12114

Исследование свободных колебаний в контуре

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа № 2 Тема: Исследование свободных колебаний в контуре Цель: Научиться измерять параметры свободных колебаний в контуре анализировать влияние изменений реактивного и активного сопротивлений контура на параметры свободных колебаний определ

Русский

2013-04-24

216.5 KB

21 чел.

Лабораторная работа № 2

Тема: Исследование свободных колебаний в контуре

Цель: Научиться измерять параметры свободных колебаний в контуре, анализировать влияние изменений реактивного и активного сопротивлений контура на параметры  свободных колебаний, определять коэффициенты, характеризующие затухание свободных колебаний.

Оборудование: ПЭВМ, программа Electronics Workbench 5.12, тестовая программа «MyTest», лабораторная установка, генератор импульсных сигналов, осциллограф, мультимедиапроектор .

1 Краткие теоретические сведения

Эквивалентная схема реального контура (рисунок 1) содержит индуктивность L, ёмкость, С и активное сопротивление r, которое равно сумме активных сопротивлений в индуктивности (rL) и ёмкости rс.

 

            Рисунок 1 – Эквивалентная схема реального колебательного контура

В реальном контуре периодическое преобразование реактивной энергии (электрической в магнитную и обратно) сопровождается потерями на сопротивлении r, вследствие чего амплитуда колебаний уменьшается от периода к периоду или свободные колебания в реальном контуре имеют затухающий характер.

Амплитуда свободных колебаний Im(t) с течением времени t изменяется по экспоненциальному закону (рисунок 2).

             Рисунок 2 – Временные диаграммы мгновенного (а) и амплитудного (б) 

значений тока в реальном контуре при свободных колебаниях в нем

;

где Iom – амплитуда тока в начале процесса (t = 0);

     ц – постоянная времени контура

                                   ц = 2L/r ;                                                           (2)

Мгновенное значение тока в контуре.

где 0 – угловая частота свободных колебаний контура.

Мгновенное значение напряжения на индуктивности контура.

;

где Uom – начальная амплитуда напряжения;

      φ – сдвиг по фазе между напряжением UL и током i(φ = arctg (0τц)).

С увеличением сопротивления потерь r постоянная времени контура τц уменьшается, и амплитуда колебаний Im убывает быстрее.

          Частота свободных колебаний равна

,

где – характеристическое сопротивление контура.  

                                                .                                                      (6)

Так как r исчисляется несколькими, а – сотнями Ом, то r2/42 <<1. Тогда

.

Свободные колебания в контуре возможны только при r < 2. В противном случае подкоренное выражение в формуле (5) отрицательное и собственная частота контура ω оказывается мнимой величиной. Физически это означает, что потери в контуре настолько велики, что перезаряд конденсатора становится невозможным и разряд его приобретает апериодический характер (рисунок 3).

Добротность колебательного контура определяется из выражения

                                               .                                                    (8)

 

Затухание колебаний d определяется из выражения

                                               .                                                   (9)

 Реактивные сопротивления индуктивности и ёмкости определяются из выражений

                                      L,       .                                                 (10)

                                      

            Рисунок 3 – Ток в контуре при апериодическом разряде конденсатора

Переход от колебательного разряда к апериодическому совершается при критическом затухании, соответствующему равенству r = 2.

2 Ход работы

2.1.Включить ЭВМ

2.2.Запустить программу Electronic Workbench 5.12.

2.3.Открыть файл схемы (Файл \ открыть \диск М \ Радиотехническое отделение \  Радиотехника \ Лабораторная работа№2\схема лр№2).

                                       Рисунок 4 – Схема лабораторной установки

Схема лабораторной установки (рисунок 4) представляет собой колебательный контур, параметры L и  C которого можно изменять. Сопротивление R – это активное сопротивление катушки индуктивности L (сопротивление потерь колебательного контура). Емкость С1 обеспечивает подключение импульсного генератора к колебательному контуру и исключает постоянную составляющую напряжения на контуре. Осциллограф подключен каналом А (красная линия) к выходу генератора, а каналом В – к колебательному контуру. «Земля» осциллографа и  генератора подключена к общей точке схемы.

             2.4. Вывести окно осциллографа. Для этого необходимо двойным щелчком левой клавиши мыши нажать на осциллограф, в появившемся окне нажать «Expand» :

            2.5. Запустить моделирование на 3-5 секунд с помощью выключателя моделирования. Нажимая одинарным щелчком левой  клавиши мыши на стрелки (1) и (2) (рисунок 5)  продвинуть получившуюся осциллограмму  влево или вправо до тех пор, пока на  экране не появятся 2 импульса, между которыми наблюдаются затухающие синусоидальные колебания.

При этом масштаб развёртки по времени осциллографа(Tame base) должен быть установлен равным 0.02ms/div. Развёртка по времени регулируется с помощью стрелок (3), по напряжению ( вольт на деление) канала А- стрелками(4), канала В - стрелками(5). Изменение цвета фона осуществляется нажатием на «Reverse».

 

                                      Рисунок – 5 Окно осциллографа

Изменить величину емкости С, прибавив к емкости значение С=3пФ*№варианта (№варианта соответствует № фамилии в списке группы).Рассчитанное значение емкости С необходимо взять за исходное.

          2.6. Запустить моделирование на 3-5 секунд с помощью выключателя моделирования. Зарисовать осциллограмму затухающих колебаний на миллиметровой бумаге.

          2.7.На полученной осциллограмме измерить две соседние амплитуды

ab и cd (см. рисунок 6).

         Для этого необходимо масштаб развёртки по времени осциллографа (Tame base) уменьшить. Нажать левой клавишей мыши на  стрелку (1) (рисунок 7) и удерживая её передвигать вертикальную линию до амплитудного значения колебаний. Точное значение напряжения  показывается в окне (2) (рисунок 7).

             Вычислить логарифмический декремент затухания колебаний G и добротность Q по формулам G = (abcd) / ab; Q = p/G; (p = 3,14).

                     Рисунок 6– Осциллограмма затухающих колебаний

 

                Рисунок  7 –  Измерение амплитудных значений

          2.8 Записать выражение для полученной осциллограммы напряжения (см.выражение 4).

              Определить:

начальную амплитуду колебаний U0m (см. рисунок 3, где ток I0m можно заменить на напряжение U0m);

  период колебаний T0 (интервал времени между двумя повторяющимися  

мгновенными значениями с учётом одинакового знака их изменения (см. рисунок 6).

  частоту колебаний f0 =1/Т0.

         угловую частоту w0 = 2πf0.

         длину волны сводных колебаний l0=c/f0, где с – скорость света.

2.9  Используя параметры L, C,R, рассчитать частоту свободных колебаний w0 (см. выражение7), характеристическое сопротивление r (см. выражение6), добротность Q (см. выражение 8), затухание d  (см. выражение 9), реактивные сопротивления ХL, XC  (см. выражение 10), постоянную времени цепи τц (см. выражение 2).

          2.10. Изменить индуктивность L,увеличив ее в два раза и повторить измерения и расчёты сделанные в п. 2.6, 2.7, 2.8, 2.9.

          2.11.Восстановить значение индуктивности L, сделав ее равной L=1.5mH,а изменить емкость С, увеличив ее в два раза, и повторить измерения и расчёты сделанные в п. . 2.6, 2.7, 2.8, 2.9.  

         2.12.. Изменить сопротивление R, сделав его последовательно равным R= 100Ом и R=5кОм. Убедиться в переходе от колебательного процесса к апериодическому (R>2ρ).

         2.13. Измеренные и рассчитанные данные занести в таблицу 1.

Таблица 1

№ пункта

Исходные данные

Экспериментальные данные

Расчетные параметры

L

С

R

U0m

T0

f0

w0

l0

Q

G

w0

r

Q

d

XL

XC

τц

1

2

3

4

5

На основании измерений и вычислений сделать выводы по свойствам свободных колебаний в реальном контуре.

          3 Отчёт должен содержать:

3.1. Тему и цель работы.

3.2. Перечень оборудования.

3.3. Краткие теоретические сведения.

3.4.Ход работы.

3.5. Таблицы с результатами измерений, рисунки, расчёты.

3.6. Выводы.

3.7.Ответы на контрольные вопросы.

4 Контрольные вопросы

4.1. Указать причину затухания свободных колебаний в реальных контурах.

4.2. Как влияет величина активного сопротивления на характер свободных колебаний?

4.3. От чего зависит частота свободных колебаний контура?

4.4. Каким образом можно получить в контуре апериодический процесс?

4.5. Какими параметрами оценивается качество контура?

4.6. По какому закону убывает амплитуда свободных колебаний?


