|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Научный редактор В.В. Крылов
Составитель В.С. Сюваткин УДК 621.3
Основы теории цепей: Метод. указания к выполнению лаб. работ по курсу «Основы теории цепей» для студентов специальности 200900. Ч.1, 2 / НГТУ; Сост.: В.С. Сюваткин. Н.Новгород, 2004. - 19 с.
Методические указания предназначены для выполнения лабораторных работ по исследованию процессов в электрических цепях во временной и частотной областях. Работы проводятся с использованием моделирующей программы Electronics Workbench версии 5.12. Предлагаются задания, краткие рекомендации.
Научный редактор В.В. Крылов
Редактор Э.Б. Абросимова
Подп. в печ. 27.04.04. Формат 60х841/16. Бумага газетная. Печать офсетная. Печ. л.. Уч. изд. л.. Тираж 300 экз. Заказ. Нижегородский государственный технический университет. Типография НГТУ. 603600, Н.Новгород, ул. Минина, 24.
С Нижегородский государственный технический университет, 2004
Предисловие
Выполнение лабораторных работ позволяет приобрести навыки экспериментальных измерений, закрепляет теоретические знания. В процессе выполнения лабораторной работы следует считать важнейшим умение спланировать проведение эксперимента (представлять себе, что именно Вы собираетесь измерять, какими приборами и в какой последовательности) и умение объяснить полученные результаты. Без этого лабораторные занятия могут обернуться пустой формальностью и потерей времени. Для выполнения лабораторной работы студент обязан: 1. Подготовить теоретический материал по данному разделу. 2. Произвести теоретические расчеты в соответствии с заданием 1 по данной работе. 3. Подготовить отчет, зарезервировав в нем место для экспериментальной части. 4. Знать ответы на все контрольные вопросы, приводимые в каждой лабораторной работе. Необходимо понять, что оформление отчета – это тоже часть процесса обучения. Это документ о проделанной работе. Каждому инженеру в процессе работы приходится оформлять «деловые бумаги» по результатам своей работы. Оформление студентом отчета по лабораторной работе и является обучением умению составлять «деловые бумаги». Для грамотного составления отчета необходимо соблюдать некоторые формальные условия. Разумеется, необходим титульный лист, оформленный в соответствии со стандартом (как на курсовую работу). Содержательная часть отчета должна включать в себя: 1. Цель работы. 2. Исходное задание. 3. Схему исследуемой цепи с указанием номиналов элементов. 4. Теоретическую часть (Задание 1). 5. Экспериментальную часть (Задание 2). 6. Выводы. Теперь о сути отчета. Из содержимого отчета и студенту и преподавателю должно быть понятно, что же делалось в теоретической и экспериментальной частях. Для этого необходимо снабжать заголовком с порядковым номером каждый пункт выполняемой работы. Из названия заголовка должно следовать понимание того, что будет делаться в этом пункте. Поэтому в теоретической части заголовки могут иметь названия типа: составление дифференциального уравнения цепи; определение постоянной времени цепи; решение дифференциального уравнения; определение зависимости uвых(t); Расчет значения графика и его построение и т. п. В экспериментальной части названия заголовков будут иметь несколько другую направленность. Они должны выражать суть проводимого эксперимента. Поэтому они могут иметь названия типа: моделирование исследуемой цепи; снятие зависимости К(w); наблюдение осциллограммы uвых(t); исследование переходной (импульсной) характеристики цепи и т. п. После каждого названия пункта в теоретической части должна следовать формула для расчета или вывод формулы. Затем в формулу подставляются численные значения. Графики в теоретической части должны быть построены в масштабе, удобном для объяснения. На все графики в тексте отчета должна быть ссылка, а сами графики должны иметь номер рисунка и название. Если на одном графике изображено несколько кривых, то каждая должна иметь какое-либо пояснение (цветом, формулой, названием и т.п.). В науке теоретические выводы крайне важно подтверждать практическим опытом. Ваши лабораторные работы – это ваши первые шаги по экспериментальному подтверждению теоретических знаний, и попробуйте отнестись к ним как к серьезному исследованию. Для этого нужно достаточно ясно представлять себе постановку эксперимента, ожидаемые результаты, необходимое оборудование и возможные погрешности. Почувствуйте себя именно ЭКСПЕРИМЕНТАТОРОМ. Крайне важно уметь понять и объяснить полученные результаты. Результаты, полученные без понимания, - это впустую потраченное время. Все данные к работам приведены в приложениях к данным методическим указаниям. Лабораторная работа 1 Исследование переходных процессов в цепях первого порядка
Цель работы: исследование процессов установления токов/напряжений в цепях первого порядка при различных видах входного воздействия.
Задание 1
1. Зарисовать схему цепи первого порядка согласно своего варианта. Проставить номиналы элементов. Схемы по вариантам и номиналы элементов даны в приложении 1. 2. Составить для цепи дифференциальное уравнение. Определить постоянную времени цепи tц. 3. Определить из решения уравнения переходную и импульсную характеристики цепи для одного из заданных выходов (выбрать самостоятельно). 4. Построить в удобном масштабе графики ПХ и ИХ цепи по результатам расчетов п.3. Уметь объяснить их исходя из физических процессов. 5. Пользуясь полученным графиком ПХ, построить график реакции цепи на прямоугольный импульс длительностью 3tц.
Задание 2
1. Смоделировать исследуемую цепь, пользуясь программой Electronics Worcbench. 2. Для исследования ПХ и ИХ подключить на вход цепи генератор соответствующего сигнала. Определить необходимые параметры входного сигнала для наблюдения ПХ и ИХ. 3. Наблюдать осциллограммы ПХ, а затем ИХ цепи с обоих выходов цепи. Графические результаты отобразить в отчете с пояснениями наблюдаемых процессов. 4. Наблюдать реакцию цепи на обоих выходах на входное воздействие в виде прямоугольного импульса длительностью 3tц. Дать пояснения графикам.
Контрольные вопросы 1. Что называют переходной и импульсной характеристиками цепи? 2. Какую практическую ценность имеет знание ПХ и ИХ цепи? 3. Как экспериментально измерять ПХ и ИХ цепи? 4. Что такое переходный процесс в электрической цепи? 5. Что такое постоянная времени цепи? 6. Какой физический смысл законов коммутации? 7. Как происходят переходные процессы на входное воздействие вида 1(t) в идеализированных цепях, не имеющих потерь? 8. Продумать, что изменится в графиках ПХ, ИХ, если изменять номинал того или иного элемента цепи?
Лабораторная работа 2 Задание 1
1. Зарисовать схему цепи второго порядка согласно своему варианту. Проставить номиналы элементов. Схемы по вариантам и номиналы элементов даны в прил. 2. 2. Составить для цепи дифференциальное уравнение цепи. Определить постоянную времени цепи tц и добротность резонансного контура Q. Решить уравнение цепи (в случае сложного уравнения воспользоваться программой MathCad). 3. Определить из решения уравнения переходную и импульсную характеристики цепи. 4. Построить в удобном масштабе графики ПХ и ИХ цепи по результатам расчетов п.3. Уметь объяснить их исходя из физических процессов. 5. Пользуясь полученным графиком ПХ построить график реакции цепи на прямоугольный импульс длительностью 3tц.
Задание 2
1. Смоделировать исследуемую цепь, пользуясь программой Electronics Worcbench. 2. Для исследования ПХ и ИХ подключить на вход цепи генератор соответствующего сигнала. Определить необходимые параметры входного сигнала для наблюдения ПХ и ИХ. 3. Наблюдать осциллограммы ПХ, а затем ИХ цепи с обоих выходов цепи. Графические результаты отобразить в отчете с пояснениями наблюдаемых процессов. 4. Наблюдать реакцию цепи на обоих выходах на входное воздействие в виде прямоугольного импульса длительностью 3tц. Дать пояснения графикам.
Контрольные вопросы
1. Чем принципиально отличаются переходные процессы в цепях второго порядка от процессов в цепях первого порядка? 2. Что такое добротность цепи второго порядка и логарифмический декремент затухания? 3. Какие режимы возможны в цепях второго порядка и чем они определяются? 4. Почему в реальных цепях колебания в цепи при импульсном воздействии с течением времени уменьшаются по амплитуде? 5. Запишите выражение для постоянной времени цепи через добротность. Как влияет добротность на длительность переходных процессов? 6. Как влияет величина внутреннего сопротивления источника на длительность переходных процессов в последовательном и параллельном контурах? 7. На что и как повлияет подключение омического сопротивления параллельно какому-нибудь реактивному элементу контура? 8. Как может выглядеть реакция колебательного контура при добротности Q =5 ÷ 10 на воздействие импульса прямоугольной формы, если момент окончания импульса придется на целое или нецелое число периодов затухающих колебаний? 9. Какими физическими процессами вызвано появление колебаний в контуре при воздействии в виде перепада тока или напряжения?
