Описание лабораторной установки

Лабораторный макет состоит из электрических схем исследуемых активных электрических фильтров (ФНЧ, ФВЧ, ПФ, РФ) и блока формирования прямоугольных импульсов (рис. 8.19). В состав лабораторной установки также входят генератор сигналов Г3-33, осциллограф С1-55 и милливольтметр В3-38. Блок-схема лабораторной установки для измерения АЧХ, ФЧХ, а также переходной характеристики представлена на рисунках 8.20 – 8.22. Соединение элементов в схеме осуществляется с помощью коаксиальных кабелей.

Рисунок 8.19 - Лабораторный макет

Рисунок 8.20 – Блок-схема лабораторной установки для измерения АЧХ фильтра

Рисунок 8.21 – Блок-схема лабораторной установки для измерения ФЧХ фильтра

Рисунок 8.22 – Блок-схема лабораторной установки для измерения переходной характеристики фильтра

Лабораторное задание

Выбрать согласно номеру бригады вид исследуемой цепи (таблица 8.1):

Таблица 8.1 – Варианты исследуемых активных RC-фильтров и номиналы входящих в них элементов

Номер бригады
Вариант схемы	ФНЧ	ФВЧ	ПФ	РФ
Номиналы элементов

1. Исследование активного RC фильтра нижних частот.

· Перед началом выполнения лабораторного задания необходимо включить все используемые в работе приборы и дать им прогреться 10 – 15 минут. После этого проконтролировать с помощью милливольтметра В3-38, чтобы действующее напряжения с выхода генератора Г3-33 не превышало 100 мВ.

· Собрать лабораторную установку для измерения АЧХ фильтра.

· Для измерения значений АЧХ ФНЧ необходимо выставить на измерительном генераторе Г3-33 частоту равную 2 кГц и используя плавную регулировку выхода генератора сделать так, чтобы на данной частоте действующее значение выходного напряжения составляло 100 мВ. После этого плавно увеличивать значение частоты сигнала измерительного генератора, добиваясь действующих значений выходного напряжения фильтра, указанных в таблице 8.2. Занести в эту же таблицу соответствующие значения частоты. Тем же милливольтметром В3-38 произвести измерение действующего значения напряжения на входе фильтра.

Таблица 8.2 – Результаты измерений АЧХ ФНЧ при

· Изобразить график АЧХ и определить по нему коэффициент передачи по постоянному току и частоту среза фильтра .

· Рассчитать теоретические значения коэффициента передачи по постоянному току и частоты среза фильтра :

и ,

где введены обозначения:

и .

и сравнить с измеренными значениями.

· Собрать лабораторную установку для измерения ФЧХ фильтра.

· Для измерения ФЧХ необходимо выбрать из полученного в предыдущем пункте частотного диапазона десять значений частоты сигнала измерительного генератора с приблизительно равномерным шагом. Занести данные значения в таблицу 8.3.

· Произвести измерение значений периода гармонического сигнала любого из каналов осциллографа, а также временного сдвига между ними на выбранных частотах. Рассчитать значения ФЧХ и занести результаты расчетов в таблицу 8.3. Изобразить график ФЧХ.

· Сделать вывод о частотных свойствах исследованного фильтра, определив рабочий частотный диапазон. Указать, какими способами можно расширить/сузить рабочий диапазон частот.

Таблица 8.3 – Результаты измерений ФЧХ ФНЧ


, дел
, дел

· Собрать лабораторную установку для измерения переходной характеристики фильтра.

· Перед началом измерений переходной характеристики рассчитать требуемое значение частоты следования прямоугольных импульсов:

1. постоянная времени цепи ;

2. длительность переходного процесса ;

3. длительность импульса ;

4. период следования импульсов ;

5. частота следования импульсов .

· Выставить рассчитанное значение частоты следования на измерительном генераторе. С помощью ручек регулировки усилителей каналов осциллографа, а также ручки регулировки временной развертки добиться, чтобы один прямоугольный импульс входного сигнала занимал большую часть экрана ЭЛТ осциллографа. Зарисовать входной сигнал по нескольким точкам. Используя те же настройки для второго канала, зарисовать по точкам напряжение с выхода исследуемого фильтра.

· По полученным осциллограммам измерить амплитуды сигналов на входе и выходе фильтра, а также время нарастания выходного напряжения по уровню 0,95 от амплитуды выходного напряжения. Рассчитать значения числовых параметров:

, .

· Сравнить полученные значения с расчетными. По полученным результатам сделать вывод о характере и длительности протекания переходного процесса в исследуемом активном фильтре.

2. Исследование активного RC фильтра верхних частот.

· Перед началом выполнения лабораторного задания необходимо включить все используемые в работе приборы и дать им прогреться 10 – 15 минут. После этого проконтролировать с помощью милливольтметра В3-38, чтобы действующее значение напряжения с выхода генератора Г3-33 не превышало 100 мВ.

· Собрать лабораторную установку для измерения АЧХ фильтра.

· Для измерения значений АЧХ ФВЧ необходимо выставить на измерительном генераторе Г3-33 частоту равную 100 кГц и используя плавную регулировку выхода генератора сделать так, чтобы на данной частоте действующее значение выходного напряжения составляло 100 мВ. После этого плавно уменьшать значение частоты сигнала измерительного генератора, добиваясь действующих значений выходного напряжения фильтра, указанных в таблице 8.4. Занести в эту же таблицу соответствующие значения частоты. Тем же милливольтметром В3-38 произвести измерение действующего значения напряжения на входе фильтра.

Таблица 8.4 – Результаты измерений АЧХ ФВЧ при

· Изобразить график АЧХ и определить по нему коэффициент передачи на высоких частотах и частоту среза фильтра .

· Рассчитать теоретические значения коэффициента передачи по постоянному току и частоты среза фильтра :

и ,

где введены обозначения:

и .

и сравнить с измеренными значениями.

· Собрать лабораторную установку для измерения ФЧХ фильтра.

Таблица 8.5 – Результаты измерений ФЧХ ФВЧ


, дел
, дел

· Собрать лабораторную установку для измерения переходной характеристики фильтра.

1. постоянная времени цепи ;

2. длительность переходного процесса ;

3. длительность импульса ;

4. период следования импульсов ;

5. частота следования импульсов .

· По полученным осциллограммам измерить амплитуду сигнала на входе фильтра и значение напряжения на выходе фильтра в нулевой момент времени, а также момент времени , соответствующий минимальному значению переходной характеристики. Рассчитать значения числовых параметров:

, .

3. Исследование активного полосового RC фильтра.

· Перед началом выполнения лабораторного задания необходимо включить все используемые в работе приборы и дать им прогреться 10 – 15 минут. После этого проконтролировать с помощью милливольтметра В3-38, чтобы действующее значение напряжения с выхода генератора Г3-33 не превышало 100 мВ.

· Собрать лабораторную установку для измерения АЧХ фильтра.

· Для измерения значений АЧХ ПФ необходимо выставить на измерительном генераторе Г3-33 такую частоту, при которой действующее значение напряжения на выходе фильтра максимально возможное, и используя плавную регулировку выхода генератора сделать так, чтобы на данной частоте действующее значение выходного напряжения составляло 1 В. Занести в таблицу 8.6 значение резонансной частоты и действующего значения выходного напряжения. Вращая ручку частоты влево и вправо относительно резонансной добиться показаний милливольтметра, указанных в таблице и измерить соответствующие им значения частоты. Тем же милливольтметром В3-38 произвести измерение действующего значения напряжения на входе фильтра.

Таблица 8.6 – Результаты измерений и расчетов АЧХ ПФ при

· Изобразить график АЧХ и определить по нему резонансный коэффициент передачи , резонансную частоту и ширину полосы пропускания .

· Рассчитать теоретические значения резонансного коэффициента передачи , резонансной частоты и ширины полосы пропускания :

, и

и сравнить с измеренными значениями.

· Собрать лабораторную установку для измерения ФЧХ фильтра.

· Для измерения ФЧХ необходимо выбрать из полученного в предыдущем пункте частотного диапазона десять значений частоты сигнала измерительного генератора. Занести данные значения в таблицу 8.7.

· Следует, однако, уделить внимание тому факту, что в окрестности резонансной частоты функция, описывающая ФЧХ, терпит разрыв и именно в этой области наблюдаются наибольшие изменения формы ФЧХ. В связи с этим не следует выбирать значения частоты с равномерным шагом, а необходимо большую часть измерений сосредоточить на частотах, близких к резонансной и меньшее – на частотах, сильно отличающихся от нее как в меньшую, так и в большую сторону.

· Сделать вывод о частотных свойствах исследованного фильтра. Сравнить теоретическое и экспериментальное значения резонансной частоты и ширины полосы пропускания. Указать, какими способами можно расширить/сузить полосу пропускания фильтра.

Таблица 8.7 – Результаты измерений и расчетов ФЧХ ПФ


, дел
, дел

· Собрать лабораторную установку для измерения переходной характеристики фильтра.

1. затухание ;

2. постоянная времени цепи ;

3. длительность переходного процесса ;

4. длительность импульса ;

5. период следования импульсов ;

6. частота следования импульсов .

· По полученным осциллограммам измерить амплитуду сигнала на входе фильтра и два первых максимальных значения напряжения на выходе фильтра и , а также моменты времени, в которые они достигается и . Рассчитать значения числовых параметров:

, ,

где введено обозначение

4. Исследование активного режекторного RC фильтра.

· Перед началом выполнения лабораторного задания необходимо включить все используемые в работе приборы и дать им прогреться 10 – 15 минут. После этого проконтролировать с помощью милливольтметра В3-38, чтобы действующее значение напряжения с выхода генератора Г3-33 не превышало 100 мВ.

· Собрать лабораторную установку для измерения АЧХ фильтра.

· После этого плавно увеличивать значение частоты сигнала измерительного генератора, добиваясь действующих значений выходного напряжения фильтра, указанных в таблице 8.8. Занести в эту же таблицу соответствующие значения частоты. Тем же милливольтметром В3-38 произвести измерение действующего значения напряжения на входе фильтра.

