Методические возможности стенда Особенности работы на стендах уилс-1 Ознакомительное занятие (лабораторная работа №1)

Вид материала

Содержание

10. Лабораторная работа № 10
Задачи работы
11. Лабораторная работа № 11

Подобный материал:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Примечание. Прямоугольная форма сигнала в таблице обозначена _|¯|_, треугольная – /\/.

Заданная форма сигнала устанавливается переключателем на лицевой панели блока переменного напряжения. Приближенное значение частоты выставляется переключателем «I - 8 kHz » и регулятором «Частота». Для установки заданного значения частоты по осциллографу рекомендуется предварительно определить период и добиться его значения на экране прибора с точностью не менее 5 %.

При установке требуемой частоты и напряжения следует для получения достоверных масштабов по горизонтали и вертикали вывести соответствующие ручки плавной развертки осциллографа вправо до упора (до щелчка). Измерения следует выполнять, получив предварительно на экране устойчивое изображение одного периода кривой.

2. Зарисовать кривую заданного напряжения на кальку и указать масштабы напряжения m_u и времени m_t. Имея в виду, что в работе исследуется влияние трех элементов на форму кривой тока, предусмотреть в отчете три графика u ( t ), с которыми в последующем будут совмещаться графики токов соответствующих элементов.

3. Установить заданные значения сопротивления, индуктивности и емкости на соответствующих 6локах переменных параметров. В дальнейшем подключать их поочередно к источнику согласно схеме рис. 9.1.

Рис. 9.1. Схема исследования

4. Подключить осциллограф и блок переменного сопротивления к схеме, как показано на рис. 9.1. В качестве дополнительного резистора R0 использовать элемент наборного поля № 01. Получив на экране изображение кривой тока i_R резистора, зарисовать ее на кальку, определив в соответствии с рекомендациями п. 1 масштабы m_IR и m_t, которые следует указать на графике i_R(t). Необходимо учесть, что m_i= m_u₀ / R_0,где m_u₀– масштаб напряжения на добавочном резисторе R0, найденный в соответствии с указаниями п. 1.

5. Выполнить действия, аналогичные указанным в п. 4, при поочередном подключении катушки и конденсатора. Получив осциллограммы i_L (t) и i_C ( t ), нанести их на кальку. Масштабы m_iL и m_iC выбрать такими, чтобы обеспечить удобство последующего анализа кривых.

6. Определить по данным п. 2 значения u ( n ) в конце каждого n –го интервала и занести их в табл. 9.2.

Та6лица 9.2

Результаты обработки экспериментальных данных

Значение функции в интервала разбиения полупериода	Максимальное значение функции
Исследуемая величина	Номер интервала
1	2	3	…
u(n), V
i_R(n), A
i_L(n), A
i_C(n), A

Примечание. Число интервалов полупериода выбрано …

7. Аналогично выполнить определение i(n) по данным пп. 4 и 5 и свести их в табл. 9.2.

8. Выполнить гармонический анализ исследуемых величин, рассчитав амплитуды и начальные фазы 1, 3 и 5–й гармоник. Результаты привести в табл. 9.3. Единицами амплитуд отдельных гармоник являются соответственно вольты для u(t) и амперы для i(t). 9. По данным табл. 9.3 записать выражения для мгновенных значений исследуемых величин и начертить по ним соответствующие графики, показав на них как каждую из гармонических составляющих, так и результирующую функцию.

10. По (9.4) и (9.5) рассчитать значения коэффициентов, характеризующих форму кривых анализируемых величин. Результаты привести в табл. 9.4.

11. Сделать выводы по работе в целом, обратив внимание на влияние вида элементов на качественные и количественные характеристики токов и рациональный выбор числа гармоник, используемых для анализа при различной степени несинусоидальности функций.

Таблица 9.3

Результаты гармонического анализа

Исследуемая величина	k=1	k=3	k=5
A_m1	φ_al, …º	A_m3	φ_a3, …º	A_m5	φ_a5, …º
u(t)
i_R(t)
i_L(t)
i_C(t)

Таблица 9.4

Коэффициенты, характеризующие форму кривой

Исследуемая величина	Отношение амплитуд	k_a	k_u
A_m3 / A_m1	A_m5 / A_m1
u(t)
i_R(t)
i_L(t)
i_C(t)

Литература для подготовки

[П, с. 165–168, 176; 12, с. 225–230; 13, с. 179–181; 14, с. 297–300; 15, с. 370–371, 379–380; 16, с. 229–305]

^ 10. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10

Исследование свойств реактивных фильтров

Цель работы – аналитически и экспериментально исследовать влияние параметров элементов K–фильтров и нагрузки на частотные характеристики всей цепи передачи сигнала от источника к приемнику. В результате лабораторной работы студенты должны знать причины избирательных свойств ЧП, составленных из разнохарактерных реактивных элементов; типовые схемы реактивных фильтров; понятия, характеризующие

действие фильтра; уметь строить амплитудно–частотные и фазочастотные характеристики (АЧХ и ФЧХ), оценить влияние реальных элементов фильтра и нагрузки; приобрести навыки определения параметров заданного фильтра и анализа свойств по частотным характеристикам.

