Чтобы скачать эту работу пришлите любую свою работу. В. В. Логвинов теория электрических цепей, схемотехника телекоммуникационных устройств, радиоприемные устройства систем мобильной связи, радиоприемные устройства систем радиосвязи и радиодоступа лабораторный практикум
 Скачать 5.6 Mb.
|
|
3 Предварительный расчет 3.1 Рассчитать значения всех элементов звена первого порядка ФНЧ Баттерворта (рис. 1), если коэффициент усиления звена k=2, частота среза f 2 =500 Гц. Рис. 1 Занесите полученные данные в таблицу 1 отчета. Таблица 1 Коэффициент ARC-ФНЧ Баттерворта А 1 1 Коэффициент усиления звена k 2 4 Частота среза, Гц f C =f 2 500 500 Угловая частота, рад/с C С 1 , Ф R 1 , Ом R 2 , Ом R 3 , Ом 3.2 Получить операторную передаточную функцию напряжения H(p) звена первого порядка ФНЧ Баттерворта (рис. 1), построить графики АЧХ и ФЧХ, данного звена f [0; 1] кГц. Занесите полученные графики в соответствующий раздел отчета. 3.3 Повторите все вычисления и построения для k=4. 139 4 Порядок выполнения работы Операторная передаточная функция звена первого порядка ФНЧ Баттерворта С =2 f C ; , , Величины элементов можно рассчитать по следующим формулам: , Ф; , Ом; , Ом; , Ом. 4.1 Запуск программы схемотехнического моделирования Micro-Cap Включить ЭВМ и запустить программу Micro-Cap C:\MC10DEMO\mc10demo.exe или ПУСК\Все программы\Micro-Cap 10 Evaluation\Micro-Cap 10 Evaluation. В появившемся окне Micro-Cap Evaluation Version (рис. 2) собрать исследуемую схему активного ФНЧ Баттерворта (рис. 1). 140 Рис. 2 4.2 Сборка активного ФНЧ Баттерворта Собрать схему с источником синусоидального напряжения, конденсатором и двумя резисторами (рис. 1). 4.2.1 Ввод источника синусоидального напряжения Ввести источник V1 синусоидального напряжения (Sin Source) с амплитудой U m =1 В=A=1, частотой F=1 кГц =F=1k. Откройте меню Component\Analog Primitives\Waveform Sources и выберите Sin Source (рис. 3). 141 Рис. 3 Курсор примет форму графического изображения источника (круг со стрелкой). Поместите его на рабочее окно. Зафиксируйте это положение, щелкнув левой клавишей мыши. Появиться окно Sin Source. Введите 1V в окне Value, F=1k, A=1, RS=1m. Остальные значения равными нулю (рис. 4). Рис. 4 142 Убедитесь, что источник правильно работает. Щелкните мышкой на кнопке Plot. Появиться окно Plot с зависимостью напряжения источника от времени (рис.5). Рис. 5 Закройте это окно, щелкнув на кнопке Закрыть (рис. 5). Нажмите кнопку ОК (рис. 4). 4.2.2 Ввод земли Выберите землю Ground (рис. 6) или откройте меню Component\Analog Primitives\Connectors\Ground. Рис. 6 Установите землю, снизу от источника V1 (рис. 7). Рис. 7 Аналогичным способом введите еще две земли. 143 4.2.3 Ввод резисторов Ввести резисторы R1, R2 и R3. Соответствующие им номиналы возьмите из таблицы 1 предварительного расчета. Выберите резистор Resistor (рис. 8) или откройте меню Component\Analog Primitives\Passive Components\Resistor. Рис. 8 Курсор примет форму резистора (прямоугольник с выводами). Поместите его на рабочее окно, возле источника и щелкните левой кнопкой мыши. Появиться окно Resistor. Введите значение сопротивления резистора R1 в окне Value (рис. 9). Рис. 9 Нажмите кнопку OK. Поверните резистор используйте кнопку Rotate (рис. 10). Рис. 10 144 Аналогичным способом введите второй резистор R2 и R3. В окне редактора появиться следующее изображение (рис. 11). Рис. 11 4.2.4 Ввод батарей Ввести источники постоянного напряжения для питания операционного усилителя V2=V3=22 В=22V. Выберите Battery или откройте меню Component\Analog Primitives\Waveform Sources\Battery. Зафиксируйте положение батареи, щелкнув левой клавишей мыши. Появиться окно Battery. Введите значение (Value) 22 вольт 22V (рис. 12). Рис. 12 Убедитесь, что источник правильно работает. Щелкните мышкой на кнопке Plot. Появиться окно Plot с зависимостью напряжения источника от времени (рис. 13). 