Цель работы: научиться измерять коэффициент передачи в простых цепях с помощью осциллографа, исследовать входные и передаточные характеристики простых цепей с одним реактивным элементом, научиться определять диапазон частот, в которых входное сопротивление цепи имеет практически чисто резистивный или чисто реактивный характер.
Приборы и принадлежности: кассета ФПЭ-09/ПИ, источник питания, генератор, осциллограф.
Описание установки
На плате ФПЭ-09 установлены элементы: активные сопротивления R1 и R2,реактивные емкость С и индуктивность L, а также плата коммутатора A1 (рисунок 9.6).
| X1 |
| X2 |
| X3 |
| X4 |
| X5 |
| L |
| R1 |
| C |
| R2 |
| SB1 |
| SB2 |
| SB3 |
| A1 |
Рисунок 9.6 – Принципиальная схема установки
На передней панели установлен кнопочный переключатель SB, позволяющий исследовать колебания в трех различных целях: в цепи, содержащей активные сопротивления R1 и R2 , активное сопротивление R2 и емкость С; активное сопротивление R2 и индуктивность L.
Входной сигнал от генератора, характеризуемый амплитудой до 3 В и частотой в пределах 20–100 кГц подается на гнезда X1, Х2. Осциллограф подключается к выходным гнездам ХЗ, Х4, Х5.
Для определения сдвига фаз и разности амплитуд сигналов, поступающих на вход цепи и снимаемых с выхода, используется коммутатор А1, который позволяет наблюдать на экране осциллографа одновременно входной сигнал и выходной, снимаемый с сопротивления R2. Для получения устойчивого изображения на экране осциллографа с гнезда Х3 подается сигнал на вход «синхронизация» осциллографа.
| U |
| t |
| U |
| U1 |
| U |
| b |
| a |
Рисунок 9.7 – Определение сдвига фаз
осциллографическим способом
Ход работы
Упражнение 1. Изучение электрических процессов в цепи, содержащей два резистора.
1 Согласно рисунку 9.6 к кассете ФПЭ-09 подключите источник питания через разъем, осциллограф и генератор. Переключателем S11 включите сопротивление R1, при этом C и L выключены. Получите схему, показанную на рисунке 9.1.
2 Зарисуйте колебания, наблюдаемые на экране осциллографа при частоте f = 20 кГц.
3 Рассчитайте коэффициенты передачи, имея в виду, что R1 = 470 Ом, R2 =51 Ом. Получите этот же результат опытным путем, сравните. Обратите внимание, что сдвиг фаз между входным U1 и выходным напряжением U2 отсутствует.
4 Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 9.1.
Таблица 9.1 – Расчетные и экспериментальные данные
| Uвх , В | Uвых , В | К |
Упражнение 2. Изучение электрических процессов в цепи, содержащей резистор и конденсатор.
1 Выключите сопротивление R1 и включите емкость C. Получите схему, показанную на рисунке 9.2.
2 Зарисуйте колебания, наблюдаемые на экране осциллографа при частоте f = 20 кГц.
3 Определите угол сдвига фаз между силой тока в цепи и входным напряжением. Для этого измерьте в делениях шкалы экрана осциллографа сдвиг по времени между изображениями двух исследуемых сигналов (а) и период колебаний (б) (рисунок 9.7).
4 Разность фаз рассчитайте по формуле
. (9.8)
5 Повторите задания пунктов 2 и 3 при частоте генератора f = 100 кГц.
6 Произведите измерения амплитуд напряжений на входе и выходе цепи при различных значениях частоты генератора (от 20 кГц до 100 кГц с шагом 10 кГц).
7 Рассчитайте коэффициент передачи К цепи по формуле 
для всего исследованного диапазона частот.
8 Постройте график зависимости 
.
9 C помощью графика оцените емкость С конденсатора. Для этого определите угол наклона α линейного участка графика к оси f, получите 
, откуда 
.
10 По формуле (9.5) рассчитайте разность фаз φ при двух значениях частоты генератора: 20 и 100 кГц. Сравните результаты расчета с результатами непосредственного измерения угла φ.
11 Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 9.2.
Таблица 9.2 – Расчетные и экспериментальные данные
| f, Гц | Uвх , В | Uвых , В | K | C, Ф | a, дел | b, дел | φизм , град | φрасч , град |
Упражнение 3. Изучение электрических процессов в цепи, содержащей резистор и катушку индуктивности.
1 Выключите емкость C и включите индуктивное сопротивление L.
2 Зарисуйте колебания, наблюдаемые на экране осциллографа при частоте f = 20 кГц.
3 Определите угол сдвига фаз между силой тока в цепи и входным напряжением при частоте f = 20 кГц. Для этого измерьте в делениях шкалы экрана осциллографа сдвиг по времени между изображениями двух исследуемых сигналов (а) и период колебаний (б) (рисунок 9.7). Разность фаз рассчитайте по формуле (9.8).
4 Повторите задания пунктов 2 и 3 при частоте генератора f = 100 кГц.
5 Произведите измерения амплитуд напряжений на входе и выходе цепи при различных значениях частоты генератора (от 20 кГц до 100 кГц с шагом 10 кГц).
6 Рассчитайте коэффициент передачи К цепи по формуле для всего исследованного диапазона частот.
7 Постройте график зависимости 
.
8 C помощью графика 
оцените индуктивность L катушки. Для этого определите угол наклона α линейного участка графика к оси 1/f, получите 
, откуда 
.
9 По формуле (9.7) рассчитайте разность фаз φ при двух значениях частоты генератора: 20 и 100 кГц. Сравните результаты расчета с результатами непосредственного измерения угла φ.
10 Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 9.3.
Таблица 9.3 – Расчетные и экспериментальные данные
| f, Гц | 1/ f, с | Uвх , В | Uвых , В | K | L, Гн | a, дел | b, дел | φизм , град | φрасч , град |
Тема 10
