Методы измерения добротности электрического колебательного контура
Эффект резонанса находит своё применение в решении различных технических задач. Одной из таких задач была симуляция резонанса вибростенда электрическим колебательным контуром. Подбор элементов для колебательного контура осуществляется с целью добиться резонанса на заданной частоте с заданной добротностью. Резонансная частота и добротность определяются по нижеприведённым формулам. Для подтверждения расчетной частоты резонанса или добротности требуются практические методы с использованием измерительных приборов. Преимущество виртуальной лаборатории ZETLab в том, что она содержит в себе широкий спектр программ для различных измерений, которые можно использовать для проверки теоретических расчетов.
Принципиальная схема последовательного колебательного контура
Параметры схемы, приведённой на рисунке 1, вычисляются по следующим формулам:
Резонансная частота электрического колебательного контура
Добротность электрического колебательного контура
Примечание: в формулы для расчета подставляются не паспортные данные элементов (по которым их возможно выбирали), а реальные, которые были измерены с помощью соответствующих измерительных приборов.
Теоретический расчет
R=16 Ом,
L=18 мГн,
C=1,75 мкФ
Резонансная частота
Добротность
Программа «Измерение АЧХ (8 каналов)»
График АЧХ электрического резонансного контура
Измерение добротности по графику АЧХ
По графику АЧХ колебательного контура определяем частоту резонанса курсорными измерениями: f0 = 847 Гц.
Добротность электрического колебательного контура обратно пропорциональна разности относительных частот, соответствующих значениям относительного напряжения 1/√2 (относительно резонансной частоты и резонансного напряжения):
Кроме того добротность может быть вычислена как отношение напряжения в пике резонанса к входному напряжению.
На частоте менее 10% от резонансной частоты напряжение на конденсаторе будет составлять более 99% от входного напряжения. Соответственно ошибка, которую внесёт метод вычисления добротности, составит менее 1%.
Программа «Измерение АЧХ-ФЧХ (4 канала)»
Как известно из радиотехники, полосу пропускания колебательного контура можно найти из частотных характеристик, отмечая граничные частоты, по уровню 1/v2 от максимума модуля амплитудной характеристики для последовательного колебательного контура или максимума сопротивления для параллельного контура. Можно также измерить полосу пропускания резонатора по фазово-частотной характеристике электрического импеданса как разность между частотами, соответствующими сдвигу фаз ±45° от фазы в точке резонанса. Отношение резонансной частоты к ширине полосы пропускания есть добротность колебательной системы.
Гафики измеренных АЧХ и ФЧХ
f0 = 845,3 Гц
Измерение добротности по АЧХ
АЧХ: f2=898,5 Гц ФЧХ: f2=903,3 Гц
АЧХ: f1=739 Гц ФЧХ: f1=738 Гц
Измерение добротности по ФЧХ
Модальный анализ
Измерение резонанса с помощью программы «Модальный анализ»
Затухающие колебания на выходе электрического колебательного контура
Если на вход системы подать дельта-импульс, то на выходе будет импульсная характеристика системы. Дельта-импульс эмулируется радио-импульсом высокой частоты с 0 периодов (полуволна).
Характеристики колебательного контура:
τ — время релаксации колебаний — время, в течение которого амплитуда колебаний уменьшится в e раз.
λ — логарифмический декремент затухания — логарифм отношения двух последовательных амплитуд колебаний.
Q — добротность контура — отношение энергии запасённой в контуре к убыли энергии за один период колебаний умноженное на 2π.
Взаимный узкополосный спектр, передаточная функция H1
Вычисления по взаимному узкополосному спектру:
Вычисления по переходной характеристике:
Взаимный узкополосный спектр генератора и измерительного канала
Корреляционная функция (белый шум и радиоимпульс)
Корреляционная функция сигнала генератора и выхода колебательного контура
U1=48,922 мВ·g
U2=24,297 мВ·g
U3=12,513 мВ·g
U4=6,498 мВ·g
Узкополосный спектр
Применяя те же самые формулы, что и для АЧХ находим характеристики системы:
Узкополосный спектр широкополосного шума с усреднением за 600 секунд
Проведение виброиспытаний на системе с резонансом
Узкополосный спектр широкополосного шума с усреднением за 600 секунд
Узкополосный спектр широкополосного шума с усреднением за 600 секунд
Результаты, полученные в ходе испытаний: