BÁO cáo THÍ NGHIỆM GIẢI TÍCH MẠCH bài 4 đáp ỨNG tần số và MẠCH CỘNG HƯỞNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ NĂM HỌC 2021-2022 BÁO CÁO THÍ NGHIỆM GIẢI TÍCH MẠCH GVHD : NGUYỄN THANH PHƯƠNG LỚP : NHÓM : CÁC THÀNH VIÊN: Nguyễn Lâm Trí TP HCM 03/2022 0 Bài : ĐÁP ỨNG TẦN SỐ VÀ MẠCH CỘNG HƯỞNG A MỤC ĐÍCH : Bài thí nghiệm giúp sinh viên hiểu tính chất phụ thuộc tần số mạch điện thông qua xác định đáp ứng tần số mạch, khảo sát mạch lọc thụ động tìm hiểu tượng cộng hưởng (xem thêm lý thuyết chương – giáo trình Mạch Điện I) B ĐẶC ĐIỂM : Mạch lọc điện mạch điện có tính chất cho qua (pass) tín hiệu khoảng tần số khơng cho qua (stop) tín hiệu tần số cịn lại Mạch lọc thụ động thiết kế từ phần tử R, L, C M Mạch lọc tích cực có tham gia phần tử nguồn, phổ biến phần tử mạch bán dẫn hay OP-AMP Có loại mạch lọc bản: mạch lọc thơng thấp, mạch lọc thông cao, mạch lọc thông dải mạch lọc chắn dải Khảo sát mạch lọc dựa tìm đáp ứng tần số mạch lọc, thường viết dạng: ( )= Tần số cắt (fc) mạch lọc tần số mà | ( )| = hay tính theo độ lợi đơn vị dB -3db so độ lợi | ( )| Cộng hưởng tượng đặc trưng tính chất thay đổi theo tần số nhánh mạch điện: áp dịng pha tần số cộng hưởng Có hai dạng cộng hưởng bản: cộng hưởng nối tiếp cộng hưởng song song Ở mạch cộng hưởng RLC nối tiếp, trị hiệu dụng điện áp phần tử kháng gần cộng hưởng lớn so với điện áp vào mạch (do mạch cộng hưởng nối tiếp gọi cộng hưởng áp) Ở mạch cộng hưởng RLC song song dịng điện qua mắc lưới LC gần cộng hưởng lớn so với dịng điện cấp cho mạch (do mạch cộng hưởng song song gọi cộng hưởng dòng ) Tại tần số cộng hưởng , biên độ tín hiệu ngõ cực đại Và khoảng tần số , mà biên độ hàm truyền đạt áp lớn biên độ cực đại , gọi băng thông mạch √2 cộng hưởng (ký hiệu BW) Dấu xảy tần số cắt mạch cộng hưởng Có hai 0 giá trị tần số cắt : tần số cắt f1 (hay 1) bé tần số cộng hưởng tần số cắt f2 (hay 2) lớn tần số cộng hưởng (xem thêm cơng thức tính tần số cắt theo thông số mạch chương 2– giáo trình Mạch Điện I ) Băng thơng mạch cộng hưởng xác định biết tần số cắt : BW = f2 – f1 (Hz) Hay: BW = − (rad/s) Hệ số phẩm chất Q mạch cộng hưởng tính cơng thức : Q = fo /BW ; với fo tần số cộng hưởng (BW tần số theo thứ nguyên nhau) C PHẦN THÍ NGHIỆM : I Giá trị thơng số mạch thí nghiệm: Giá trị thơng số mạch thí nghiệm thí nghiệm cho bảng sau, RL điện trở nội cuộn dây mơ hình nối tiếp Phần tử R, Rnt Rss C L RL II Mạch cộng hưởng RLC nối tiếp: a)Đo tần số cộng hưởng nối tiếp: Thực mạch thí nghiệm Hình 1.4.1 Chỉnh máy phát sóng sin để u in ln có biên độ V, tần số chỉnh từ 1kHz đến khoảng 10kHz f0 = 2272 Hz 0 Hình 1.4.1: Mạch cộng hưởng nối tiếp b) Vẽ dạng Uout(f) mạch nối tiếp: Mạch thí nghiệm 1.4.1, chỉnh uin biên độ 2V, tần số thay đổi f (Hz) Uout (V) + Vẽ đặc tuyến Uout(f) Uout(f) 1.6 1.4 1.41 1.2 0.8 0.6 0.6 0.4 0.31 0.2 0.05 0 2000 4000 6000 8000 10000 Đo tần số cắt băng thông mạch nối tiếp: c) + Từ giá trị f0, giảm từ từ tần số máy phát f1= 1515 Hz + Từ giá trị f0, tăng từ từ tần số máy phát =1 f2= 3698 Hz + BW = f2 – f1 = 2183 Hz Bảng số liệu mạch nối tiếp: d) (Với ∑ = Rnt + RL) Phần Giá trị tử Rnt 1k Ω RL 300 Ω L 0.1 H C 0.047 µF 1300 Ω ∑ %= | e) Đo góc lệch pha uout uin tần số cắt: cos = R 0 Góc lệch pha đo Tại f1 -50.98 o III Mạch cộng hưởng RLC song song: a) Đo tầnsố cộng hưởng song song: Thực mạch thí nghiệm Hình 1.4.2 Chỉnh máy phát sóng sin để u in ln có biên độ V, tần số chỉnh từ 1kHz đến khoảng 10kHz f0 = 2283 Hz Hình 1.4.2: Mạch cộng hưởng song song b) Vẽ dạng Uout(f) mạch song song: Mạch thí nghiệm 1.4.2, chỉnh uin biên độ V, tần số thay đổi (có thể đọc tần số dùng dao động ký) f (Hz) Uout (V) 0 + Vẽ đặc tuyến Uout(f) Uout(f) 1.6 1.4 1.41 1.2 0.8 0.6 0.6 0.4 0.32 0.26 0.2 0 c) 2000 4000 6000 8000 10000 Đo tần số cắt băng thông mạch song song: + Từ giá trị f0, giảm từ từ tần số máy phát =1 f1= 1512 Hz + Từ giá trị f0, tăng từ từ tần số máy phát khi= f2= 3541 Hz + BW = f2 – f1 d) Bảng số liệu mạch song song: 0 12000 Phần tử Giá trị Rss 2200Ω RL 300 Ω L 100mH C 0.047µ 0,264(Mho) ∑ (Với ∑= dẫn nạp tương đương mơ hình nhánh song song) %= | e) Đo góc lệch pha uout uin tần số cắt: Góc lệch pha đo Tại f1 34.01 IV Mạch lọc thơng thấp RC: + Thực mạch thí nghiệm Hình 1.4.3 0 + Tần số cắt:fc = + Chỉnh máy phát sóng sin để biên độ Uin có giá trị khoảng 2V, tần số thay đổi từ 100 Hz đến 100 kHz Tần số Uin (V) Uout (V) 20log(Uout/Uin) φ(deg) + Vẽ đặc tuyến biên độ logarithm đặc tuyến pha mạch lọc đặc tuyến biên độ logarithm đặc tuyến pha mạch lọc thông thấp RC 20log(Uout/Uin) -2.7436 0 Tính tần số cắt (fc) mạch lọc theo thông số mạch f = f0 → R = X L → ω = → f C = + Chỉnh máy phát sóng sin để biên độ Uin có giá trị khoảng V, tần số thay đổi từ 100 Hz đến 100 kHz Tần số Uin (V) Uout (V) 20log(Uout/Uin) φ(deg) + Vẽ đặc tuyến biên độ logarithm đặc tuyến pha mạch lọc đặc tuyến biên độ logarithm đặc tuyến pha mạch lọc thông cao RL -2 -3.1 20log(Uout/Uin) -4 -10 -12 -14 -12.04 f (Hz) 0 (deg) 100 1000 3400 10000 100000 70 60 57.3 (deg) 50 43.2 40 30 20 12 10 f (Hz) + Vẽ đặc tuyến biên độ pha theo thông số mạch dùng Bode plot đặc tuyến biên độ Bode plot 100 -3.1 20log(Uout/Uin) -5 -6.24 -10 -12.04 -15 -20 -25 -30 f (Hz) Thực tế Bode plot đặc tuyến pha Bode plot 100 1000 3400 10000 100000 100 90 80 (deg) 70 60 50 40 30 20 10 + Thiết kế lọc thơng cao , dùng mạch R-L, có tần số cắt fc = Khz f0 = Giá trị R 3140 0 Bài : QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ MẠCH TUYẾN TÍNH A MỤC ĐÍCH : Bài thí nghiệm giúp sinh viên hiểu số đặc tính độ mạch tuyến tính, gồm mạch: RC; RL mạch RLC Thơng qua đặc tính này, sinh viên kiểm nghiệm phương pháp phân tích mạch độ học phần lý thuyết, hiểu thêm số trình vật lý xảy mạch độ thực tế B ĐẶC ĐIỂM : Quá trình độ trình xuất mạch chuyển từ chế độ xác lập sang chế độ xác lập khác (xem thêm lý thuyết phân tích mạch miền thời gian: chương – giáo trình Mạch Điện II) Thơng thường thời gian độ ngắn nên để quan sát trình q độ người ta sử dụng nguồn kích thích chu kỳ có biên độ biến thiên đột ngột (đóng mở theo chu kỳ đủ lớn cho phép theo dõi trình độ diễn mạch) C PHẦN THÍ NGHIỆM : I Thơng số mạch thí nghiệm: Thơng số mạch thí nghiệm cho bảng sau, RL điện trở mơ hình nối tiếp cuộn dây 0 II Mạch độ cấp I RC: a) CHỈNH DẠNG SĨNG VÀO MẠCH: Thực mạch thí nghiệm Hình 1.5.1 Dùng dao động ký, quan sát dạng xung vng từ nguồn xung hộp thí nghiệm Chỉnh máy phát xung vuông lưỡng cực đối xứng (duty cycle = 50), biên độ 2V, tần số 500 Hz (nếu chọn Time/div = 0.5 ms chỉnh nút Fre để tín hiệu có chu kỳ ơ) Ghi lại dạng sóng khảo sát q độ uab(t) Hình 1.5.1: Chỉnh dạng xung tác động b) Quan sát dạng tín hiệu áp tụ dùng mạch Hình 1.5.2 Ghi nhận lại dạng sóng uc dao động ký ứng với VR1 = kΩ (chọn giá trị cho VR) Hình 1.5.2: Quan sát dạng áp tụ c) Quan sát dạng tín hiệu dịng điện qua tụ dùng mạch Hình 1.5.3 Ghi nhận lại dạng sóng ic(t) dao động ký ứng với VR1 = kΩ Lưu ý giá trị dịng điện tính thơng qua áp R0 0 KIỂM CHỨNG TÍNH TỐN LÝ THUYẾT : Giả sử trình uab = –2V xác lập Tại t = 0, uab thay đổi từ –2V đến 2V: Dùng tích phân kinh điển hay tốn tử Laplace, cho biết dạng áp tụ dòng qua tụ mạch độ cấp I RC t > có biểu thức: uc(t) = – 4.e-10132t (V) ic(t) = 2.10-3 e-10132t (A) Hình 1.5.3: Quan sát dạng dịng điện qua tụ d) ĐO HẰNG SỐ THỜI GIAN CỦA MẠCH QUÁ ĐỘ CẤP I RC: Thời mạch độ cấp I RC xác định theo công thức: τc [s] = R[Ω].C[F] Đại lượng đo dùng mạch thí nghiệm Hình 1.5.2 Thế t = τ c vào biểu thức phần c) cho ta giá trị ic(τc), giúp ta đọc τc dựa vào dạng sóng ic(t) hình dao động ký (bằng số ô theo chiều ngang giá trị nút chỉnh Time/div, nhớ chỉnh biến trở VAR CAL) Hoàn thành bảng số liệu sau ứng với VR1 = kΩ VR2 = kΩ uab ( thay đổi) -2V → 2V III Mạch độ cấp I RL: a) CHỈNH DẠNG SÓNG VÀO MẠCH: Thực mạch thí nghiệm Hình 1.5.4 Dùng dao động ký, quan sát dạng xung vuông từ nguồn xung hộp thí nghiệm Chỉnh máy phát xung vng lưỡng cực đối xứng (duty cycle = 50), biên độ 2V, tần số 500 Hz (nếu chọn Time/div = 0.5 ms chỉnh nút Fre để tín hiệu có chu kỳ ơ) Ghi lại dạng sóng khảo sát q độ uab(t) 0 Hình 1.5.4: Chỉnh dạng s ng thí nghiệm b) Quan sát dạng tín hiệu áp cuộn dây dùng mạch Hình 1.5.5 Ghi nhận lại dạng sóng dao động ký ứng với VR3 = 100 Ω Hình 1.5.5: Quan sát dạng áp cuộn dây c) Quan sát dạng tín hiệu dịng điện qua cuộn dây dùng mạch Hình 1.5.6 Ghi nhận lại dạng sóng dao động ký ứng với VR = 100 Ω 0 Hình 1.5.6: Quan sát dạng dịng điện qua cuộn dây KIỂM CHỨNG TÍNH TỐN LÝ THUYẾT: Giả sử trình uab = –2V xác lập Tại t = 0, uab thay đổi từ –2V đến 2V: Dùng tích phân kinh điển hay tốn tử Laplace, cho biết dạng áp dòng cuộn dây mạch độ cấp I R-L t > có biểu thức: uL(t) = 1,2 + 1,6.e-5000t (V) iL(t) = 4.10-3.(1 – 2e-5000t) (A) d) ĐO HẰNG SỐ THỜI GIAN CỦA MẠCH QUÁ ĐỘ CẤP I RL: Thời mạch độ cấp I RL xác định theo công thức : τL [s] = L[H]/R[Ω] Đại lượng đo dùng mạch thí nghiệm Hình 1.5.6 Thế t = τ L vào biểu thức phần c) cho ta giá trị iL (τL), giúp ta đọc τL dựa vào dạng sóng iL(t) hình dao động ký (bằng số theo chiều ngang giá trị nút chỉnh Time/div, nhớ chỉnh biến trở VAR CAL) Hoàn thành bảng số liệu sau ứng với VR3 = 100 Ω VR4 = 400 Ω uab ( thay đổi) -2V → 2V IV Mạch độ cấp II RLC: a) CHỈNH DẠNG SÓNG VÀO MẠCH: Thực mạch thí nghiệm Hình 1.5.7 Dùng dao động ký, quan sát dạng xung vuông từ nguồn xung hộp thí nghiệm Chỉnh máy phát xung vuông lưỡng cực đối xứng (duty cycle = 50), biên độ V, tần số 500 Hz (nếu chọn Time/div = 0.5 ms chỉnh nút Fre để tín hiệu có chu kỳ ơ) Ghi lại dạng sóng khảo sát độ uab(t) 0 Hình 1.5.7: Chỉnh dạng s ng vào mạch b) ĐO ĐIỆN TRỞ TỚI HẠN CỦA MẠCH QUÁ ĐỘ CẤP II: Dùng mạch thí nghiệm Hình 1.5.8 Từ giá trị VR = 500 Ω, tăng từ từ VR (mỗi bước 100Ω, chỉnh tinh dùng biến trở 10 Ω) quan sát tín hiệu u c(t) dao động ký đạt chế độ tới hạn Ghi số liệu Hình 1.5.8: Đo điện trở tới hạn Hình 1.5.9: Quan sát dạng dịng điện qua tụ (Cơng thức lý thuyết tính điện trở tới hạn : Rth = 2√ / ) Rth tính theo lý thuyết Rth đo % sai số 2917 (Ω) 3000 (Ω) 2,8454 % c) Quan sát dạng tín hiệu áp tụ điện dùng mạch Hình 1.5.8 Quan sát dạng tín