Лабораторно-практические занятия

Лабораторно-практическое занятие 14

Тема: Частотные характеристики

Содержание работы

Расчеты: расчет передаточных функций, построение АЧХ и ФЧХ

Эксперимент: экспериментальное определение частотной характеристики пассивной цепи

Контрольные вопросы

1.Дайте определение передаточной функции, АЧХ, ФЧХ.

2.Дайте определение явлению резонанса.

3.Определите понятие «добротность» резонансного контура.

4.Укажите особенности вычисления ФЧХ для цепей второго порядка.

Домашняя подготовка

1.Получить аналитическое выражение для комплексной передаточной функции RLC цепи – рис. 14.а.

2.Построить АЧХ и ФЧХ фильтра для двух значений сопротивления R: 1 кОм и 10 кОм (частотные характеристики при разных величинах R совместить на одном графике). Определить резонансную линейную частоту и добротность контура для двух значений сопротивления R.

Рис. 14.

L=31 мГн, С=5.6 нФ

Рабочее задание

1.Нарисовать и собрать электрическую цепь рис. 14.а при R=1 кОм, подключив к входу фильтра генератор синусоидального напряжения с амплитудой 5 В.

2.Подключить к цепи осциллограф для измерения входного напряжения (первый канал) и выходного напряжения (второй канал). Экспериментально определить резонансную частоту фильтра f0.

3.Измерить амплитуды напряжений и сдвиг фаз между ними, приняв начальную фазу входного напряжения равной нулю. Результаты представить в виде таблицы.

f, кГц	0.3f0	0.5f0	0.8f0	f0	1.2f0	1.5f0	1.8f0	2.0f0	2.5f0	3.0f0
U1, В
U2, В
∆t, мкс
H(f)
φ(f)

4.Нанести экспериментально полученные точки АЧХ и ФЧХ на теоретически построенные зависимости. По экспериментальным данным определить добротность.

5.Повторить пп. 1–4 для R=10 кОм.

6.Нарисовать и собрать электрическую цепь рис. 14.б для нечетного и рис. 15.в – для четного вариантов при R=1 кОм. К входу цепи подключить генератор синусоидальных колебаний с амплитудой 5 В.

7.Произвести необходимые измерения для получения экспериментальной АЧХ фильтра, данные представить в виде таблицы. Нанести экспериментальные точки на теоретически полученные характеристики.

8.Построить модель цепи рис. 14.г в программе Design Center. Рассчитать частотные характеристики цепи. Сравнить результат с полученными ранее.

Литература

Теоретические основы электротехники. Т. 1. Основы теории цепей.

Под ред. П.А. Ионкина, М.: Высш. шк. -1976. (§14.1-14.3)

Лабораторно-практическое занятие 15

Тема: переходные процессы в цепях первого порядка. Классический метод

Содержание работы

Расчеты:

1.Составление и решение дифференциальных уравнений

2.Расчет без составления дифференциального уравнения

Контрольные вопросы

1.Сформулируйте законы коммутации.

2.Объясните принцип формирования дифференциальных уравнений.

3.К какому классу относятся дифференциальные уравнения для токов

инапряжений в линейной цепи?

4.Какие компоненты входят в состав интеграла дифференциального уравнения?

5.Как рассчитать постоянную времени цепи без составления дифференциального уравнения?

Домашняя подготовка

Решить задачи №№ 8.3, 8.4, 8.30.

Рабочее задание

1.Решить задачи №№ 8.5, 8.12, 8.13, 8.15, 8.39, 8.42.

2.Тест на расчет постоянной времени

Литература

Теоретические основы электротехники. Т. 1. Основы теории цепей.

Под ред. П.А. Ионкина, М.: Высш. шк. -1976. (§3.2, 3.3, 6.4, 6.5)

Лабораторно-практическое занятие 16

Тема: переходные процессы в цепях первого порядка. Классический метод

Содержание работы

Расчеты:

Расчет переходного процесса классическим методом

Эксперимент: экспериментальное определение постоянной времени цепи

Контрольные вопросы

1.Сформулируйте законы коммутации.

2.Объясните принцип формирования дифференциальных уравнений.

3.Как экспериментально определить постоянную времени?

4.Как рассчитать постоянную времени цепи без составления дифференциального уравнения?

Домашняя подготовка

1.Для схем рис. 16.1.а – 16.1. г (по вариантам) получить законы изменения напряжения u2 (t ) в интервалах импульса и паузы входного напряжения u1 (t ) прямоугольной формы – рис. 16.2. Нарисовать кривые напряжений

u1 (t ) и u2 (t ), считая постоянную времени много меньшей длительности импульса (tи) и паузы (tп).

