4.2 Analiza fourierowska(f1)

Podobne dokumenty
BADANIE SZEREGOWEGO OBWODU REZONANSOWEGO RLC

PRAWO OHMA DLA PRĄDU PRZEMIENNEGO

Ćwiczenie 3 Badanie własności podstawowych liniowych członów automatyki opartych na biernych elementach elektrycznych

TEORIA OBWODÓW I SYGNAŁÓW LABORATORIUM

13 K A T E D R A F I ZYKI S T O S O W AN E J

Własności dynamiczne przetworników pierwszego rzędu

PRAWO OHMA DLA PRĄDU PRZEMIENNEGO

Ćw. 27. Wyznaczenie elementów L C metoda rezonansu

Badanie zjawiska rezonansu elektrycznego w obwodzie RLC

E 6.1. Wyznaczanie elementów LC obwodu metodą rezonansu

Ćwiczenie: "Obwody prądu sinusoidalnego jednofazowego"

E107. Bezpromieniste sprzężenie obwodów RLC

PRACOWNIA ELEKTRONIKI

Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Informatyki

Wykład Drgania elektromagnetyczne Wstęp Przypomnienie: masa M na sprężynie, bez oporów. Równanie ruchu

BADANIE REZONANSU W SZEREGOWYM OBWODZIE LC

POMIARY OSCYLOSKOPOWE. Instrukcja wykonawcza

LABORATORIUM OBWODÓW I SYGNAŁÓW. Stany nieustalone

BADANIE ELEKTRYCZNEGO OBWODU REZONANSOWEGO RLC

Ryszard Kostecki. Badanie własności filtru rezonansowego, dolnoprzepustowego i górnoprzepustowego

Wyznaczanie krzywej ładowania kondensatora

W celu obliczenia charakterystyki częstotliwościowej zastosujemy wzór 1. charakterystyka amplitudowa 0,

LABORATORIUM PODZESPOŁÓW ELEKTRONICZNYCH. Ćwiczenie nr 2. Pomiar pojemności i indukcyjności. Szeregowy i równoległy obwód rezonansowy

Pomiar podstawowych wielkości elektrycznych

Wykład FIZYKA I. 10. Ruch drgający tłumiony i wymuszony. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

07 K AT E D R A FIZYKI STOSOWA N E J

BADANIE ELEMENTÓW RLC

PRZEŁĄCZANIE DIOD I TRANZYSTORÓW

PROTOKÓŁ POMIARY W OBWODACH PRĄDU PRZEMIENNEGO

R L. Badanie układu RLC COACH 07. Program: Coach 6 Projekt: CMA Coach Projects\ PTSN Coach 6\ Elektronika\RLC.cma Przykłady: RLC.cmr, RLC1.

Drgania w obwodzie LC. Autorzy: Zbigniew Kąkol Kamil Kutorasiński

WZMACNIACZ OPERACYJNY

Ryszard Kostecki. Badanie własności układu RLC

2.Rezonans w obwodach elektrycznych

Ćwiczenie nr 8. Podstawowe czwórniki aktywne i ich zastosowanie cz. 1

Ćwiczenie - 1 OBSŁUGA GENERATORA I OSCYLOSKOPU. WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYKI AMPLITUDOWEJ I FAZOWEJ NA PRZYKŁADZIE FILTRU RC.

Podstawy fizyki sezon 2 7. Układy elektryczne RLC

Wykład z modelowania matematycznego. Przykłady modelowania w mechanice i elektrotechnice.

