И ЦЕПЕЙ

4.1. Измерение параметров гармонического сигнала

с помощью электронного осциллографа

Параметры гармонического сигнала можно определить экспериментально с помощью электронного осциллографа. На рис. 4.1 показан пример наблюдаемой на экране осциллограммы, на которой отображается временная диаграмма наблюдаемого сигнала и задана координатная сетка.

Шаг сетки по вертикали равен 1 В на деление, а амплитуда составляет 2,7 деления, следовательно, ее величина равна U=2,7 В. По горизонтали на оси времени шаг сетки 1 мс на одно деление, пе-

Рис. 4.1 риод сигнала равен 3,1 де-

ления, то есть T=3,1 мс. При измеренном периоде нетрудно определить циклическую частоту сигнала

Гц

и круговую частоту

рад/с.

При определении амплитуды необходимо устанавливать нулевой уровень напряжения. Удобнее измерять рас-

стояние по вертикали между максимальным и минимальным значениями сигнала, которое называют размахом. Для гармонического сигнала размах равен удвоенной амплитуде.

Начальная фаза сигнала может быть определена только при условии задания начала отсчета времени – точки . Однако это начало отсчета условно (может быть задано в любой момент времени), поэтому осциллографическое измерение начальной фазы гармонического сигнала практически не имеет смысла.

Совершенно иная ситуация возникает при измерении сдвига фаз между двумя гармоническими сигналами с одинаковой частотой. При этом на экране осциллографа должны наблюдаться две временных диаграммы измеряемых гармонических напряжений, как показано на рис. 4.2. Взаимное смещение сигналов на экране осциллографа не зависит от начала отсчета времени. Это позволяет экспериментально определить фазовый сдвиг одного сигнала относительно другого, Рис.4.2

который выбран в

качестве опорного.

Если необходимо определить сдвиг фаз напряжения относительно выбранного в качестве опорного напряжения , то по временной диаграмме рис. 4.2 получим, что смещение во времени сигнала равно деления или мкс (знак минус означает, что сигнал смещен относительно опорного влево, то есть раньше во времени).

Сдвиг фаз между рассматриваемыми сигналами равен

. (4.1)

Период гармонических колебаний на рис. 4.2 равен 6,28 мкс, а круговая частота соответственно

рад/с,

тогда из (4.1) получим, что сдвиг фаз рад. Как видно, напряжение (меньшее по амплитуде) опережает по фазе опорное напряжение на 1 рад или 57⁰.

Если в качестве опорного напряжения выбрать , то временной сдвиг от него второго сигнала будет равен мкс, а сдвиг фаз рад или -57⁰. Это означает, что напряжение отстает по фазе от на 1 рад.

Временной сдвиг напряжения относительно на рис. 4.2 можно оценивать и так, как показано на рис. 4.3, при этом деления или 5,28 мкс. При этом новое значение оказывается больше полученного ранее на величину периода , а сдвиг фаз равен

Рис. 4.3.

рад. (4.2)

В результате оказывается, что напряжение отстает по фазе от опорного сигнала на угол 5,28 рад, что эквивалентно полученному ранее результату, так как отличается от него на величину . Для обеспечения однозначности фазового сдвига его величину обычно выбирают в интервале от до или .

4.2. Измерение амплитудно-частотной характеристики

Экспериментально АЧХ четырехполюсника можно определить, подав на его вход гармонический сигнал от генератора с выбранной частотой и измеряя действующие или амплитудные значения входного и выходного сигнала с помощью вольтметра или осциллографа. Структурные схемы двух вариантов измерительной установки показаны на рис. 4.4.

Рис. 4.4

Как видно, макет исследуемой цепи должен иметь возможность подключения двух пар проводников (от генератора и вольтметра или осциллографа для измерения входного сигнала) во входной цепи и одну пару проводников для измерения выходного сигнала. На рис. 4.5б показан вариант реализации макета четырехполюсника, схема которого приведена на рис. 4.5а. Жирными линиями на рис. 4.5б показаны контактные дорожки печатной платы (проводники), соединяющие элементы цепи. Измерительные приборы подключаются к цепи с помощью зажимов типа «крокодил».

