Экспериментальные исследования

Для проведения исследований включите компьютер и на рабочем столе дисплея откройте папку «Лаб. раб. ТОЭ» и затем, открывая другие папки, найдите файл лабораторной работы №15 и откройте его. В открывшемся окне появится схема полосового фильтра с подключенными измерительными приборами (рис.15.4). Для изменения структуры цепи в ней используются два ключа и управляемые, соответственно, клавишами 1 и 2. Ключ имеет два положения. В левом положении он шунтирует вход фильтра, в правом подключает к функциональному генератору XFG1.

Ключ имеет четыре положения и предназначен для изменения коэффициента усиления усилителя.

15.2.1. Определение влияния коэффициента передачи усилителя полосового активного фильтра на частоты его собственных колебаний и АЧХ

Соберите цепь полосового активного фильтра по схеме изображённой на рис.15.1 где R1 = R2 = 0, 5 * R3 = 10 кОм; C1 = C2 = 0.05 мкФ R5 = 120 кОм.

Перед проведением экспериментальных исследований предварительно рассчитайте по формулам (15.2) и (15, 3) для сопротивлений резисторов R41=100кОм, R42=80кОм, R43=70кОм

соответствующие коэффициенты усиления усилителя, добротность фильтра и его резонансную частоту

Для исследования фильтра откройте вначале двойным щелчком левой кнопки мыши лицевую панель генератора XFG1 и установите синусоидальную форму сигнала с амплитудой U_m=1В и рассчитанную частоту резонанса f_0. Для снятия частотных характеристик H(ω) и φ (ω) откройте лицевую плату анализатора частотных характеристик «Bode Plotter».На его горизонтальной шкале установите в масштабе lin, нижний I=1 Гц и верхний F=5 кГц пределы частоты в режиме снятия АЧХ (Magnitud).По вертикальной шкале с учётом усиления ОУ установите также в режиме lin верхний предел F =5 и нижний I =0.

Снимите АЧХ фильтра при К₁.Для этого активизируйте работу цепи нажатием мыши на клавишу . Передвигая измерительный курсор кнопками внизу экрана, зафиксируйте максимальное значение АЧХ H(ω)max и частоту резонанса f_0. Вычислите на калькуляторе значение 0, 707 H(ω)max для определения уровня полосы пропускания фильтра. Устанавливая измерительный курсор на пересечениях с характеристикой на этом уровне, определите два значения частоты и вычислите полосу пропускания ∆ f = f _{2 -} f_1. Снимите также значения АЧХ для частот (0.1f₀, 0.5f₀, 1, 5 f_{0 ).}

Таб.15.1

Наблюдают	Вычисляют
кГц
К 1	К 2	К 3	К 1	К 2	К 3

Переключите S2 во второе, а затем в третье положение и снимите АЧХ для фильтра с коэффициентами К2 и К3. По результатам наблюдений АЧХ постройте графики и опреде­лите по каждому из них полосу пропускания фильтра и добротность (15, 7). В таблицу также внесите результаты расчета АЧХ по (15.5). Затем, ис­пользуя формулы (15.4) и (15.6), для каждого случая рассчитай­те добротность и положение на комплексной плоскости полю­сов передаточной функции цепи. Сравните полученные значе­ния добротности полосового фильтра со значениями, рассчитанны­ми по формуле (15.3).

Вопросы: I. В чем основные достоинства рассматриваемого полосового активного фильтра в сравнении с реактивными фильтрами? 2. Как сказывается изменение коэффициента передачи усилителя активного фильтра на его избирательных свойствах, добротности и частотах собственных колебаний? 3. В чем достоинство и в чем недостаток высокодобротного полосового активного фильтра (рис.15.1)?

2. Исследование фазочастотной характеристики (ФЧХ) полосового активного фильтра

Исследование фазочастотной характеристики полосового фильтра произведите при коэффициенте усиления усилителя К₃ Для этого активизируйте схему и подключите переключателем резистор R43. Нажмите кнопку PHASE на панели «Bode (Plotter».Установите линейный lin масштаб величин измерения ФЧХ в пределах I= -90⁰ _F=90⁰ _.