145 Рис. 13 Закройте это окно, щелкнув на кнопке Закрыть (рис. 13). Нажмите кнопку ОК (рис. 12). Аналогичным способом введите батарею V3. 4.2.5 Ввод конденсатора Ввести конденсатор С1. Его номинал возьмите из таблицы 1 предварительного расчета. Введите конденсатор (рис. 14) или откроите меню Component\Analog Primitives\Passive Components и выберите команду конденсатор Capacitor. Рис. 14 146 Курсор примет форму прибора (две параллельные линии с двумя выводами). Поместите его на рабочее окно, правее V1 и щелкните левой кнопкой мыши. Появиться окно Capacitor. Введите значение емкости в окне Value (рис. 15). Рис. 15 Нажмите кнопку OK. В окне редактора появиться следующее изображение (рис. 16). Рис. 16 4.2.6 Ввод операционного усилителя Установите операционный усилитель X1 (LF155). Откройте меню Component\Analog Library\Opamp\General\L-\LF147 и выберите операционный усилитель LF155 (рис. 17). 147 Рис. 17 Зафиксируйте его на рабочем столе, щелкнув левой клавишей мыши. В появившемся окне будет выбранная марка операционного усилителя (Value) LT155 (рис.18). 148 Рис. 18 Выберите модель операционного усилителя LEVEL 1. Нажмите кнопку ОК (рис. 18). В окне редактора появиться следующее изображение (рис. 19). 149 Рис. 19 4.2.7 Ввод проводников Соедините все элементы проводниками. Для этого нажмите на кнопку ввода ортогональных проводников Wire Mode и удерживая левую кнопку мыши «прочертите» соединяя необходимые полюсы элементов. Включите нумерацию полюсов в схеме Node Numbers (рис. 20). Рис. 20 В случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки учебного процесса (http://frisk.newmail.ru/) файл L35_1.CIR (File\Open…) (рис. 21). 150 Рис. 21 4.3 Анализ частотных характеристик фильтра Баттерворта 4.3.1 Получите зависимости амплитуды напряжения на выходе V(6) ФНЧ от частоты f (АЧХ) и PH(V(6)) ФЧХ. Для этого в меню Analysis выберите команду AC… (рис. 22). Рис. 22 На экране появиться окно AC Analysis Limits, в котором следует задать параметры построения требуемых графиков, так как показано на рис. 23. 151 Рис. 23 Frequency Range «1k,1» – частотный интервал fmax[, fmin]. P номер окна «1», «2» в котором будет построен график. X Expression «f» – аргумент функции. Y Expression «MAG(V(6))» и «PH(V(6))» – имена функций. Maximum Time Step «0.01m» максимальный шаг интегрирования. X Range «1m,0,0.1m» - интервал отображения аргумента по оси Х. Y Range «2,0,0.4» и «0,-90,15» - интервалs отображения аргументов по оси Y. Запустите построение, нажав кнопку Run. На экране появиться графики АЧХ и ФЧХ фильтра Баттерворта (рис.24). Рис. 24 Замечание. Если кривые не появились, то на клавиатуре нажмите клавишу F9 и убедитесь, что все величины для построения графиков введены правильно. Нажмите кнопку Run. Скопируйте полученные кривые в отчет. По соответствующему графику определите коэффициент усиления данного звена. На графиках обозначьте полосу пропуская фильтра. 152 4.3.2 Повторите предыдущий эксперимент для k=4. 5 Обработка результатов машинного эксперимента Сравнить полученные графики и данные с графиками и данными, полученными в предварительном расчете. Сделать выводы по каждому пункту исследования. 6 Вопросы для самопроверки 1. Какие фильтры называются активными? Приведите пример. 2. Какие фильтры называются фильтрами Баттерворта? Приведите пример. 2. Что такое АЧХ и ФЧХ фильтра? Приведите пример. 3. В чем преимущества активных фильтров перед пассивными? 4. В чем недостатки активных фильтров по отношению к пассивным? 