A6: Wzmacniacze operacyjne w układach nieliniowych (diody)

Drgania wymuszone - wahadło Pohla

4.3 Wyznaczanie prędkości dźwięku w powietrzu metodą fali biegnącej(f2)

Ćwiczenie nr 11. Projektowanie sekcji bikwadratowej filtrów aktywnych

Wykład FIZYKA I. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak. Katedra Optyki i Fotoniki Wydział Podstawowych Problemów Techniki Politechnika Wrocławska

Generator. R a. 2. Wyznaczenie reaktancji pojemnościowej kondensatora C. 2.1 Schemat układu pomiarowego. Rys Schemat ideowy układu pomiarowego

Laboratorum 2 Badanie filtru dolnoprzepustowego P O P R A W A

Bierne układy różniczkujące i całkujące typu RC

Charakterystyki częstotliwościowe elementów pasywnych

Wstęp do ćwiczeń na pracowni elektronicznej

Ćwiczenie 2 Mostek pojemnościowy Ćwiczenie wraz z instrukcją i konspektem opracowali P.Wisniowski, M.Dąbek

Badanie układów aktywnych część II

ĆWICZENIE LABORATORYJNE. TEMAT: Badanie liniowych układów ze wzmacniaczem operacyjnym (2h)

Siła elektromotoryczna

LABORATORIUM PODSTAW TELEKOMUNIKACJI

ANALIZA HARMONICZNA DŹWIĘKU SKŁADANIE DRGAŃ AKUSTYCZNYCH DUDNIENIA.

Wartość średnia półokresowa prądu sinusoidalnego I śr : Analogicznie określa się wartość skuteczną i średnią napięcia sinusoidalnego:

Wzmacniacze operacyjne

WZMACNIACZE OPERACYJNE

Ćwiczenie 1 Metody pomiarowe i opracowywanie danych doświadczalnych.

Badanie obwodów z prostownikami sterowanymi

Ćwiczenie nr 65. Badanie wzmacniacza mocy

Rys. 1. Przebieg napięcia u D na diodzie D

u(t)=u R (t)+u L (t)+u C (t)

Sposoby opisu i modelowania zakłóceń kanałowych

) I = dq. Obwody RC. I II prawo Kirchhoffa: t = RC (stała czasowa) IR V C. ! E d! l = 0 IR +V C. R dq dt + Q C V 0 = 0. C 1 e dt = V 0.

Ćw. III. Dioda Zenera

Drgania i fale II rok Fizyk BC

Tranzystory bipolarne. Właściwości dynamiczne wzmacniaczy w układzie wspólnego emitera.

I= = E <0 /R <0 = (E/R)

Źródła zasilania i parametry przebiegu zmiennego

Badanie właściwości multipleksera analogowego

Badanie widma fali akustycznej

KOOF Szczecin:

CEL ĆWICZENIA: Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zastosowaniem diod i wzmacniacza operacyjnego

Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego nr 4

Statyczne badanie wzmacniacza operacyjnego - ćwiczenie 7

MGR Prądy zmienne.

WZMACNIACZ NAPIĘCIOWY RC

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa

14 Modulatory FM CELE ĆWICZEŃ PODSTAWY TEORETYCZNE Podstawy modulacji częstotliwości Dioda pojemnościowa (waraktor)

POMIARY WYBRANYCH PARAMETRÓW TORU FONICZNEGO W PROCESORACH AUDIO

Badanie widma fali akustycznej

WIBROIZOLACJA określanie właściwości wibroizolacyjnych materiałów

LABORATORIUM OBWODÓW I SYGNAŁÓW

LABORATORIUM ELEKTROTECHNIKI POMIAR PRZESUNIĘCIA FAZOWEGO

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa

Technik elektronik 311[07] Zadanie praktyczne

Podstawowe zastosowania wzmacniaczy operacyjnych wzmacniacz odwracający i nieodwracający

MECHANIKA 2. Drgania punktu materialnego. Wykład Nr 8. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Ćwiczenie 3 Obwody rezonansowe

