Исследование R–C делителей напряжения

Лабораторное занятие № 2

I. Цель занятия

1.Получить практические навыки создания делителей напряжения из пассивных электронных элементов с требуемыми параметрами.

2.Исследовать переходные процессы в резистивно-реактивных R–C делителях напряжения и на этой основе определить возможности их практического использования.

II. Основные теоретические положения

1.Делитель напряжения R–C типа состоит из резистора R и конденсатора С, включенных последовательно (рис.1а) На вход делителя от генератора Е_г (t) подается прямоугольный импульсный сигнал длительностью t_и и амплитудой U_mг.

Напряжение на конденсаторе в процессе его заряда не может изменяться мгновенно, а изменяется со скоростью, определяемой постоянной времени t=RC, по экспоненциальному закону:

. (1)

При этом напряжение изменяется от 0 до уровня U_mг. Переходный процесс практически заканчивается за время t_ПП, равное

t_ПП=(3…5)t. (2)

От величины постоянной времени t=RC зависит на сколько возрастет напряжение на конденсаторе при его заряде от момента t₁ до момента t₂ (рис.1б).

Процесс разряда также происходит по экспоненциальному закону и описывается выражением:

. (3)

При этом напряжение изменяется от начального уровня напряжения U₀ почти до 0.

Необходимо иметь ввиду, что для делителя в любой момент времени t сумма падений напряжений на резисторе и конденсаторе равна напряжению, подаваемому от генератора:

E_г(t)=U_C(t)+U_R(t). (4)

Если t< < t_и, переходные процессы завершаются за малое время, конденсатор быстро заряжается и заряжается. В результате на резисторе R выделяется напряжение в виде коротких всплесков напряжения.

При t> > t_и переходные процессы не заканчиваются в течение длительности импульса t_и. Напряжение заряда на конденсаторе U_C(t_и) невелико, а на резисторе практически повторяет напряжение генератора.

III. Методика выполнения занятия

Лабораторное занятие выполняется на персональном компьютере в среде программы Electronic WorkBench. На занятии используются следующие электронные элементы:

– заземление GND;

– источник напряжения (батарея) Е;

– резистор R1;

– конденсатор С1;

– автоматический переключатель К;

– осциллограф;

– точки соединения проводников.

ЗАДАНИЕ 1. Приобрести практические навыки составления электронных схем, установки параметров элементов, моделирования работы схемы и анализа результатов моделирования.

1. Создать на диске D в каталоге СТУДЕНТЫ подкаталог:

Электроника_Специальность_Номер варианта.

Например: Электроника_230106_ вариант-3

Схема исследуемого R – C делителя напряжения изображена на рис.2.

1. Собрать приведенную схему для исследования выходного напряжения U_O(t)=U_C(t) и установить следующие параметры элементов: R1=1kW (килоомы); С1=1mF (милифарады); Е=10V.

В качестве генератора прямоугольных импульсов используется переключатель К, который подключает на заданный промежуток времени t_и источник питания Е к делителю, формируя входной сигнал U_i. Установить следующие параметры переключателя: время включения – Time on=0.5s, время выключения – Time off=5s (в секундах). Такие параметры соответствуют длительности импульса t_И=4, 5 с.

Контронтрольно-измерительным прибором для наблюдения сигналов является осциллограф, к каналу А которого подключен входной сигнал U_in (красный проводник), а к каналу В – выходной сигнал U_out=U_C (синий проводник). Общий проводник (земля) подключен к клемме GND.

Настроить осциллограф, установив следующие параметры:

режим развертки – Y/T (по вертикали – напряжение сигнала, по горизонтали – время);

длительность развертки (TIME BASE) – 1s/div (1 секунда/деление);

чувствительность обоих каналов (CHANNEL A, CHANNEL B) – 5V/div (5 вольт/деление);

смещение по вертикали обоих каналов (Y POS) – 0.00;

режимы входов обоих каналов –DC (открытый вход).

2. Сохранить схему в файле с именем «RС-делитель-1-№вар» в созданном каталоге.

3. Запустить процесс моделирования путем нажатия кнопки, расположенной в правом верхнем углу экрана, в положение «1».

Наблюдать на экране осциллографа процесс изменения значений напряжений исследуемых сигналов во времени.

После завершения переходных процессов в схеме остановить моделирование нажатием кнопки в положение «0».

Изображение такой диаграммы представлено на рис.3.

3. Выполнить анализ полученных результатов.

Рассчитать значение постоянной времени цепи заряда и разряда t.

Рассчитать значение длительности переходного процесса t_ПП»3t.

Рассчитать значения выходного напряжения U_O(t)= U_C(t) в моменты начала t=t₁ и окончания t= t₂ входного сигнала согласно выражению (1) соответственно:

;

.

Сравнить результаты расчетов с результатами моделирования.

Примечание. Для производства вычислений используйте стандартную программу «Калькулятор» Windows путем вызова её кнопкой «Пуск» (Пуск / Программы / Стандартные / Калькулятор). Установить вид – инженерный. Для вычисления значения е^Х применить функцию натурального логарифма lnX, установив флажок обратной функции – Inv.

4.Изменить схему делителя для исследования выходного напряжения U_Out(t)=U_R(t) путем взаимной перестановки элементов R и С как это изображено на рис.4.

Запустить процесс моделирования и наблюдать на экране осциллографа процесс изменения значений напряжений исследуемых сигналов во времени (рис.5).

;

.

Выполнить анализ полученных результатов моделирования.

ЗАДАНИЕ 2. Исследовать переходные процессы в R–C делителе при заданных значениях параметров входного сигнала и электронных элементов.

1. Открыть поочерёдно схемы для исследования выходного напряжения U_Out(t)=U_C(t) (рис.2) и U_Out(t)=U_R(t) (рис.4). Установить значения параметров элементов по варианту, заданному преподавателем, согласно табл.1.

2. Выполнить моделирование функционирования схемы и провести анализ полученных результатов.

Рассчитать значение постоянной времени цепи заряда и разряда t.

Рассчитать значение длительности переходного процесса t_ПП»3t.

Рассчитать значения выходного напряжения U_Out(t)= U_C(t) в моменты начала t=t₁ и окончания t= t₂ входного сигнала.

Расчетные и экспериментальные данные для заданного варианта параметров схем занести в графы формы 1

3. Установить значения параметров элементов по варианту, заданному преподавателем, согласно табл.2.

5. Выполнить моделирование функционирования схемы и провести анализ полученных результатов.

Рассчитать значения:

постоянной времени цепи заряда и разряда t.

длительности переходного процесса t_ПП»3t.

выходного напряжения U_O(t)= U_C(t) в моменты начала t=t₁ и окончания t= t₂ входного сигнала.

Расчетные и экспериментальные данные для заданного варианта параметров схем занести в графы формы 2

IV. Содержание отчета

1.Наименование и цель занятия.

2.Схемы R – C делителей для исследования выходного напряжения U_Out(t)=U_C(t) и U_Out(t)=U_R(t).

3.Временные диаграммы (осциллограммы) напряжений входных U_in(t) и выходных U_Out(t) сигналов при заданных параметрах элементов по заданию 1.

4.Временные диаграммы (осциллограммы) напряжений входных U_in(t) и выходных U_Out(t) сигналов при заданных параметрах элементов по заданию 2.

4.Формы 1 и 2 с расчетными и экспериментальными данными для заданных наборов параметров схем по заданию 2

5.Выводы относительно различия полученных данных для разных наборов параметров схем.

Литература: