Báo cáo thí nghiệm môn giải tích mạch

MUC DICH: Bài thí nghiệm giúp sinh viên hiểu được tính chất phụ thuộc tần số của mạch điện thông qua xác định đáp ứng tần số của mạch, khảo sát các mạch lọc thụ động co ban và tìm hiểu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHÔ HỖ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC

BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ NĂM HỌC 2023-2024

a

TP.HCM

BẢO CÁO THÍ NGHIỆM MÔN: GIẢI TÍCH MẠCH

GVHD: Nguyễn Thanh Phương

NHÓM: 08 LỚP : DT01 Danh sách thành viên nhóm :

Bai 4: DAP UNG TAN SO VA MACH CONG HUONG

A MUC DICH:

Bài thí nghiệm giúp sinh viên hiểu được tính chất phụ thuộc tần số của mạch điện thông qua xác định đáp ứng tần số của mạch, khảo sát các mạch lọc thụ động

co ban và tìm hiểu hiện tượng cộng hưởng (xem thêm lý thuyết ở chương 2 —

giáo trình Mạch Điện J)

B DAC DIEM:

Mạch lọc điện là mạch điện có tính chất cho qua (pass) các tín hiệu ở một khoảng tần số nào đó và không cho qua (stop) các tín hiệu ở các tần số còn lại

Mạch lọc thụ động được thiết kế từ các phần tr R, L, C va M Mach loc tích

cực có sự tham gia của các phần tử nguồn, phô biến là các phần tử mạch bán dẫn

hay OP-AMP Có 4 loại mạch lọc cơ bản: mạch lọc thông thấp, mạch lọc thông cao, mạch lọc thông dải và mạch lọc chấn dải Khảo sát mạch lọc dựa trên tìm đáp ứng tần số của mạch lọc, thường viết dạng:

ủout

Uin

Tân số cắt (f:) của mạch loc la tan s6 ma ở đó IH@)== |H(j@|maxhay tinh theo d6 loi don vi dB 1a -3db so d6 loi tại |HŒ@))|max

Cộng hưởng là một hiện tượng đặc trưng của tính chất thay đổi theo tần số của

một nhánh mạch điện: áp và dòng sẽ cùng pha tại tần số cộng hưởng Có hai dạng cộng hưởng cơ bản: cộng hưởng nối tiếp và cộng hưởng song song Ở mạch cộng hưởng RLC nối tiếp, trị hiệu dụng các điện áp trên các phần tử kháng ở gần cộng

hưởng sẽ rất lớn so với điện áp vào của mạch (do đó mạch cộng hưởng noi tiép

còn gọi là cộng hưởng áp) Ở mạch cộng hưởng RLC song song thì dòng điện qua mắc lưới LC ở gần cộng hưởng sẽ rất lớn so với dòng điện cấp cho mạch (do đó mạch cộng hưởng song song còn gọi là cộng hưởng dòng )

Tai tần số cộng hưởng, biên độ tín hiệu ngõ ra sẽ là cực đại Và khoảng tần

số, mà ở đó biên độ hàm truyền đạt áp lớn hơn 5 biên độ cực đại , được gọi là

băng thông của mạch cộng hướng (ký hiệu là BW) Dấu bằng xảy ra tại tần số cắt

của mạch cộng hưởng Có hai giá trị tần số cắt : tần số cắt đưới f1 (hay œ1) bé hơn tần số cộng hưởng và tần số cắt trên f2 (hay w2) lớn hơn tần số cộng hưởng (xem thêm các công thức tính tần số cắt theo thông số mạch ở chương 2— giáo

trình Mạch Điện [ )

Băng thông của mạch cộng hưởng được xác định khi biết tần số cắt :

BW = f- fi (Hz)

Hay: BW = a» — wi (rad/s)

Hệ số phẩm chất Q của mạch cộng hưởng có thé tinh bang công thức :

Q=f,/BW; với fo là tần số cộng hưởng

(BW và tần số cùng theo thứ nguyên như nhau)

c PHẢN THÍ NGHIỆM:

I Giá trị thông số mạch thí nghiệm:

Giá trị thông số mạch thí nghiệm trong bài thí nghiệm này cho trong bảng sau,

trong đó RL là điện trở nội của cuộn dây trong mô hình nối tiếp

Phan tử Giá trị danh định

Rss 2,2kQ

Cc 0,047 uF (473)

I Mạch cộng hưởng RLC nối tiếp:

a) Đo tần số cộng hưởng nối tiếp:

Thực hiện mạch thí nghiệm như Hình 1.4.1 Chính máy phát sóng sin để uin luôn có biên độ 2 V, tần số chỉnh từ 1kHz đến khoảng 10kHz

fy =2348,4Hz

iD

CHÍ CH2

Hình 1.4.1: Mạch cộng hưởng nối tiếp

b) Vẽ dạng dang Uout(f) của mạch nối tiếp:

Mạch thí nghiệm như hình 1.4.1, chỉnh Uin biên độ 2V tần số thay đổi

+ Vé dac tuyén Uout(f)

n4 HH

4

Or

6k

4

0,2

\a@ tans G000- 360p 46L ARE

c) Đo tần số cắt và băng thông mạch nối tiếp:

+Từ giá trị f, giảm từ từ tần số máy phát cho đến khi Ugur = —= Ưạy ⁄2

+ Tir gia tri fo, tang tir từ tần số máy phát cho đến khi U„„„ = 5 Uout

f2 =3,788 kHz BW =fh-f1= 2317 Hz

Uour(h) = 0,98(V) Q =_ =1

d) Bảng số liệu mạch nối tiếp:

(voi RY = Rnt + Rx)

thuyết

*Tính sai số: %sai số = lý thuyết— äo đạc x 100%

lý thuyết

e) Đo góc lệch pha giữa U„„¿ và U,„ tại các tần số cất:

Góc lệch pha đo được Góc lệch pha theo lý thuyết

Tai fi Tại b Tai fi Tại b

IH Mạch cộng hưởng RLC song song:

a) Đo tần số cộng hưởng song song:

Thực hiện mạch thí nghiệm như Hình 1.4.2 Chỉnh máy phat song sin để uïn luôn

có biên độ 2 V, tần số chỉnh từ 1kHz đến khoảng 10kHz

fo= 2348,8Hz

Dao dong ky

CHÍ CH2 6G iD

a

Hình 1.4.2: Mạch cộng hưởng song song

b) Vẽ dạng „„;(f) của mạch song song:

Mạch thí nghiệm như 1.4.2, chỉnh uin biên độ 2 V, tần số thay đổi (có thé doc tần số dùng dao động ký)

+Vẽ đặc tuyến U„„„(Ð:

4tey

TT]

c) Đo tần số cắt và băng thông mạch song song:

+Từ giá trị ñ, giảm từ từ tần số máy phát cho đến khi Ugut = 5 Usut fi= 1,429 kHz Uour(fi)= 0,9 (V)

+ Tir gia tri fo, tang tir từ tần số may phat cho dén khi Upyt = 5 - on

Ueuc(B) = 0.9 (V) Q=°=081,

BW 7

d) Bảng số liệu mạch song song:

Phân tử Gia tr Đại lượng , Đo được % sal sO

lý thuyết

Rs 1300 QO Q 0,9221 0,78 14,32%

*Tính sai số: %sai sỐ =

lý thuyết

ly thuyét—do dac

x 100%

Góc lệch pha đo được Góc lệch pha theo lý thuyết

Tai fi Tai fo Tai fi Tại b

Ta cd: Uin = 220°

IV Mạch lọc thông thấp RC:

+ Thực hiện mạch thí nghiệm như hình 1.4.3

ou

Nay] + vyy Ỉ +

song] — | -

Dao dong ky CHÍ CH2 GND

Hinh] 4.3: Mạch lọc thông thấp RC

+Chinh máy phat song sin dé biên độ U¡ có giá trị khoảng 2V, tần số thay đổi từ 100Hz đến 100kHz

+Vẽ đặc tuyến bién d6 logarithm va đặc tuyén cua mach loc:

+Thiết kế bộ lọc thông thấp, dùng mạch R-C, có tan s6 cat f=1,7 kHz

Giá trị R Uin(V) Uout (V) | 20log(Uout/Uin) fe do lai % sal sO

V, Mạch lọc thông cao RL:

+ Thực hiện thí nghiệm như hình 1.4.4:

May] + phat] Ujin song] —

Dao dong ky CHÍ CH2 GND

LS Mout

Hinh 1.4.4: Mach loc théng cao RL

+Chinh may phat song sin dé cé bién dé Uj, c6 giá trị khoảng 2V, tần số thay đổi từ 100Hz đến 100kHz

+f= 1812 Hz

Uout (V) 0,5 0,98 2,04 2,08 1,4 20log(Uout/Uin) -12,04 -6,19 0,17 0,34 -3,098 (deg) 15,4 29 3,07 3,38 57,3 +Vẽ đặc tuyến bién d6 logarithm va đặc tuyén cua mach loc:

t ‡ aes

Oo}

[al

lụt

BE

4

+Thiết kế bộ lọc thông thấp, dùng mạch R-L, có tần số cắt f= 5 kHz

Giá trị R Uin(V) Uout (V) | 20log(Uout/Uin) fe do lai % sai số

3100 2 1,4 -3,1 5000 0

D Dụng cụ thí nghiệm:

+ Hp thi nghiém va module bai thí nghiệm số 4

* Dao dong ky, DMM va cau do RLC

°ồ Dây noi

Bài 5: QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ MẠCH TUYẾN TÍNH

A MỤC ĐÍCH :

Bài thí nghiệm giúp sinh viên hiểu được một số đặc tính quá độ ở mạch tuyến tính, gồm các mạch: RC; RL và mạch RLC Thông qua các đặc tính

nay, sinh viên có thể kiếm nghiệm được các phương pháp phân tích mạch quá

độ đã học ở phần lý thuyết, và hiểu thêm được một số quá trình vật lý xảy ra

trong các mạch quá độ thực tế

B DAC DIEM :

Quá trình quá độ là quá trình xuất hiện khi mạch chuyên từ một chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác (xem thêm lý thuyết về phân tích mạch

miền thời gian: chương 6 — giáo trình Mạch Điện II) Thông thường thời gian

quá độ rất ngắn nên để quan sát quá trình quá độ người ta có thể 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 được quá trình quá độ diễn ra trong mạch)

c PHAN THI NGHIEM :

I Théng sé mach thi nghiém:

Thông số trong các mạch thí nghiệm của bài này trong bang sau, trong do Ri

là điện trở trong mô hình nối tiếp của cuộn dây

Phần tử Giá trị định danh

L 100 mH

Ri 300 Q C¡ 0,047 uF (473) C¿ 0,1 wF (104) C3 0,01 wF (103)

Ro 100 Q Rss 2,2 kQ

II Mach qua d6 cap IRC:

a) Chính dạng sóng vào mạch:

dạng xung vuông từ nguồn xung trên hộp thí nghiệm Chỉnh máy phát xung

vuông lưỡng cực đối xứng (duty eyele = 50), biên độ 2V, tần số 500 Hz (nếu chon Time/div = 0.5 ms thì chỉnh nút Fre để tín hiệu có chu kỷ là 4 ô) Ghi

lại dạng sóng khảo sát quá độ u„w(1)

Dao động ký "D ee

cam

o Pulse [

generator @ n

Hình 1.5.1: Chỉnh dạng xung tóc động

b)Quan sat dang tín hiệu trên tụ dùng mạch Hình 1.5.2 Ghi nhận lại dạng sóng

u, trên đao động ký ứng với VR¿¡ = 2 kÓ (chọn giá trị cho VR)

Dao động ký

rì N a

Pulse

generator

mPa

oy

@

Hình 1.5.2: Quan sát dạng úp trên tụ

c) Quan sat dạng tín hiệu dòng điện qua tụ dùng mạch hình 1.5.3 Ghi nhận lại dạng sóng ic(£) trên dao động ký ứng với VR = 2 kÕ, Lưu ý các giá trị dong điện tính thông qua áp trên R0

Kiểm chứng tính toán lý thuyết: giả sử quá trình uạy = —2V là xác lập Tai t

=0, uạ; thay đổi từ -2V đến 2V: Dùng tích phân kinh điển hay toán tử Laplace, cho biết dang áp trên tụ và dòng qua tụ ở mạch quá độ cấp I RC khi t > 0 có

biểu thức:

Dao động ký

CHÍ CH2 GND

nạ n ñ

Hình 1.5.3: Quan sát dạng dòng điện qua tụ

d)Do hằng số thời gian của mạch quá độ cấp I RC: thời hằng của mạch quá

độ cấp I RC xác định theo công thức:

+e [s]= R[O].CỊF]

Đại lượng này có thể đo được khi dùng mạch thí nghiệm hình 1.5.2 Thế t=+ vào các biểu thức ở phan c) sé cho ta g14 tr 1,(t,), giup ta doc duoc te khi dựa

vao dang song i,(t) trén man hinh dao động ký (bằng số ô theo chiều ngang và giá trị nút chỉnh Time/điv, nhớ chỉnh các biến trở VAR về CAL) Hoản thành bảng

số liệu sau img voi VR, =2 kQ va VR; =4kQ

Ua te tinh toan (ms) ic(tc) (mA) te đo được (ms)

(thay đổi) — VRI VR2 VRI VR2 VRI VR2

-2V —

2V 0.0987 0.1927 0.7358 0.2836 0,1020 0,1975

II Mạch quá độ cấp I RL:

a) Chỉnh dạng sóng vào mạch:

Thực hiện mạch thí nghiệm như hình 1.5.4 Dùng dao động ký, quan sát dạng xung vuông từ nguồn xung trên hộp thí nghiệm Chỉnh máy phát xung vuông lưỡng cực đối xứng (duty cyele = 50), biên độ 2V, tần số 500 Hz (nếu chọn

Time/div = 0.5 ms thì chỉnh nút Fre dé tín hiệu có chu kỳ là 4 6) Ghi lai dạng sóng

khảo sát quá độ uab(1)

CHÍ CH2 GND

Leet saaeeeeee Ea

MAR ors _~ '

b) Quan sát dạng tín hiệu áp trên cuộn dây dùng mạch Hình 1.5.5 Ghi nhận lại dạng sóng trên dao động ky ứng với VR3 = 100 0

Dao động ký gui CH2 GND

Ro = a

Hình 1.5.5: Quan sót dạng áp trên cuộn dây

c) Quan sat dạng tín hiệu qua cuộn dây nhìn mạch hình 1.5.6 Ghi nhận lại dạng sóng trên dao động ký ứng với VR=100 Ô

Hình 1.5.6: Quan sát dạng dòng điện qua cuộn dây

Kiểm chứng tính toán lý thuyết: giả sử quá trình uab = -2V lả xác lập Tại t= 0, uab thay đổi từ -2V đến 2V: Dùng tích phân kinh điển hay toán tử

Laplace, cho biết dạng áp và dòng trên cuộn dây ở mạch quá độ cấp I R-L khi

> 0 có biểu thức:

U(Ð = 1,2 + 1,6 5090 (V) l(Œ = 4.1073.(1— 2.e5990 (A) e) Đo hằng số thới gian của mạch quá độ cấp I RL: Thời hằng của mạch quá

độ cấp I RL xác định theo công thức :

+r |[sỊ = LIHI/R[OI

Đại lượng này có thể đo được khi đùng mạch thí nghiệm ở hình 1.5.6 Thế † = + vào các biểu thức ở phần c) sẽ cho ta giá trị iz, (xr), giúp ta đọc được + khi dựa vào đạng sóng ¡¡(†) trên màn hình dao động ký (bằng số ô theo chiều ngang và giá trị nút chỉnh Time/div, nhớ chỉnh biến trở VAR về CAL)

