Подготовка установки к работе

ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

На рис. 4 приведена блок-принципиальная схема установки для исследования RR, RC и RL цепей с помощью однолучевого осциллографа.

Рис. 4

Источником гармонической ЭДС является генератор низкой частоты ГНЧ. На коммутатор А, позволяющий наблюдать на экране однолучевого осциллографа одновременно два синусоидальных сигнала, подаётся входное напряжение и напряжение, пропорциональное току в исследуемой цепи. С выхода коммутатора исследуемые напряжения подаются на вход Y осциллографа, работающего в режиме временной развёртки. Переключение исследуемых цепей производится зависимыми переключателями S ₁ ‑ S ₃.

Конструктивно исследуемые цепи с переключателями и коммутатором выполнены в виде кассеты ФПЭ‑09/ПИ.

Собрать схему, изображенную на рис. 4. Установить исходное положение кнопочных переключателей на панели кассеты ФПЭ‑09/ПИ: все переключатели отжаты. Включить осциллограф в режим наблюдения переменного напряжения во временной развёртке. Установить следующие параметры выходного сигнала генератора: частота – 40 кГц, напряжение – около 3 В. На экране осциллографа должно появиться изображение синусоидального сигнала. Подобрать усиление канала Y осциллографа (k_Y) так, чтобы высота изображения на экране была максимальной. Установить длительность развертки осциллографа (k_Х) такой, чтобы на экране уместилось изображение 2‑3 периодов колебаний. Добиться устойчивого изображения путём регулировки частоты и уровня внутренней синхронизации осциллографа (для этого имеются регуляторы на лицевой панели осциллографа). При необходимости отрегулировать вертикальный размер изображения изменением выходного напряжения генератора. Этот размер изображения сигнала генератора следует поддерживать постоянным при всех измерениях.

Задание 1. Изучение электрических процессов в цепи, содержащей два резистора

1. Замкнуть с помощью кнопочного переключателя на панели кассеты ФПЭ-09/ПИ ветвь, содержащую резистор R ₁. Получить на экране осциллографа устойчивое изображение двух исследуемых сигналов. Убедиться, что угол сдвига фаз между током в цепи и входным напряжением равен нулю.

2. Произвести измерение амплитуд напряжений на входе и выходе цепи. Для этого измерить амплитуды каждого сигнала в делениях шкалы экрана и умножить на коэффициент отклонения k_Y канала вертикального отклонения осциллографа.

3. Рассчитать значение коэффициента передачи цепи К по формуле (17). Определить величину сопротивления резистора R ₁ по формуле (22). Оценить погрешности измерения коэффициента передачи цепи и сопротивления резистора R ₁. Результаты занести в табл. 1.

Таблица 1

U 0 ± DU 0, B	U 01 ± DU 01, B	K ± DК	R 1± DR 1, Ом

Задание 2. Изучение электрических процессов в цепи,

содержащей резистор и конденсатор

1. Замкнуть с помощью кнопочного переключателя на панели кассеты ФПЭ-09/ПИ ветвь, содержащую конденсатор С.

2. Получить на экране осциллографа устойчивое изображение двух исследуемых сигналов. Зарисовать колебания, наблюдаемые на экране осциллографа при частоте генератора 20 кГц.

3. Определить угол сдвига фаз между током в цепи и входным напряжением при частоте 20 кГц. Для этого необходимо измерить сдвиг по времени t ₁ между изображениями двух исследуемых сигналов и период колебаний T (см. рис. 6). Разность фаз рассчитать по формуле:

j = (t ₁ /T) × 360 (град.). (31)

4. Повторить пп.2‑3 при частоте генератора 80 кГц. Оценить погрешность измерения разности фаз. Результаты измерений занести в табл. 2а.

5. Произвести измерения амплитуд напряжений на входе и выходе цепи при различных значениях частоты генератора f (аналогично п.2 задания 1). Частоту генератора менять в пределах 20¸80 кГц, сначала с интервалом 5 кГц (до 40 кГц), затем с интервалом 10 кГц.

6. Рассчитать значения коэффициента передачи цепи К по формуле (17) для всего исследованного диапазона частот. Вычислить погрешность DК. Результаты занести в табл. 2б.

7. На миллиметровой бумаге построить график зависимости коэффициента передачи RC ‑цепи от частоты входного напряжения К(f). С помощью построенного графика оценить величину ёмкости конденсатора С. Для этого необходимо рассмотреть линейный участок графика (на низких частотах), который описывается формулой (26). Определив тангенс угла наклона линейного участка и приравняв его к угловому коэффициенту зависимости (26), получим соотношение: tga = 2pR ₂ C, откуда С = tga/ (2p R ₂). Оценить погрешность определения емкости конденсатора. Результат представить в виде C ± DC.

8. По формуле (24) рассчитать теоретическую разность фаз j_Т при двух значениях частоты генератора: 20 и 80 кГц. Результаты занести в табл. 2а. Сравнить результаты расчета с результатами экспериментального измерения угла j.

Таблица 2а

f, кГц	t 1 ± Dt 1, с	T ± DT, с	j ± Dj, град	jТ ± DjТ, град

Таблица 2б

f, кГц	U 0 ± DU 0, B	U 01 ± DU 01, B	K ± DК

Задание 3. Изучение электрических процессов в цепи, содержащей резистор и катушку индуктивности

1. С помощью кнопочного переключателя на лицевой панели кассеты ФПЭ‑09/ПИ замкнуть ветвь, содержащую катушку индуктивности L.

2. Получить на экране осциллографа устойчивое изображение двух исследуемых сигналов.

3. Зарисовать колебания, наблюдаемые на экране осциллографа при частоте генератора 30 кГц.

4. Определить угол сдвига фаз между током в цепи и входным напряжением при частоте 30 кГц по аналогии с п.3 задания 2.

5. Повторить пп.3‑4 при частоте генератора 100 кГц. Оценить погрешность измерения разности фаз. Результаты измерений занести в табл. 3а.

6. Произвести измерение амплитуд напряжений на входе и выходе цепи при различных значениях частоты генератора f. Частоту генератора менять в пределах 30¸100 кГц с интервалом 10 кГц.

7. Рассчитать значения коэффициента передачи цепи К по формуле (17) для всего исследованного диапазона частот. Вычислить погрешность DК. Результаты занести в табл. 3б.

8. На миллиметровой бумаге построить график зависимости коэффициента передачи RC ‑цепи от частоты входного напряжения К(1/f). С помощью построенного графика оценить величину индуктивности катушки L. Для этого необходимо рассмотреть линейный участок графика (на высоких частотах), который описывается формулой (30). Определив тангенс угла наклона линейного участка и приравняв его к угловому коэффициенту зависимости (30), получим соотношение: tga = R ₂ / (2 p L), откуда L = R ₂ / (2 p tga). Оценить погрешность определения индуктивности катушки. Результат представить в виде L ± DL.

9. По формуле (28) рассчитать теоретическую разность фаз j_Т при двух значениях частоты генератора: 30 и 100 кГц. Результаты занести в табл. 3а. Сравнить результаты расчета с результатами экспериментального измерения угла j.

Таблица 3а

f, кГц	t 1 ± Dt 1, с	T ± DT, с	j ± Dj, град	jТ ± DjТ, град

Таблица 3б

f, кГц	U 0 ± DU 0, B	U 01 ± DU 01, B	K ± DК

Примечание. Пренебрегая приборными погрешностями коэффициентов отклонения k_X и k_Y электронного луча осциллографа, учесть только погрешности визуального отсчета величин t и U на экране осциллографа: Dt = 0.1 k_X, DU = 0.1 k_Y.

Указание. R ₂ = 51 Ом ± 5%.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1) Какой ток называется квазистационарным? Напишите условие квазистационарности.

2) Получите выражение: а) для емкостного сопротивления; б) для индуктивного сопротивления.

3) Постройте векторную диаграмму для RC и RL цепей. Определите с помощью векторной диаграммы для каждой цепи полное сопротивление z и сдвиг фаз между током и ЭДС.

4) Получите выражения для коэффициентов передачи RC и RL цепей.

5) Как в работе производятся измерения величины ёмкости конденсатора С и индуктивности катушки L?

Литература: [2], гл. XXI, c. 465‑473; гл. XII, c. 269‑270;

[1], § 88, 91, 92; [4], c. 305.

Работа 11a

ИЗУЧЕНИЕ ВЫНУЖДЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ

В КОЛЕБАТЕЛЬНОМ КОНТУРЕ

Цель работы: изучение зависимости тока в колебательном контуре от частоты источника ЭДС и измерение резонансной частоты контура.

Дата добавления: 2015-05-06