Методическое пособие 292

ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет"

Кафедра радиотехники

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным работам №5-9 по дисциплине "Основы теории цепей"

для студентов специальности 210601.65 "Радиоэлектронные системы и комплексы", специализации "Радиоэлектронные системы передачи информации" очной формы обучения

Составитель д-р техн. наук А.В. Останков

УДК 621.372.01

Методические указания к лабораторным работам №5-9 по дисциплине "Основы теории цепей" для студентов специальности 210601.65 "Радиоэлектронные системы и комплексы", специализации "Радиоэлектронные системы передачи информации" очной формы обучения / ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет"; сост. А.В. Останков.Воронеж, 2013. 39 с.

Изложено описание пяти работ,входящихвлабораторный практикум по дисциплине "Основы теории цепей", в разделы "Резонансные явления в электрических цепях" и "Переходные процессы в линейных цепях". Лабораторные работы ориентированы на выполнение в программном комплексе Electronics Workbench методом имитационного моделирования.

Методические указания разработаны в соответствии с требованиями ФГОС ВПО по специальности 210601 "Радиоэлектронные системы и комплексы" (квалификация "специалист"), учебным планом подготовки специалистов и рабочей программы дисциплины "Основы теории цепей". Предназначены для студентов второго курса очной формы обучения.

Методические указания подготовлены в электронном видевформате pdf исодержатсявфайле"ЛабРабОТЦ-РП5-9.pdf".

Табл. 19. Ил. 12. Библиогр.: 4 назв. Рецензент канд. техн. наук, доц. Е.Д. Алперин

Ответственный за выпуск зав. кафедрой канд. техн. наук, доц. Б.В. Матвеев

Издаётся по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

© ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет",2013

2

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ

Методические указания содержат описание первых пяти работ лабораторного практикума по дисциплине "Основы теории цепей", выполняемых в IV-м семестре студентами специальности 210601 "Радиоэлектронные системы и комплексы" специализации 210601.65 "Радиоэлектронные системы передачи информации" очной формы обучения. Описание каждой работы включает исходные данные, задание, методику проведения экспериментальных исследований, контрольные вопросы к защите работы. Приведён список рекомендуемой литературы.

Выполнение лабораторных работ осуществляется фронтально (по вариантам) посредством имитационного моделирования цепей в схемотехническом симуляторе Electronics Workbench. Используются заранее подготовленные преподавателем схемные файлы. По окончании выполнения каждой лабораторной работы студент должен оформить по результатам исследований индивидуальный отчёт и защитить работу.

Индивидуальный отчёт по лабораторной работе оформляется на отдельных скреплённых между собой листах бумаги формата А4 с указанием Ф.И.О. и группы студента, названия лабораторной работы и её цели. Далее следуют разделы лабораторного задания, в каждом из которых отражаются: краткое содержание задания, электрические схемы исследуемых цепей, результаты выполнения экспериментальных исследований и сопутствующих расчётов (таблицы и графики), выводы. В конце отчёта формулируется заключение, содержащее наиболее важные общие выводы по работе.

Защита лабораторной работы предполагает объяснение полученных результатов, ответы на теоретические вопросы и решение типовых микрозадач, связанных с тематикой проведённых исследований. Возможна защита работы по результатам компьютерного тестирования с помощью специально разработанных на кафедре электронных тестов. Зачёт по проделанной работе должен быть сдан до начала следующей.

Лабораторная работа №5

ВЫНУЖДЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ В ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОМ КОНТУРЕ

Цель работы–исследовать явление резонанса и частотные характеристики последовательного колебательного контура; выявить влияние сопротивления потерь и нагрузки на избирательность контура.

Задания и указания по их выполнению

1. Подготовительное задание

Изобразить в отчёте схему исследуемой цепи (рис. 1). Загрузить схемный файл "RLC_Series_Circuit.ewb". Срав-

нить его наполнение со схемой на рис. 1. Выяснить назначение подключенных к колебательному контуру приборов.

По номеру варианта (№) рассчитать параметры элементов L и С контура:

таты расчёта f0 (в кГц), Пf (в кГц) и Q занести в табл. 1 и привести в отчёте.

Таблица 1 Расчётные значения параметров колебательного контура

2. Исследование явления резонанса и частотных характеристик контура

Подать в контургармоническоеколебание с частотой,равной расчётному значению резонансной частоты f0, и амплитудой 1 В. Для этого установить параметр "Frequency" генератора

"Function Generator" равным f0, "Amplitude" =1 V, тип колеба-

ния – гармонический.

Активировать команду "AC Frequency..." меню "Analysis".

Установить в диалоговом окне команды минимальное и мак-

симальное значения частоты "Start frequency" (f0 –3Пf ), "End frequency" (fP +3Пf ); масштаб по оси частот ("Sweep type") – линейный (Linear); "Number ofpoint" 5000; масштаб по вертикали ("Vertical scale") линейный; "Nodes for analysis"=3 (на-

пряжение снимается с ёмкости). Нажать кнопку "Simulate". Используя визиры, снять частотные характеристики▼ кон-

тура и зарисовать их в отчёте. В случае подготовки отчёта в электронной форме допускается простое копирование рабочего окна с полученными характеристиками (например, кнопкой

"Copy" окна "Analysis Graphs" или клавишей "Prt Scr").

▼ Нижняя кривая в окне результатов выполнения команды "AC Frequency..." соответствует ФЧХ цепи, верхняя – зависимости амплитуды выходного напряжения от частоты; однако поскольку амплитуда входного напряжения равна 1 В, то верхняя зависимость совпадает сАЧХ цепи.

3

Используя визир, определить по частотным характеристикам экспериментальное значение резонансной частоты контура f0'. Занести полученное значение f0' в отчёт и сравнить с расчётной частотой f0.

Используя визир, измерить значение АЧХ на резонансной частоте. Поскольку измеренное значение при единичной амплитуде напряжения источника совпадает с добротностью контура, занести полученное экспериментальное значение добротности Q' в отчёт и сравнить с расчётной добротностью Q.

Используя визиры, измерить полосу пропускания контура по уровню 0.707 от максимального значения АЧХ. Занести полученное значение Пf' в отчёт. Сравнить экспериментальное Пf'

ирасчётное Пf значения полосы пропускания контура.

Вотчёте рекомендуется привести таблицу, аналогичную

табл. 2.

Таблица 2 Сравнение расчётных и измеренных значений

параметров колебательного контура

3. Исследование влияния сопротивления потерь на характеристики контура

Увеличить величину сопротивления R до 15-30 Ом. Снять АЧХ контура и зарисовать её в отчёте в одной сис-

теме координат с АЧХ, полученной для исходного значения R. По измеренной АЧХ определить добротность и полосу пропускания контура. Результаты сравнить с предыдущими.

Сделать вывод о влиянии сопротивления потерь на характеристики контура.

4

4. Исследование влияния шунтирующего сопротивления на характеристики контура

Установить исходную величину сопротивления потерь контура R=10Ом.

Ключ "Т" (посредством нажатия клавиши с буквой "Т") замкнуть и, тем самым, подключить параллельно ёмкости контура шунтирующее сопротивление RS =2 кОм, имитирующее сопротивление нагрузки.

Снять АЧХ контура и зарисовать её в отчёте в одной системе координат с АЧХ, полученной при отсутствии шунта. По измеренной АЧХ определить: 1) резонансную частоту (она будет несколько отличаться от исходной!); 2) добротность и полосу пропускания контура. Результаты сравнить с данными, полученными в п. 2 (при отсутствии шунта).

Сделать вывод о влиянии шунтирующего сопротивления на характеристики контура.

Контрольные вопросы к защите работы

1.В каком случае колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности и конденсатора, является последовательным? Чем определяется частота и амплитуда вынужденных колебаний в последовательном контуре?

2.Что такое резонанс? Какой тип резонанса (напряжений? тока?) имеет место в последовательном контуре? Каковы условия и последствия резонанса в последовательном контуре?

