Федеральное агентство связи

Федеральное Государственное образовательное бюджетное

учреждение высшего профессионального образования

«Сибирский государственный университет

телекоммуникаций и информатики»

М.С. Чашков, О.Б. Журавлева

Теория Электрических Цепей

Методические указания

к лабораторным работам

Новосибирск

2013

М.С. Чашков, О.Б. Журавлева

В методических указаниях описан цикл лабораторных работ по дисциплине "Теория электрических цепей" для студентов дистанционного обучения

Кафедра Теории электрических цепей

Программа Electronics Workbench 512

После запуска программы пользователь попадает в основное окно программы, показанное на рисунке 1.

Рисунок 1

Окно программы EWB 512 состоит из меню, библиотек компонентов и рабочего поля. В рабочем поле располагается моделируемая схема с подключенными к ней иконками контрольно-измерительных приборов, а также краткое описание схемы (description)(только на английском языке). При необходимости каждый из приборов может быть «развернут» для установки режимов его работы и наблюдения результатов эксперимента. Кроме того присутствует дополнительное меню Analysis с расширенными настройками моделирования. Для перемещения схемы используются линейки прокрутки. Следует упомянуть также о наличии подсвечиваемых подсказок назначения всех кнопок.

Описание разделов «Меню» в данных методических указаниях не приводится. Отметим лишь наиболее употребительные сочетания горячих клавиш

1 Activate (CTRL+G) — запуск моделирования.

2 Stop (CTRL+T) — остановка моделирования.

Команды 1 и 2 могут быть выполнены также нажатием кнопки , расположенной в правом верхнем углу экрана.

3 Pause (F9) — прерывание моделирования.

4 Value... (CTRL+ U) — изменение номинального значения параметра компонента с помощью диалогового окна.

Команда 4 выполняется также двойным щелчком по компоненту или нажатием кнопки .

Номинальное значение параметра вводится с клавиатуры, после чего нажатием курсора мыши на кнопки вверх-вниз выбирается множитель, кратный 1000. Например, для конденсатора задается его емкость в пикофарадах (пФ), нанофарадах (нФ), микрофарадах (мкФ) или миллифарадах (мФ).

5 Rotate (CTRL+R) — вращение выделенного компонента.

Большинство компонентов при каждом выполнении команды 5 поворачиваются против часовой стрелки на 90°. Для измерительных приборов (амперметр, вольтметр и др.) меняются местами клеммы подключения. Команда используется при подготовке схем: в готовой схеме пользоваться командой нецелесообразно, поскольку это чаще всего приводит к путанице. Поэтому вращать следует компонент, не включенный в схему.

Создание схем

В общем случае процесс создания схемы начинается с размещения на рабочем поле EWB компонентов из библиотек программы в соответствии с подготовленным эскизом. Одиннадцать разделов библиотек программы могут быть вызваны с помощью меню Window или с помощью иконок панели библиотек (см. рисунок 1).

Для открытия каталога нужной библиотеки необходимо подвести курсор мыши к соответствующей иконке и нажать на нее левой кнопкой, после чего серый фон иконки меняется на желтый. Каталог выбранной библиотеки открывается в горизонтальном окне в верхней части рабочего поля (устанавливается в любое место перетаскиванием за шапку заголовка).

Необходимый для создания схемы компонент переносится из каталога на рабочее поле программы при нажатой левой кнопке мыши, после чего кнопка отпускается (для фиксирования символа) и производится двойной щелчок по значку компонента. В открывшемся диалоговом окне устанавливаются требуемые параметры (например, сопротивление резистора, тип транзистора), настройки подтверждаются нажатием кнопки Ok или клавиши Enter.

При размещении элементов схемы необходимо предусмотреть место для контрольных точек и измерительных приборов.

После размещения компонентов производится соединение их выводов проводниками. При этом необходимо учитывать, что к каждому выводу компонента можно подключить только один проводник.

Для выполнения подключения:

• курсор мыши подвести к выводу компонента;

• после появления черного кружка нажать левую кнопку мыши, появляющийся при этом проводник протянуть к выводу другого компонента до появления на нем такого же кружка;

• после чего отпустить кнопку мыши, соединение готово.

Для создания узла необходимо проделать следующие операции:

• в каталоге библиотеки Basic выбрать компонент Connector

• перенести элемент на ранее установленный проводник

Если узел установлен правильно, то кружок полностью окрашивается черным цветом. Если на нем виден след от пересекающего проводника, то электрического соединения нет, и узел необходимо установить заново. После удачной установки к узлу можно подключить еще два проводника.

Если соединение нужно разорвать:

• курсор мыши подвести к выводу элемента или узловой точки соединения;

• при появлении черного кружка нажать левую кнопку мыши;

• проводник отвести на свободное место рабочего поля;

• отпустить кнопку мыши.

Если необходимо подключить вывод к имеющемуся на схеме проводнику:

• от вывода компонента проводник курсором мыши подвести к нужному проводнику;

• после появления точки соединения отпустить кнопку мыши.

Следует отметить, что при прокладке соединительных проводников препятствия — компоненты и другие проводники — огибаются по ортогональным направлениям (по горизонтали или вертикали) автоматически. Если необходимо переместить отдельный сегмент проводника вручную, к нему подводится курсор, нажимается левая кнопка и после появления двойной стрелки производятся нужные перемещения.

Подключение к схеме контрольно-измерительных приборов производится аналогично остальным компонентам. Причем для таких приборов, как осциллограф или логический анализатор, соединения целесообразно проводить цветными проводниками, поскольку их цвет определяет цвет соответствующей осциллограммы. Для изменения цвета проводника необходимо дважды щелкнуть по нему левой кнопкой мыши и в появившемся окне выбрать желаемый цвет.

Узлы в схемах нумеруются автоматически. При этом номера узлов не отображаются. В некоторых работах необходимо знать номера узлов. Для отображения номеров узлов:

• В меню Circuit выбрать раздел Schematic Options

• Выбрать раздел Show/Hide

• Поставить галочку в пункте Show Nodes

• Для скрытия номеров узлов галочку снять.

Если по каким-то причинам программа выдает странные результаты, необходимо вернуться к настройкам по умолчанию для этого:

• В меню Analysis выбрать раздел Analysis Options;

• Выбрать раздел Global;

• Нажать Reset Defaults.

Библиотеки компонентов

Для выполнения работ необходимо ознакомиться с некоторыми библиотеками компонентов, необходимыми для выполнения лабораторных работ.

Sources — источники сигналов (каталог компонентов библиотеки показан на рисунке 2). Заметим, что под источниками сигналов подразумеваются не только источники питания, но и управляемые источники.

Рисунок 2

Заземление (метка).

Батарея (напряжение).

Источник постоянного тока (ток).

Источник переменного синусоидального напряжения (действующее значение напряжения, частота, фаза).

Источник переменного синусоидального тока (действующее значение тока, частота, фаза).

Basic — в библиотеке собраны все пассивные компоненты, а также коммутационные устройства (рисунок 3).

Рисунок 3

Резистор (сопротивление).

Конденсатор (емкость).

Катушка (индуктивность).

Indicators — библиотека индикаторных устройств (рисунок 4).

Рисунок 4

Вольтметр (внутреннее сопротивление установить равным 100 МОм, режим измерения постоянного или переменного тока).

Амперметр (внутреннее сопротивление установить равным 1 мОм, режим измерения постоянного или переменного тока).

Обратите внимание, «минусовой» вывод приборов в программе обозначается утолщенной клеммой. (На рисунке у вольтметра «минус» внизу, у амперметра – справа.)

Дополнительные пояснения по использованию компонентов схемы, включая измерительные приборы, даны в описании лабораторных работ.

Лабораторная работа № 1

Законы Ома и Кирхгофа в резистивных цепях

1. Цель работы:

Изучение и экспериментальная проверка законов Ома и Кирхгофа в разветвленной электрической цепи, содержащей источник и резистивные элементы.

2. Подготовка к выполнению работы:

При подготовке к работе необходимо изучить: законы Ома для пассивного участка цепи, участка цепи с активными (источники) и пассивными (нагрузки) элементами; первый закон Кирхгофа – для узла цепи; второй закон Кирхгофа – для замкнутого контура цепи (глава 1 электронного учебника).

3. Экспериментальная часть

Перед выполнением работы перерисовать схему и выбрать направления всех токов (в схеме с одним источником направления токов в ветвях определяются направлением источника).

1. Собрать схему (рисунок 1.1а)

Рисунок 1.1а

В программе Electronics Workbench 512 схема имеет вид, приведенный на рисунке 1.1б.

Рисунок 1.1 б

2. Установить значения сопротивлений резисторов:

R₁ =100+Nx10 (Ом), где N – номер варианта (последняя цифра пароля);

R₂=R₃=R₄=R₅=R₆=100 Ом.

3. Установить Е₁=10 В

4. Подключить вольтметр к источнику Е₁ (вольтметр подключается параллельно элементу) и измерить э. д. с. источника (на рисунке 1.1, в качестве примера, показано подключение вольтметра к резисторам R₁ и R₄). Подключить к остальным элементам схемы вольтметры и измерить напряжения на них. Данные измерений записать в таблицу 1.1.

Таблица 1.1

	Е1	UR1	UR2	UR3	UR4	UR5	UR6
Измерено	В	В	В	В	В	В	В

По данным измерений проверить выполнение второго закона Кирхгофа (ЗНК) для любого из контуров электрической цепи.

5. Включив в схему амперметры (последовательно) (на рисунке 1.1б показано включение амперметра в ветвь с резистором R₂), определить токи в каждой ветви и записать в таблицу 1.2. По результатам измерений проверить выполнение первого закона Кирхгофа (ЗТК) для любого узла схемы.

Таблица 1.2

	IR1	IR2	IR3	IR4	IR5	IR6
Измерено	мА	мА	мА	мА	мА	мА

При подключении амперметров и вольтметров следует придерживаться направления протекания тока в ветви. Все приборы должны быть ориентированы по току - от плюса к минусу.

Установить амперметры и вольтметры в режим работы постоянного тока (DC) во вкладке Value.

6. Используя закон Ома и данные измерений U и I, определить значения резисторов в схеме. Сравнить с заданными значениями.

7. Убедиться, что токи и напряжения в схеме линейно зависят от значения э. д. с. Е₁. Для этого уменьшить Е₁ в два раза, выполнить измерения и расчеты аналогичные п.п. 3.4 и 3.5, заполнить таблицы аналогичные таблицам 1.1 и 1.2. Объяснить полученные результаты.

8. Убедиться, что все токи и напряжения в схеме зависят от величины каждого резистора схемы. Для этого восстановить прежнее значение E₁, уменьшить сопротивление резистора R₁ в два раза, выполнить измерения и расчеты аналогичные п.п. 3.4 и 3.5, заполнить таблицы аналогичные таблицам 1.1 и 1.2. Объяснить полученные результаты.

4. Требования к отчету

Отчет должен содержать:

• схему с указанием всех элементов и токов;

• данные элементов схемы;

• контрольный (теоретический) расчет токов и напряжений в исходной схеме (п. 3.1). Результаты расчета проверить по первому и второму законам Кирхгофа;

• таблицы 1.1 и 1.2 для измеренных напряжений и токов исходной схемы;

• таблицы 1.3 и 1.4 для измеренных напряжений и токов при уменьшении Е₁;

• таблицы 1.5 и 1.6 для измеренных напряжений и токов при уменьшении R₁ в два раза;

• выводы по проделанной работе.

Лабораторная работа № 2

Электрические цепи при гармоническом воздействии

1. Цель работы:

Изучение электрических цепей, содержащих резисторы R, индуктивности L и емкости С при гармоническом (синусоидальном) воздействии

2. Подготовка к выполнению работы

При подготовке к работе необходимо изучить поведение R, L, C при различных способах включения (последовательное, параллельное, смешанное – глава 3 электронного учебника).

3. Экспериментальная часть

   1. Собрать схему последовательной RL – цепи (рисунки 2.1а, 2.1б).

Рисунок 2.1 а

Рисунок 2.1б

2. Установить значения

сопротивления резистора R =100+Nx10 (Ом), где N – номер варианта (последняя цифра пароля);

индуктивности L=2 мГн.

1. Установить напряжение источника E=10 В и частоту f=5 кГц. Контроль напряжения осуществляется вольтметром, подключенным к точкам 1 и 3 (номера узлов при выполнении работы могут отличаться). Для отображения номеров узлов необходимо:

• сделать двойной щелчок левой кнопкой мыши по узлу

• в отрывшемся окне Connector Properties перейти во вкладку Node и поставить галочку Display node label

При работе в цепях переменного тока необходимо Амперметр и Вольтметр переключить в режим AC во вкладке Value

4. Измерить вольтметром напряжения на резисторе U_R и катушке индуктивности и записать показания в таблицу 2.1.

Таблица 2.1

	E	UR	UL	IR	IL
f=5 кГц	В	В	В	мА	мА
f=10 кГц

При правильном измерении должно выполняться равенство

,

т.к. и сдвинуты по фазе на 90 (на ).

Зная значение R и , определить по закону Ома ток в резисторе и катушке (, ) и убедиться, что они совпадают (т.к. R и L соединены последовательно). Значения токов измерить амперметром и записать в таблицу 2.1. Сравнить с рассчитанными значениями.

5. Увеличить частоту f в два раза (т.е. установить f=10 кГц) и произвести все измерения и расчеты по п. 3.4. Данные измерений занести в таблицу 2.1. Обратить внимание на изменение тока и напряжений на элементах цепи, обусловленное увеличением в 2 раза сопротивления X_L.

6. Собрать схему последовательной RC-цепи (рисунки 2.2а, 2.2б). Установить значения:

сопротивления резистора R =100+Nx10 (Ом), где N – номер варианта (последняя цифра пароля);

емкости С=100 нФ;

частоту и напряжение источника Е согласно п. 3.3.

Рисунок 2.2а

Рисунок 2.2б

7. Произвести измерения напряжений U_R и U_C и расчет тока в цепи на частотах f=5 кГц и f=10 кГц. (см. п.п. 3.4 и 3.5). Данные измерений и расчетов занести в таблицу 2.2. Учесть, что реактивное емкостное сопротивление равно Xc=1/wC=1/2fC и с ростом частоты уменьшается.

Таблица 2.2

	E	UR	UС	IR	IС
f=5 кГц	В	В	В	мА	мА
f=10 кГц

8. Собрать схему RLC-цепи (рисунок 2.3), включив последовательно в схему предыдущего опыта катушку индуктивности L=2мГн. Установить частоту и напряжение источника Е согласно п. 3.3.

Рисунок 2.3

9. Произвести измерения напряжений U_R, U_L и U_C и расчет тока в цепи на частотах f=5 кГц и f=10 кГц. (см. п.п. 3.4 и 3.5). Данные измерений и расчетов занести в таблицу 2.3.

Таблица 2.3

	E	UR	UL	UС	IR	IС	IL
f=5 кГц	В	В	В	В	мА	мА	мА
f=10 кГц

Учесть, что в данной цепи

Обратить внимание и уметь объяснить изменения напряжений и тока в цепи, обусловленные частотной зависимостью сопротивлений X_L=wL и X_С=1/wС.

4. Требования к отчету

Отчет должен содержать

• схемы экспериментов с указанием элементов;

• данные элементов схемы;

• таблицы экспериментальных и рассчитанных значений напряжений и токов;

• контрольный (теоретический) расчет тока и напряжений для каждой из 3-х схем на частоте f=5кГц, выполненный символическим методом;

• векторные диаграммы токов и напряжений для каждой из трех схем, построенные по результатам эксперимента (или расчета) для f=5кГц.

• выводы по проделанной работе.

Лабораторная работа № 3

Резонансы напряжений и токов в электрических цепях

1. Цель работы

Исследование явления резонанса в последовательном и параллельном контурах, их частотных характеристик, влияния нагрузки на свойства контуров.

2. Подготовка к выполнению работы

При подготовке к работе необходимо изучить явления электрического резонанса в последовательном и параллельном контурах, основные расчетные соотношения, частотные характеристики контуров, влияние нагрузки на свойства контуров (параграфы 4.1, 4.2, 4.3 электронного учебника).

3. Последовательный контур

   1. Собрать схему последовательного колебательного контура (рисунки 3.1а, 3.1б), подключенного к источнику переменного напряжения E.

Рисунок 3.1а

Рисунок 3.1б

2. Установить следующие номиналы элементов:

R=20 Ом, L=2 мГн, C=50+Nx5 нФ,

где N – номер варианта (последняя цифра пароля)

3. Установить напряжение источника переменного синусоидального напряжения Е=1 В (Частоту можно оставить любую)

4. Снять амплитудную частотную характеристику (АЧХ) ненагруженного последовательного контура в диапазоне частот, включающем в себя резонансную частоту f₀.

Частотная характеристики снимается прибором Body Plotter который расположен в библиотеке инструментов. Прибор подключается гнездами In к источнику Е. Гнездами Out – к катушке индуктивности L (как показано на рисунке 3.2). Обязательно наличие в схеме заземления.

Рисунок 3.2

Перед проведением измерений обязательно проверьте градуировку шкал прибора. Она должна быть следующей:

По вертикали и горизонтали выставлен линейный масштаб осей. Нажаты кнопки Lin.

В режиме Magnitude (Измерение АЧХ) масштаб по вертикали:

F=10

I=0

Масштаб по горизонтали:

F= 25 kHz

I=1 mHz

В режиме Phase масштаб по вертикали:

F=180

I=0

Проверьте: пик АЧХ должен находиться примерно посередине горизонтальной оси, а сама характеристика занимать 70-80% вертикальной оси. Если этого не наблюдается, необходимо изменить масштабы горизонтальной и вертикальной осей.

Для определения диапазона частот необходимо, после настройки прибора, определить резонансную частоту.

