Экспериментальные измерения и расчеты параметров и характеристик простейших цепей на основе результатов экспериментальных измерений

1.Предварительные настройки

Перед включением исследуемой схемы и проведением измерений, следует установить величину модуля действующего напряжение генератора на входе цепи , равным 1В. Такая величина напряжения на входе исследуемой цепи выбрана для удобства проведения измерений и последующей обработки их результатов. Для установления заданного уровня сигнала генератора, положения переключателей В1, В2, В3, В4 устанавливают следующими (см. рис. 3):

В1 – в положение «2»;

В2 и В4 – в положение «0»;

В3 – в положение «7».

При этом макет окажется включенным «на проход» со входа на выход, то есть, будет пропускать без изменения входное напряжение на выход, а выходное напряжение на макете при этом будет практически равно входному.

После этого следует выполнить следующие операции:

макет 2 (рис. 1) со входа соединить каскадно с генератором 1 через коаксиальный кабель 4;

макет 2 (рис. 1) с выхода соединить каскадно с милливольтметром 3 через коаксиальный кабель 5;

проверить нулевое положение стрелки 1 (рис. 6) указателя значений измеряемых напряжений милливольтметра и, при необходимости, установить эту стрелку на ноль шкал 2 и 3 (рис. 6) с помощью регулировочного винта 5 (рис. 6);

установить переключатель 2 (рис. 2) множителя выходных частот генератора в положение 10², а ручку 4 плавного управления значением частоты генератора в такое положение, чтобы значение на частотной шкале 5 генератора было равно 20 и совпало с риской указателя значения частоты 3. При этом установленное начальное значение частоты будет равно 2000 Гц (2 кГц);

переключатель шкал (чувствительности) 3 милливольтметра (рис. 5) установить в положение 1 В;

ручку 6 (рис. 2) плавного управления значением выходного напряжения генератора Г3-109 установить в крайнее левое положение, соответствующее минимальному значению выходного напряжения генератора;

переключатель 8 (рис. 2) множителя выходного напряжения генератора Г 3-109 установить в положение 500 мВ;

включить питание генератора 1 (рис. 1) и вольтметра 3 и прогреть приборы около 15минут;

плавно вращая ручку 6 (рис. 2) управления значением выходного напряжения генератора Г3-109, установить на вольтметре 3 (рис. 1) В 3-56 стрелку 1 (рис. 6) на значении линейной шкалы 2 (рис. 6) напряжений с масштабом, кратным 10-ти, на отметке 10, что будет соответствовать напряжению на вольтметре, равном 1 В при положении переключателя шкал 3 (рис. 5) милливольтметра 1 В.

После этого можно приступать к включению исследуемой цепи на макете 2 (рис. 1) и проведению измерений. Положения органов управления элементов измерительного стенда, показанного на рис. 1, не оговоренные выше, значения не имеют, и могут быть произвольными.

2.Экспериментально исследовать частотные свойства последовательной r–l-цепи и рассчитать её параметры и характеристики на основе результатов экспериментальных измерений

После выполнения предварительных настроек, описанных выше, следует собрать схему исследуемой электрической цепи в соответствии с рис. 17, представляющую собой последовательное соединение индуктивности и сопротивления . Для этого переключатель В1 на панели управления макетом 3 (рис. 3) установить в положение 2 (передача сигнала со входа переключателя на его выход без изменений). Переключатель 4 (рис. 3) В2 установить в положение 0 (никакие цепи, управляемые этим переключателем, не подключены). Переключатель 5 (рис. 3) В3 установить в положение 3, соответствующее последовательному включению в цепь индуктивности . Переключатель 6 (рис. 3) В4 установить в положение 5, соответствующее последовательному подключению сопротивления в исследуемую цепь. Одновременно это сопротивление оказывается подключенным параллельно выходным клеммам 8 и байонетному разъему 7 макета (рис. 3). Таким образом, на входе макета оказывается включен генератор ЭДС 1 (рис. 1), каскадно с ним через входной коаксиальный кабель 4 (рис. 1) включен макет 2 (рис. 1) со схемой, содержащей последовательное соединение индуктивности и сопротивления , а каскадно с макетом через выходной коаксиальный кабель 5 (рис. 1) включен вольтметр 3 (рис. 1); при этом вольтметр оказывается подключенным параллельно сопротивлению . Такое включение обусловлено тем, что при нем влияние вольтметра, имеющего очень высокое входное сопротивление (порядка единиц МегаОм), оказывается для цепи наименьшим.

Собрав указанным образом последовательную цепь L₁₃–R₃, следует провести измерения величины действующего значения выходного напряжения на выходе макета для частот от 2 до 20 кГц с шагом 1 кГц. Для этого, записав в табл. 6 значение напряжения для частоты кГц, следует изменить значение частоты генератора Г3-109 путем вращения вправо (в сторону увеличения частоты) ручки 4 (рис. 2) плавного управления значением частоты генератора с предыдущего значения 20 на последующее 30. Таким образом, установленная на генераторе Г3-109 частота окажется равной 3 кГц. Значение выходного напряжения на макете для частоты 3 кГц занести в табл. 6. Меняя далее аналогично описанному частоту генератора Г3-109, занести в табл. 6 все значения выходного напряжения на макете для частот от 2 до 20 кГц; последнее показание составит 200 на шкале 5 (рис. 2). Считывание результатов измерений проводят по одной из шкал 2 или 3 (рис. 6) в соответствии с положением переключателя чувствительности 3 (рис. 5) вольтметра В3-56.

Таблица 6

Экспериментальные значения выходного напряжения последовательной цепи L₁₃–R₃

	Частота , кГц
Параметр	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
, В

Таким образом, окажется измеренной амплитудно-частотная характеристика выходного напряжения последовательной цепи L₁₃–R₃ в диапазоне частот от 2 до 20 кГц с шагом 1 кГц.

После этого следует произвести обработку полученных экспериментальных данных. Для этого, используя результаты измерений, занесенные в табл. 6, рассчитать частотные зависимости:

модуля действующего значения тока в цепи ;

модуля действующего значения напряжения на индуктивности ;

модуля действующего значения напряжения на сопротивлении ;

модуля входного сопротивления ;

величины модуля реактивного сопротивления индуктивности ;

величины индуктивности ;

фазового сдвига между напряжением и током на входе цепи.

Эти зависимости можно определить, используя закон Ома для цепей гармонического тока, а также векторные диаграммы для последовательной R–L- цепи (рис. 11, 12). Величина модуля действующего значения тока в цепи

. (56)

Из векторной диаграммы рис. 11 видно, что , а . Тогда величина модуля действующего значения напряжения на индуктивности определится так

. (57)

Модуль действующего значения напряжения на сопротивлении есть модуль действующего значения выходного напряжения

. (58)

Модуль входного сопротивления цепи , состоящей из последовательно включенных между собой индуктивности и сопротивления (рис. 11, 12):

. (59)

Величина модуля реактивного сопротивления индуктивности (рис. 11, 12)

. (60)

Величина индуктивности (60)

. (61)

Фазовый сдвиг между напряжением и током на входе цепи (ФЧХ входного сопротивления, рис. 11, 12):

. (62)

Результаты вычислений частотных зависимостей величин , , , , , и свести в табл. 7.

Таблица 7

Экспериментальные параметры последовательной цепи L₁₃–R₃

	Частота , кГц
Параметр	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
, А
, В
, В
, Ом
, Ом
, Ом
, град

По результатам, сведенным в табл. 7, построить графики частотных зависимостей величин , , , , , и . Частотные зависимости величин , , , и построить на тех же осях, что ранее рассчитанные соответствующие зависимости, полученные расчетным путем при выполнении теоретических расчетов для этой же цепи (см. табл. 2).

Построить векторные диаграммы напряжений и сопротивлений последовательной цепи L₁₃–R₃ для трех частот: кГц, кГц, кГц.