· Дополнительно измерить частоту максимального ослабления сигнала и величину действующего значения выходного напряжения на данной частоте.

Таблица 8.8 – Результаты измерений и расчетов АЧХ РФ при

· Изобразить график АЧХ и определить по нему коэффициент передачи по постоянному току , частоту максимального ослабления и ширину полосы заграждения .

· Рассчитать теоретические значения коэффициента передачи по постоянному току , частоты максимального ослабления и ширины полосы заграждения :

, и

и сравнить с измеренными значениями.

· Собрать лабораторную установку для измерения ФЧХ фильтра.

· Следует, однако, уделить внимание тому факту, что в окрестности частоты максимального ослабления функция, описывающая ФЧХ, терпит разрыв и именно в этой области наблюдаются наибольшие изменения формы ФЧХ. В связи с этим не следует выбирать значения частоты с равномерным шагом, а необходимо большую часть измерений сосредоточить на частотах, близких к резонансной и меньшее – на частотах, сильно отличающихся от нее как в меньшую, так и в большую сторону.

· Сделать вывод о частотных свойствах исследованного фильтра. Сравнить теоретическое и экспериментальное значения частоты максимального ослабления и ширины полосы заграждения. Указать, какими способами можно расширить/сузить полосу заграждения фильтра.

Таблица 8.9 – Результаты измерений и расчетов ФЧХ РФ


, дел
, дел

· Собрать лабораторную установку для измерения переходной характеристики фильтра.

1. постоянная времени цепи ;

2. длительность переходного процесса ;

3. длительность импульса ;

4. период следования импульсов ;

5. частота следования импульсов .

, .

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Функциональные схемы лабораторного макета и лабораторной установки для исследования частотных и временных характеристик активных RC фильтров.

3. Результаты экспериментального исследования (таблицы и графики).

4. Результаты обработки экспериментальных данных.

5. Выводы.

8.5. Контрольные вопросы

1. Дайте определение электрического фильтра.

2. Приведите классификации электрических фильтров.

3. Приведите схемы построения пассивных RC фильтров нижних частот. Покажите, что данные схемы выполняют требуемую функцию.

4. Приведите схемы построения пассивных RC фильтров верхних частот. Покажите, что данные схемы выполняют требуемую функцию.

5. Приведите схему построения пассивного полосового RC фильтра. Покажите, что данная схема выполняет требуемую функцию.

6. Приведите схему построения пассивного режекторного RC фильтра. Покажите, что данная схема выполняет требуемую функцию.

7. В чем состоят достоинства и недостатки пассивных RC фильтров по сравнению с пассивными LC фильтрами?

8. Приведите общие требования, предъявляемые к частотным характеристикам электрических фильтров.

9. Как осуществляется аппроксимация передаточной функции реального электрического фильтра? Какие применяются виды аппроксимирующих функций?

10. Дайте определение операционного усилителя.

11. Какими основными параметрами характеризуется операционный усилитель?

12. В чем преимущество активных электрических фильтров перед пассивными фильтрами?

13. Каковы основные схемы построения активных RC-фильтров 1-го порядка?

14. Каковы основные схемы построения активных RC-фильтров нижних и верхних частот 2-го порядка? В чем их достоинства и недостатки?

15. Каковы основные схемы построения активных полосовых RC-фильтров 2-го порядка? В чем их достоинства и недостатки?

16. Каковы основные схемы построения активных режекторных RC-фильтров 2-го порядка? В чем их достоинства и недостатки?

Список литературы

1. Атабеков Г. И. Основы теории цепей. Учебник для вузов. - М.: «Энергия», 1969. – 424 с.

2. Зевеке Г. В., Ионкин П. А., Нетушил А. В., Страхов С. В. Основы теории цепей. Учебник для вузов. - М.: «Энергия», 1975. – 752 с.

3. Ионкин П. А., Даревский А. И., Кухаркин Е. С., и др. Теоретические основы электротехники. т. 1. Основы теории линейных цепей. Под ред. Ионкина П. А. Учебник для электротехнических вузов. – М.: Высшая школа, 1976. – 544 с.

4. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы: учеб. пособие для вузов / И. С. Гоноровский. – 5-е изд., испр. и доп. – М.: Дрофа, 2006 г. – 719 с.

5. Щепеткин Ф. В. Лабораторные работы по основам теории цепей: учебно-методическое пособие для студентов и курсантов радиотехнических специальностей. – Калининград: БГАРФ, 2007. – 145 с.

6. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: справочное руководство. Перевод с немецкого. М.: Мир, 1982. – 512 с.

7. Прянишников В. А. Электроника. Полный курс лекций. – Учебник для высших и средних учебных заведений – СПб.: «КОРОНА принт», 2003 г.,416 с.

8. Степаненко И. П. Основы микроэлектроники. – Учебное пособие для вузов – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2003 г., 488 с.

9. Щука А. А.Электроника. – Учебное пособие – СПб.: БХВ-Петербург, 2005 г., 800 с.

10. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: Учебник. – Москва: «Гардарики», 2002 г. – 638 с.

Описание лабораторной установки

Поиск по сайту