电路实验电路频率特性的研究

电路频率特性的研究一、 实验目的1. 掌握低通、带通电路的频率特性；2. 应用Multisim软件测试低通、带通电路频率特性及有关参数；3. 应用Multisim软件中的波特仪测试电路的频率特性。二、 实验原理1 网络频率特性的定义在正弦稳态情况下，网络的响应向量与激励向量之比称为网络函数。它可以写为由上式可知，网络函数是频率的函数，其中网络函数的模与频率的关系称为幅频特性，网络函数的相角与频率的关系称为相频特性，后者表示了响应与激励的相位差与频率的关系。一个完整的网络频率特性应包括上述两个方面即它的幅频特性和相频特性。2 二阶RLC带通电路由幅频特性曲线可知，二阶RLC带通电路具有选频特性，即选择所需要的信号频率（f0），抑制其他信号。选频特性的质量与电路的品质因数Q有关。品质因数，或。可见，当L、C一定时，改变R值就能影响电路的选频特性，即R越小，Q越大，选频特性越好。习惯上把幅频特性曲线的所包含的频率范围定义为电路的通频带，用BW表示，即。Q值与BW关系为。当电路的通频带大于信号的频带宽度时，对于信号不产生失真有利，即传送信号时的保真度高，但电路的选频性变差。总之，品质因数越高的电路，其通频带越窄，选频特性越好。3 实验内容1 测试一阶RC低通电路的频率特性建立如图所示电路。测试电路的截止频率f0。取。电压设置为1V，频率设置为1kHz。启动模拟程序，点击波特仪读数游标移动按钮，使游标与曲线交点处垂直坐标的读数非常接近0.707，即-20dB/十倍频点对应的网络函数的模值，此时交点处的水平坐标的读数即为f0的数值。为了提高读数的精度，将水平轴的起始值（I）、终止值（F）即频率范围设置为接近初步测试的f0的范围，展开测试段的显示曲线，重新启动模拟程序，读出f0的精确值。按下相频特性选择按钮，垂直坐标的起始值（I）、终止值（F）即相位角（）量程设定分别设置为-90和0。重新启动模拟程序，此时交点处的垂直坐标的读数为f0点对应的相位角（）的数值。分别测试0.01f0、0.1f0、0.5f0、5f0、10f0、100f0点对应的和的值。按下波特仪面板幅频特性选择按钮，设置合适的水平坐标范围，即水平坐标的起始值（I）、终止值（F）设置为被测量的频率点的范围内。启动模拟程序，拖曳读数游标，使得游标与曲线的交点处的水平坐标为要测试的频率点，则垂直坐标读数为相应的网络函数的模。每测完一个频率点的值，按下波特仪面板上的相频特性选择按钮，重新启动程序，则可测出该频率点所对应的相位角（）的值，即交点处的垂直坐标的值。实验数据如下表。测量1.479kHz14.51kHz72.39kHz144.7kHz723.5kHz1.45MHz14.5MHz-0.572-5.73-26.6-45.0-78.7-84.3-89.40.9990.9950.8940.7070.1960.09950.010初始启动模拟程序时，估算的值，水平坐标选择范围为，点击波特仪读数游标移动按钮，使游标与曲线交点处垂直坐标的读数非常接近0.707，即-20dB/十倍频点对应的网络函数的模值，此时交点处的水平坐标的读数即为f0的数值。实验垂直坐标读数为0.706，的值为145.025kHz。将水平轴的起始值（I）、终止值（F）即频率范围设置为接近初步测试的f0的范围，展开测试段的显示曲线，重新启动模拟程序，读出f0的精确值。水平坐标选择范围为，实验垂直坐标读数为0.707，的值为144.724kHz。相位角为。实验中的相频曲线图如下。幅频曲线无法显示出来。绘制相频特性曲线如下：绘制幅频特性曲线如下：分析：从一阶RC低通电路的幅频特性曲线和相频特性曲线上可以看出，当频率较低时，从U2所获得的电压对U1电压具有很高的保真性，而当频率较高时，U2获得的电压便很低，可见一阶RC低通电路具有很好的通低频和选低频的性质。2 测试二阶RLC带通电路的频率特性和品质因数建立如图所示电路。1将相频特性测试的垂直坐标起始值（I）、终止值（F）分别设置为-90和90，测试谐振频率f0、上限截止频率f上和下限截止频率f下。2分别测试0.001f0、0.01f0、0.1f0、0.5f0、f下、f0、f上、5f0、10f0、100f0、1000f0点所对应的网络函数的模、相位角，利用公式和（为谐振时电容上的电压值）计算Q值，并与理论值进行比较。3将电阻改为200，重复上述实验，并分析两者的差别。实验数据如下表。取。测量33.88Hz338.8Hz3.388kHz16.95kHz30.18kHz33.95kHz38.17kHz169.7kHz339.3kHz3.392MHz33.92MHz89.9989.8788.6581.1344.990.329-45.14-87.20-88.64-89.87-89.990.0002340.002340.02360.1540.7071.000.7050.04880.02360.002340.0002354.25实验中幅频特性曲线无法显示：实验中相频特性曲线：绘制幅频特性曲线如下：绘制相频特性曲线如下：将上面的电阻改为。测量33.80Hz339.7Hz3.424kHz16.99kHz21.54kHz33.94 kHz53.29kHz169.6kHz338.8kHz3.393MHz33.93MHz89.9589.4684.5357.9345.07-0.02-44.85-78.94-84.59-89.46-89.950.000 9340.009390.09520. 5310. 7061.000. 7080. 1910.0 9450.009380.0009381.07实验中幅频特性曲线无法显示：实验中相频特性曲线：绘制幅频特性曲线：绘制相频特性曲线：分析：谐振频率为33.93kHz，=38.17kHz，=30.18kHz。时，谐振时，测得，。理论值：用公式和计算所得结果和理论的分析所得结果十分接近，可见，实验是成功的。两者的误差分别为第二种方法的误差有点大，但可能与实验过程中的读数等操作有关，因为在实验中是用示波器读出和的值，可能误差较大。测试波形如下：时，谐振时，测得，。理论值：用公式和计算所得结果和理论的分析所得结果十分接近，可见，实验是成功的。两者的误差分别为由计算结果可以看出，两种方法的误差都很小。测试波形如下：与的二阶RLC带通电路的差别：由实验结果可以看出，当L、C一定时，改变R值就能影响电路的选频特性。R越小，Q越大，选频特性越好，保真度低。反之，R越大，Q值就越小，电路的选频特性也就越差，但是电路对信号的保真度也就越高。3 测试二阶RLC低通电路的频率特性和品质因数建立电路图如下。1. 将幅频特性测试的垂直坐标起始值（I）、终止值（F）分别设置为0和5，相频特性测试的垂直坐标起始值（I）、终止值（F）分别设置为-180和0.，测试和谐振频率。2. 测试0.001f0、0.01f0、0.1f0、0.5f0、f0、5f0、10f0、100f0点所对应的网络函数的模、相位角，并计算出品质因数，并与理论值进行比较。实验数据如下表。取。测量33.80Hz339.7Hz3.398kHz16.99kHz31.73kHz33.94kHz169.6kHz3.393MHz33.93MHz-0.027-0.269-2.716-17.40-74.02-90.04-174.4-179.7-179.971.000011.0000891.0089951.2732.1922.1310.041490.00010.00000012.131实验中的幅频特性曲线无法显示：实验中的相频特性曲线：绘制幅频特性曲线：绘制相频特性曲线：分析：计算所得结果与理论值十分接近，因此实验是成功的。误差为：误差很小。总结：通过以上实验，我们可以看出，二阶RC低通电路的幅频特性曲线衰减速率比一阶RC低通电路的幅频特性曲线的衰减速率快。对二阶RLC带通电路来说，品质因数Q值越大，电路的选频特性越好。当L、C一定时，通过改变R值，可以改变品质因数Q值。R值变大，Q值则变小。四、思考题1 电路中输入信号源起什么作用？改变信号源的参数对测试结果有无影响？答： 电路中的输入信号源的作用是给电路提供信号输入，对一阶RC低通电路、二阶RL