Задача выделения напряжения и токов заданной полосы частот из широкого спектра сигналов решается с помощью устройств, называемых фильтрами. К электрическим фильтрам предъявляются специфические требования. В одной части частотного диапазона фильтр должен иметь затухание не выше допустимого значения, а в другой – затухание не должно снижаться ниже заданного значения. В соответствии с этим по виду основных частотных характеристик фильтры можно разделить на низко– и высокочастотные, полосовые, заграждающие и т.п.

Среди схем реализации фильтров можно выделить Т– и П–образные, имеющие наибольшее практическое значение (рис. 10.1). Если произведение продольного Z₁ и поперечного Z₂ сопротивлений не зависит от частоты, а дает некоторое постоянное число, то такой фильтр относят к типу К.

a) б)

Рис. 10.1. Обобщенные схемы замещения симметричных четырехполюсников:

а – Т–образная; б – П-образная

В лабораторной работе проводится анализ типовых схем К–фильтров в наиболее простых для исследования режимах работы для того, чтобы сосредоточить внимание на основных положениях теории фильтров, влиянии параметров элементов и нагрузки и на эффекте работы фильтра в цепи с несинусоидальным источником. Самые простые Т– и П–образные симметричные фильтры получаются, если элементы Z₁, и Z₂ (см. рис. 10.1)

представляют собой чисто реактивные двухполюсники противоположного характера.

Для симметричных Т– и П–образных схем фильтров комплексный коэффициент передачи γ в согласованном режиме определяется из выражения [11, 17, 18]

(10.1)

Здесь γ = α + j β; α – коэффициент затухания, N_P; β – коэффициент фазы, rad.

Таким образом, в соответствии с рис. 10.1

(10.2 )

или

В полосе пропускания идеального фильтра α = 0, т. е. напряжения на входе U₁ и на выходе U₂ равны. Коэффициент фазы в полосе задерживания β = ± π [11; 17; 18], причем знак β зависит от назначения фильтра.

Для низкочастотного фильтра (ФНЧ) частота среза

, (10.3)

а для высокочастотного (ФВЧ)

. (10.4)

Здесь и далее L и С – величины, используемые при расчетах фильтров (рис. 10.2). Они называются в дальнейшем расчетными в отличие от фактических параметров элементов, используемых на стенде.

Для удобства исследования и построения частотных характеристик вводят относительную частоту

(10.5)

Основной параметр фильтра коэффициент К в режиме согласованной нагрузки равен соответствующему характеристическому сопротивлению, т.е.

(10.6)

а) б)

в) г)

Рис. 10.2. Схемы реактивных фильтров: а, б – ФНЧ; в, г – ФВЧ

В общем случае характеристическое сопротивление зависит от частоты.

Непрерывную полосу пропускания (α = 0) можно получить только в том случае, если активное сопротивление нагрузки R₂ изменяется с изменением частоты. Поэтому часто выбирают сопротивление R₂, близкое к значению K.

В работе реальные АЧХ сравниваются с теоретическими, полученными в предположении существования нагрузки, согласованной во всем диапазоне частот.

При исследованиях используются блок переменного напряжения и элементы наборного поля № 01, 26, 30–33.

Измерения выполняются ампервольтметрами, частотомером, фазометром и осциллографом.

^ Задачи работы – расчет параметров заданного фильтра: реализация фильтра на стенде и получение его АЧХ и ФЧХ; оценка прохождения сигналов различных форм; расчет АЧХ и ФЧХ фильтра.

Порядок и методика проведения исследования

1. В соответствии с вариантом задания (табл. 10.1) выбрать элемент наборного поля и измерить его фактический параметр. По нему определить расчетный параметр ( L либо С) с учетом коэффициентов 1/2, 1 или 2, указанных в обозначении элементов на схемах рис. 10.2.

По полученному значению, используя выражение (10.3) либо (10.4), найти недостающие расчетные значения параметров остальных элементов фильтра. Заданные (фактические) значения параметров элементов и расчетные (с учетом коэффициентов 1/2, 1, 2), по которым ведутся дальнейшие расчеты, занести в табл. 10.2.

