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文档简介
1、RLC电路的稳态过程电容、电感元件在交流电路中的阻抗是随着电源频率的改变而变化的。将正弦交流电压加到电阻、电容和电感组成的电路中时,各元件上的电压及相位会随着变化这称作电路的稳态特性;将一个阶跃电压加到RLC元件组成的电路中时,电路的状态会由一个平衡态转变到另一个平衡态,各元件上的电压会出现有规律的变化,这称为电路的暂态特性。本实验将研究这些变化的特点。一、实验目的1观测和串联电路的幅频特性和相频特性2了解串联、并联电路的相频特性和幅频特性3观察和研究电路的串联谐振和并联谐振现象二、实验原理把简谐交流电压加在由电阻、电感、电容组成的电路上,电路中的电流和各元件两端的电压将随电源频率的变化而变化
2、,这称为电路的幅频特性;而且总电压和电流之间的相位差也随电源频率的变化而变化,这称为电路的相频特性。(一)串联电路的稳态特性1串联电路的频率特性在图1所示电路中,电阻、电容的电压有以下关系式:其中为交流电源的角频率,为交流电源的电压有效值,为电流和电源电压的相位差,它与角频率的关系见图可见当增加时,和增加,而减小。当很小时很大时。2低通滤波电路如图3所示,其中为输入电压,为输出电压,则有它是一个复数,其模为:设 ,则由上式可知: 时, ,时 ,时 可见 随的变化而变化,并且当时,变化较小,时,明显下降。这就是低通滤波器的工作原理,它使较低频率的信号容易通过,而阻止较高频率的信号通过。 3高通滤
3、波电路:高通滤波电路的原理图见图4根据图4分析可知有: , 同样令 则:时, ,时, ,时, 可见该电路的特性与低通滤波电路相反,它对低频信号的衰减较大,而高频信号容易通过,衰减很小,通常称作高通滤波电路。(二)串联电路的稳态特性:串联电路如图5所示可见电路中有以下关系:可见电路的幅频特性与电路相反,增加时,减小 则增大。它的相频特性见图6。由图6可知,很小时,很大时 。(三)电路的稳态特性:在电路中如果同时存在电感和电容元件,那么在一定条件下会产生某种特殊状态,能量会在电容和电感元件中产生交换,我们称之为谐振现象。1串联电路在如图7所示电路中,电路的总阻抗|Z|,电压和之间有以下关系:其中为
4、角频率,可见以上参数均与有关,它们与频率的关系称为频响特性,见图8。由图8可知,在频率处阻抗值最小,且整个电路呈纯电阻性,而电流达到最大值,我们称为串联电路的谐振频率(为谐振角频率)。从图8还可知,在的频率范围内值较大,我们称为通频带。下面我们推导出和另一个重要的参数品质因数Q。当时,从上述公式可知这时的电感上的电压: 电容上的电压: 或与的比值称为品质因数 。 可以证明: 2并联电路 :在图9所示的电路中有:可以求得并联谐振角频率:可见并联谐振频率与串联谐振频率不相等(当Q值很大时才近似相等)。图10给出了并联电路的阻抗、相位差和电压随频率的变化关系。和串联电路类似,品质因数 由以上分析可知
5、串联、并联电路对交流信号具有选频特性,在谐振频率点附近,有较大的信号输出,其它频率的信号被衰减。这在通信领域,高频电路中得到了非常广泛的应用。三、实验仪器FB318型电路实验仪、双踪示波器、数字存储示波器(选用)型RLC电路实验仪:型电路实验仪采用开放式设计,由学生自己连线来完成、电路的稳态和暂态特性的研究,从而掌握一阶电路、二阶电路的正弦波和阶跃波的响应过程,并理解积分电路、微分电路和整流电路的工作原理。 仪器由功率信号发生器、频率计、电阻箱、电感箱、电容箱和整流滤波电路等组成。仪器主要技术参数:1供电:单相;2工作温度范围 ,相对湿度;3信号源:正弦波分三个波段;方波为,信号幅度均为可调,
6、直流可调;4频率计工作范围: 5位数显,分辨率;5十进式电阻箱:,精度 ;6十进式电感箱:,精度 ;7十进式电容箱:,精度 ;8仪器外形尺寸:;四、注意事项:1仪器使用前应预热1015分钟,并避免周围有强磁场源或磁性物质。2仪器采用开放式设计,使用时要正确接线,不要短路功率信号源,以防损坏。使用完毕后应关闭电源。3仪器的使用和存放应注意清洁干净避免腐蚀和阳光暴晒。五、实验内容对电路的稳态特性的观测采用正弦波。对电路的暂态特性观测可采用直流电源和方波信号,用方波作为测试信号可用普通示波器方便地进行观测;以直流信号作实验时,需要用数字存储式示波器才能得到较好的观测。一串联电路的稳态特性:1串联电路
7、的幅频特性:选择正弦波信号,保持其输出幅度不变,分别用示波器测量不同频率时的 ,可取 ,也可根据实际情况自选,的参数。用双通道示波器观测时可用一个通道监测信号源电压,另一个通道分别测,但需注意两通道的接地点应位于线路的同一点,否则会引起部分电路短路。2串联电路的相频特性将信号源电压和分别接至示波器的两个通道,可取(也可自选)。从低到高调节信号源频率,观察示波器上两个波形的相位变化情况,先可用李萨如图形法观测,并记录不同频率时的相位差。二串联电路的稳态特性:测量串联电路的幅频特性和相频特性与串连电路时方法类似,可选,也可自行确定。三串联电路的稳态特性:自选合适的值、值和值,用示波器的两个通道测信
8、号源电压和电阻电压,必须注意两通道的公共线是相通的,接入电路中应在同一点上,否则会造成短路。1幅频特性保持信号源电压不变(可取),根据所选的值,估算谐振频率,以选择合适的正弦波频率范围。从低到高调节频率,当的电压为最大时的频率即为谐振频率,记录下不同频率时的大小。2相频特性:用示波的双通道观测,的相位差,的相位与电路中电流的相位相同,观测在不同频率下的相位变化,记录下某一频率时的相位差值。四并联电路的稳态特性:按图9进行连线,注意此时为电感的内阻,随不同的电感取值而不同,它的值可在相应的电感值下用直流电阻表测量,选取。也可自行设计选定。注意的取值不能过小,否则会由于电路中的总电流变化大而影响的
9、大小。1 并联电路的幅频特性保持信号源的值幅度不变(可取),测量和的变化情况。注意示波器的公共端接线,不应造成电路短路2并联电路的相频特性:用示波器的两个通道,测和的相位变化情况。自行确定电路参数。六、数据处理1据测量结果作串联电路的幅频特性和相频特性图。2根据测量结果作串联电路的幅频特性和相频特性图。3分析低通滤波电路和高通滤波电路的频率特性。4据测量结果作串联电路、并联电路的幅频特性和相频特性。并计算电路的值。七、思考题1、理解什么是RLC电路的稳态特性;2、什么是RC和RL串联电路的幅频特性和相频特性?3、理解RLC谐振电路中Q值的物理意义;4、根据LRC串联谐振的特点,在实验中如何判断电路达到了谐振?5、在RC串联电路中为何测量UC幅频特性?6、测量相频
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