Tranzystor bipolarny LABORATORIUM 5 i 6

WYKŁAD 2 Pojęcia podstawowe obwodów prądu zmiennego

Podstawy fizyki sezon 1 VII. Ruch drgający

PRAWO OHMA DLA PRĄDU PRZEMIENNEGO. Instrukcja wykonawcza

Uśrednianie napięć zakłóconych

Oscyloskop. Dzielnik napięcia. Linia długa

Wyznaczanie prędkości dźwięku w powietrzu

Ćwiczenie 21. Badanie właściwości dynamicznych obiektów II rzędu. Zakres wymaganych wiadomości do kolokwium wstępnego: Program ćwiczenia:

DRGANIA SWOBODNE UKŁADU O DWÓCH STOPNIACH SWOBODY. Rys Model układu

Ćwiczenie: "Właściwości wybranych elementów układów elektronicznych"

Politechnika Warszawska

Transkrypt:

Analiza fourierowska(f1) 179 4. Analiza fourierowska(f1) Celem doświadczenia jest wyznaczenie współczynników szeregu Fouriera dla sygnałów okresowych. Zagadnienia do przygotowania: szereg Fouriera; sygnał prostokątny; sygnał trójkątny; układrlc. Literaturapodstawowa:[3],[0],[1]. 4..1 Podstawowe pojęcia i definicje Szereg Fouriera Rozkład funkcji okresowej F o okresie T na szereg Fouriera ma postać: F (t) = a 0 + a k cos (kωt) + b k sin (kωt), (4..1) k=1 gdziewspółczynniki a k i b k danesąrównaniami: a k = T b k = T t 0 +T k=1 t 0 F (t)cos (kωt)dt, (4..) t 0 +T a ω = π/tjestczęstościąkołową. Jeżeli funkcja F spełnia warunki Dirichleta, tzn.: t 0 F (t)sin (kωt)dt, (4..3) przedział, w którym funkcja jest określona, można rozłożyć na skończoną liczbę podprzedziałów, a w każdym z nich funkcja F jest ciągła i monotoniczna; wkażdympunkcienieciągłości F istniejegranicaprawostronna F (t + )ilewostronna F (t ), toszeregfourieratejfunkcjijestzbieżnyijegosumarównasię F (t)wpunktachciągłościfunkcji,awpunktachnieciągłościfunkcjisumatarównasię [F (t ) + F (t + )] /. Sygnał prostokątny Mamy dany sygnał prostokątny postaci:

180 Fale F (t) = ] U dla t [ 0, T U dla t [. (4..4) T,T] Współczynniki szeregu Fouriera dla tego sygnału wynoszą: a k = 0 dla k = 0, 1,,... b k = 0 dla k =, 4, 6,... b k = 4U kπ dla k = 1, 3, 5,.... (4..5) Sygnał trójkątny Niech będzie dany sygnał trójkątny postaci: F (t) = 4Ut T dla t [ T U ( 4t ) T dla t 4, T 4 [ T 4, 3T 4 ] ]. (4..6) Maksimumiminimumsygnałuwynosząodpowiednio Udla t = T/4i Udla t = T/4 lub t = 3T/4. Współczynniki szeregu Fouriera mają postać: a k = 0 dla k = 0, 1,,... b k = 8U (kπ) sin kπ dla k = 0, 1,,.... (4..7) Należy pamiętać(szczególnie przy rekonstrukcji sygnału), że dla sygnału przesuniętego względem podanego wyżej współczynniki Fouriera będą inne. Przykładowo dla sygnału trójkątnego zdefiniowanego następująco: współczynniki mają postać: F (t) = U 4Ut T dla t a k = 8U (kπ) dla k = 1, 3, 5,... a k = 0 dla k = 0,, 4,... b k = 0 dla k = 0, 1,,... [ T, T ], (4..8). (4..9)