Таблица 10.1

Варианты задания

Вариант	Частота среза f_c, kHz	Тип фильтра	Схема фильтра	Номер элемента наборного поля	E, V
1	1,5	ФНЧ	Т	26	12
2	1,0	ФВЧ	Т	32	14
3	1,8	ФНЧ	Т	26	16
4	1,5	ФВЧ	Т	31	10
5	1,6	ФНЧ	Т	26	12
6	1,5	ФНЧ	П	32	14
7	2,0	ФВЧ	П	26	16
8	1,1	ФНЧ	П	33	10
9	1,5	ФВЧ	П	26	12
0	2,3	ФНЧ	П	31	14

Таблица 10.2

Параметры фильтра

Значения параметров элементов	Частота среза f_c, Hz	K, Ω
L, mH	C, μF	Задание	Экспери-мент	Расчет
Факти-ческие	Расчет-ные	Факти-ческие	Расчет-ные

2. Собрать фильтр в соответствии со схемой, указанной в варианте задания. При этом для согласования значений диапазона потребляемых токов с уставкой тока защиты блока переменного напряжения последовательно с фильтром на входе включить резистор R₁ – элемент наборного поля № 01 (рис. 10.3).

б)

Рис. 10.3. Схемы исследования фильтров: а – П–образная схема; б – Т–образная схема

В качестве элементов фильтра, параметры которых определены в п. 1, использовать блоки переменных индуктивности и емкости, выставив на них значения, равные фактическим параметрам по табл. 10.2.

3. В качестве нагрузки R₂ фильтра выбрать блок переменного сопротивления. Рассчитать K по расчетным значениям L и C и установить R₂ = K.

Подключить блок переменного напряжения и задать значение ЭДС синусоидальной формы в соответствии с табл. 10.1.

4. Изменяя частоту источника вначале переключателем черев 1 kHz, а затем плавно регулятором «Частота» и. контролируя напряжение U₂(см. рис. 10.3), определить частоту среза f_c по резкому изменению значения U₂. Точное значение f_c измерить по частотомеру. Экспериментально найденное значение f_c занести в табл. 10.2. В случае расхождений с заданным значением f_c более 10 % выяснить причину и повторить измерения либо определение и установку параметров элементов фильтра.

5. Изменяя частоту источника в диапазоне (0,5…2,0) f_c и контролируя ее значение при помощи частотомера, измерить ряд напряжений на входе и выходе фильтра и углов сдвига фаз напряжения U₂ относительно U₁. Количество измерений выбрать 10–20, при этом в зоне частот, близких к f_c, шаг изменения частоты должен быть достаточно малым.

При измерении угла сдвига по фазе Δψ следует иметь в виду, что при малых значениях U₂ показания фазометра случайные.

Вычислить для каждой частоты соответствующие значения модуля коэффициента напряжения η = U₂ / U₁, коэффициента затухания

(в неперах) и

(в децибелах).

Коэффициент фазы соответствует углу сдвига фаз напряжений U₂и U₁, т. е. β = Δψ. Найденные значения величин занести в табл. 10.3, по данным которой построить графики зависимостей η ( ν ), α (ν ) и β ( ν ). При этом относительную частоту ν определить по (10.5), используя экспериментальное значение f_c.

Таблица 10.3

Коэффициенты затухания и фазы

№ п/п	f, Hz	ν	U₁, V	U₂, V	η	α, Np	α, dB	β, …º
1 …

6. Для исследования прохождения через фильтр сигналов различной формы подать от источника переменного напряжения сигнал прямоугольной (треугольной) формы. значение ЭДС рекомендуется установить в соответствии с вариантом задания, а значение относительной частоты – ν = 0,7…0,9, что дает возможность оценить фильтрующие свойства для основной и третьей гармоник несинусоидального сигнала. Формы сигналов u₁ ( t ) и u₂ ( t ) зарисовать с экрана осциллографа.

7. По указанию руководителя выполнить гармонический анализ сигналов по осциллограммам п. 6. определить амплитуды напряжений 1–й и 3–й гармоник и по их отношению оценить фильтрующие свойства исследуемой схемы. При анализе руководствоваться рекомендациями вводной части и пп. 6 и 7 лабораторной работы № 9.

8. На экспериментально полученные в п. 5 графики частотных характеристик реального фильтра при R₂ =K нанести графики АЧХ и ФЧХ, рассчитанные для фильтра с идеализированными элементами при работе на согласованную нагрузку.

Результаты расчета занести в табл. 10.4.

Таблица 10.4

Коэффициенты затухания и фазы

№ п/п	ν	f, Hz	α, Np	α, dB	β, …º
1 …	0,5 ….

9. Сделать выводы по работе, обратив внимание на влияние сопротивления нагрузки и реальных элементов, а также на фильтрующие свойства исследуемого четырехполюсника при несинусоидальном напряжении.

Литература для подготовки

[ 11, с. 370–379; 12, с. 446–453; 13, с. 146–153; 14, с. 454–466; 15, с. 385–398; 16, с. 437–443: 17, с. 46–58: 18, с. 5–7, 13–17, 61–66, 112-118]

^ 11. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11

Исследование трехфазной цепи при соединении фаз источника и приемника звездой

Blog

Методические возможности стенда Особенности работы на стендах уилс-1 Ознакомительное занятие (лабораторная работа №1)

Содержание