7 Содержание отчета Отчет оформляется в формате MS Word. Шрифт Times New Roman 14, полуторный интервал. Для защиты лабораторной работы отчет должен содержать следующий материал: титульный лист; цель работы; результаты предварительного расчета и машинного эксперимента; графики исследуемых зависимостей; выводы. К отчету должны быть приложены в напечатанном виде вопросы для самопроверки и ответы на них. 8 Литература 1. Фриск В.В. Основы теории цепей. –М.: РадиоСофт, 2002. - 288 с. 2. Бакалов В.П., Дмитриков В.Ф., Крук Б.И. Основы теории цепей. –М.: Радио и связь, 2003. - 592 с. 3. Амелина М. А., Амелин С.А. Программа схемотехнического моделирования Micro- Cap Версии 9, 10. – Смоленск, Смоленский филиал НИУ МЭИ, 2012. – 617 с. 153 Лабораторная работа № 36 Исследование удвоителя напряжения 1 Цель работы С помощью машинного эксперимента изучить основные принципы работы удвоителя напряжения. Исследовать характеристики и форму напряжения на нагрузке. Сравнить полученные характеристики с помощью программы Micro-Cap, с аналогичными характеристиками, полученными расчетным путем. 2 Задание для самостоятельной подготовки Изучить основные положения теории электрических цепей о схемах с диодами стр. 177- 182 [1], 462-464 [2], 40-45 [4], выполнить предварительный расчет; письменно ответить на вопросы для самопроверки. Познакомится с возможностями схемотехнического моделирования [3]. 3 Предварительный расчет 3.1 На рис. 1 приведена простейшая схема удвоения напряжения Рассчитать значение напряжения на резисторе нагрузки R 1 , если e 1 (t)=E m sin(2πft) В, t [0; 10] мс, амплитуда напряжения генератора E m =2 В, частота генератора f=2 кГц, C 1 =1 мкФ, R 1 =10 кОм, диод VD1=1N5391. Рис. 1 Занесите полученные данные в таблицу 1 отчета. 154 3.2 На рис. 2 приведена более сложная схема удвоения напряжения. Рассчитать значение напряжения на резисторе нагрузки R 1 , если e 1 (t)=E m sin(2πft) В, t [0; 10] мс, амплитуда напряжения генератора E m =2 В, частота генератора f=2 кГц, C 1 =C 2 =1 мкФ, R 1 =10 кОм, диоды VD1=VD2=1N5391. Рис. 2 Занесите полученные данные в таблицу 1 отчета. Таблица 1 По предварительному расчету Получено экспериментально Напряжение на нагрузке (схема рис. 1). U R1 , В Напряжение на нагрузке (схема рис. 2). U R1 , В 4 Порядок выполнения работы Для повышения напряжения часто используют специальные схемы называемые удвоителями напряжения. На вход такой цепи подается переменное напряжение. На выходе получается постоянное напряжение по величине примерно в два раза больше чем напряжение на входе (рис. 3). 155 Рис. 3 Простейший удвоить напряжения состоит из диода и конденсатора. На рис. 4 показана схема однополупериодного выпрямителя с удвоением напряжения. Из этого рисунка видно, что напряжение на нагрузке получается пульсирующим от 0, когда диод VD1 открыт, до 2E m , когда диод закрыт. Напряжение на конденсаторе C 1 не превышает E m Рис. 4 Недостатком однополупериодной схемы с удвоением напряжения является большая пульсация напряжения на нагрузке и большое внутреннее сопротивление схемы. На рис. 5 показана однокаскадная схема удвоения напряжения, состоящая из двух диодов и двух конденсаторов. 