Лабораторная работа 3 Задание 1
1. Для цепи своего варианта рассчитайте комплексные амплитуды токов ветвей и падения напряжения на всех элементах цепи. Примите амплитуду колебаний входного воздействия 10 В, начальную фазу равную нулю, а круговую частоту - 0, 9 от резонансной частоты цепи. Схемы по вариантам и номиналы элементов даны в прил. 2. 2. Проверьте выполнение первого и второго законов Кирхгофа. 3. Постройте качественно векторную диаграмму токов и напряжений в цепи. Задание 2 1. Смоделируйте заданную цепь и продумайте эксперимент по измерению токов и напряжений в цепи с помощью вольтметров, амперметров, осциллографа или Bode Plotter. Важно понимать, как можно измерить напряжение или ток с учетом заземления одного из выводов прибора. При гармоническом воздействии значение суммы токов или напряжений зависит не только от амплитуды колебаний, но и от разности фаз токов или напряжений. Поэтому необходимо тщательно продумать, как вы будете подключать фазометр (роль которого может выполнять Bode Plotter) для измерения фаз токов или напряжений. Обычно удобно измерять разности фаз токов/напряжений относительно входного напряжения цепи, а затем определять элементарным вычислением начальные фазы или разности фаз для всех токов и/или напряжений. 2. С помощью необходимых вам приборов измерьте напряжения и токи (их амплитудные или действующие значения и начальные фазы). 3. Проверьте выполнение законов Кирхгофа для измеренных величин и сравните их с расчетными значениями. 4. Подключив осциллограф, убедитесь, что напряжения на любом участке цепи остаются гармоническими по форме.
Контрольные вопросы
1. При импульсном воздействии в цепях с реактивными элементами форма выходного сигнала меняется по сравнению с входным воздействием. Чем можно объяснить то, что при гармоническом воздействии форма токов и напряжений на любом участке цепи остается гармонической? 2. В чем заключается метод комплексных амплитуд? Каков алгоритм анализа цепей методом комплексных амплитуд? 3. Как переходить от мгновенных значений токов/напряжений к их комплексным амплитудам? 4. Как записать мгновенное значение тока/напряжения, если комплексная амплитуда задана в алгебраическом виде: а) с отрицательной реальной частью? б) с положительной реальной частью? 5. Что такое векторная диаграмма токов и напряжений и что по ней можно определить? 6. Что такое реальное и комплексное сопротивление элементов или участков цепи? Как записываются сопротивления (импедансы) цепи в комплексном виде? 7. Как рассчитывается мощность в цепи гармонического тока? Что такое активная и реактивная мощности? Почему они зависят от разности фаз? 8. Что такое амплитудное, среднее и действующее значения гармонического тока? Лабораторная работа 4 Задание 1
1. Для цепи второго порядка, использованного в лабораторной работе 2, составить уравнение комплексной частотной характеристики относительно заданного входа и выхода. Записать его в показательной форме. Определить АЧХ и ФЧХ цепи. Построить в масштабе их графики. В расчетах использовать не менее 4-5 точек, включая частоты ω =0, ω = ω рез, ω =∞. В случае сложных выражений воспользоваться программой MathCad. Схемы по вариантам и номиналы элементов даны в прил. 2. Задание 2 1. Смоделировать исследуемую цепь. Продумать подключение необходимых приборов для измерения АЧХ и ФЧХ цепи. Обязательно учитывать необходимость подключения общей точки (заземления) источника, схемы и измерительных приборов. 2. Снять АЧХ и ФЧХ цепи в масштабе, удобном для сравнения с теоретически полученными графиками. Обязательно должна быть наблюдаема область частот, в которой происходят существенные изменения кривых на графиках. 3. Дать краткие письменные пояснения о связи полученных частотных характеристик с временными характеристиками этой же цепи, полученными в лабораторной работе 2.
Контрольные вопросы
1. Что называют входными и частотными характеристиками цепи? 2. В чем отличие частотных характеристик цепей первого порядка от аналогичных характеристик цепей второго порядка? 3. Почему в резонансных цепях возможны максимумы или минимумы АЧХ цепи? Зарисуйте примеры схем с максимумами и минимумами АЧХ. 4. Что такое полоса пропускания цепи и как она определяется? 5. Как связана добротность резонансной цепи с полосой пропускания? 6. Какими приборами можно измерять значения АЧХ и ФЧХ? 7. В каких случаях и почему в цепях гармонического тока величину тока целесообразно определять через падение напряжения на измерительном сопротивлении? Какой величины следует выбирать измерительное сопротивление? 8. Что физически показывают графики АЧХ и ФЧХ? 9. В чем удобство определения АЧХ в децибелах? Что означает положительное или отрицательное значение величины в децибелах? 10. Как по двум значениям частоты (ω = 0 и ω = ∞ ) можно качественно построить график АЧХ цепи первого порядка? 11. Как с помощью векторных диаграмм токов и напряжений построенных при разных значениях частоты, можно построить ФЧХ цепи первого порядка?
Лабораторная работа 5 Задание 1
1. Для заданной по варианту цепи определить: резонансную частоту (ω р), логарифмический декремент затухания (ν ), характеристическое сопротивление (ρ ), добротность (Q0) и полосу пропускания (Δ ω ) резонансного контура. 2. Определить необходимое значение внутреннего сопротивления источника, при котором добротность всей цепи (приведенная добротность) будет не менее 2/3 от добротности контура с нагрузкой. Если рассчитанное значение внутреннего сопротивления источника окажется более 100 кОм, то подобрать другой коэффициент подключения источника к контуру. Задание 2 1. С помощью программы Electronics Workbench смоделировать заданную цепь. 2. Снять амплитудно и фазочастотные характеристики цепи относительно выходного напряжения. Построить их графики. 3. Исследовать зависимость полосы пропускания цепи при изменении сопротивления нагрузки на ±50% от заданной величины. Построить график этой зависимости.
Контрольные вопросы 1. Что такое резонанс в последовательном и параллельном контурах? 2. Как определяется добротность в одиночном контуре, в контуре с нагрузкой, в цепи с источником и контуром с нагрузкой? Как связана добротность с логарифмическим затуханием? 3. Что такое «вносимое сопротивление»? Как влияет сопротивление, вносимое нагрузкой на добротность контура? 4. Как с помощью векторных диаграмм можно объяснить поведение фазочастотной характеристики цепи? 5. Что такое контур с частичным подключением и для чего применяют частичное подключение контура? 6. Как определяется резонансное сопротивление параллельного контура 1-го и 2, 3-го рода? 7. Как можно определить активную мощность, потребляемую контуром на резонансной частоте? 8.
Что такое «обобщенная расстройка»?
Рис. 1. Схема цепи для исследования резонанса
Исходные данные по вариантам к работе 5
Лабораторная работа 6 Задание 1
1. Для цепи второго прядка, использованной в лабораторной работе 2 (в первом семестре), рассчитать комплексные значения А-параметров четырехполюсника на частоте 40 кГц. Запишите их в матричном виде. 2. Используя схему и данные любого другого варианта, составьте каскадное соединение из двух четырехполюсников. Пользуясь свойствами умножения матриц, определите матрицу А-параметров каскадного соединения.
Задание 2
1. Смоделируйте заданный четырехполюсник с помощью Electronics Workbenth и определите экспериментально его А-параметры. Сравните с расчетными значениями. 2. Смоделируйте каскадное соединение четырехполюсников согласно п. 2 задания 1 и определите экспериментально его А-параметры.
Контрольные вопросы
1. Что называют основным уравнением четырехполюсника? 2. Какие формы записи основного уравнения четырехполюсника Вы можете назвать? 3. Как определить входное сопротивление четырехполюсника по значениям А-параметров и экспериментально? 4. Что такое характеристические сопротивления четырехполюсника? Как их можно определить? 5. Что такое постоянная передачи четырехполюсника? Что физически означают ее реальная и мнимая части? 6. Что такое вносимое и рабочее затухание? 7. Каким образом можно экспериментально измерить каждый из А-параметров четырехполюсника? 8. Как определяется затухание в Неперах и в децибелах? 9. Благодаря каким свойствам четырехполюсник может использоваться как трансформатор сопротивлений? Для чего такие трансформаторы могут использоваться?
