Рис.1 Схема экспериментальной установки
Генератор звуковой ГЗМ (рис.2) предназначен для получения синусоидальных электрический колебаний звуковой частоты (от 20 Гц до 20 кГц).
Частота задается поворотом ручки, совмещая деление шкалы 2 с указателем 3. Кроме того, необходимо учесть множитель на ручке переключателя поддиапазонов 4.
Рис.2 Генератор звуковой ГЗМ
Например, на рис.2 установленная на приборе часто равна 60 Гц. Ручкой усиления 5 можно менять амплитуду напряжения. Однако, шкалы эта ручка не имеет. Поэтому задать конкретное значение амплитуды непросто, например, можно использовать какой-то внешний прибор для контроля измеряемой амплитуды соответствующий некоторому положению ручки 4, но разных выходных сопротивлениях и/или частотах амплитуды будут разными. Например, при выходном сопротивлении 5000 Ом максимальное значение амплитуды будет ≈ 450 В, при 600 Ом ≈150 В, а при 5 Ом ≈ 12В.
Осциллограф С1-67(рис.3) относится к классу универсальных и предназначен для исследования их временных и амплитудных значений.
Рис.3 Осциллограф универсальный С1-67
Осциллограф позволяет наблюдать периодические сигналы в диапазоне частот от 5Гц до 10МГц, т.е. полностью охватывать весь диапазон звуковых частот (которые может генерировать ГЗМ). Диапазон амплитуд измеряемых сигналов – от 20 мВ до 140 В. Чтобы амплитуда измеряемого сигнала не выходила за этот диапазон в работе нужно использовать только выход генератора 5 Ом, иначе осциллограф можно вывести из строя!
При правильном подборе всех параметров осциллографа на его экране получается фактически график зависимости напряжения от времени (точнее, какая-то его часть) в некоторых условных единицах – см.рис. 3,4. На этом факте основано измерение соответствующих величин осциллографом.
Амплитудой гармонического колебания называется максимальное отклонение колеблющейся величины (в нашем случае напряжения) от положения равновесия. (В случае негармонического колебания это определение нуждается в уточнении). Графический смысл амплитуды – расстояние (по оси ординат) от середины синусоиды до горизонтальной линии на которой лежат ее «горбы» (или «впадины») – см.рис.4, которое может быть определено в делениях шкалы осциллографа.
| Т |
| Т |
| Uo |
Рис.4 График зависимости колеблющейся величины от времени (U=Uosin(𝝎t); здесь Uo=1, 𝝎 =1)
Однако, на практике трудно точно определить положение середины синусоиды на экране осциллографа, гораздо легче определить положение воображаемых линий, на которой лежат все «горбы» и все «впадины». Поэтому обычно измеряют расстояния между этими двумя линиями, предварительно с помощью ручки 6, совместив одну из них с линиями сетки. (В принципе, для измерения амплитуды необязательно добиваться того, чтобы синусоида на экране была неподвижной, т.к. двигаться она будет по горизонтали, а не по вертикали).
Для того, чтобы перевести измеренное значение двойной амплитуды из условных единиц (делений) в вольты, нужно учесть цену деления шкалы осциллографа по вертикали с помощью ручки 7(вольт./дел.). При этом следует учесть два обстоятельства:
1.Ручка 8 (усиление) должна быть повернута по часовой стрелке до упора (при этом будет слышен щелчок).
2. Имеется ввиду цена большого деления (клеточки), а не маленького (нанесенного на осях).
Uo = (двойная амплитуда *цену деления)/2
Периодом гармонического колебания называется время одного полного колебания. Если тело совершило полное колебание, это означает, что колеблющееся величина, а также ее производная (по времени) имеют одно и тоже значение в начале и в конце колебания. Графический смысл периода - расстояние (по оси абсцисс) между соседними «горбами», которое также можно определить в делениях шкалы осциллографа.
Для измерения периода изображение должно быть по возможности устойчивым (синусоида на экране не должна двигаться). Если ее все-таки не удается сделать неподвижной, нужно сделать так, чтобы она двигалась как можно медленней. Предварительно ручкой 6 ее нужно передвинуть так, чтобы воображаемая линия, на которой лежат «горбы» или «впадины» совпадала с осью абсцисс. Далее измеряется соответствующее расстояние и умножается на цену деления горизонтальной шкалы (ручка 10). Ручка усиление 11, как и в случае измерения амплитуды, должна быть повернута по часовой стрелке до упора. Здесь следует обратить внимание не только на число, но и на единицы измерение цены горизонтального деления, т.к. на ручке 10 есть и мили-, и микросекунды. Кроме того, следует учесть дополнительный множитель, который определяется положением тумблера 12
(1 или 0.2).
Значение частоты можно вычислить зная связь между частотой и периодом колебания (взаимообратные величины): ᵥ = "1" /"T".
Мультиметр ВР-11А (рис.5) является многофункциональным прибором (обеспечивает измерение напряжения и силы постоянного тока, сопротивления постоянного тока, а также частоты переменного тока). В данной работе он используется для измерения эффективного напряжения.
Рис.5. Мультиметр ВР-11А
Эффективное значение и амплитуда напряжения для синусоидальных сигналов связаны по формуле: U эфф =Uо/√2=(2/3)* Uо
ВР-11А позволяет измерять напряжения от 1 мВ до 200 В при частотах от 1 до 20 кГц, а при частотах от 20 Гц до 1кГц – от 1мВ до 500 В, т.е. имеет диапазон из0меряемых напряжений значительно шире чем осциллограф С1-
67.
При правильном положении всех переключателей число, отображаемое на цифровом индикаторе 13, и есть эффективное значение напряжения в вольтах. Положение запятой будет меняться в зависимости положения переключателя пределов измерения 14. Если в числе мало значащих цифр, значит предел измерений слишком велик, и его следует по возможности уменьшить. Если на индикаторе горит буква «П» (перегрузка), значит предел измерений слишком мал, и его следует по возможности увеличить. Переключатель рода работ 15 в данной лабораторной работе всегда должен быть установлен в положение «͂ », т.к. в ней рассматривается только переменное напряжение.
Экспериментальное задание и порядок его выполнения
1. Подготовить таблицу для записи измеряемых величин.
2. Включить приборы и дать им прогреться не менее 5 минут.
3. Установить на генераторе какую-нибудь частоту, и занести ее в таблицу.
4. К выходу генератора подключить осциллограф, получить на экране по возможности устойчивое изображение синусоиды.
5.Измерить двойную амплитуду и период электрических колебаний (в делениях шкалы). Полученные значения, а также значения параметров прибора, необходимые для дальнейшего вычисления, занести в таблицу.
6. Не меняя положение ручек генератора, отсоединить осциллограф, подключить мультиметр.
7. Проверить правильность положения переключателя режима работы прибора, измерить эффективное значение напряжения, изменяя при необходимости положение переключателя пределов измерений, чтобы установить его значение оптимальным. Результат измерений занести в таблицу.
8. Отсоединить от генератора мультиметр и снова к его выходу подключить осциллограф. Поменять частоту и (или) амплитуду колебаний. при необходимости меняя при этом также соответствующие параметры осциллографа, чтобы получить оптимальное для проведения измерений изображение синусоиды.
9. Вернуться к п.5 и провести следующую серию измерений.
Расчеты и анализ результатов эксперимента
1. Значение двойной амплитуды, измеренные в делениях шкалы перевести в вольты (умножив на цену деления вертикальной шкалы) и, разделить на 2, найти саму амплитуду. Результаты вычислений занести в таблицу.
2. Эффективное значение напряжения измеренное мультиметром умножить на корень из двух, вычислить таким образом амплитуду. Сравнить значения полученных амплитуд при измерениях мультиметром и осциллографом. Пометить опыты в которых эти значения сильно отличаются друг от друга, т.к. их нужно будет провести заново.
3. Значения периода перевести из делений шкалы в секунды (учесть цену деления - число и единицы измерения, а также значения дополнительного множителя 1 или 0.2).
4. Вычислить частоту как величину обратную периоду. Сравнить получившиеся частоты с установленными на генераторе.
5. Переписывать таблицу в чистовик рекомендуется только убедившись в том, что все расчеты выполнены правильно.
| Измерение амплитуды напряжения выходного сигнала | Измерение эффективного напряжения выходного сигнала мультиметром | Измерение периода и частоты выходного сигнала | Показ ания генер атора | |||||||
| 2U0 (деле ний) | Цен а деле ния (В/д ел) | Ампл итуда UO(В) | Эффект ивное значен ие Uэф(В) | Амплит уда UО(B) | Пер иод Т(д еле ния) | Цена деления (с/дел) | Мн ожи тел ь | Период Т(секун д) | Час тота v(Гц ) | Частот а v(Гц) |
| 4,4 | 31,2 | 44,12631 | 0,0005 | 0,001 | ||||||
| 2,5 | 1,67 | 3,36 | 2,5 | 0,0005 | 0,00125 | |||||
| 2,07 | 2,93 | 0, 0005 | 0,0015 |
Рисунок 6 – Изображение с С1-67 согласно первому измерению
Рисунок 7 – Изображение с С1-67 согласно второму измерению
Рисунок 8 – Изображение с С1-67 согласно третьему измерению