Лекції - Лекції (1 семестр) - LAB2
Лабораторна робота №2
Вплив гармонійних сигналів
на лінійні ланцюги
Мета роботи: Дослідження властивостей лінійних ланцюгів при гармонійному впливі.
Тривалість роботи:4 години
Прилади, що використовуються в роботі:Для отримання характеристик ланцюгів при гармонійному впливі в Electronic Workbench можна використовувати чотири типи приладів: вольтметр, амперметр, осцилограф і Боде-плоттер.
Опис приладів, що використовуються в роботі
Робота з амперметром і вольтметром не викликає труднощів і особливих пояснень не вимагає. Ці прилади вимірюють діючі значення струму чи напруги, якщо ви забули переключити в режим змінного струму (AC - alternative current), вибравши меню поля Circuit - Value.
1. Робота з осцилографом.
Осцилограф, імітований програмою Workbench, є аналогом двопроменевого запам'ятовуючого осцилографа.
На схему виводиться зменшене зображення осцилографа (рис.1,а), на якому є чотири вхідні затискачі. Верхній правий затискач – корпус (ground). Нижній призначений для зовнішнього запуску та його призначення буде розглянуто нижче. Лівий і правий нижні затискачі є два входи: вхід каналу А (channel A) і вхід каналу В (channel B).
Після подвійного клацання мишею цьому маленькому зображенні на дисплеї розгортається зображення передній панелі осцилографа з кнопками управління, інформаційними полями і екраном (рис.1,б). На передній панелі є ті ж чотири затискачі, що і на згорнутому зображенні.
Панель управління розділена на чотири частини:
1. Управління масштабом часу.
2. Управління запуском.
3. Управління каналом А.
4. Управління каналом.
На панелі масштабу часу у верхньому інформаційному полі заданий тимчасовий масштаб c/справ, мс/справ або мкс/справ (s/div,
ms/div, mks/div). Масштаб може дискретно зменшуватися на один крок при натисканні мишею на кнопці праворуч від поля і або збільшуватися при натисканні на кнопці . Під цим полем розташоване поле, що дозволяє зрушувати початок осцилограми вздовж осі X (X POZ) при натисканні мишею на відповідних кнопках праворуч від поля. Три нижні поля є одночасно інформаційними та керуючими. Вони визначають, які величини відкладаються на осях. Перше поле - Y/T дозволяє отримувати осцилограми, при клацанні на другому полі - В/А по осі Y відкладатиметься сигнал входу, а по осі X - сигнал входу А. У цьому випадку осцилограф виступає в ролі характеріографа, дозволяючи отримувати вольтамперні характеристики , Коефіцієнти передачі, опору, провідності і т.п.
Дві нижні частини панелі є панелями управління сигналами, поданими на входи А і В відповідно.
Верхнє поле дозволяє керувати масштабом сигналу, змінюючи його діапазон дискретно від 50 В/діл до 10 мкВ/діл. Поле, розташоване під ним, дозволяє зрушувати вісь Y вгору або вниз на дискретний крок.
Три нижні кнопки реалізують різні режими роботи осцилографа на вході:
1. Кнопка АС дозволяє працювати в режимі "закритого входу", коли сигнал подається ніби через внутрішній конденсатор, що не пропускає постійну складову сигналу.
2. При натисканні кнопки DC осцилограф переходить у режим “відкритого входу” і постійна складова не виключається.
3. При натисканні на кнопці “0” вхід з'єднується з корпусом, що дозволяє визначити положення нульової позначки по осі Y.
Верхня права панель управління "Запуск" (trigger) визначає положенняпочатку осцилограми. Верхні поля "Зріз" (Edge) визначають запуск по фронту або по зрізу імпульсу. Під ними розташоване поле "Рівень" (Level), що дозволяє дискретно зрушувати рівень запуску на фронті або на зрізі імпульсу.
Є чотири режими запуску.
1. Автоматичний режим (AUTO) - запуск здійснюється на початку перехідного процесу і коли "промінь" доходить до кінця екрана, осцилограма знову прописується з початку екрана (новий екран).
2. Режими "A" і "B", при яких сигналом, що запускає, є сигнал, що надходить на відповідний вхід.
3. Режим "Зовнішній запуск" (EXT - external). У цьому випадку сигналом запуску є третій сигнал, який подається на вхід запуску.
Осцилограф дає вичерпну інформацію про процеси за будь-яких видів впливу. При гармонійному вплив найбільш наочно процеси зображуються за допомогою векторних діаграм.
