Файл: Лаб. работы ОТЦ № 10, 11, 13, 14.doc

1. Искажения прямоугольного импульса в фильтре нч

Изучите влияние постоянной времени фильтра НЧ на выходной сигнал. Для этого, заменяя резистор или конденсатор, уменьшайте постоянную времени фильтра, наблюдайте соответствующие изменения выходного сигнала и сравните их с ожидаемыми. Убедитесь, что искажения сигнала тем меньше, чем меньше постоянная времени фильтра.

Зарисуйте осциллограммы входного и выходного сигналов (на одном рисунке) для случая относительно небольших искажений ( ≈ T_и/10).

Здесь и далее осциллограммы можно зарисовывать «от руки», но с примерным соблюдением масштаба. На осциллограммах должны быть приведены шкалы значений напряжения и времени и указаны условия эксперимента.

2. Искажения прямоугольного импульса в фильтре вч

Поменяв местами резистор и конденсатор, перейдите к следующей цепи — фильтру ВЧ первого порядка. Аналогично п.1 (только не уменьшая, а увеличивая ) изучите влияние постоянной времени фильтра ВЧ на выходной сигнал и убедитесь, что искажения сигнала тем меньше, чем больше постоянная времени фильтра.

Зарисуйте осциллограммы входного и выходного сигналов для случая относительно небольших искажений ( ≈ 10 T_и).

3. Искажения прямоугольного импульса в апериодической цепи второго порядка

Соберите апериодическую цепь второго порядка в виде каскадного соединения фильтра НЧ ( ≈ T_и / 10) и фильтра ВЧ ( ≈ 10 T_и). Убедитесь, что наблюдаемые искажения сигнала качественно соответствуют ожидаемым. Зарисуйте осциллограммы сигналов (на одном рисунке) на входе цепи, на выходе (конденсаторе) первого звена и на выходе двухзвенной цепи.

4. Искажения прямоугольного импульса в последовательном колебательном контуре

Соберите последовательный колебательный контур (L = 2÷5 мГн, C = 2÷5 нФ, резистор в контур не включайте). Входное напряжение включите в контур, выходное напряжение снимайте с конденсатора. Убедитесь, что наблюдаемый выходной сигнал качественно соответствуют ожидаемому.

Зарисуйте осциллограммы выходных сигналов:

• для исходного контура;

• для контура с дополнительным резистором (20÷50 Ом).

5. Преобразование сигнала в фильтре нч с большой постоянной времени

Соберите фильтр НЧ с относительно большой постоянной времени (порядка 1 мс) и сформируйте входной сигнал в виде последовательности сдвоенных прямоугольных импульсов:

где u₀ = 0, U₁ = 1 В, U₂ = –2 В, U₃ = 1 В, , t₁ = 0, t₂ = 100 мкс, t₃ = 200 мкс, период 2 мс. Сначала наблюдайте осциллограммы входного и выходного сигналов, а затем «растяните» шкалу напряжения (для этого проще всего, временно отключив отображение генерируемого сигнала, выполнить автомасштабирование изображения по вертикальной оси).

Зарисуйте осциллограмму выходного сигнала. Обратите внимание, что выходной сигнал изменяется примерно пропорционально интегралу от входного сигнала.

6. Преобразование сигнала в фильтре вч с малой постоянной времени

Соберите фильтр ВЧ с относительно малой постоянной времени (порядка 10 мкс) и сформируйте входной сигнал в виде последовательности треугольных импульсов:

где u₀ = 0, U_И = 1 В, Т_И = t₀ = 100 мкс, период 2 мс.

Аналогично п.5 сначала наблюдайте осциллограммы входного и выходного сигналов, а затем «растяните» шкалу напряжения.

Зарисуйте осциллограмму выходного сигнала. Обратите внимание, что выходной сигнал изменяется примерно пропорционально производной входного сигнала.

Контрольные вопросы

1. Дайте качественное объяснение характера наблюдавшихся в работе процессов в апериодических цепях (первого и второго порядка) при воздействии прямоугольных импульсов.

2. Дайте качественное объяснение характера наблюдавшихся в работе процессов в колебательном контуре при воздействии прямоугольных импульсов.

3. Как, зная переходную характеристику цепи, рассчитать реакцию этой цепи на прямоугольный импульс?

4. Как, используя принцип суперпозиции, оценить реакцию линейной цепи на «кусочно-линейный» импульс?

5. В каких фильтрах (нижних частот? верхних частот? полосно-пропускающих?) наблюдались искажения «быстрых» участков импульсного сигнала, например, сглаживание фронтов (скачков) прямоугольного импульса?

6. В каких фильтрах (нижних частот? верхних частот? полосно-пропускающих?) наблюдались искажения «медленных» участков импульсного сигнала, например, спад плоской вершины прямоугольного импульса?

_____________

Лабораторная работа № 13

Резистивная цепь с нелинейным двухполюсником

Цель работы — освоить метод и получить практические навыки анализа процессов в резистивной цепи с безынерционным нелинейным двухполюсником.

Изучаются следующие основные вопросы:

1) понятие безынерционного резистивного нелинейного элемента; 2) метод анализа статического режима в цепи с резистивным нелинейным двухполюсником; 3) принцип действия диодного ограничителя напряжения.

