазином сопротивлений R_М, делителем напряжения R_К, осциллографом.

6.2.2 Собрать электрическую цепь по схеме рисунок 2.2. Обозначение пунктир (---) означает, что у данных устройств вторая клемма уже заземлена и ее дополнительно заземлять не надо. Пригласить преподавателя проверить собранную цепь.

6.2.3 Включить тумблеры: "СЕТЬ", "ГЕНЕРАТОР", " V 3 ", "КОММУТАТОР ОСЦИЛЛОГРАФА".

6.2.4 Поставить переключатели в следующее положения:

- переключатель формы сигналов в позицию 3()

- переключатель к вольтметру РV3 в положение 1 В

- переключатель "синхронизация" в положение "внутренняя" (ЭК)

- переключатель "усиление" осциллографа в положение 1:1 (к. 2)

6.3 Исследовать делитель напряжения (R_м).

Определить коэффициент передачи делителя различными способами: измерением действующих значений напряжений на входе и выходе делителя, измерением размаха изображения этих напряжений на экране осциллографа.

Рисунок 2.2− Схема для исследования Г - образного делителя напряжения

6.3.1 На магазине R_м установить сопротивление 640 Ом.

6.3.2 Установить ручкой "выходное напряжение генератора" напряжение на входе схемы 1 В (вольтметр РV3).

6.3.3 Ручками "усиление" и "развертка" (вход " х " осциллографа) установить на экране 1-2 периода синусоиды.

6.3.4 Ручками "усиление" и ↨ (смещение по вертикали) установить размах сигнала 8 клеток.

6.3.5 Полученные данные о входном напряжении занести в таблицу 2.1.

Таблица 2.1− Данные о входном напряжении Г- образного делителя напряжения

Входное напряжение В	Размах на экране осциллографа (клетки)

6.3.6 Перенести входные выводы вольтметра РV3 и осциллографа на выход делителя в точку Д (рисунок 2.2).

Так как для исследуемого случая

К=

то можно убедится, что размах изображения уменьшится до величины 0,56 В.

6.3.7 Изменяя величину R_м от 40 до 5120 Ом снять показания вольтметра РV3 и размах изображения на экране осциллографа для всех значений R_м. Полученные данные выходного напряжения занести в таблицу 2.2.

6.3.8 Рассчитать коэффициент передачи для всех значений R_м по показаниям вольтметра РV3 и по величине размаха изображения на экране осциллографа.

6.3.9 Убедиться, что оба эти метода дают достаточную точность.

6.4 Исследование делителя с плавной регулировкой (R_к). Получить экспериментальные характеристики делителя при различных сопротивлениях нагрузки (R_н=∞ R_н=0,1 R_к). Отключить тумблер "Коммутатор Осциллографа"

6.4.1 Собрать цепь по схеме рисунок 2.3 для исследования делителя напряжения с плавной регулировкой. В качестве нагрузочного резистора использовать магазин R_м. Пунктир показывает, что вольтметр РV1 уже присоединен в макете.

Таблица 2.2 − Данные о выходном напряжении Г - образного делителя напряжения.

R_м, Ом	РV3, В	Размах изображения на осциллографе (клетки)	К (рассчитан по формуле в домашнем задании)	К (рассчитан через показания РV3)	К (рассчитан через размах изображения на осциллографе)

Рисунок 2.3 − Схема для исследования делителя напряжения с плавной регулировкой

6.4.2 На магазине сопротивлений R_м установить сопротивление 640 Ом, что соответствует приблизительно 0,1 от R_к.

6.4.3 Движок делителя перевести в положение наибольшего сопротивления, т.е. повернуть до отказа по часовой стрелке.

6.4.4 Верхний зажим магазина сопротивлений R_м отключить от схемы (зажим показан стрелкой на рисунок 2.1). Делитель будет работать при этом в режиме холостого хода.

6.4.5 Регулятором выходное напряжение установить на вольтметре РV3 напряжение 1 В. Т.к. точность вольтметров РV1 и РV3 не одинакова, запомнить показание вольтметра РV3 равно 1 В. Поддерживать полученное значение напряжения на вольтметре РV1 во всех дальнейших измерениях.

6.4.6 Дотронуться свободным проводником магазина сопротивлений R_м до входного гнезда делителя (точка Д на рисунок 2.3). Убедиться, что напряжение вольтметра РV3 на выходе делителя осталось 1 В, т.е. независимо от нагрузки при нахождении движка в крайнем верхнем положении, коэффициент передачи всегда равен 1. Занести полученные данные в таблицу 3.

6.4.7 Снова отключить верхний зажим R_м (сопротивление нагрузки R_н=∞).