Analiza fourierowska(f1) 181 Układ RLC Eksperymentalne wyznaczanie współczynników Fouriera polega na wykorzystaniu układu filtrującego, który po podaniu na wejście badanego sygnału okresowego o amplitudzie maksymalnej U, na wyjściu wybiera składową szeregu Fouriera. Z pomiaru amplitudy U k,wy sygnałuwyjściowegootrzymujemyszukanywspółczynnikfouriera. Należyjeszczeuwzględnićwamplitudziewyjściowejpewienwkład A k odsamegoukładu,codajenamzwiązek: U k,wy = A k b k. (4..10) Nieznanąwartość A k wyznaczamyfiltrującsygnałsinusoidalnyowybranejczęstotliwości. Dla takiego sygnału otrzymujemy prosty związek: A k,wy = A k A k,we, (4..11) którypozwalanamwyznaczyć A k zpomiarówamplitudywejściowej A k,we iwyjściowej A k,wy sygnałusinusoidalnego.urządzeniem,którerealizujewybieraniedanej składowej z szeregu Fouriera, jest układ szeregowy RLC pokazany na rysunku 4..1 C L WY R WE Rys. 4..1: Schemat układu szeregowego RLC. W układzie tym w zależności od nastaw pojemności C, indukcyjności L i oporu R możemy dokonać transmisji wybranej składowej, inne składowe zostaną wytłumione. Z drugiego prawa Kirchoffa dla tego układu otrzymamy równanie różniczkowe liniowe i niejednorodne postaci L d q dt + Rdq dt + q = U cos (ωt), (4..1) C gdzie na wejście układu podano sygnał sinusoidalny o amplitudzie U i częstości wymuszającej ω. Szukamy funkcji q (t) opisującej ładunek zgromadzony na kondensatorze. Prąd płynący w układzie możemy obliczyć z równania I (t) = dq dt. (4..13)

18 Fale Przy rozwiązywaniu równania(4..1) warto mieć w pamięci mechaniczny odpowiednik naszego układu elektrycznego, jakim jest oscylator harmoniczny tłumiony poddany działaniu siły wymuszającej(opisany w rozdziale 1.3). Z matematyki wiadomo, że pełne rozwiązanie równania(4..1) jest sumą rozwiązania ogólnego równania jednorodnego(z dwoma stałymi wyznaczanymi z warunków początkowych) i rozwiązania szczególnego związanego z wyrazem niejednorodnym. Z fizyki wiadomo natomiast, że rozwiązanie ogólne jest szybko tłumione i wystarczy zajmować się tylko rozwiązaniem szczególnym, które ma postać q (t) = A q (ω)cos (ωt + δ), (4..14) A q (ω) = U L (ω 0 ω) + ( R L ), (4..15) ω ω 0 = 1 LC. (4..16) Jest to periodyczne rozwiązanie opisujące drgania z częstością napięcia wymuszającego i z amplitudą zależną od tej częstości. Warto dla porządku podać również zależność od czasu dla prądu płynącego w układzie I (t) = A I (ω)sin (ωt + δ), (4..17) A I (ω) = ωa q (ω). (4..18) Ważnejestustalenieczęstościwymuszającej ω r,któraodpowiadamaksymalnejamplitudzie danej wielkości fizycznej. Jest to częstość dla której zachodzi rezonans. Rezonans dlaładunkuwystępujeprzy ωr = ω0 1 ( R ),natomiastdlaprąduprzy L ωr = ω 0. Ze względu(m.in.) na prostą relację będziemy korzystać z własności prądu w układzie. W praktyce obserwujemy spadek napięcia na oporze R. 4.. Przebiegpomiarów Układ doświadczalny Przyrządy: generator sygnałów sinusoidalnych, prostokątnych i trójkątnych; oscyloskop dwukanałowy do obserwacji sygnału wejściowego i wyjściowego oraz do pomiaru amplitud; dekadowy opór, pojemność i indukcyjność; kable połączeniowe. Schemat wykorzystywanego układu pomiarowego przedstawiono na rysunku 4... Badanie tłumienia układu Zestawić układ pomiarowy według schematu. Ustalić indukcyjność L = 0.1 H, opór R = 100 Ωipojemność C t = 53.3 nf.wielkościteteoretycznieodpowiadają

