RC可调移相电路设计与研究

1、实验名称 RC可调移相电路设计与研究一、实验目的1.在设计过程与实验操作中，加深对电容元件以及电感元件移相功能的理解。2.设计移相电路并实现输入、输出电压之间的相位差可调。3.自主构思、策划、安排、完成、总结一个电路设计及实践的全过程，培养自己自主进行电路设计的能力。二、总体设计方案或技术路线在电路理论基础一书中我们学到过，电阻两端电压与流过电阻电流同相，电容两端电压的相位落后于流过电流的相位，而电感两端电压的相位则超前于流过电感两端电流的相位/2。因此，可以通过对三种元件合理的选择及组合，实现对输入电压的移相作用。三、实验电路图实验一：电路图如图3.1所示： 图3.1实验二：电路图如图3.2

2、所示：dcba图3.2四、 仪器设备名称、型号表1 实验所需仪器设备仪器设备名称、型号数量交流电源（工频、14V）1电容箱(可调范围01.111µF)2电阻箱（可调范围099999.9）2电感箱（可调范围01H）1RIGOL DS5062CA 示波器1导线若干五、理论分析或仿真分析结果1.实验一：实验电路图如图3.1，画出该电路图各电压的向量图，如图5.1B.ULURUsAC图5.1 图5.1由相量图可直观地看到，Us=UR+UL,B点永远在圆周上，随着电阻R的增加，UR与Us的相位差在不断减小，然而随之带来的问题是随着电阻R阻值的不断变化，输出电压的有效值却也在时刻改变。

3、下面，我将从理论角度出发，证明由相量图所得结论。设Us=Us0°则Uab=UR=UsRR+jL=UsR2-jRLR2+2L2=UsR2R2+2L2arctan(-LR)=Us11+2L2R2arctan(-LR)由推导公式可知，随着R的增加，输出电压的有效值在不断增大，其相位差也不断减小，与相量图分析相吻合。由于在多数情况下，我们需要输出电压值稳定，仅能改变相位差。显示，该电路达不到这样的目的，为此，我设计了另一种方案，参见实验二。2实验二：实验电路图如图3.2，根据电路图做出各电压的向量图，如5.2UbdUabUcbUSUadUca 图5.2由向量图可直观地看到，无论电阻R如何变化

4、，输出电压Uab 仅仅改变与输入电压Us之间的相位差,而其有效值却始终与输入电压Us相同。j下面，我将从理论角度出发，证明该电路输出电压有效值Uab总是不变。设:Us=Us0°jRCUab=Ucb-Uca1-jRC=1jCR+1jCUs- RR+1jCUs=1-jRC1+jRCUs=Us-2arctanRC 图5.2因此，理论分析与相量图分析相吻合，输出电压有效值Uab=Us相等,输出电压相位差=-2arctanRC，因此，在输入电压频率确定的情况下，可以通过改变R、C的参数来实现对输出电压相位的调节。六、详细实验步骤及实验结果数据记录（包括各仪器、仪表量程及内阻的记录）实验一：1.

5、按照图3.1搭建电路，其中，电源取50Hz，14V交流电压源，电感L取100mH，电阻用电阻箱接入。2.将电阻箱阻值同时按下表接入电路，将示波器接入ab两端测量并计算在各个阻值下的最大值Uabm和相位(规定当R=99999.9时，=0°)，并记录在表2中。并观察电阻箱阻值改变时，波形的移动状况，并记录于表3中表2 输出电压最大值测量结果R/00.11101001k10k99999.9Uabm/V0.050.070.1763.0412.417.017.818.0表3 相位差测量结果电阻箱取值R/一个周期水平方向的长度/ms波形对应点移动的长度/ms相位差/度理论计算值0/度考虑电感箱内

6、阻理论计算值1/度0203.0-54-90.00-32.120.1202.8-50.4-89.8-32.081201.8-32.4-88.1-31.6210201.4-25.2-72.4-27.62100200.6-10.8-17.4-11.821k2000-1.79-1.7110k2000-0.17-0.1899999.92000-0.02-0.02实验二：1.按照图3.2搭建电路，其中，电源取50Hz，14V交流电压源，两电容C取1uF，电阻用电阻箱接入。2.将两电阻箱阻值同时按下表接入电路，将示波器接入ab两端测量Uab并计算在各个阻值下的最大值Uabm，并记录在表4中，同时记录Uab在