6.4.8 Ручкой делителя установить напряжение на выходе (показание вольтметра РV3 0,9 В). Т. к. в режиме холостого хода К= R₁/ R_к и К=U_вых/U_вх=0,9/1=0,9, то данное положение соответствует отношению R₁/ R_к=0,9.

6.4.9 Прикоснуться свободным выводом магазина сопротивлений R_м к выходному гнезду делителя (точка Д на рисунок 2.3), т. е. подключить нагрузку. Т. к. при этом выходной ток возрастает, то падение напряжения на участке (R_к- R₁) увеличится, а на выходе уменьшится. Занести полученное выходное напряжение в таблицу 2.3.

Пункт 6.4.9 проделать для значений U₃=0,8; 0,7; 0,6; 0,5; 0,4; 0,3; 0,2; 0,1 В, т. е. для =0,8; 0,7; 0,6 … и т. д.

Таблица 2.3 − Данные о выходном напряжении делителя напряжения с плавной регулировкой

	При R_н=∞	При R_н=0,1 R_к=640 Ом
U₃, В	К	U₃, В	К

0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1

6.4.10 Построить графики К=f(R₁/ R_к) при R_н=∞ и при R_н=0,1 R_к в одной сетке координат.

7 СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

7.1 Наименование и цель работы.

7.2 Схема исследований (рисунок 2,3).

7.3 Результаты измерений и вычислений (таблица 2.1,.2.2, 2.3).

7.4 Расчетные формулы.

7.5 Выполненное домашнее задание.

7.6 Графики зависимостей К=f() при R_н=∞ и R_н=0,1 R_к.

7.7 Выводы по работе.

7.8 Ответы на контрольные вопросы.

8 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

8.1 Как в общем случае производится расчет коэффициента передачи четырехполюсника по напряжению?

8.2 Какое значение должно иметь сопротивление R₁ (R_В)чтобы U_вых=U_вх (схема рисунок 1)?

8.3 Какое значение должно иметь сопротивление R₂ (R_М) чтобы U_вых=0 (схема рисунок 1).

8.4 Чему равен коэффициент передачи по напряжению если движок потенциометра находится в "верхнем" положении? Почему? (схема рисунок 2.3)

8.5 Чему равен коэффициент передачи по напряжению если движок потенциометра находится в "нижнем" положении? Почему? (схема рисунок 2.3)

8.6 Нарисуйте зависимость коэффициента передачи потенциометра от положения движка при R_Н=∞.

8.7 Почему при подключении нагрузки эта характеристика становится нелинейной?

8.8 Как влияет величина R_Н на степень нелинейности характеристики?

8.9 В каких пределах изменяется коэффициент передачи по напряжению делителей напряжения?

9 МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

9.1 Четырехполюсником (ЧП) называется участок цепи, имеющий две пары внешних зажимов (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4− Обозначение четырехполюсника

Входным сопротивлением ЧП называется сопротивление между входными зажимами при режиме холостого хода (ХХ).

Выходным сопротивлением называется сопротивление между выходными зажимами в режиме холостого хода.

Коэффициент передачи по напряжению (К) - это отношение выходного напряжения ЧП к входному напряжению:

(1)

Для расчета коэффициента передачи по напряжению в любой цепи надо:

1 Задаться произвольным напряжением на входе .

2 Любым методом рассчитать напряжение на выходе .

3 Взять отношение / , при этом сократится.

Рисунок 5 − Схема Г-образного делителя напряжения

Для Г-образного четырехполюсника рисунок 4 I =

= I R₂ =

К =

(2)

Вывод: в схеме Г -образного вида коэффициент передачи есть отношение выходного сопротивления ко входному (2).

Делителем напряжения называется четырехполюсник, у которого коэффициент передачи К‹ 1.

Делитель напряжения изображен на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 −Схема делителя напряжения с плавной регулировкой

На рисунок 6 изображен делитель напряжения с плавной регулировкой. В верхнем положении движка К=1, а затем уменьшается до 0 (нижнее положение движка). Если нет нагрузки режим ХХ, то угол поворота R₁/R₂ и коэффициент передачи находятся в линейной зависимости.

Рисунок 2.6 − Графики зависимости коэффициента передачи делителя напряжения с плавной регулировкой от угла поворота движка.

При подключении нагрузки падения напряжения на участке (R₁- R₂) увеличивается, т.к. растет общий ток. Поэтому при том же отношении R₁/R выходное напряжение будет уменьшаться. Зависимость коэффициента передачи К=f(R₁/R) от угла поворота движка будет нелинейна.

Лабораторная работа №4

ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИВНЫХ ЦЕПЕЙ

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.1 Изучить передаточные свойства цепей с активным элементом.

1.2 Изучить входные свойства активных цепей.

2ЛИТЕРАТУРА

2.1 Добротворский И.Н. Теория электрических цепей. – М.: Высшая школа, – 1989.

2.2 Методическое руководство к работе.

3 ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

3.1 Изучить по [2.1] передаточные и входные свойства активных цепей с операционным усилителем.

3.2 Изучить по [2.1] свойства операционных усилителей.

3.3 Подготовить бланк отчета с предварительным расчетом (см. п. 3.4).

3.4 Выполнить предварительный расчет: рассчитать входное сопротивление и коэффициент передачи цепи, изображенный на рисунке 4.1, если R₁=1 кОм, R₂=2 кОм.

3.4 Ответить на вопросы самопроверки.

4 ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

4.1 Какие элементы называются активными?

4.2 Приведите пример активных элементов.

4.3 Какие элементы называют пассивными?

4.4 Приведите пример пассивных элементов.

4.5 Приведите условно графическое изображение операционного усилителя.

4.6. Какой вход операционного усилителя является инвертируемым? неинвертируемым?

4.7 В каких пределах находится коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи?

4.8 Дайте определение обратной связи?

4.9 Поясните разницу между отрицательной и положительной обратными связями.

4.10 Почему операционный усилитель обычно работает с глубокой отрицательной обратной связью?

5 ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

5.1 Лабораторный стенд ЛКЦТ.

5.2Соединительные провода - 3 шт.

6 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

6.1 Проверка подготовки студентов к лабораторной работе по вопросам самопроверки.

6.2 Подготовка лабораторной установки к работе, получение инструктажа по технике безопасности.

6.2.1 Ознакомление с элементами, из которых собирают исследуемую цепь, (рисунок 4.1): блок активных цепей смонтирован в нижней левой части стенда и исследуемый операционный усилитель (ОУ) находится в нижней левой части этого блока, тумблер режима работы ОУ имеет два положения "СОС" (с обратной связью) и "Без ОС" (без обратной связи), сопротивление обратной связи R₂ включено внутри ОУ, в качестве R₁ используют магазин сопротивлений R_м.

6.2.2 Собрать электрическую цепь по схеме на рисунок 4.1. Соединения, показанные на схеме штриховой линией можно не выполнять, они сделаны внутри стенда. Пригласить преподавателя проверить собранную цепь.

Рисунок 4.1 – Электрическая схема исследования операционного усилителя

6.2.3 Включить тумблеры "СЕТЬ", "ГЕНЕРАТОР", "КОММУТАТОР ОСЦИЛОГРАФА", "ПЛАТА ЭЛЕМЕНТОВ".

6.2.4 Проставить переключатели в следующие позиции:

- переключатель формы сигналов в позицию 3 ();

- оба регулятора "ПОДСТРОЙКА" повернуть против часовой стрелки.

- тумблер режима работы ОУ перевести в позицию "СОС".

- на Г3 установить регулятор выходного напряжения в положение, при котором вольтметр U₁=U_вх показывает 2 Впо верхней шкале.

На электронном коммутаторе осциллографа (ЭК) регулятором "УСИЛ." второго канала получить на экране синусоиду размахом в одну клетку.

6.3 Исследование коэффициента передачи ОУ.

6.3.1 Уменьшать сопротивление на магазине R_м. При этом коэффициент передачи ОУ К = будет возрастать и размах выходного напряжения будет увеличиваться. Однако, выходное напряжение в ОУ не может превышать напряжения источника питания. Поэтому, по мере увеличения коэффициента передачи, выходное напряжение начинает все более ограничиваться и, следовательно, искажается.

Занести в таблицу 1 размах выходного напряжения и его форму.

Измерить осциллографом размах напряжения на входе цепи (между точками АВ) и занести в таблицу 1. (перенести провод с выхода ОУ на его вход)

Таблица 1 – Таблица данных исследования операционного усилителя

При U₁=2 В размах U_вх= клетки При U₁=1 В размах U_вх= клетки
R_м = R₁, Ом
U₁=2 В	U_вых	клетки
форма
К
U₁=1 В	U_вых	клетки
форма
К

Рассчитать коэффициент передачи цепи и занести в таблицу 4.1

6.3.2 Проделать измерения, аналогичные выполненным в пункте 6.3 при входном напряжении U₁=1 В. Зарисовать форму выходного напряжения при U₁= 1 В, R_м =160, 5120 Ом.

6.3.3 Тумблер работы ОУ перевести в положение "Без ОC". Убедиться, что в этом случае происходит весьма большое ограничение при любом сопротивлении R_м. Зарисовать форму выходного напряжения при U₁= 1 В, R_м =160, 5120 Ом.

6.4 Измерение входного сопротивления в положении "Без ОС".

6.4.1 Измерить входное сопротивление активной цепи без обратной связи. Для этого необходимо осциллографом измерить напряжение между точками АВ и ДВ.

Убедится, что напряжение между точками ДВ при любом сопротивлении R₁ практически равно нулю.