Проведение измерений на приборе осуществляется с помощью Измерительной линейки (черная вертикальная линия), изначально расположенной на левой стороне графика. Ее можно перемещать вручную (перетаскиванием мыши) или (более точно), используя стрелки вправо-влево, расположенные под настройками вертикальной шкалы Vertical. Значение АЧХ и частоты в точке, где расположена линейка, можно посмотреть в окошках правее стрелок перемещения.

Резонансная частота определяется на пике АЧХ. Для этого необходимо Измерительной линейкой как можно точнее определить максимум АЧХ и резонансную частоту, которой этот максимум соответствует.

Сравните измеренное значение резонансной частоты с расчетным значением f₀, которое определяется по формуле:

Остальные частоты можно получить, меняя частоту f в обе стороны от резонансной f₀, например через 0,5 кГц. При измерении взять 5 точек ниже частоты резонанса и пять точек выше частоты резонанса. Данные измерений записать в таблицу 3.1

Таблица 3.1

По результатам измерений построить Амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) H(f), определить по ней полосу пропускания S_A контура (на уровне 0,707 от максимального значения АЧХ) и рассчитать значение добротности ненагруженного контура

5. Снять частотную характеристику нагруженного последовательного контура. Для этого подключить к выходу контура (параллельно к индуктивности L) сопротивление нагрузки R_н (рисунок 3.3), установив на нем значение сопротивления 1 кОм.

Рисунок 3.3

Проделать все измерения, построения графика и расчеты согласно п. 3.4. Данные измерений занести в таблицу 3.1. По результатам измерений и расчетов сделать вывод о влиянии R_н на избирательные свойства последовательного контура, его эквивалентную добротность, полосу пропускания.

4. Параллельный контур

   1. Собрать схему параллельного колебательного контура, подключенного к источнику тока J с большим внутренним сопротивлением (рисунок 3.4а, 3.4б).

Рисунок 3.4а

Рисунок 3.4б

2. Установить следующие номиналы элементов:

R=20 Ом, L=2 мГн, C=50+Nx5 нФ.

где N – номер варианта (последняя цифра пароля)

Установить ток источника тока J=10 мА.

3. Снять частотную характеристику напряжения U_К(f) = Uвых(f) ненагруженного (R_Н отключено) параллельного контура в диапазоне частот, включающем в себя резонансную частоту f₀. Расчет резонансной частоты произвести по формуле:

Остальные частоты определяются так же, как и в п. 3.4. Частотная характеристика измеряется вольтметром, при этом на источнике тока перед измерением выставляется необходимая частота.

Данные измерений записать в таблицу 3.2.

Таблица 3.2.

По результатам измерений построить частотную характеристику (резонансную кривую) U_к(f), определить по ней полосу пропускания S_А контура (на уровне 0,707U_К0) и рассчитать значение добротности Q полученного ненагруженного контура

4. Снять частотную характеристику U_К(f) = Uвых(f) нагруженного параллельного контура. Для этого подключить параллельно к выходу контура (рисунок 3.4а) сопротивление нагрузки R_н. Установить на нем значение сопротивления 1 кОм.

Проделать все измерения, построение графика и расчеты согласно п. 4.3. Данные измерений занести в таблицу 3.2. По результатам измерений и расчетов сделать вывод о влиянии R_н на избирательные свойства параллельного контура, его эквивалентную добротность, полосу пропускания.

5. Требования к отчету

Отчет должен содержать:

• схемы исследуемых цепей;

• данные элементов схемы;

• таблицы измеренных величин;

• графики частотных характеристик ненагруженного и нагруженного последовательного и параллельного контуров;

• теоретический расчет добротностей и полос пропускания контуров (по данным элементов схемы) – ненагруженного и нагруженного;

• выводы по работе, в том числе оценка влияния генератора и нагрузки на избирательные свойства контуров.

Литература

1. Бакалов В. П., Дмитриков В. Ф., Крук Б. И. Основы теории цепей: Учебник для вузов/ Под ред. В. П. Бакалова – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Горячая линия – Телеком, 2009 – 536 с. (электронная версия).

2. Бакалов В. П., Дмитриков В. Ф., Крук Б. И. Теория электрических цепей. – М.: Радио и связь, 1998.

3. Шебес М. Р., Каблукова М. В. Задачник по теории линейных электрических цепей: Учебное пособие для вузов. – М.: Высшая школа, 1990.

4. Чирков В.Д., Гусельникова Н.М. Основы теории цепей: методические указания к лабораторным работам (для студентов заочного факультета). – Новосибирск: СибГУТИ, 2011. – 29 с.

наверх

назад