Báocáothí nghiệmmôngiải tíchmạch bài 4 đáp ứng tần số và mạch cộnghưởng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ  BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MƠN:GIẢI TÍCH MẠCH Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thanh Phương Nhóm: 01 Lớp: L17 Thành phố Hồ Chí Minh – 2023 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HỒ CHÍ MINH  GIẢI TÍCH MẠCH Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thanh Phương Nhóm: 01 Lớp: L17 Tên sinh viên MSSV Nhiệm vụ phân công Trần Quốc Ân 2210177 Bài từ I-III Nguyễn Quang Anh 2210097 Bài từ IV -V Nguyễn Hồ Quốc An 2210019 Bài 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 |� �� | = |� �� |max hay tính theo độ lợi đơn vị dB -3db so độ lợi |� �� |max 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 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 cịn gọi cộng hưởng áp) Ở mạch cộng hưởng RLC song song dịng điện qua mắc lưới LC gần cộng hưởng lớn so với dòng điện cấp cho mạch (do mạch cộng hưởng song song cịn 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 cộng hưởng (ký hiệu BW) Dấu xảy tần số cắt mạch cộng hưởng Có hai giá trị tần số cắt : tần số cắt f1 (hay ω1) bé tần số cộng hưởng tần số cắt f2 (hay ω2) lớn tần số cộng hưởng (xem thêm công thức tính tần số cắt theo thơng 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 = �2 − �1 (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 Giá trị danh định kΩ 2,2 kΩ 0,047 µF (473) 100 mH 300 Ω 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 uin ln có biên độ V, tần số chỉnh từ 1kHz đến khoảng 10kHz Xác định tần số cộng hưởng f0 uin uout pha Ta có : f0 = 2272.72Hz Hình 1.4.1: Mạch cộng hưởng nối tiếp Hình ảnh đo f0 b) Vẽ dạng Uout(f) mạch nối tiếp: Mạch thí nghiệm 1.4.1, chỉnh uin biên độ 2V, tần số thay đổi (có thể đọc tần số dùng dao động ký) Đọc biên độ uout áp điện trở dùng dao động ký ghi vào bảng số liệu: f (Hz) Uout (V) 100 0.09V 1k 0.5V 10k 0.31V 83.333k 38mV f0 1.4V + Vẽ đặc tuyến Uout(f) c) Đo tần số cắt băng thông mạch nối tiếp + Từ giá trị f0, giảm từ từ tần số máy phát ���� = (Lưu ý kiểm tra biên độ uin ln giữ Vpp) Ta có : f1 = 1470.59Hz ; Uout(f1) = 0.99V � (� ) ��� + Từ giá trị f0, tăng từ từ tần số máy phát ���� = ; �� = ���� ���� � (� ) ��� Uout(�� ) = 0.99V + Xác định BW = f2 – f1=2375.56 Q = f0/BW=0.96 d) Thực bảng số liệu mạch nối tiếp: + Điền giá trị thông số mạch đo vào cột thứ hai (Với R∑ = Rnt + RL) + Dùng giá trị đo cột để tính tốn theo lý thuyết đại lượng cột điền kết vào cột + Ghi đại lượng đo vào cột Phần tử Rnt Giá trị 1kΩ Đại lượng Tính theo lý thuyết f0 2321.51Hz RL 300Ω f1 1507.1Hz L 100mH f2 3576.1Hz BW 2069 3846.15Hz 2375.56 7.552% Q 1.22 0.96 21.311% C 0.047�� 1300Ω R∑ Theo lý thuyết � �1 =− 2� + 2� �2 + � �2 = 2� + 2� �2 + 4� = � 4� � �0 = Đo 2272.72Hz 1470.59Hz 2� �� = 2321.51�� 9469.22(rad/s) => �1 = 1507.1�� =22469.22(rad/s) =>�2 = 3576.1�� + Xác định sai số ghi vào cột % sai số 2.102% 2.423% 14.817% %sai số �0 = 2321.51−2272.72 2321.51 Tính tương tự = 2.102% %sai số �1 = 2.423% %sai số �2 = 7.552% e) Đo góc lệch pha uout uin tần số cắt: Xem lại cách đo góc lệch pha TN số Tính góc lệch pha theo lý thuyết Góc lệch pha đo Tại f1 Tại f2 42.35 -40.38 Theo lý thuyết: Chọn ��� = 2∠0 Tại �1 = 1470.59 ���� = Góc lệch pha theo lý thuyết Tại f1 Tại f2 46.68 -49.76 2∠0 1000 + 2� 1470.59.0,1 � − Tại �2 = 3846.15 ���� = 2� 1470.59.0,047 10−6 2∠0 1000 + 2� 3846.15.0,1 � − 1000 = 0.75∠46.68 2� 3846.15.0,047 10−6 1000 = 0.7∠ − 49.76 III Mạch cộng hưởng RLC song song: a) Đo tần số cộng hưởng song song: Thực mạch thí nghiệm Hình 1.4.2 Chỉnh máy phát sóng sin để uin ln có biên độ V, tần số chỉnh từ 1kHz đến khoảng 10kHz Xác định tần số cộng hưởng f0 uin uout pha Ta có : f0 = 2272.72Hz Hình 1.4.2: Mạch cộng hưởng song song Hình ảnh đo f0 b) Vẽ dạng Uout(f) mạch song song: Mạch thí nghiệm 1.4.2, chỉnh uin biên độ V, tần số thay đổi (có thể1 đọc tần số dùng dao động ký) Đọc biên độ uout áp khung LC dùng dao động ký ghi vào bảng số liệu: f (Hz) Uout (V) 100 0.3 1k 0.6 10k 0.3 83.333kΩ 95mV f0 1.4 + Vẽ đặc tuyến Uout(f) c) Đo tần số cắt băng thông mạch song song: + Từ giá trị f0, giảm từ từ tần số máy phát ���� = uin ln giữ Vpp) Ta có : f1 = 1562.5Hz ; Uout(f1) = 0.99V + Từ giá trị f0, tăng từ từ tần số máy phát ���� = uin giữ Vpp) Ta có: f2 = 4166.7Hz + Xác định BW = f2 – f1=2514.2 � (� ) ��� (Lưu ý kiểm tra biên độ � (� ) ��� (Lưu ý kiểm tra biên độ ; Uout(f2) = 0.99V Q = f0/BW=0.9 Hình ảnh đo �1 �2 d) Thực bảng số liệu mạch song song: + Điền giá trị thông số mạch đo vào cột thứ hai + Dùng giá trị đo cột để tính tốn theo lý thuyết đại lượng cột điền kết vào cột + Ghi đại lượng đo vào cột Phần tử Giá trị Đại lượng Tính theo lý thuyết Rss RL 2.2kΩ 300Ω f0 f1 L C G∑ 100mH 0.047 �� 0.264Mho f2 BW Q Đo % sai số 2321.51 1504.6 2272.72 1562.5 2.102% 3.848% 3968.5 2463.9 0.94 4166.7 2514.2 0.9 5.00% 2.041% 4.255% (Với G∑ = dẫn nạp tương đương mơ hình nhánh song song) + Xác định sai số ghi vào cột Theo lý thuyết : �1 =− Tính sai số: %sai số �0 = �2 =− 2321.51−2272.72 2321.51 Tính tương tự �0 = 2� �� = 2321.51�� 4� � �2 + + => �1 = 1504.6�� 2� 2� � � 4� + �2 + => �2 = 3968.5�� � 2� 2� = 2.102% %sai số �1 = 3.848% %sai số �2 = 5% e) Đo góc lệch pha uout uin tần số cắt: Xem lại cách đo góc lệch pha TN số Tính góc lệch pha theo lý thuyết Góc lệch pha đo Tại f1 Tại f2 22.5 -60 Chọn ��� = 2∠0 Tại �1 = 1562.5Hz => � = 1.04∠32.47° Tại �2 = 4166.7Hz => � = 0.92∠ − 59.7° Góc lệch pha theo lý thuyết Tại f1 Tại f2 32.47 -59.7 � 1 + + = 300 + �� �� 2200 2200 � 1 + + = 300 + �� �� 2200 2200 IV Mạch lọc thông thấp RC: + Thực mạch thí nghiệm Hình 1.4.3 Đưa uin vào CH1, uout vào CH2 dao động ký Hình 1.4.3: Mạch lọc thơng thấp RC + Xác định đáp ứng tần số mạch: H(jω) = Ůout/Ůin Tính tần số cắt (fc) mạch lọc theo thơng số mạch Lưu ý: tần số cắt tần số mà Uout = � �� + Chỉnh máy phát sóng sin để biên độ Uin có giá trị khoảng V, tần số thay đổi từ 100 Hz đến 100 kHz, có giá trị tần số cắt (có thể đọc tần số dùng dao động ký) Đọc biên độ Uout , góc lệch pha φ uout uin dùng dao động ký ghi vào bảng số liệu: Tần số Uin (V) Uout (V) 20log(Uout/Uin) φ (deg) 100Hz 2 0 1kHz 1.7 -1.412 14.4 10kHz 0.6 -10.46 62.61 83.33kHz 0.08 -27.96 41.54 + Vẽ đặc tuyến biên độ logarithm đặc tuyến pha mạch lọc + Vẽ đặc tuyến biên độ pha theo thông số mạch dùng Bode plot fc = 3333.3Hz 1.41 -3.04 48 Bode e Bode V Mạch lọc thông cao RL: + Thực mạch thí nghiệm Hình 1.4.4 Đưa uin vào CH1, uout vào CH2 dao động ký Hình 1.4.4: Mạch lọc thơng cao RL + Xác định đáp ứng tần số mạch: H(jω) = Ůout/Ůin Tính tần số cắt (fc) mạch lọc + Chỉnh máy phát sóng sin để biên độ Uin có giá trị khoảng V, tần số thay đổi từ 100 Hz đến 100 kHz, có giá trị tần số cắt (có thể đọc tần số dùng dao động ký) Đọc biên độ Uout , góc lệch pha φ uout uin dùng dao động ký ghi vào bảng số liệu: Tần số Uin (V) Uout (V) 20log(Uout/Uin) φ (deg) 100Hz 0.45 -12.95 14.4 1kHz 0.8 -7.96 32 10kHz 1.8 -0.915 1.25 83.33kHz 1.6 -1.938 6.5 + Vẽ đặc tuyến biên độ logarithm đặc tuyến pha mạch lọc + Vẽ đặc tuyến biên độ pha theo thông số mạch dùng Bode plot fc = 3333.3Hz 1.4 -3.098 35.12 Bode Bode D DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM: - Hộp thí nghiệm Module thí nghiệm số - Dao động ký , DMM cầu đo RLC - Dây nối 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 ; R-L mạch R - L - C Thông qua đặc tính , 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 Phần tử L RL C1st C2nd C3rd R0 Rss Giá trị danh định 100 mH 300 Ω 0,047 µF (473) 0,1 µF (104) 0,01 µF (103) 100 Ω 2,2 kΩ II Mạch độ cấp I RC: a) Chỉnh dạng sóng vào mạch: Thực mạch thí nghiệm Hình 1.5.1 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 ( 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 Kiểm chứng tính tốn lý thuyết: Giả sử q trình uab = – 2V xác lập Tại t = 0, uab thay đổi từ – 2V đến 2V: Dùng tích phân kinh điển hay toán tử Laplace, cho biết dạng điện áp tụ dòng qua tụ mạch độ cấp I RC t > có biểu thức : uc(t) =2 − �−10132� (V) ic(t) =2.10−3 �−10132� (A) Hình 1.5.3: Quan sát dạng dịng điện qua tụ d) Đo số thời gian (thời hằng) mạch độ cấp I RC: Thời mạch độ cấp I RC xác định theo công thức : Tc [s] = R[Ω].C[F] Đại lượng đo dùng mạch thí nghiệm Hình 1.5.2 Thế t = τc 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 theo chiều ngang giá trị nút chỉnh Time/div, nhớ chỉnh biến trở VAR CAL) Hoàn thành bảng số liệu ứng với VR1 = kΩ VR2 = kΩ uab ( thay đổi) Từ -2V→2V τc tính tốn VR1 VR2 0,0987 0,1927 ic(τc)(mA) VR1 VR2 0,7358 0,2836 τc đo VR1 VR2 0,1020 0,1975 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 V, tần số 500 Hz ( 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 1.5.4: Chỉnh dạng sóng 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 VR3 = 100 Ω Hình 1.5.6: Quan sát dạng dòng điện qua cuộn dây Kiểm chứng tính tốn lý thuyết: Giả sử q trình uab = – 2V xác lập Tại t = 0, uab thay đổi từ – 2V đến 2V: Dùng tích phân kinh điển hay toán tử Laplace, cho biết dạng điện áp dòng cuộn dây mạch độ cấp I RL t > có biểu thức : ��(�) = 1,2 + 1,6 �−5000� (V) �� (�) = 4.10−3 (1 − �−5000� )(A) d) Đo số thời gian (thời hằng) mạch 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 = τL 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 ô theo chiều ngang giá trị nút chỉnh Time/div, nhớ chỉnh biến trở VAR CAL) Hoàn thành bảng sốliệu ứng với VR3 = 100 Ω VR4 = 400 Ω uab ( thay đổi) Từ -2V →2V τLtính tốn VR3 VR4 1,0000 0,1250 iL(τL)(mA) VR3 VR4 3,9460 -0,2821 D DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM: - Hộp thí nghiệm - Module thí nghiệm số - Dao động ký - DMM cầu đo RLC - Dây nối τL đo VR3 0,9886 VR4 0,1387