Рис. 4.5

Монтаж элементов может производиться на специально изготовленной печатной плате или универсальной «макетнице». В простейшем случае можно воспользоваться просто кусочком пластика или картона. Краткое описание измерительных приборов приведено в приложении 1.

Для экспериментального определения АЧХ необходимо по результатам ее расчета выбрать 20-30 значений частот с равномерным шагом для плавной кривой (на участках быстрого изменения АЧХ целесообразно выбрать больше точек). За-

тем необходимо выбрать схему измерений рис. 4.4а или рис. 4.4б, установить уровень гармонического сигнала на выходе генератора 2-4 В и, последовательно устанавливая выбранные частоты подаваемого на четырехполюсник сигнала , записать величины действующих значений (по показаниям вольтметров) или амплитуд (измеренных по экрану осциллографа) входного и выходного напряжений цепи. Результаты измерений необходимо занести в таблицу, например, следующего вида, и представить на графике, там же пунктирной линией целесообразно отобразить расчетную кривую.

Для оценки погрешности экспериментального измерения АЧХ используется среднеквадратическое отклонение результатов измерений на выбранных частотах от соответствующих теоретических значений , - номер измерения, - число проделанных измерений:

. (4.3)

Величину чаще всего выражают в процентах.

Если четырехполюсник является фильтром, то по экспериментальной АЧХ нетрудно определить его полосу пропускания (удержания) и коэффициент прямоугольности, сравнив их с полученными ранее теоретическими значениями.

4.3. Измерение фазочастотной характеристики

Фазочастотная характеристика (ФЧХ) может быть измерена с помощью осциллографа С1-55, как показано на рис. 4.4б. Подаваемые на его входы входной и выходной сигналы на выбранной частоте , , отображаются на экране двумя гармоническими функциями, как показано на рис. 4.2. Измеряя смещение во времени входного сигнала относительно выходного (опорного), согласно (4.1) определим сдвиг фаз между ними

. (4.4)

Полученные результаты целесообразно представить в табличном (аналогично табл. 4.1) и графическом виде, погрешность оценивается в соответствии с (4.3).

4.4. Исследование воздействия импульсного сигнала

на четырехполюсник

В рамках исследовательской части курсовой работы можно выбрать исследование воздействия импульсного сигна-

ла на рассматриваемый четырехполюсник. Эксперимент проводится по схеме, показанной на рис. 4.4б. В качестве входного воздействия используются последовательности прямоугольных и пилообразных импульсов вида рис. 4.6, формируемые генератором АНР 1001.

Рис. 4.6

Для проведения экспериментальных работ можно изготовить собственный генератор импульсных или гармонических сигналов и исследовать его свойства.

4.5. Исследование электронных устройств

В качестве исследовательской части курсовой работы можно провести экспериментальный анализ электронных устройств различного назначения [5]. На рис. 4.7а показаны схема транзисторного усилителя с резистивно-емкостными связями, а на рис. 4.7б – схема транзисторного автогенератора гармонических колебаний. Их можно реализовать на биполярных транзисторах КТ315 или КТ3102. Расчет параметров элементов производится по описанным в литературе, например, [2-4], методикам.

Рис. 4.7

В электронике широко используются различные интегральные схемы, например, операционные усилители (ОУ). На рис. 4.8 приведены принципиальные схемы инвертирующего и неинвертирующего усилителей сигнала на базе ОУ, например, типа КР157УД2.

Широкое применение в современной электронике находят цифровые элементы. На рис. 4.9а приведена схема транзисторного автогенератора импульсных сигналов (мультивибратора). На основе цифровой интегральной схемы ( триггера

Шмидта типа КР561ТЛ1) – можно реализовать импульсный автогенератор, схема которого показана на рис. 4.9б.

Рис. 4.8

Рис. 4.9

На рис. 4.10 показана схема активного узкополосного частотного фильтра на базе ОУ.

Рис. 4.10

Описание различных простых электронных устройств можно найти в журналах «Радио» и «Радиохобби», а также в Internet.

Исследование электронных устройств предполагает выбор соответствующей решаемой задаче принципиальной схемы (возможно и несколько вариантов), расчет параметров элементов и технических характеристик. Результаты расчета целесообразно проверять схемотехническим моделированием.