Дослідження довгої лінії

Виводи і критична оцінка проведених досліджень.

9.1 Мета роботи

Дослідження амплітудних та фазових співвідношень напруги та струму вздовж лінії в усталеному синусоїдному режимі при різних опорах навантаження.

9.2 Вказівки по підготовці до виконання лабораторної роботи

9.2.1 Проробити матеріал конспекту лекцій, присвячений довгим лініям, та літературу [2, C.264 – 350].

9.2.2 Зобразити графіки розподілення амплітуд та фаз напруги і струму вздовж ідеальної довгої лінії для режимів: біжних хвиль; короткого замикання; холостого ходу; навантаження на ємність; навантаження на індуктивність; навантаження на активний опір R _н > Z_хв; навантаження на активний опір R _н < Z_хв;

9.2.3 Зобразити графіки модуля та аргументу вхідного опору вздовж лінії для даних у п. 9.2.4 режимів роботи ідеальної довгої лінії.

9.2.4 Зобразити графіки залежностей амплітуд напруги і струму, а також зсуву фаз між ними в функції частоти в перерізах ідеальної довгої лінії , для режимів холостого хода та короткого замикання.

9.3 Суть роботи

В даній роботі досліджується довга лінія яка виконана у вигляді так званого спірального коаксіального кабелю. Конструкція спіральної лінії та особливості її застосування наведено у додатку Д.

Завдяки значно меншій швидкості розповсюдження коливань вздовж спіральної лінії, порівняно зі швидкістю світла, довжина хвилі в такій лінії значно менша ніж у звичайних коаксіальних і двопровідних лініях. Це дозволяє у діапазоні частот 0.5 – 1 МГц досліджувати хвильові процеси в спіральних лініях довжиною декілька десятків сантиметрів.

Для вимірювання напруги і струму використані безконтактні датчиків ємнісного та індуктивного типів, які пересуваються вздовж лінії. Підключивши осцилограф до одного із цих датчиків, можна спостерігати осцилограми миттєвих значень відповідно напруги і струму, вимірювати їх амплітуди та початкові фази.

9.4 Опис макета і структурна схема лабораторної установки

Лабораторна установка складається з двох блоків: базового і змінного, у якому знаходяться: спіральна лінія, опори навантаження, перемикач опорів навантаження, ємнісний та індуктивний датчики, підсилювачі сигналів, пристрій для узгодження лінії і генератора. В якості джерела сигналів використовується генератор Г4 – 18А.

На рис.9.1 наведено передню панель змінного блоку. Генератор Г4 – 18А підключається до гнізд Г2 базового блоку. Синхронізація осцилографа здійснюється вхідною напругою генератора, яка підведена до гнізд Г5 базового блоку. Підсилювач вертикального відхилення осцилографа підключається до гнізд Г4 при вимірюванні напруги і до гнізд Г3 при вимірюванні струму. За допомогою перемикача “Z_н” здійснюється вибір режиму роботи лінії. У прорізу, розташованому над спіральною лінією, знаходиться ручка, яка дозволяє пересувати датчики вздовж лінії. Для підрахунку відстані вздовж лінії застосовується градуйована прозора лінійка.

9.5 Порядок виконання роботи

9.5.1 Підготувати до роботи генератор Г4 – 18А, осцилограф, лабораторний макет і зібрати схему лабораторної установки (рис.9.2).

9.5.2 Увімкнути прилади, дати їм прогрітися 3 – 5 хвилин. Встановити на генераторі частоту, вказану на лабораторному макеті, і вихідну напругу – 1В.

9.5.3 Встановити перемикач “ Z _н” в положення Z _в, здійснити синхронізацію, підібрати швидкість розгортки осцилографа і підсилення такими, щоб на екрані були один - два періоду коливань.

9.5.4 Зняти залежності U _m(y); I _m(y); y _u (y); y _i (y); для різних режимів. Послідовність режимів – режим біжних хвиль, холостий хід, коротке замикання, навантаження на ємність, індуктивність та активні опори, які не дорівнюють хвильовому.

Зняти залежності U _m(y), I _m(y), y _u (y), y _i (y) в режимі біжних хвиль у разі розстройки по частоті на ±15% від початкового значення.

9.6 Вказівки по проведенню вимірювань

Значення амплітуд здійснюється умовно по масштабній сітці на екрані осцилографа; при цьому підсилення при кожному вимірі не змінювати.

Переміщення датчиків починати з кінця лінії; фіксуючи обов’язково точно положення максимумів („пучності”) і мінімумів („вузли”) напруги і струму. Обмежитись вимірюванням на ділянці лінії довжиною .

Для відліку розподілу початкових фаз вздовж лінії необхідно:

– в процесі вимірів вважати центральну вертикальну вісь – віссю початку відліку часу ();

– вимірити період коливань в міліметрах (Т _мм) і оцінити масштаб для фаз рад/мм;

– вимірювання починають з вихідного перерізу лінії (y =0), в якому встановлюють датчики і переміщенням осцилограм по осі „ x” встановлюють нульові початкові фази напруги (режим біжних хвиль, холостого ходу, навантаження на ємність та ) або струму (режим біжних хвиль, короткого замикання, навантаження на індуктивність та ); в процесі вимірів для кожного з режимів не слід зміщати осцилограми за горизонтальною віссю;

– для перерізів лінії, де мають місце “вузли” напруг та струмів початкові фази не вимірювати.

На рис.9.3 і рис.9.4 приведені приклади осцилограм при вимірюванні початкових фаз відповідно для режимів біжних хвиль і холостого ходу.

9.7 Вказівки щодо обробки і оформлення результатів вимірювань

Користуючись експериментальними даними п. 9.5 лабораторного завдання, побудувати графіки амплітудних і фазових значень напруг та струмів вздовж лінії при різних навантаженнях. Графіки амплітуд побудувати у відносних одиницях.

Для кожного з режимів графіки амплітуд і фаз розміщують один під другим, зберігаючи однаковим масштаб за віссю абсцис.

Користуючись результатами експерименту побудувати якісно графіки модуля і аргументу вхідного опору вздовж лінії для різних режимів. Визначити довжину хвилі і швидкість поширення для основної частоти і у випадку розстройки на ± 15% вважаючи Z_хв=1 кОм, визначити первинні параметри лінії L _о і С_о. Розрахувати коефіцієнт згасання лінії, а також коефіцієнт відбиття і коефіцієнт біжної хвилі для випадків R _н>Z_хв і R _н<Z_хв.

9.8 Зміст звіту:

– схема експериментальної установки;

– графіки U _m(y); I _m(y); j _U (y); j _i (y); j _u (y); Z(y) для різних режимів;

– результати розрахунків;

– висновки і критична оцінка отриманих результатів.

9.9 Контрольні запитання та завдання

1. Сформулювати головний критерій, за яким коло слід вважати колом з розподіленими параметрами? Які принципові відмінності існують між колами з розподіленими та зосередженими параметрами?

2. Перелічити області застосування кіл з розподіленими параметрами.

3. Дати визначення та пояснити значення первинних (погонних) параметрів кіл з розподіленими параметрами. Яка розмірність первинних параметрів?

4. Як, використовуючи характер і особливості первинних параметрів, класифікують довгі лінії?

5. Який фізичний сенс мають падаюча та відбита хвилі, що входять до складу розв’язку диференціальних (телеграфних) рівнянь довгих ліній?

6. Пояснити структуру розв’язків для струму та напруги в лінії при синусоїдній дії. Яке значення в цих розв’язках мають вторинні параметри: коефіцієнти поширення, ослаблення, фази; комплексний хвильовий опір?

7. Який фізичний сенс мають довжина хвилі та фазова швидкість поширення хвиль? Як ці параметри пов’язані з коефіцієнтом фази?

8. Що таке комплексний коефіцієнт відбиття?

9. Назвати режими роботи довгих ліній при синусоїдній дії. За яких значень опору навантаження існує кожен з цих режимів?

10. Який вигляд мають розподіли амплітуд і початкових фаз у довільному перерізі ідеальної та реальної ліній в режимі біжних хвиль? Яке значення має хвильовий опір у цьому перерізі?