Рис. 16.1 – Схемы цепей первого порядка (R1=1 кОм, R2=2 кОм, С=5.6 нФ)

Рис. 16.2 – Форма входного напряжения

Рабочее задание

1.Собрать электрическую цепь рис. 16.1.а (в соответствии с вариантом), подключив к входу цепи генератор напряжения прямоугольной формы рис. 16.2 (tи=tп=0.5T) с амплитудой U1m=1 В и периодом T=0.1 мс.

2.Подключить к цепи осциллограф для измерения входного напряжения

(первый канал) и выходного напряжения (второй канал). Получить экспериментальные кривые напряжения u2 (t ). Совместить на экране осциллографа кривую этого напряжения с кривой входного напряжения и сохранить результат в электронном виде.

3.По полученным данным определить установившееся значение выходного напряжения u2уст и постоянную времени τ в интервалах импульса и паузы (двумя способами). Результаты свести в таблицу.

4.Повторить пп. 1–3 для схемы 16.1.б.

Литература

Теоретические основы электротехники. Т. 1. Основы теории цепей.

Под ред. П.А. Ионкина, М.: Высш. шк. -1976. (§3.2, 3.3, 6.4, 6.5)

Лабораторно-практическое занятие 17

Тема: переходные процессы в цепях первого порядка. Классический метод

Содержание работы

Расчеты:

1.Составление и решение дифференциальных уравнений

2.Расчет без составления дифференциального уравнения

Контрольные вопросы

1.Сформулируйте законы коммутации.

2.Объясните принцип формирования дифференциальных уравнений.

3.К какому классу относятся дифференциальные уравнения для токов

инапряжений в линейной цепи?

4.Какие компоненты входят в состав интеграла дифференциального уравнения?

5.Как рассчитать постоянную времени цепи без составления дифференциального уравнения?

Домашняя подготовка

Решить задачи №№ 8.44, 8.47

Рабочее задание

1.Решить задачи №№ 8.51, 8.53, 8.25

2.Контрольная работа на расчет переходных процессов

Литература

Теоретические основы электротехники. Т. 1. Основы теории цепей.

Под ред. П.А. Ионкина, М.: Высш. шк. -1976. (§3.2, 3.3, 6.4, 6.5)

Методические указания

Использование программного пакета MathCad для выполнения инженерных расчетов.

1.Обозначение переменных:

−для присвоения значения (в том числе, объявления) переменной используется оператор присвоения «:=», например, a:=10

−для отображения текущего значения переменной используется оператор равенства «=», например, a=

−имена переменных могут содержать латинские буквы (строчные и прописные буквы различаются) и цифры, начинаться имена переменных должны с латинской буквы.

2.Обозначение функций:

−функции обозначаются так же, как переменные, но после имени функции

вкруглых скобках указывается имя переменной – аргумента функции), например, U(I):=50·I

−с помощью оператора «=» можно вывести значение функции при заданном значении аргумента, например, U(5)=

3.Математические операции:

−операции сложения, вычитания, умножения и деления задаются с помощью символов «+», «–», «*» и «/», соответственно

−для перемещения курсора удобно использовать клавишу «пробел» – после каждого нажатия выделяется область с более низким приоритетом вычисления

4.Построение графиков

−для вставки шаблона графика в документ следует выбрать XY-

plot в разделе Graph… меню Insert

−следует задать имена переменных, откладываемых по оси абсцисс и ординат в специальных полях, расположенных снизу по центру оси абсцисс и слева по центру оси ординат соответственно

−пределы изменения переменной по оси абсцисс и масштаб графика по оси ординат устанавливается с помощью задания наименьшего и наибольшего значений переменной по каждой оси в специальных полях слева и справа от оси абсцисс и сверху

иснизу оси ординат

5.Порядок вычислений

−выражения вычисляются в порядке следования, слева направо, сверху вниз

−выражения вычисляются (графики строятся) автоматически

−необъявленные или некорректно определенные переменные подсвечиваются красным цветом

6.Обозначение матриц:

−для объявления матричной переменной используется оператор

присвоения «:=» и меню «Insert», пункт «Matrix», где в диалоговом окне задается количество строк и столбцов

−элементами матрицы могут быть числа, переменные или выражения, содержащие числа и переменные, в том числе, функции

−имена матриц могут содержать латинские буквы (строчные и прописные буквы различаются) и цифры, начинаться имена матриц должны с латинской буквы.