156 Рис. 5 Рассмотрим принцип работы этой цепи (рис. 6). Рис. 6 На этой эквивалентной схеме диоды VD1 и VD2 условно изображены ключами. В момент, когда входное напряжение имеет, отрицательную полярность (рис. 6, а), диод VD1 открыт (ключ замкнут), а диод VD2 закрыт (ключ разомкнут) и конденсатор C 1 практически заряжается до амплитуды E m входного сигнала. При изменении полярности, когда входное напряжение имеет положительную полярность (рис. 6, б) диод VD1 закроется (ключ разомкнут), а диод VD2 откроется (ключ замкнут). В этом случаи положительное напряжение на аноде диода VD2 станет равным сумме напряжений 157 амплитуды входного напряжения и ранее накопленного напряжения на конденсаторе С 1 . На нагрузке получится несимметричное относительно нулевого потенциала земли напряжение, которое будет примерно равно удвоенной амплитуде входного сигнала 2E m Паление напряжения ∆U и пульсации напряжения U (рис. 5), обусловлены разрядом конденсатора С 1 . При отсутствии нагрузки выходное напряжение будет максимальным. Достоинством этой схемы является небольшое количество деталей, отсутствие катушек индуктивности и малая величина пульсаций напряжения на нагрузке. Данную схему можно использовать как составной элемент для каскадного умножения при получении сверхвысоких постоянных напряжений. 4.1 Запуск программы схемотехнического моделирования Micro-Cap Включить ЭВМ и запустить программу Micro-Cap C:\MC10DEMO\mc10demo.exe или ПУСК\Все программы\Micro-Cap 10 Evaluation\Micro-Cap 10 Evaluation. В появившемся окне Micro-Cap Evaluation Version (рис. 7) собрать исследуемую схему простейшего удвоителя напряжения (рис. 1). 158 Рис. 7 4.2 Сборка удвоителя напряжения Собрать схему с источником синусоидального напряжения, конденсатором, диодом и резистором (рис. 1). 4.2.1 Ввод источника синусоидального напряжения Ввести источник V1 синусоидального напряжения (Sin Source) с амплитудой E m =2 В=A=2, частотой F=2 кГц =F=2k. Откройте меню Component\Analog Primitives\Waveform Sources и выберите Sin Source (рис. 8). 159 Рис. 8 Курсор примет форму графического изображения источника (круг со стрелкой). Поместите его на рабочее окно. Зафиксируйте это положение, щелкнув левой клавишей мыши. Появиться окно Sin Source. Введите 1V в окне Value, F=2k, A=2, RS=1m. Остальные значения оставьте равными нулю (рис. 9). 160 Рис. 9 Убедитесь, что источник правильно работает. Щелкните мышкой на кнопке Plot. Появиться окно Plot с зависимостью напряжения источника от времени (рис.10). Рис. 10 Закройте это окно, щелкнув на кнопке Закрыть (рис. 10). Нажмите кнопку ОК (рис. 9). 161 4.2.2 Ввод земли Выберите землю Ground (рис. 11) или откройте меню Component\Analog Primitives\Connectors\Ground. Рис. 11 Установите землю, снизу от источника V1 (рис. 12). Рис. 12 4.2.3 Ввод резистора Ввести резистор нагрузки R1=10 кОм=10k. Выберите резистор Resistor (рис. 13) или откройте меню Component\Analog Primitives\Passive Components\Resistor. Рис. 13 Курсор примет форму резистора (прямоугольник с выводами). Поместите его на рабочее окно, возле источника и щелкните левой кнопкой мыши. Появиться окно Resistor. Введите значение сопротивления резистора R1=10k в окне Value (рис. 14). 162 Рис. 14 Нажмите кнопку OK. Поверните резистор используйте кнопку Rotate (рис. 15). Рис. 15 4.2.4 Ввод конденсатора Ввести конденсатор С1=1 мкФ=1u. Введите конденсатор (рис. 16) или откроите меню Component\Analog Primitives\Passive Components и выберите команду конденсатор Capacitor. 163 Рис. 16 Курсор примет форму прибора (две параллельные линии с двумя выводами). Поместите его на рабочее окно, правее V1 и щелкните левой кнопкой мыши. Появиться окно Capacitor. Введите значение емкости в окне Value (рис. 17). Рис. 17 Нажмите кнопку OK. 4.2.5 Ввод диода Установите диод VD1=D1=1N5391. Откройте меню Component\Analog Library\Diode\Rectifier\1-\1N5186-\1N5391 и выберите диод 1N5391 (рис. 18). Рис. 18 Зафиксируйте его на рабочем столе, щелкнув левой клавишей мыши. В появившемся окне будет выбранная марка диода (Value) 1N5391 (рис.18). 