11. Як зміняться графіки розподілу амплітуд і початкових фаз у довільному перерізі ідеальної ліній в режимі біжних хвиль, якщо змінити частоту коливань?

12. Які особливості має режим стійних хвиль? Пояснити поняття “вузол” і “пучність”.

13. Який вигляд мають розподіли амплітуд і початкових фаз у будь-якому перерізі розімкненої ідеальної лінії? Який характер має і як змінюється опір вздовж лінії у даному режимі?

14. Як змінюються графіки розподілів амплітуд і початкових фаз у довільному перерізі розімкненої ідеальної лінії, якщо змінювати частоту коливань?

15. Чим відрізняються розподіли амплітуд і початкових фаз у довільному перерізі розімкнених ліній: з втратами та ідеальної?

16. Який вигляд мають розподіли амплітуд і початкових фаз у довільному перерізі замкненої ідеальної лінії? Який має характер і як змінюється опір вздовж лінії у даному режимі?

17. Як змінюються графіки розподілів амплітуд і початкових фаз у довільному перерізі замкненої ідеальної лінії, якщо змінювати частоту коливань?

18. Чим відрізняються розподіли амплітуд і початкових фаз у довільному перерізі лінії з втратами та ідеальної лінії, замкнених на кінці?

19. Який вигляд мають розподіли амплітуд і початкових фаз у довільному перерізі ідеальної лінії, навантаженої на ємність? Який характер має і як змінюється опір вздовж лінії у даному режимі?

20. Який вигляд мають розподіли амплітуд і початкових фаз у довільному перерізі ідеальної лінії, навантаженої на індуктивність? Який характер має і як змінюється опір вздовж лінії у даному режимі?

21. Який вигляд мають розподіли амплітуд і початкових фаз у довільному перерізі ідеальної лінії в режимі змішаних хвиль?

22. Пояснити поняття коефіцієнтів біжної хвилі та стійної хвилі? Як ці коефіцієнти пов’язані один з одним та з коефіцієнтом відбиття?

23. Які характерні властивості мають спіральні коаксіальні кабелі? Як ці властивості використовуються на практиці і в даній роботі

10 ДОСЛІДЖЕННЯ ЧАСТОТНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДОВГОЇ ЛІНІЇ

10.1 Мета роботи

Дослідження АЧХ та ФЧХ штучної лінії при різних опорах навантаження.

10.2 Вказівки по підготовці до виконання лабораторної роботи

10.2.1 Проробити матеріал конспекту лекцій, присвячений частотним характеристикам довгих ліній, та літературу [2, C.382 – 405, 453–454]. Ознайомитись з особливостями штучних L, C ліній (додаток Д).

10.2.2 Зобразити графіки АЧХ та ФЧХ ідеальної довгої лінії при її навантаженні на:

– , тобто режим біжних хвиль ();

– , тобто холостий хід ();

– , тобто коротке замикання ();

– , тобто навантаження на ємність ().

10.2.3 Для параметрів лінії, що відповідають номеру макета (див. табл. 10.1), розрахувати:

– хвильовий опір ;

– затримку синусоїдних коливань ;

– частоту синусоїдних коливань напруги і струму в лінії, що відповідає довжині еквівалентній звичайній довгій лінії , –

;

– частоти синусоїдних коливань, що кратні (, ....) і не перевищують кГц.

10.3 Суть роботи

В даній роботі досліджуються частотні характеристики ліній штучних L, C ліній затримки, параметри та особливості застосування яких наведено у додатку Д.

В роботі досліджуються АЧХ і ФЧХ за напругою штучної L, C лінії, якщо її розглядати як чотириполюсник. При дослідженнях частотних залежностей вхідних повних опора і провідності (, ) лінія розглядається як двополюсник.