7.Решение систем линейных уравнений:

−формируется выражение, содержащее вектор-столбец неизвестных величин слева от оператора присвоения и функцию lsolve справа от оператора присвоения

−для вставки функции lsolve следует войти в меню «Insert», выбрать пункт «Function» и в открывшемся диалоговом окне – в левом списке Matrix, а в правом – lsolve

−функция lsolve имеет два аргумента: матрица коэффициентов уравнения и вектор-столбец известных величин, которые могут быть заданы в явном виде, в виде имен переменных матричного типа или в виде матричных выражений

−размерность всех матричных переменных должна быть согласована

8.Комплексные числа:

−по умолчанию мнимой единице соответствует имя переменной «1i», для удобства рекомендуется выполнить переобозначение

«j:=1i»

−для вычисления модуля комплексного числа достаточно выбрать операцию |x| в окне арифметических операций, для вычисления аргумента следует использовать функцию arg( )

−для расчета действительной и мнимой частей следует применять функции Re( ) и Im( )

9.Использование индексов:

−для того, чтобы создать переменную с индексом необходимо, вопервых, предварительно объявить переменную-индекс, во-вторых после ввода имени переменной нажать клавишу «]» – для перехода к заданию индекса, а затем ввести имя переменнойиндекса

−для того, чтобы задать интервал изменения индекса следует в операторе присвоения ввести начальное значение индекса, затем нажать клавишу «:» и ввести конечное значение индекса (индекс должен быть целым числом)

Методические указания

Использование программного пакета DesignLab для моделирования электрических цепей.

1.Создание расчетной модели (схемы) в программе DesignLab Schematics:

−для размещения резистора на рабочем поле программы необходимо ввести в поле Part имя для модели идеального линейного резистивного элемента: «r»

−размещение элемента на рабочем поле осуществляется левой кнопкой мыши, поворот элемента – с помощью сочетания клавиш Ctrl-r, зеркальное отражение элемента – с помощью сочетания клавиш Ctrl-f

−в качестве модели идеального источника ЭДС постоянного тока следует использовать элемент с именем «VDC»

−необходимо обозначить узел с нулевым потенциалом с помощью элемента с именем «agnd»

−для соединения выводов элементов следует нажать кнопку Draw a line (с изображением карандаша), с помощью мыши, нажимая (но не удерживая) левую кнопку, соединить выводы элементов; точки соединения трех и более проводников и/или выводов элементов будут автоматически обозначаться кружками

−для задания параметров элементов необходимо использовать двойное нажатие левой кнопки мыши на данном элементе или контекстное меню. В появившемся диалоговом окне следует задать: для модели резистора – сопротивление в Омах, для модели источника – напряжение в Вольтах.

2.Моделирование цепи:

−после того, как модель цепи создана и полностью настроена (то есть заданы параметры всех элементов), следует сохранить файл модели на диск

−для запуска процесса моделирования следует нажать кнопку Simulate на панели инструментов

−для отображения значений токов ветвей и напряжений на выводах элементов следует нажать кнопки V и I на панели инструментов

			моделирование
соединение выводов
						отображение токов
		размещение элементов
						и напряжений

Использование программного пакета DesignLab для моделирования электрических цепей синусоидального тока.

1.Создание расчетной модели (схемы) в программе DesignLab Schematics:

−для размещения индуктивных и емкостных элементов на рабочем поле программы необходимо ввести в поле Part имя для модели соответствующего идеального линейного элемента: «с» или «L»

−в качестве источника ЭДС синусоидальной формы для анализа цепи в установившемся режиме следует использовать элемент «VAC», для которого следует задавать амплитуду напряжения, начальную фазу и постоянное напряжение смещения

−для съема выходного сигнала (тока или напряжения) следует использовать так называемые маркеры (Markers) – в меню Markers необходимо выбрать пункт Mark Voltage для измерения амплитуды напряжения, Mark Current – для измерения амплитуды тока, в разделе mark advanced vphase и iphase – для измерения начальной фазы напряжения и тока соответственно

−маркеры следует подключать к выводам элементов

2.Моделирование цепи:

−для задания диапазона частот следует перейти в меню Analysis и выбрать пункт Setup, затем нажать на кнопку AC Sweep. В открывшемся окне следует указать количество частотных точек в диапазоне, начальное и конечное значения частотного диапазона

−после окончания моделирования будет выведено графическое окно, в котором в координатах «Частота – Напряжение», «Частота – Ток» или «Частота – Фаза» (в зависимости от установленного маркера) отображается соответствующее значение

Использование программного пакета DesignLab для моделирования

электрических цепей синусоидального тока с магнитной связью.

1.Создание расчетной модели (схемы) в программе DesignLab Schematics:

−индуктивно связанные элементы располагаются обычным образом, как индуктивные элементы с наименованием L;

−для задания магнитной связи используется элемент с наименованием K_Linear, параметрами которого являются названия индуктивно-связанных элементов (например, L1, L2) и коэффициент магнитной связи. Разметка выводов катушек не

производится, коэффициент магнитной связи задается со знаком. Использование программного пакета DesignLab для расчета частотных

характеристик.

1.Создание расчетной модели (схемы) в программе DesignLab Schematics:

−в качестве источника ЭДС синусоидальной формы для анализа цепи в установившемся режиме следует использовать элемент «VAC», для которого следует задавать амплитуду напряжения, равную 1, и начальную фазу, равную 0

−для съема выходного сигнала (напряжения) следует использовать так называемые маркеры (Markers) – в меню Markers необходимо выбрать пункт Mark Voltage для измерения амплитуды