UL
=L

r = rL+rC

+

C

UC=еC

i

L

r

+

(1)

;

(3)

(4)

(5)

(7)

t

i


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

45497. Теоретические основы передачи данных 378.5 KB
  Ограничения на пропускную способность передачи данных.5c ∑ n sin2pnft∑ bncos2pnft f – частота nbn – амплитуды nой гармоники t – время передачи сигнала gt – определенное ограничение на пропускную способность. При этом скорость передачи информации зависит от способа кодирования и скорости изменения кодирования.
45498. Магистрали 261 KB
  Основное достижение – это применение одного канала для передачи сигналов между различными источниками и приемниками. Основано на разделении передачи сигналов от разных источников по различным несущим частотам. Это связано с тем что пропускная способность составляет 25000 Гц и за счет этого в оптических каналах скорость передачи на порядок выше. Это связано с тем что после получения канала с аналоговой петли скорость передачи данных может быть увеличена в несколько раз поэтому для цифровых каналов связи применяется метод мультиплексирования...
45499. Коммутация 466 KB
  Для систем передачи используются три способа коммутации: коммутация сообщений; коммутация каналов; коммутация пакетов. При использовании коммутации каналов снижаются накладные расходы на передачу информации. При коммутации пакетов все сообщения разделяются на определенные пакеты. В отличие от коммутации каналов абонент не может монополизировать линию.
45500. Использование амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) для построения систем передачи с временным разделением канала 311.5 KB
  При амплитудноимпульсной модуляции амплитуда периодической последовательности импульсов изменяется в соответствии с изменеием модулирующего сигнала. АИМ1 – амплитуда импульсов пропорциональна амплитуде моделирующего сигнала. При преобразовании: частота дискретизации; скважность – определяет количество времени свободное для передачи сигнала. Для простоты моделирующее колебание представляется: Для амплитудномоделирующей последовательности выражение: показывает глубину модуляции после преобразования получим ряд: Из данного...
45501. Использование широкоимпульсной модуляции (ШИМ) для построения систем передачи с временным разделением канала 299 KB
  Использование фазовоимпульсной модуляции ФИМ для построения систем передачи с временным разделением каналов. ФИМ является более помехоустойчивым видом модуляции чем ШИМ и АИМ. При ФИМ используется следующий моделирующий сигнал: В этом случае основным определяющим элементом является величина фазового сдвига которая определяется по следующей формуле: ∆τmx – максимальный временной сдвиг между импульсами: ∆τmx=MФИМUmx MФИМ – коэффициент глубины модуляции. Модуляция фазы импульсов определяется в соответствии со следующим...
45502. CASE-средства. Общая характеристика и классификация 51 KB
  Общая характеристика и классификация Современные CSEсредства охватывают обширную область поддержки многочисленных технологий проектирования ИС: от простых средств анализа и документирования до полномасштабных средств автоматизации покрывающих весь жизненный цикл ПО. Наиболее трудоемкими этапами разработки ИС являются этапы анализа и проектирования в процессе которых CSEсредства обеспечивают качество принимаемых технических решений и подготовку проектной документации. Графические средства моделирования предметной области позволяют...
45503. Типизация проектных решений АСОИУ. Использование коробочных продуктов и адаптируемых интегрированных систем. Подходы к созданию автоматизированной системы 58 KB
  Подходы к созданию автоматизированной системы В настоящее время существуют различные подходs к построению АСОИП отличающиеся признаками положенными в основу классификации. Полученная таким образом схема классификации подходов к построению АСОИП приведена на рис. В соответствии с этой схемой при выборе подхода к построению АСОИП решается вопрос о возможности использования существующих на рынке тиражируемых систем или необходимости создавать уникальную систему полностью ориентированную только на задачи конкретного предприятия. Подходы к...
45504. Графические средства представления проектных решений АСОИУ (IDEF, DFD, UML, ERD и т.п.) 36 KB
  DFD диаграммы потоков данных являются основным средством моделирования функциональных требований к проектируемой системе. Первый шаг моделирования – извлечение информации из интервью и выделение сущностей. Второй шаг моделирования – идентификация связей. Язык UML находится в процессе стандартизации проводимом OMG – организацией по стандартизации в области ОО методов и технологий в настоящее время принят в качестве стандартного языка моделирования и получил широкую поддержку в индустрии ПО.
45505. Анализ и оценка производительности АСОИУ 23 KB
  В основе такой оценки лежит понятие производительности. Есть 2 показателя производительности процессов по чистому времени: показатель производительности процессоров на операциях с данными целочисленного типа MIPS – отношение числа команд в программе к времени ее выполнения показатель производительности процессоров на операциях с данными вещественного типа при все кажущейся простоте критерия оценки чем MIPS тем быстрее выполняется программа его использование затруднено вследствие нескольких причин: процессоры разной архитектуры...