hiệu dịng qua tụ điện dùng mạch Hình 1.5.9 Cho biết mạch độ làm việc chế độ ghi nhận lại dạng sóng dao động ký ứng với chế độ TH1) VR = 500 Ω: 0 Mạch độ chế độ: DAO Dạng dòng qua tụ đo được: ĐỘNG Dạng áp tụ đo được: TH2) VR = Rth – 400 Ω: Mạch độ chế độ: TỚI HẠN Dạng áp tụ đo được: Dạng dòng qua tụ đo được: TH3) VR = kΩ: Mạch độ chế độ: DAO ĐỘNG Dạng áp tụ đo được: Dạng dòng qua tụ đo được: d) KIỂM CHỨNG TÍNH TỐN LÝ THUYẾT: Giả sử trình uab = –2V xác lập Tại t = 0, uab thay đổi từ –2V đến 2V: Dùng tích phân kinh điển hay tốn tử Laplace, cho biết dạng điện áp dòng qua tụ điện mạch độ cấp II RLC t > có biểu thức: TH1) Mạch chế độ DAO ĐỘNG: -4500t uL(t) = + e (–1,30.sin13875t – 4,00.cos13875t) (V) iL(t) = 0,03.sin13875t.e-4500t (A) TH2) Mạch chế độ TỚI HẠN: uL(t) = – 58344t.e-14586,41t – 4.e-14586,41t (V) -3 -14586,41t iL(t) = 2,74.10 e (A) TH3) Mạch chế độ DAO ĐỘNG: UL(t) = – 4,67.e-5532,78t + 0,67.e-38469,23t (V) -3 -5532,78t -38469,23t iL(t) = 1,2.10 (e –e ) (A) XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CHO CHẾ ĐỘ DAO ĐỘNG: Theo kết e) phần d), mạch độ cấp II chế độ dao động, phương trình đặc trưng mạch có dạng: s2 + + ± Dịng điện qua tụ có biểu thức: i (t) = − sin( t) dạng tín hiệu dịng hình c 1.5.10 0 Ta có: T = Hình 1.5.10: Dạng dịng qua tụ chế độ dao động = 3,2.10-4 = = 3,2 Đọc giá trị T I1, I2 hình dao động ứng với VR = 500 Từ suy ký So sánh giá trị tính theo thơng số mạch ? 0 f) ĐO R TỚI HẠN CỦA MẠCH QUÁ ĐỘ CẤP II RLC SONG SONG: Dùng mạch thí nghiệm Hình 1.5.11 Từ giá trị VR = 100 Ω, tăng từ từ VR (mỗi bước 100Ω, chỉnh tinh dùng biến trở 10Ω) quan sát tín hiệu uout(t) mạch song song dao động ký đạt chế độ tới hạn Ghi số liệu Cho biết giá trị tính theo thơng số mạch ? Hình 1.5.11: Đo Rth mạch cấp II RLC song song Rth = 3000 Ω D DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM: Hộp thí nghiệm Module thí nghiệm số Dao động ký DMM cầu đo RLC Dây nối 0 .. .Bài : ĐÁP ỨNG TẦN SỐ VÀ MẠCH CỘNG HƯỞNG A MỤC ĐÍCH : Bài thí nghiệm giúp sinh viên hiểu tính chất phụ thuộc tần số mạch điện thông qua xác định đáp ứng tần số mạch, khảo sát mạch lọc... thông mạch √2 cộng hưởng (ký hiệu BW) Dấu xảy tần số cắt mạch cộng hưởng Có hai 0 giá trị tần số cắt : tần số cắt f1 (hay 1) bé tần số cộng hưởng tần số cắt f2 (hay 2) lớn tần số cộng hưởng (xem... )| Cộng hưởng tượng đặc trưng tính chất thay đổi theo tần số nhánh mạch điện: áp dòng pha tần số cộng hưởng Có hai dạng cộng hưởng bản: cộng hưởng nối tiếp cộng hưởng song song Ở mạch cộng hưởng