Лабораторная работа 7 Задание 1
1. Определить период Т0 колебаний на частоте параллельного резонанса цепи, использованной (по вариантам) в лабораторной работе 5. 2. В качестве входного сигнала использовать периодическую последовательность прямоугольных импульсов амплитудой 10 вольт и периодом следования Т = 6Т0. Длительность импульсов tи = 0, 6 Т0. 3. Рассчитать спектр входного сигнала (не менее 20 гармоник). 4. Сложить гармоники входного сигнала (с помощью MathCad, Electronics Workbench или иным способом). Убедиться, что восстановленный сложением гармоник сигнал соответствует заданному. При неудовлетворительном соответствии проверить результаты расчетов и, при необходимости увеличить число складываемых гармоник. 5. Рассчитать передаточную характеристику цепи K(jω ) на частотах входных гармоник. 6. Определить спектр выходного сигнала.
Задание 2
1. Смоделировать заданную цепь с подключением генератора входного сигнала в среде Electronics Workbench. 2. Наблюдать форму выходного сигнала и его спектр. Сравнить с результатами расчетов. 3. Сложением гармоник выходного сигнала получить его форму и сравнить с формой выходного сигнала, наблюдаемой на осциллографе. 4. Сделать пояснения к графикам и объяснить полученные результаты.
Контрольные вопросы
1. Что называют спектром сигнала? 2. В чем заключается смысл спектрального метода анализа цепей? 3. Что такое АЧС и ФЧС сигнала? 4. Что такое односторонний и двусторонний спектр? 5. Чем отличаются спектры периодических и непериодических сигналов? 6. Почему на практике спектральный метод оказывается приближенным? 7. На что и как в спектре сигнала влияют изменения параметров сигнала во временной области? 8. Что такое спектральная плотность сигнала? 9. Что такое энергетический спектр и ширина спектра? 10. Какие теоремы о спектрах Вы знаете и каков их физический смысл? 11. Как находить спектр сложного периодического сигнала пользуясь спектральной плотностью одиночного сигнала?
Лабораторная работа 8 Задание 1
Исследуемые схемы и значения параметров приведены по вариантам в таблице Приложения 3. 1. Рассчитать напряжение отраженного сигнала от неоднородности, расположенной на расстоянии l1 от начала линии, при воздействии входного напряжения вида E0 ·1(t). 2. Рассчитать сигнал, прошедший в нагрузку. 3. По результатам расчета построить график рефлектограммы на входе длинной линии и график напряжения на нагрузке. 4. Определить входное сопротивление линии на частоте 2, 4 ГГц.
Задание 2
1. Собрать заданную схему в среде Electronics Workbench. 2. Зарисовать наблюдаемую на осциллографе рефлектограмму при заданном входном воздействии. 3. Зарисовать осциллограмму напряжения в конце длинной линии и дать пояснения. 4. Выполнить п. 2 и 3, заменив реактивность неоднородности на дуальную (индуктивность на емкость и наоборот). Численные значения реактивности оставить прежними, заменив лишь нГн на пФ и наоборот. Уметь пояснить наблюдаемые осциллограммы.
Приложения Приложение 1
Схемы и таблица исходных данных к лабораторной работе 1
В начале отчета приведите номер своей зачетки. Последняя цифра номера определяет номер схемы, а предпоследняя цифра определяет номер варианта.В схемах 1 и 5 используется источник тока (или источник напряжения с внутренним сопротивлением ≥ 100 кОм. В этом случае внутреннее сопротивление Ri источника считать принадлежащим схеме, т.е. вход схемы начинается до Ri ). Во всех остальных вариантах входное воздействие подается от источника напряжения.
Входные клеммы показаны на рисунке слева, а выходные справа. Предлагается направление входных и выходных напряжений выбирать самостоятельно с обязательным указанием их на схеме. Разумеется, и графики должны быть построены с учетом выбранных направлений напряжений.
Приложение 2 Схемы и таблица исходных данных к лабораторным работам 2, 3, 4
В начале отчета приведите номер своей зачетки. Последняя цифра номера определяет номер схемы, а предпоследняя цифра определяет номер варианта.В схемах 5 и 6 используется источник тока. Во всех остальных вариантах входное воздействие подается от источника напряжения.
Приложение 3
Схемы и таблица исходных данных к лабораторной работе 8
Варианты схем для лабораторной работы 8
    
Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-08-31; Просмотров: 653; Нарушение авторского права страницы