Снимите ФЧХ полосового фильтра, перемещая курсор по экрану, для указанных частот (0.1f₀, 0.5f₀, 1, 5 f₀₎. При измерениях зафиксируйте значения ФЧХ на границах полосы пропускания фильтра и его резонансной частоте. Результаты измерений занесите в табл.15.2. В таблицу также внесите результаты расчета ФЧХ по формуле (15.6).

Таблица 15.2

Наблюдают	Вычисляют
кГц

Вопросы: I. Что определяет фазочастотная характеристика электрической цепи? 2. Чем отличается вид фазочастотных харак-теристик полосового фильтра, фильтров нижних и верхних частот?

3. Как сказывается изменение коэффициента передачи усилителя активного фильтра на вид ФЧХ? 4. Как по фазочастотной характеристике фильтра нижних частот определить запаздывание выходного сигнала?

3. Исследование свободных процессов в цепи полосового активного фильтра

Исследование свободных процессов в цепи полосового фильтра произведите при коэффициенте усиления К_{3 .} Для этого задайте режим сигналов прямоугольной формы. Установите амплитуду прямоугольных сигналов U=1.424В, а частоту f = 500гц, что соответствует периоду повторения Т=2мС. Для получения длительности импульсов t_{u =} 40мкС установите в строке Duty Cycle величину 2%.

Для наблюдения свободных процессов в цепи фильтра откройте экран осциллографа XSC1. Настройте осциллограф для проведения измерений так, чтобы на экране было видно 1-2 изображения переходного процесса.

По осциллограмме свободного процесса в цепи фильтра определите его собственные частоты С помощью мыши установите курсоры 1 и 2 на экране осциллографа на два соседних пика затухающей синусоиды, временной интервал между которыми соответствует периоду собственных колебаний На информационном поле экрана по шкале Time запишите временные интервалы а по шкале Channel A запишите амплитуды обоих пиков осциллограммы U_1, U_{2 .} Рассчитайте постоянную затухания и частоту затухания по следующим формулам:

Вопросы: I. Каким аналитическим выражением описывается полученный график свободного процесса? 2. Как влияет значение коэффициента усиления усилителя полосового активного фильтра на постоянную затухания 3. Как влияет изменение добротности фильтра на характер его свободного процесса?

4. Определение критического значения коэффициента передачи усилителя полосового активного фильтра, при котором наступает неустойчивый режим его работы

Для наблюдения неустойчивого режима работы полосового фильтра исполь­зуйте схему, показанную на рис.15.4, закоротив в ней входные выводы (это будет соответствовать нулевому входному сигналу от источника напряжения, т.е. свободному режиму в цепи). Для этого с помощью клавиши 1 установите ключ в левое положение, закоротив вход фильтра. С помощью клавиши 2 установите ключ в четвертое положение, подключив резистор R44 = 45кОм. Рассчитайте по (15.2) и (15.3) при сопротивлении этого резистора коэффициент усиления усилителя и резонансную частоту фильтра. Убедитесь, что вычисленная величина коэффициента усиления усилителя соответствует неустойчивому режиму ра­боты активного полосового фильтра.

Для наблюдения режима самовозбуждения схемы фильтра откройте экран осциллографа XSC1. Настройте осциллограф для проведения измерений. По осциллограмме определите частоту периодических релаксационных колебаний. Для этого с помощью мыши установите курсоры 1 и 2 на экране осциллографа на передние фронты двух соседних колебаний на осциллограмме, временной интервал между которыми соответствует периоду релаксационных колебаний На информационном поле экрана по шкале Time запишите временные интервалы Рассчитайте частоту релаксационных колебаний Сравните между собой частоты собственных колебаний и релаксационных колебаний Осциллограмму релаксационных колебаний зарисуйте на кальку.

Вопросы: 1. Где располагаются на комплексной плоскости корни характеристического уравнения цепи при возникновении не­устойчивого режима работы? 2. Какова добротность активного фильтра при неустойчивом режиме работы? 3. Почему амплитуда ре­лаксационных колебаний не увеличивается, несмотря на расположе­ние частот собственных колебаний фильтра в правой полуплоскос­ти комплексной частоты?