Таблиця 10.1 – Значення параметрів штучної лінії для відповідних номерів макетів

№ макету	, мкГн	, пФ	n	№ макету	, мкГн	, пФ	n

АЧХ і ФЧХ за напругою вимірюються при навантаженні лінії на: ; ; . Для вимірювання АЧХ () застосовуються генератор Г3-33 і мілівольтметри В3-13. Дослідження ФЧХ () при цих же навантаженнях виконуються за допомогою генератора Г3-33 і осцилографа С1-68 за методом фігур Лісажу.

Вимірювання частотних залежностей виконується у випадках навантажень і (коротке замикання). При навантаженні на ємність () і холостому ході () досліджується частотні залежності . Вимірювання і здійснюється за допомогою мілівольтметра В3-13 і генератора Г3-33, підключених до входу лінії, при використанні останнього в режимі джерела струму.

10.4 Опис макета і структурна схема лабораторної установки

Лабораторна установка складається тільки з базового блоку, у якому знаходяться: штучна L, C лінія; опори навантаження; перемикач опорів навантаження (" П"); гнізда для підключення генератора і вимірювальних приладів (Г1 – на лівій боковій стінці, Г2, Г3 – на правій боковій стінці). Вигляд передньої панелі базового блоку приведено на рис.10.1.

Гнізда Г1 і Г2 підключено до входу лінії, а гніздо Г3 – до опору навантаження. До гнізд Г1 підключається генератор Г3-33, а до гнізд Г2 і Г3 – вимірювальні прилади (мілівольтметри В3-13 і осцилограф С1-68 13 при дослідженнях відповідно АЧХ і ФЧХ).

Схема лабораторної установки при дослідженні приведена на рис.10.2, а при дослідженні ФЧХ – на рис.10.3.

При вимірюванні і між потенціальною клемою генератора і входом лінії треба включити додатковий опір , що дозволяє розглядати генератор практично як джерело струму з внутрішнім опором . При цьому схема для дослідження і буде мати вигляд, наведений на рис.10.4.

10.5 Порядок виконання роботи

10.5.1 Підготувати до роботи генератор Г3 – 33, осцилограф С1-68, мілівольтметри В3-13.

10.5.2 Зібрати схему (рис.10.2) для дослідження АЧХ за напругами (). Встановити на генератоі перемикач "Вих. опір " в положенняя 5 Ом, тумблер "Внутр. навантаження" – в положенняя "Вкл.", а вихідну напругу перемикачем "Межі шкал" і ручкою "Регул. виходу" – 1 В.

Увімкнути генератор, дати йому прогрітися 3 – 5 хвилин. Змінюючи частоту генератора в діапазоні 20–200 кГц, зняти залежності від частоти вхідної () і вихідної () напруг для випадків навантажень: ; ; . Результати вимірювань (, ) і розрахунків АЧХ для кожного з навантажень звести в таблиці за зразоком табл.10.2.

Таблиця 10.2 – Результати досліджень

f, кГц

При вимірюванні АЧХ необхідно зафіксувати частоти для максимальних і мінімальних значеннь . У разі ці значення характеризують нерівномірність АЧХ, пов'язану із недосконалістю узгодження лінії. У випадках і максимальні значення АЧХ () відповідають резонансним частотам , , ..., а мінімальні значення АЧХ () – частотам , , .…. Крім цих частот, при холостому ході і навантаженні на ємність необхідно визначити частоти, що відповідають смугам пропускання. Значення АЧХ при цьому становить .

10.5.3 Зібрати схему (рис.10.3) для дослідження ФЧХ (). Змінюючи частоту генератора в діапазоні 20–200 кГц, зняти залежності від частоти для випадків навантажень: ; ; .

При вимірюванні ФЧХ у разі необхідно зафіксувати частоти, що відповідають зсуву фаз (). Фігури Лісажу для () мають вигляд " ", для () – " ", а для () – " ". При холостому ході і навантаженні на ємність, крім цих частот, необхідно визначити частоти , , , що відповідають границям смуг пропускання еквівалентних контурів з резонансними частотам , , .... Для цих частот значення ФЧХ становить (). Таким чином, для навантажень і необхідно визначити частоти, для яких ().

Результати вимірювань для звести в табл.10.3, а для і – в таблиці за зразоком табл.10.4.