164 Рис. 19 Выберите модель диода LEVEL 1. Нажмите кнопку ОК (рис. 19). В окне редактора появиться следующее изображение (рис. 20). Рис. 20 165 4.2.6 Ввод проводников Соедините все элементы проводниками. Для этого нажмите на кнопку ввода ортогональных проводников Wire Mode и удерживая левую кнопку мыши «прочертите» соединяя необходимые полюсы элементов (рис. 21). Рис. 21 В случае возникновении проблем загрузите с сайта поддержки учебного процесса (http://frisk.newmail.ru/) файл L36_1.CIR (File\Open…) (рис. 22). Рис. 22 166 4.3 Анализ работы удвоителя напряжения 4.3.1 Получите зависимости напряжений удвоителя на входе u BX (t)=v(V1), на конденсаторе u C1 (t)=v(C1) и на нагрузке u H (t)=V(R1), от времени t. Для этого в меню Analysis выберите команду Transient… (рис. 23). Рис. 23 На экране появиться окно Transient Analysis Limits, в котором следует задать параметры построения требуемых графиков, так как показано на рис. 24. Рис. 24 Time Range «10m» – интервал расчета временного процесса tmax[, tstart]. 167 Maximum Time Step «0.01m» максимальный шаг интегрирования. P номер окна «1» в котором будет построен график. X Expression «t» – аргумент функции. Y Expression «v(V1)), v(C1) и v(R1)» – входное напряжение, напряжение на конденсаторе и выходное напряжение. X Range «0.01,0,0.001» – интервал и шаг отображения аргумента по оси Х. Y Range «4,-4,1» – интервал и шаг отображения функции по оси Y. Запустите построение, нажав кнопку Run. На экране появиться графики входного напряжения, напряжения на конденсаторе и на нагрузке (рис.25). Рис. 25 Замечание. Если кривые не появились, то на клавиатуре нажмите клавишу F9 и убедитесь, что все величины для построения графиков введены правильно. Нажмите кнопку Run. Скопируйте полученные кривые в отчет. Сделайте вывод. По полученному графику определите величину выходного напряжения и занесите ее в таблицу 1. 4.3.2 Соберите схему удвоителя (рис. 2). Добавьте к предыдущей схеме еще один диод VD2=D2 и конденсатор С2=1 мкФ=1u (рис.26). 168 Рис. 26 Получите зависимости напряжения удвоителя на входе u BX (t)=v(V1) и на нагрузке u H (t)=V(R1), от времени t. Скопируйте полученные кривые в отчет. Сделайте вывод. По полученному графику определите величину выходного напряжения и занесите ее в таблицу 1. 5 Обработка результатов машинного эксперимента Сравнить полученные результаты с данными, полученными в предварительном расчете. Сделать выводы по каждому пункту исследования. 6 Вопросы для самопроверки 1. Что называют удвоителями напряжения. Приведите пример. 2. Объясните работу простейшего удвоителя (рис. 1) с помощью его эквивалентной схемы. 2. Каков принцип удвоения напряжения в удвоителе (рис. 2)? 3. На какое напряжение должны быть рассчитаны элементы в удвоителях напряжения? 4. Какое максимальное значение выходного напряжения может быть достигнуто в схеме удвоения? 5. Перечислите достоинства и недостатки основных схем удвоения напряжения. 169 7 Содержание отчета Отчет оформляется в формате MS Word. Шрифт Times New Roman 14, полуторный интервал. Для защиты лабораторной работы отчет должен содержать следующий материал: титульный лист; цель работы; результаты предварительного расчета и машинного эксперимента; графики исследуемых зависимостей; выводы. К отчету должны быть приложены в напечатанном виде вопросы для самопроверки и ответы на них. 8 Литература 1. Фриск В.В. Основы теории цепей. –М.: РадиоСофт, 2002. - 288 с. 2. Бакалов В.П., Дмитриков В.Ф., Крук Б.И. Основы теории цепей. –М.: Радио и связь, 2003. - 592 с. 3. Амелина М. А., Амелин С.А. Программа схемотехнического моделирования Micro- Cap Версии 9, 10. – Смоленск, Смоленский филиал НИУ МЭИ, 2012. – 617 с. 4. Лавринович В.А. Высоковольтные испытательные установки и измерения: учебное пособие по лабораторным работам / В. А. Лавринович. - Томск: Изд-во ТПУ, 2010.-50 с. |