Лабораторная работа №3. Исследование резонансного колебательного контура.

Исследование резонансного колебательного контура.

 

1. ВВЕДЕНИЕ

Одним из главных элементов радиотехнических устройств является резонансный контур. С его помощью решается задача селекции полезного сигнала и подавления помехи. Знание свойств последовательных резонансных контуров позволяет успешно решать задачу правильного их применения и обеспечения требуемых значений таких основных их характеристик, как полоса пропускания, добротность, коэффициенты передачи и т.д.

 

2. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является экспериментальное исследование основных свойств последовательного одиночного колебательного контура и сравнение полученных результатов с результатами аналитических исследований его.

При исследовании любых электронных схем целесообразно результаты эксперимента сравнивать с результатами теоретического анализа. При этом важно до начала эксперимента располагать результатами теоретического анализа. Это позволяет знать, какого характера (вида) должны быть экспериментальные зависимости и избежать неверных (порой нелепых) результатов эксперимента, которые являются, как правило, следствием неумения работать с приборами, неумением грамотно собрать схему и т.д.

Поэтому, прежде чем приступить к лабораторному исследованию, необходимо вначале выполнить “Домашнее задание”, ознакомиться со всеми остальными пунктами данного описания.

 

3. ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ ПО ПОДГОТОВКЕ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

3.1. Изучить теорию последовательного одиночного колебательного контура, выполнить ниже перечисленные пункты задания, ознакомиться с методическими рекомендациями выполнения лабораторной работы. Исходные данные для проведения расчётов находятся в п.9 «Данные для лабораторной работы».

3.2. По заданному значению резонансной частоты f₀ и индуктивности L определить ёмкость конденсатора контура.

3.3. Для заданных значений добротностей Q₁ и Q₂ определить R_K1 и R_K2

3.4. Рассчитать и построить АЧХ контура для двух заданных значений добротности Q₁ и Q₂ . Частоту задавать в Гц.

3.5. Определить полосы пропускания для каждого контура - по графикам АЧХ и по формуле. Определить граничные значения частот для каждой полосы пропускания.

3.6. Определить U_ML и U_{M C} для каждого из контуров при резонансе.

3.7. Подготовить устные ответы на контрольные вопросы п.8.

 

4. ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ

4.1. Из имеющихся радиоэлементов подобрать резисторы и конденсатор с номинальными величинами равными или близкими к расчётным значениям. Измерить величины подобранных резисторов и записать номинальные величины подобранных элементов.

4.2. С учётом номинальных величин подобранных элементов определить добротности, резонансную частоту, полосы пропускания и граничные частоты полос пропускания для реального контура.

4.3. Собрать резонансный контур и подключить к нему генератор и вольтметр;

4.4. Экспериментально установить резонансную частоту собранного контура.

4.5. Снять и построить амплитудно-частотные характеристики для контура при заданных значениях добротностей Q₁ и Q₂ . _.

4.6. Определить полосу пропускания и добротность для каждой частотной характеристики контура и сравнить с результатами расчёта.

4.7. Определить напряжения на конденсаторе и катушке индуктивности на резонансной частоте при двух заданных добротностей.

 

5. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторная установка включает в себя:

- наборное поле;

- генератор синусоидальных сигналов;

- один электронный вольтметр;

- радиоэлементы (R,C);

- блок с двумя катушками индуктивности.

Генератор низкочастотных сигналов является источником Э.Д.С. с регулируемой амплитудой и частотой. Блок с катушками индуктивности и двумя конденсаторами переменной ёмкости содержит две перемещающиеся друг относительно друга катушки индуктивности. Одна катушка неподвижная, а другая перемещается относительно неподвижной путём вращения вала с резьбой. В лабораторной работе используется только неподвижная катушка. Значения индуктивностей катушек указаны в таблице 3.1 данных для лабораторной работы.

 

6. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Перед выполнением лабораторной работы необходимо ознакомиться с работой генератора синусоидальных сигналов, обратив внимание на способ регулировки величины напряжения, частоты сигнала, места подключения контура, а также ознакомиться с работой электронного вольтметра.

Начать выполнение лабораторной работы необходимо с подготовки к работе генератора и вольтметра. Для этого необходимо:

-не включая их, на генераторе ручку установки выходного напряжения вывести на нулевое положение (крайнее левое),

-установить на генераторе заданную резонансную частоту,

-подготовить вольтметр для измерения переменного напряжения до 10 В,

-подключить вольтметр к низкоомному выходу генератора,

-включить вольтметр и генератор, на генераторе установить выходное напряжение равное 2 В,

-выключить генератор и вольтметр.

Далее осуществляется сборка резонансного контура. При сборке схемы контура используется одна неподвижная катушка макета. Для избежания взаимного влияния катушек индуктивности необходимо их максимально развести путём вращения вала с резьбой.

Рис.3.1. Схема последовательного резонансного контура

 

Как известно, АЧХ последовательного контура представляет зависимость тока контура от частоты. Ток контура будет определяться через напряжение на резисторе контура, для этого электронный вольтметр подключается параллельно резистору. В дальнейшем, измеренное напряжение на резисторе делится на величину сопротивления резистора, и определяете ток контура. После сборки контура и подключения вольтметра, входные выводы контура подключается к низкоомному выходу генератора. При подключении генератора и вольтметра необходимо следить, чтобы их выводы, присоединённые к корпусу, находились в одной точке на схеме. После окончательной проверки правильности сборки схемы и правильности подключения генератора и вольтметра включить вольтметр и генератор.

Выбранный в соответствии с расчётом конденсатор, как правило, имеет ёмкость, отличную от расчётного значения. К тому же его номинальное значение ёмкости (маркеровка-надпись на конденсаторе) отличается от истинного значения ёмкости, что связано с технологическим разбросом реального значения ёмкости конденсатора от номинального значения. Это приводит к тому, что при включении такого конденсатора в контур реальная резонансная частота контура будет определяться истинной ёмкостью конденсатора и будет отличаться от расчётной частоты. Поэтому в лабораторной работе необходимо экспериментально определить его резонансную частоту. Для этого нужно изменяя частоту сигнала генератора следить за показаниями вольтметра. На резонансной частоте контура показания вольтметра буду максимальными. Зафиксировав это, необходимо записать действительное значение резонансной частоты контура, определить полосу пропускания и граничные частоты для неё. Как показывает практика, отклонение экспериментально найденной резонансной частоты от расчётной не значительное.

После этого можно приступить к снятию АЧХ контура. Для того, что бы график получился достаточно гладким, необходимо снять не менее десяти точек. Так как интерес представляет та часть АЧХ, которая захватывает полосу пропускания, то рекомендуется снимать АЧХ в области частот, где значения тока контура удовлетворяют требованию:

I_K≥0,5I_KM.

Границы снимаемых значений частот можно определить изменением частоты генератора в большую и меньшую стороны от резонансной частоты до уровня, когда величина тока контура, а значит и показания вольтметра, будут удовлетворять названному требованию. При построении графика АЧХ частоту целесообразно откладывать не с нулевого значения, а со значения равном у первому (минимальному) значению в эксперименте.

При снятии резонансной характеристики рекомендуется пользоваться одной шкалой вольтметра, что позволит избежать погрешности при переключении шкал. Для этого следует установить такую чувствительность вольтметра, при которой на резонансной частоте стрелка вольтметра находится ближе к правому крайнему положению.

Характеристики снимаются при постоянном установленном значении напряжении генератора. В процессе эксперимента возможно изменение напряжения генератора в результате изменения частоты или случайного механического воздействия на ручку регулировки напряжения. Поэтому рекомендуется регулярно проверять значение напряжения на входе резонансного контура. Для этого достаточно вывод вольтметра, не соединённый с корпусом, отключить от резистора и подсоединить к входному гнезду контура, не соединённым с корпусным выводом генератора. При отклонении входного напряжения от требуемого значения необходимо восстановить его с помощью ручки регулировки напряжения генератора, вернуть вывод вольтметра на прежнее место и продолжить измерения.

Все частотные характеристики (расчётные и экспериментальные) необходимо выполнить на одном графике, откладывая по оси абсцисс частоту в Гц, а по оси ординат значения отношений I_K /I_KM

Для определения величины напряжения на резонансной частоте на конденсаторе или катушке индуктивности необходимо в схеме на наборном поле поменять местами резистор с конденсатором или с катушкой индуктивности и установить на генераторе частоту, равную резонансной. В этом случае выводы, соединённые с корпусом вольтметра и генератора будут оставаться по-прежнему в одной электрической точке схемы.

 

7.СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

7.1. Титульный лист с указанием факультета, кафедры, фамилии исполнителей, преподавателя, наименование лабораторной работы.

7.2. Содержание домашнего и лабораторного заданий.

7.3. Схемы проводимых экспериментов, выполненных с помощью чертёжных инструментов и в соответствии с требованиями ГОСТов;

7.4. Основные расчетные формулы, по которым выполнялись расчёты и расчёты.

7.5. Таблицы с результатами расчетов и экспериментов;

7.6. Графики АЧХ-расчётные и экспериментальные для двух значений добротности. Зависимости должны быть расположены на одном графике, выделив (цвет, пунктир и т.д.) расчётные от экспериментальных.

7.7. По экспериментальным зависимостям определить:

- резонансную частоту из АЧХ;

- полосы пропускания контуров из АЧХ для двух значений добротностей;

7.8. Определить во сколько раз напряжения на конденсаторе и катушке индуктивности на резонансной частоте больше напряжения на входе контура.

7.9. Выводы, которые должны содержать пояснения на следующие вопросы:

- влияние величины сопротивления контура R_K на основные параметры контура (полоса пропускания, добротность, вид АЧХ);

- связь значений напряжений на конденсаторе и катушке индуктивности на резонансной частоте с величиной напряжения на входе контура;

7.10. Объяснить имеющиеся расхождения результатов расчета (домашнего задания) и экспериментальных результатов.

 

8. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

8.1. Как определяется резонансная частота, добротность, полоса пропускания и граничные частоты полосы пропускания резонансного контура?

8.2. Чему равно входное сопротивление последовательного контура на резонансной частоте и при расстройке?

8.3. Что понимается под амплитудно-частотной характеристикой последовательного контура?

8.4. Как влияет добротность контура на вид АЧХ и на полосу пропускания?

8.5. Как связаны величины напряжений на конденсаторе и на катушке индуктивности с величиной входного напряжения?

8.6. Как связано волновое сопротивление контура с его добротностью?

 

9. ДАННЫЕ ДЛЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Значения добротностей контура: Q₁=10, Q₂=20.

Амплитуда напряжения, подаваемого на вход контура равна: U_m=2 В

Резонансная частота контура и индуктивность катушки индуктивности для каждого рабочего стола указаны в таблице 3.1.

 

Таблица 3.1

№ рабочего стола	L [мГн]	f0 [кГц]
	2,2
	2,2
	2,2
	2,2
	2,2
	2,3
	2,2