Домашнее задание

Изучите вышеперечисленные основные вопросы. Рекомендуются учебные пособия [1] (§§ 6.1÷6.2), [2] и конспект лекций.

1. Для снятия вольтамперной характеристики диода в работе собирается цепь из последовательно соединенных миллиамперметра и диода (выходное напряжение снимается с диода).

Изобразите схему этой цепи. На схеме укажите стрелками напряжение на диоде (u) и ток диода (i).

2. В работе изучается цепь из последовательно соединенных нагрузочного резистора и полупроводникового диода (выходное напряжение снимается с диода).

Изобразите схему изучаемой цепи. На схеме укажите стрелками входное (u_вх) и выходное (u_вых) напряжения.

3. Приведите рисунок, поясняющий процессы в изучаемой цепи. На рисунке изобразите вольтамперную характеристику диода, нагрузочную прямую и рабочую точку, а также укажите характерные значения напряжения и тока (u_вх, u_вых=u_р.т., i_р.т.).

4. Изобразите вид семейства зависимостей u_вых(u_вх) для различных значений сопротивления нагрузки R.

5. Изобразите вид осциллограмм напряжений на входе u_вх(t) и на элементах изучаемой цепи u_вых(t) и u_R(t) при подаче на ее вход гармонического напряжения.

Лабораторное задание

Подготовка установки к работе

Для сборки цепи из имеющихся элементов подберите полупроводниковый диод и два резистора (1÷2 кОм и 2050 кОм).

На стенде «Сигнал–1», используя имеющийся в нем источник постоянного напряжения и внешний миллиамперметр, соберите цепь для снятия вольтамперной характеристики диода.

1. Измерение вольтамперной характеристики диода

Снимите по точкам вольтамперную характеристику полупроводникового диода. Постройте ее график в необходимых для дальнейшей работы пределах (от –4 до 4 В и от 0 до 5 мА).

2. Измерение характеристики uвых (uвх) исследуемой цепи

Соберите исследуемую цепь из нагрузочного резистора (R=2050 кОм) и полупроводникового диода. Подключите к цепи генераторно-измери­тельную систему: напряжение с генераторного выхода системы подайте на вход цепи, а напряжение с выхода цепи (с диода) — на измерительный вход системы.

Включите генераторно-измерительную систему (ее ярлык — на рабочем столе) и подготовьте ее к измерениям:

• установите режим изучения характеристик (осциллограмм) сигналов и удобную для дальнейшей работы шкалу напряжения (от –4 до 4 В);

• оставьте отображение только расчетного входного сигнала и сформируйте постоянное напряжение u_вх(t)=u₀, где u₀=0;

• включите отображение реального генерируемого сигнала. Проверьте, что генерируемое напряжение действительно равно нулю. Если это не так, то выполните сервисную программу «калибровка»;

• включите отображение измеряемого сигнала (отображение генерируемого сигнала тоже оставьте, а расчетного входного — отключите).

Варьируя u₀, снимите по точкам зависимость u_вых(u_вх) (в пределах u_вх от –4 до 4 В). Измеренные напряжения сведите в таблицу. Измеренные значения u_{вых.мин} и u_{вых.макс} сравните с рассчитанными по вольтамперной характеристике диода (п.1) и нагрузочной прямой.

3. «Автоматизированное» измерение характеристики uвых (uвх) исследуемой цепи

Освойте методику «автоматизированного» измерения характеристики u_вых(u_вх) безынерционной нелинейной цепи с помощью генераторно-измерительной системы:

• в режиме изучения осциллограмм сигналов оставьте отображение только расчетного входного сигнала;

• сформируйте пилообразное напряжение:

где u₀ = 0, U_И = 8 В, Т_И = 8 мс, t₀ = 0 , период 8 мс. Установите удобные для дальнейшей работы шкалы времени (от –4 до 4 мс) и напряжения (от –4 до 4 В) (это удобно сделать поочередным автомасштабированием по горизонтали и вертикали);

• включите отображение реального генерируемого сигнала (отображение расчетного входного сигнала отключите). Проверьте, что мгновенные значения реального входного напряжения (в вольтах) численно совпали с соответствующими значениями времени (в миллисекундах). Если это не так, то добейтесь такого совпадения, скорректировав введенные параметры входного напряжения (u₀ и U_и);

• включите отображение измеряемого сигнала (отображение генерируе­мого сигнала отключите). При этом осциллограмма измеряе­мого выходного напряжения u_вых(t) (если время в мс) численно совпадает с характеристикой безынерционной нелинейной цепи u_вых(u_вх).

4. Изучение характеристики диодного ограничителя напряжения

Наблюдайте измеряемую характеристику собранного диодного ограничителя и зарисуйте ее (со шкалами u_вых и u_вх в вольтах). Сравните результаты измерений «автоматизированным» способом и «по точкам»; для этого измеренные в п.2 точки нанесите на зарисованную характеристику (выделите эти точки любыми хорошо заметными символами).

5. Влияние сопротивления нагрузки на характеристику ограничителя напряжения

Параллельно резистору нагрузки подключите шунтирующий резистор (1÷2 кОм) и наблюдайте изменение характеристики ограничителя при подключении и отключении шунта. Новую характеристику нанесите на тот же рисунок (п.4). Дальнейшие исследования проводите при сопротивлении нагрузки, обеспечивающем более четкое ограничение напряжения.