В этом случае, U_вхR_АД=R_АД=R₁

что подтверждает теоретические положения.

Подключить входной зажим осциллографа к точке 2 и переключить несколько раз тумблер обратной связи. Убедится, что при наличии обратной связи R_вх=R₁, а без обратной связивходное сопротивление весьма велико.

Тумблер режима работы ОУ поставить в положение "СОС".

6.5 Исследование фазы выходного напряжения.

6.5.1 Установить входное напряжение U₁=2 В.

Магазин R_м переключить на сопротивление, при котором коэффициент передачи активной цепи близок к единице, т.е. напряжение на выходе U₂ близко к входному U₁, переключатель "КАНАЛЫ" на ЭК перевести в среднее положение, при этом будут включены оба канала. Тумблер "ВХ. 1 КАНАЛА" установить в положение, "ВНУТР". При этом на экране окажутся два изображения: на первом канале - входное, а на втором - выходное. Регуляторы "УСИЛ." в обоих каналах установить в такие положения, при которых каждое изображение занимает по две клетки. Регулятором "РАСХОЖДЕНИЕ" передвинуть изображение так, чтобы они не накладывались друг на друга.

Переключатель на блоке Г2 перевести в положение (), повернуть регулятором "ПОДСТРОЙКА 2" по часовой стрелке. При этом сигнал из треугольного будет превращаться в пилообразный. Изображение на втором канале (на выходе ОУ) перевернутым по сравнению с входным. Это происходит потому, что входной сигнал подается на инвертируемый (называют также отрицательный вход ОУ).

Зарисовать изображения при включенной и выключенной цепи обратной связи. Регулятор "УСИЛ." 2 канала осциллографа (ЭК) поставить в положение, при котором изображение напряжения на экране осциллографа при режиме "Без ОС" не выходит за границу экрана.

6.5.1 Аналогичным образом установить переключатель на блоке Г2 в последующие позиции:

Повернуть регуляторы "ПОДСТРОЙКА", около которых загораются световые индикаторы, наблюдать изображение на входе и выходе активной цепи при включенной и выключенной обратной связи. Сделать выводы.

По окончании каждого измерения оба регулятора "ПОДСТРОЙКА" повернуть до отказа против часовой стрелки, тумблер режима работы ОУ установить в положение "СОС".

7 СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

7.1 Наименование и цель работы.

7.2 Схема исследования (рисунок 4.1).

7.3 Заполненная таблица 4.1.

7.4 Расчет сопротивления обратной связи R₂.

7.5 Зарисованные изображения формы выходного напряжения при U₁ =1 В, R_M =160,5120 Ом в режимах с "СОС" и "Без ОС"

7.2 Зарисованные изображения входного и выходного сигнала, согласно пункта 6.5.

7.3 Сделать выводы по работе:

- о передаточных свойствах ОУ в различных режимах работы;

- о величине входного сопротивления ОУ;

- о свойствах работы ОУ, замеченных в процессе эксперимента.

7.4 Ответить на контрольные вопросы.

8 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

8.1Приведите схему операционного усилителя с отрицательной обратной связью.

8.2Чему равны коэффициент передачи по напряжению и входное сопротивление схемы предыдущего вопроса?

8.3 Какое максимальное напряжение может быть на выходе операционного усилителя?

8.4 Приведите эквивалентные схемы замещения операционного усилителя с обратной связью и без нее.

8.5 Поясните когда на выходе операционного усилителя будет сигнал прямоугольной формы.

8.6 Что такое отрицательное сопротивление?

8.7 Можно ли получить такое сопротивление с помощью операционного усилителя?

8.8 какие еще преобразующие свойства операционного усилителя применяются в технике?

8.9 Поясните когда на выходе операционного усилителя появляются искажения?

9 КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Все цепи делятся на пассивные и активные.

Пассивными называются цепи, несодержащие усилительных элементов, а активными - содержащие (например, транзисторы). Операционный усилитель (ОУ) содержит несколько транзисторов, соединенных определенным образом и выполняется в микроэлектронном виде.

Рисунок 4.2 – Электрическая схема включения операционного усилителя

ОУ - усилитель обладает разнообразными возможностями. Он имеет очень большой коэффициентом усиления μ (теоретически бесконечно большим), имеет очень большое входное сопротивление, очень малое выходное сопротивление.

Для улучшения ряда характеристик в цепи с ОУ вводится обратная связь. В схеме с ОУ обратная связь осуществляется через сопротивление R₂ (рисунок 4.1). При этом часть выходного напряжения подается снова на вход ОУ.

Коэффициент передачи К = (1)

в цепи ОУ с обратной связью определяется как К= (2)

Таким образом, коэффициент передачи зависит от сопротивления обратной связи R₂.

Входное сопротивление ОУ с обратной с