Розглянемо, як можна збудувати за даними. отримані за допомогою осцилографа векторні топографічні діаграми в найпростішій схемі RL-контуру при гармонійному впливі (рис 2).
Для побудови експериментальної векторної діаграми необхідна інформація про чотири величини:
1. Про максимальне значення UR
2. Про початкову фазу напруги UR.
3. Про максимальне значення UL.
4. Про початкову фазу напруги UL.
Для вимірювання перших двох величин необхідно включити осцилограф згідно з рис.2,а. Тоді на каналі А ми отримаємо вхідний сигнал, а на каналі - напруга на резисторі UR, яке при зміні масштабу характеризує струм в ланцюзі.
Нехай вхідний сигнал має значення 10 В при частоті 50 Гц. Встановимо запуск фронтом імпульсу від сигналу на вході А ( тобто від гармонійного вхідного сигналу) нарівні 0. Амплітуда вхідного сигналу в цьому випадку дорівнює 14.1, отже при масштабі 5 В / справ ми побачимо всю синусоїду
(Такий масштаб дозволяє бачити сигнал з розмахом 35В). Збільшення масштабу до 10 В/справ буде створювати неточність у вимірюваннях напруги, при зміні масштабу до 2 В/справ максимум напруги "поїде" за межі екрана.
Займемося тепер налаштуванням режиму по осі часу. Якщо ми хочемо бачити на екрані півтора періоду вхідного сигналу, то при частоті 50 Гц на екрані має бути видно криву за час не менше 30 мс. Оскільки довжина екрану по осі Y становить близько 11 поділів необхідно вибрати масштаб 5 мс/діл (при масштабі 2 мс/діл на екрані міститься лише частина процесу тривалістю 22 мс). Виберемо величину опору, що дорівнює 1 Ому і таку ж величину індуктивного опору (що відповідає індуктивності L=1/2f=1/314=3.18 мГн). Якщо виставити каналом У той самий масштаб 5 В/справ, ми отримаємо осцилограму , наведену на рис. 2.2,г. Амплітуда напруги становить два поділу, тобто 10 В. Нуль струму на фронті з'являється через деякий інтервал часу після нуля вхідної напруги, тобто струм відстає від напруги на деякий кут. Час запізнення становить 0,5 справ, або 2,5 мс. Можна точніше виміряти розмір запізнення, якщо встановити масштаб 0.2 мс. При цьому точка нуля поїде за екран, але її можна повернути, виставивши X POZ на значення -2.0. При цьому до виміряного з початку екрану зсуву нуля слід додати величину 0.2 * 2 = 0.4 мс. визначити кут зсуву в градусах можна з виразу
Таким чином, вектор напруги на опорі запізнюється на 45 (рис.2,в). Другий вектор UL можна одержати у схемі рис. 2.б. Оскільки цей вектор випереджає вектор вхідної напруги, є два способивиміру кута.
1. Виміряти кут між нулями на зрізах імпульсів
2. Запустити осцилограф від сигналу на каналі В. При цьому способі наші операції будуть ідентичні вже описаним і можливо більш точний вимір кута.
Векторна топографічна діаграма для схеми рис. 2, а наведено на рис. 2, ст. Для схеми рис. 2,б векторна топографічна діаграма буде іншою, оскільки в цьому випадку від нульового потенціалу необхідно відкласти вектор напруги на індуктивності і потенціал точки з'єднання R і L займатиме інше положення на комплексній площині.
Змінивши частоту генератора можна отримати амплітуду і фазу вектора UR на іншій частоті і за декількома точками побудувати залежності амплітуди і фази від частоти-амплітудно-частотну (АЧХ) і фазочастотну (ФЧХ) характеристики. Отримання АЧХ та ФЧХ за точками це досить трудомісткий процес. Програма Workbench дозволяє провести його автоматично, підключивши до схеми спеціальний прилад, що не має аналога лабораторного - Боде-плоттер.
Робота з Боде-плоттером
На схему виводиться зменшене зображення плотера (рис.3, а). Плоттер має чотири затискачі: два вхідні (IN) і два вихідні (OUT). На екран плоттера виводиться амплітуда та фаза відношення вихідної напруги до вхідної.
Якщо комплексна амплітуда вхідної напруги
,
а комплексна амплітуда вихідного
,
то на екрані ми отримаємо для відносної амплітуди