Analiza fourierowska(f1) 183 generator CHI oscyloskop CHII WE RLC WY Rys. 4..: Schemat układu pomiarowego. dostrojeniuukładurlcdoczęstotliwościrezonansowej f 1 = 1 khz.zgeneratora doprowadzić sygnał sinusoidalny o częstotliwości f = 1 khz. Faktyczne dostrojenie układu RLC może być inne głównie ze względu na dodatkowe pojemności połączeń. SprawdzićfaktycznedostrojenieukładuRLCzmieniając fwotoczeniu f 1.Wrazie potrzebyznaleźćpojemność C d,któradajepotrzebnedostrojeniedo f 1.Wtymcelu należyustalić f = f 1 izmieniaćpojemnośćtak,abyuzyskaćmaksymalnąamplitudę.wpunkcierezonansuzmierzyćamplitudęwejściową A 1,WE iwyjściową A 1,WY sygnałusinusoidalnego.powtórzyćpowyższąprocedurędlaczęstotliwości f k = 3,5, 7, 9, 11 khz, dostrajając układ jedynie poprzez zmianę pojemności. W ten sposób otrzymaćpojemności C d orazamplitudy A k,we i A k,wy dla k = 3,5,7,9,11. Analiza sygnałów prostokątnego i trójkątnego Z generatora doprowadzić sygnał prostokątny o częstotliwości f = 1 khz. Dostroić układrlcdoczęstotliwości f 1 = 1 khz.zmierzyćamplitudęwejściową U 1,WE iwyjściową U 1,WY.Powtórzyćpowyższąprocedurędostrajaj acukładrlcdoczęstotliwości f k =3,5,7,9,11 khzniezmieniaj acparametrówwejściowegosygnałuprostokątnego. Z generatora doprowadzić sygnał trójkątny o częstotliwości f = 1 khz. Wykonać pomiary tak jak w przypadku sygnału prostokątnego. Badanie krzywych rezonansowych DostroićukładRLCdoczęstotliwości f 3 = 3 khz.nawejścieukładupodaćsygnałsinusoidalny,którynależyzmieniaćwprzedzialeod1do 10 khzimierzyćjego amplitudę wyjściową. Analogiczne pomiary wykonać przy dostrojeniu układu RLC do częstotliwości f 5 = 5 khzi f 7 = 7 khz. Aby zbadać wpływ oporu na kształt krzywej rezonansowej wykonać ponownie pomiary amplitudy wyjściowej sygnału sinusoidalnego przy dostrojeniu układu RLC do f 5,aletymrazemzmienićwartośćoporuna R = 00 ΩiR = 500 Ω.

184 Fale 4..3 Opracowaniewyników Obliczyć teoretyczne wartości współczynników Fouriera i porównać je z uzyskanymi doświadczalnie. Oszacować niepewności wyznaczonych współczynników. Zrekonstruować sygnały prostokątny i trójkątny na podstawie teoretycznych i wyznaczonych doświadczalnie współczynników Fouriera(do jedenastego wyrazu włącznie). Narysować krzywe rezonansowe(zależność amplitudy sygnału wyjściowego od częstotliwości napięcia wymuszającego) na podstawie punktów doświadczalnych oraz przy wykorzystaniuzależnościteoretycznej f(ω) = RA I (ω).dodanychdoświadczalnych dofitować funkcję postaci f(ω) = ωp 1 (P ω ) + P 3 ω, (4..19) gdzie P 1, P i P 3 toparametryfitowania.wykorzystaćtrzyparametryfitowaniado obliczeniaczterechwartości U, R, L, C,przyczymzewzględunapewnąswobodę ustalamy wartości L lub C zgodnie z danymi z eksperymentu. Można również fitować parametry P 1 i P 3 przyustalonymustalonym P = ω 0.Przedyskutowaćwpływoporu R na kształt krzywej.