Таблиця 10.3 – Результати досліджень для

f, кГц

Таблиця 10.4 – Результати досліджень для і

f, кГц

10.5.4 Підготовити генератор для вимірювання частотних залежностей і . Увімкнути генератор, дати йому прогрітися 3 – 5 хвилин. Встановити на генератоі перемикач "Вих. опір " в положенняя 600 Ом, тумблер "Внутр. навантаження" – в положенняя "Викл.", а вихідну напругу перемикачем "Межі шкал" і ручкою "Регул. виходу" в режимі холостого ходу (макет не підключено) – =30 В.

Зібрати схему (рис.10.4) для вимірювання і . Змінюючи частоту генератора в діапазоні 20–200 кГц, зняти залежності від частоти вхідної () напруги для всіх видів навантажень. Результати вимірювань ( і розрахунків (; ) і (; ).звести в таблиці за зразоком табл.10.5 і табл.10.6. При розрахунках за формулами, приведеними табл.10.5 і табл.10.6, вважати .

Таблиця 10.5 – Результати досліджень

f, кГц

Таблиця 10.6 – Результати досліджень

f, кГц

При вимірюваннях необхідно зафіксувати частоти для максимальних і мінімальних значеннь . У разі ці значення характеризують нерівномірність , пов'язану із недосконалістю узгодження лінії. Максимальні значення () і ( і ) відповідають резонансним частотам , , ..., а мінімальні значення – частотам , , .….

10.6 Вказівки щодо обробки і оформлення результатів вимірювань

10.6.1 Користуючись експериментальними даними п.п 10.5.2 і 10.5.3 побудувати графіки АЧХ і ФЧХ. Для кожного із навантажень ; ; графіки і розміщують один під другим, зберігаючи однаковим масштаб за віссю частот. На графіках АЧХ і ФАХ для і порівняти значення резонансних частот , , ..., визначені за критерієм максимального значення АЧХ і за фазовим крітерієм () на ФЧХ,

10.6.2 Розрахувати залежність коефіцієнту ослаблення від частоти за формулою

,

де – АЧХ узгодженої лінії ; – довжина еквівалентної звичайної лінії; – швидкість поширення хвиль в еквівалентній звичайній довгій лінії (в розрахунках можна вважати ).

Результати розрахунків звести в табл. 10.7.

Таблиця 10.7 – Результати розрахунків

f, кГц

10.6.2 Користуючись результатами табл. 10.7, розрахувати значення

;

для частот, що відповідають максимальним і мінімальним значенням АЧХ для холостого ходу (). Порівняти розрахункові і з відповідними значеннями на графіку АЧХ для холостого ходу.

10.6.3 Розрахувати для випадку двома способами значення добротностей для еквівалентних коливальних контурів з резонансними частотами , , ...:

1) за результатами вимірювань в п. 10.5.3 значень смуг пропускання

; ; ....;

2) з використанням розрахунків (табл. 10.7)

; ; .....

Порівняти відповідні добротності.

10.6.4 Користуючись експериментальними даними п. 10.5.4 побудувати графіки і .

10.6.5 Розрахувати мінімальні і максимальні значення вхідного повного опору (при ) і вхідної повної провідності (для ) для відповідних частот:

; ;

; .

Порівняти розрахункові значення , , , із відповідними значеннями на графіках і для випадків короткого замикання і холостого ходу.

10.7 Зміст звіту:

– схема експериментальної установки;

– графіки , , і для відповідних навантажень;

– результати розрахунків;

– висновки і критична оцінка отриманих результатів.

10.8 Контрольні запитання та завдання

1. Яке практичне застосування мають узгоджені лінії, з огляду на характер їхніх АЧХ і ФЧХ?

2. Як впливає значення довжини узгоджених ідеальної та реальної ліній на їхні АЧХ і ФЧХ за напругою і струмом?

3. Назвати спільні та відмінні риси частотних характеристик послідовного резонансного контуру, складеного з елементів із зосередженими параметрами, і замкненої довгої лінії.

4. Які параметри замкненої довгої лінії з втратами (як послідовного резонансного контуру) впливають на резонансну частоту, добротність і смугу пропускання цього контуру?

5. Назвати спільні та відмінні риси частотних характеристик паралельного резонансного контуру, складеного з елементів із зосередженими параметрами, та відрізку розімкненої довгої лінії.

6. Які параметри розімкненої довгої лінії з втратами (як паралельного резонансного контуру) впливають на резонансну частоту, добротність і смугу пропускання цього контуру?

7. Як впливає ємність, увімкнена до вихідних затискачів довгої лінії, на її резонансні частоти? Чи можна використати це явище у практиці?

8. Які характерні властивості мають штучні L, C лінії затримки сигналів? Як ці лінії використовуються на практиці і в даній роботі?

?
ПЕРЕЛIК ЛІТЕРАТУРИ

1. Коваль Ю.О., Грінченко Л.В., Милютченко І.О., Рибін О.І. Основи теорії кіл: Підручник для студентів ВНЗ Ч.1.Харків: ХНУРЕ:Колегіум, 2004–436с.

2. Коваль Ю.О., Грінченко Л.В., Милютченко І.О., Рибін О.І. Основи теорії кіл: Підручник для студентів ВНЗ Ч.2.Харків: ХНУРЕ:Колегіум, 2006–668с.

3. Попов В.П. Основы теории цепей: Учебник для вузов спец. "Радиотехника". – М.:Высш. шк, 1985. – 486с.

4. Бакалов В.П., Дмитриков В.Ф., Крук Б.И. Основы теории цепей. М.: Радио и связь, 2000. – 592 с.

5. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: Учеб. для вузов. Изд. 10-е. М.: Гардарики, 2002. – 638 с.

6. Попов В.П. Основы теории цепей: Учеб. для вузов. Изд. 3-е, испр. – М.: Высш. шк., 2000. – 575 с.

7. Соболев Ю.В., Бабаєв М.М., Давиденко М.Г. Теорія електричних і магнітних кіл. – Харків: ХФВ «Транспорт України», 2002. – 264 с.

8. Татур Т.А., Татур В.Е. Установившиеся и переходные процессы в электрических цепях: Учеб. пособие для вузов. – М.: Высш. шк., 2001. – 407 с.

9. Фриск В.В. Основы теории цепей: Учеб. пособие. – М.: ИП РадиоСофт, 2002. – 288 с.

10. Витков М.Г., Смирнов Н.И. Основы теории цепей. Лабораторный практикум: Учеб. пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 2001. – 224 с.

11. Трохименко Я.К., Любич Ф.Д. Радиотехнические расчеты на микрокалькуляторах: Справ. пособие – М.:Радио и связь, 1983. – 286с.

12. Аладьев В.З., Геригорн Н.А. Вычислительные задачи на персональном компьютере. – К.: Техника, 1991. – 254 с.

Навчальне видання

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ЛАБОРАТОРНИХ РОБIТ З ДИСЦИПЛІН "ОСНОВИ ТЕОРII КІЛ", "ОСНОВИ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ", "ТЕОРІЯ ЕЛЕКТРО-РАДІОКІЛ, СИГНАЛІВ ТА ПРОЦЕСІВ В РАДІОЕЛЕКТРОНІЦІ"

для студентів денної та заочної форм навчання за напрямами:

7.090701 Радiотехніка,

6.050902 – Радіоелектронні апарати,

6.051004 – Оптотехніка,

6.170.101 – Безпека інформації в комунікаційних системах,

6.170102 – Системи технічного захисту інформації,

6.170103 – Управління інформаційною безпекою

Упорядники:

Ю.О. Коваль,

І.О. Милютченко

В.П. Самченко

Відповідальний випусковий В.М. Шокало

Редактор

Коректор

План 2007, поз.

Підп. до друк. Формат 60х84 1/16 Папір друк.

Друк. офсетний. Умов. друк. арк. Облік. вид арк.

Вид. № Тираж 150 прим. Зам. № Ціна договірна

ХНУРЕ, 61166, Харків, просп. Леніна, 14

Дата добавления: 2017-02-01