3.Каков характер и величина сопротивления последовательного контура при резонансе? Нарисуйте схему замещения контура на резонансной частоте. Укажите, как определяется резонансная частота контура.

4.Для последовательного контура изобразите частотные зависимости тока, напряжения на ёмкости и индуктивности, полного сопротивления контура, сдвига фаз между напряжением и током. Объясните их поведение.

5

5.Что такоедобротность колебательного контура? Какона связана с характеристическим сопротивлением контура, его ёмкостью и индуктивностью, сопротивлением потерь? Каковы значения добротности реальных контуров в радиотехнике?

6.Что такое полоса пропускания контура? Как она зависит от добротности? параметров R,L,C контура?

7.Изложите существо возможных экспериментальных способов определения добротности последовательного колебательного контура?

8.В чём заключается влияние на характеристики контура внутреннего сопротивления источника? Имеет ли смысл запитывать последовательный контур от источника с большим внутренним сопротивлением? Если нет, то почему?

9.Как влияет на вид частотных характеристик последовательного контура,например,зависимостиотчастотыкоэффициента передачи по напряжению, величина сопротивления шунта (нагрузки), подключенного к ёмкости?

10.Предложите и обоснуйте практические способы снижения влияния шунта (нагрузки) на характеристики последовательного контура.

11.Решите задачу. Полоса пропускания последовательного контура составляет 10 кГц, характеристическое сопротивле-

ние 2 кОм. Какой величины сопротивление нагрузки необходимо выбрать, чтобы получить полосу пропускания 15 кГц при резонансной частоте 100 кГц?

12.Решите задачу. Какова ёмкость контура (в пФ), если будучи настроенным на частоту 300 МГц, он имеет характеристическое сопротивление 530 Ом?

13.Решите задачу. Определить амплитуду ЭДС источника, запитывающего последовательный контур с характеристическим сопротивлением 100 Ом, сопротивлением потерь 1 Ом. Амплитуда напряжения на емкости при резонансе равна 5 В.

Литература: [1, с.172-183]; [2, с.122-131]; [3, с.175-197].

6

Лабораторная работа №6

ВЫНУЖДЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ В ПАРАЛЛЕЛЬНОМ КОНТУРЕ

Цель работы – исследовать частотные характеристики параллельного колебательного контура; выявить влияние коэффициентавключения на характеристики контура.

Задания и указания по их выполнению

1. Подготовительное задание

Изобразить в отчёте схему исследуемой цепи: для чётного номера варианта рис. 2,а, для нечётного рис. 2,б.

Загрузить схемный файл "RLC_Parallel_Circuit_2.ewb" для чётного номера варианта и "RLC_Parallel_Circuit_3.ewb" для нечётного. Сравнить его наполнение со схемой на рис. 2. Уяснить для себя назначение подключенных к контуру приборов.

По номеру варианта (№) рассчитать параметры элементов L и С (L=L1 +L2 для чётного номера, C=C1·C2/(C1 +C2) для нечётного) по формулам, приведённым в работе №5:

Рис.2. Схема цепи

7

Полагая, что коэффициент включения параллельного контура точкой 2 к источнику колебаний составляет p (см. конкретное значение в табл. 3) рассчитать в случае чётного номера варианта величину индуктивностей L1 и L2:

L1 = p L, L2 = (1 p) L (округлить до единиц мкГн),

в случае нечётного варианта величину ёмкостей С1 и С2:

С1 = С/p, C2 = С/(1 p) (округлить до сотых долей нФ).

Установить расчётные значения элементов L1, L2 и С (для чётного варианта) или С1, С2 и L (для нечётного варианта), величину активных сопротивлений – R=5 Ом – оставить без изменения. Указать на схеме параметры элементов.

Таблица 3 Значения коэффициента включения контура

Рассчитать резонансную частоту контура f0, определяющую центральную частоту его АЧХ, полосу пропускания Пf и резонансное сопротивление Rк (при подключении источника к точке 1 и 2) по формулам,представленнымвтабл.4.

Таблица 4 Расчётные значения параметров колебательного контура