Hoàn thành bảng số liệu sau mg voi VR; = 100 O va VR4= 400 Q

Usb te tinh toan (ms) 1dtc) (mA) +c đo được (ms)

th

' &i) VR; | VRi | VR; VR¿ VR; VR¿

TY 1,000 1,1256 3,9466 | -0,2821 0,9886 0,1387

IV Mach quá độ cấp II RLC:

a) Chỉnh dạng sóng vào mạch:

Chỉnh dạng sóng vào mạch: thực hiện mạch thí nghiệm như hình 1.5.7

Dùng dao động ký, quan sát dạng xung vuông từ nguồn xung trên hộp thí nghiệm Chỉnh máy phát xung vuông lưỡng cực đối xứng (duty cyele = 50), biên độ 2V, tần số 500 Hz (nếu chọn Time/div = 0.5 ms thì chỉnh nut Fre dé tin hiệu có chu ky là 4 6) Ghi lại dạng sóng khảo sát quá độ uab(‡)

CHÍ CH2 GND —= a

o @ LG ori)

Hinh 1.5.4: Chinh dang song thi nghiém

b) Do dién trở tới hạn của mạch quá độ cấp II RLC: dùng mạch thí

nghiệm như trên hình 1.5.8 Từ giá trị VR=500O, tăng từ từ VR (mỗi bước 100 Ô, chỉnh tỉnh dùng biến trở 10 Q) va quan sat tín hiệu Uc(£) trên đao động ký cho đến khi đạt chế độ tới hạn Ghi số liệu:

Dao động ký

CHÍ CH? ”

o

Hình 1.5.8: Đo điện trở tới hạn Hình 1.5.9: Quan sát dạng dòng điện qua tụ

(Công thức lý thuyết tính điện tré toi han la Ry, = 2 I:

Rth tinh theo ly thuyét Rth do duoc %sai số

c) Quan sat dạng tín hiệu áp trên tụ điện dùng mạch hình 1.5.8 Quan sát

dạng dạng tín hiệu dòng qua tụ điện dùng mạch hình 1.5.9 Cho biết mạch

quá độ đang làm vic ở chế độ nào và ghi nhận lại dạng sóng trên dao động ký ứng với các chê độ đó

+THI: VR=5000

Mạch quá độ ở chế độ: dao động

Dạng áp trên tụ đo được Dạng dòng trên tụ đo được

„To

+TH2: VR=Rth-4000

Mạch quá độ ở chế độ tới hạn

Dạng áp trên tụ đo được Dạng dòng trên tụ đo được

+TH3: VR=4 kO

Mạch quá độ ở chế độ: dao động

Dạng áp trên tụ đo được Dạng dòng trên tụ đo được

d) Kiểm chứng tính toán lý thuyết: giả sử quá trình uab = -2V là xác lập Tai t= 0, uab thay d6i tir -2V đến 2V: Dùng tích phân kinh điển hay toán tử Laplace, cho biết dạng áp và dòng trên cuộn dây ở mạch quá độ cấp H RLC khi t> 0 có biểu thức:

+THI: Mạch ở chế độ dao động

U,(£) = 2 + e745 (-1,3 sin13875t — 4.cos13876t)(V)

[,(t) = 0,03 sin e~ 45° (A)

+TH2: Mach 6 chế độ tới hạn

U,(Œ) = 2_— 58344t.e 12 41t— 4,e-14586⁄41t(V)

l(Œ) = 2,74.1073.e1458 41t(A)

+TH3: Mach ở chế độ dao động

U,Œ)= 2— 4,67t.e—-553278! — (,67e~38 ,23!(V)

l() = 1/2 103 (e—5532/78t — ạ~38469/23t(A)

e) Xác định thông số đặc trưng cho chế độ dao động: theo kết quả ở phần d, khi mạch quá độ cấp II ở chế độ dao động, phương trình đặc trưng của mạch có

dang: s? = “—-†r.= s? + 2.0.8 + Wo? voi nghiém phite: sy = a