7、R=0,100,1k,2k,3k,4k,5k,99999.9下的波形于图1中。并观察电阻箱阻值改变时，相应的输出电压与电源的相位差，并记录于表5中。表4 输出电压最大值测量结果R/00.11101001k2kUabm/V18.018.218.217.918.218.018.1R/3k4k5k6k7k8k9kUabm/V18.017.918.018.218.017.918.2R/10k99999.9Uabm/V18.118.2表5 相位差测量结果电阻箱取值R/一个周期水平方向的长度/ms波形对应点移动的长度/ms相位差/度理论计算值0/度0200000.12000-3.5×10-312

8、000-3.6×10-2102000-0.36100200.2-3.6-3.591k202.0-36-34.862k203.8-68.4-64.283k205.0-90-86.614k206.1-109.8-102.985k206.6-118.8-115.046k207.0-126-124.117k207.4-133.2-131.098k207.6-136.8-136.609k207.9-142.2-141.0410k208.1-145.8-144.6899999.92010-180-176.35图1 Uab在各个阻值下的波形3.根据所测数据，做出 -R图像图2 -R图像七、 实验结

9、论1.实验一：（1）经实验证明，该电路通过改变电阻箱R的阻值，可以实现相位差 在-30°0°可调移相功能，随着电阻R的取值的不断增加，输出电压与电源的相位差在不断减小。（2）经过观察输出电压波形可得，随着电阻箱阻值R的取值的不断增加，输出电压的最大值也在不断增加，当R>>L时，输出电压最大值约等于电源电压最大值。（3）当电阻箱R取值很大时，实测相位差 才与理论计算值0相吻合，当电阻箱R取值较小时，实测相位差 与理论计算值0出入很大。经分析，发现当电感箱电感值L取100mH时，电感箱存在内部电阻37.9，将其带入计算，可发现理论计算值0与实测相位差 较为相符。后经

10、查阅资料发现，实际上，通常所用电感器内部都有损耗电阻。一般情况下，电感器的电阻的影响一般是不能忽略的。因此，当电阻箱R的取值较小时，电感器损耗电阻发挥主要作用，实测相位差 与理论计算值0出入很大，而当电阻箱R的取值很大时，电阻箱R发挥主要作用，电感器损耗电阻可忽略不计，因此实测相位差 才与理论计算值0相吻合。由此可以得出，我们在设计移相电路时，若用到电感器，要考虑到电感器的损耗电阻，来确定可调相位差 的范围。2.实验二：（1）经实验证明，该电路通过同时改变两个电阻箱R的阻值（保证两电阻箱阻值相等），可以实现相位差 在-180°0°可调移相功能，随着电阻R的取值的不断增加，输

11、出电压与电源的相位差在不断减小。（2）经过观察输出电压波形可得，无论电阻箱阻值如何改变，输出电压的最大值始终与电源电压的最大值相等。（3）实测相位差 与理论计算值0很相近。与电感移相电路结果不相似。经查阅资料可知，实际上，电容器内部同样存在损耗电阻。但是，电容器的损耗电阻很小，标准电容箱的损耗电阻在低频时接近于零，可以不必考虑。因此，在设计移相电路时，选择电容器与电阻组合较好。八、实验中出现的问题及解决对策1.实验过程中，发现输入电压有效值不是14V，后经过实测，发现实验室输出电压峰值约为18V，有效值为12.7V。因此按照峰值18V进行实验和记录。2.实验过程中，电感损耗电阻无法消除，考虑电

12、感箱内阻重新计算并记录数据。3.在实验二中，发现ab端和cd端无公共端，无法同时将两个电压波形输入示波器，给计算相位差带来困难，为了解决这一问题，只能分别向示波器中输入ad和cd端电压，计算出Uad与电源电压之间的相位差，再用同样的方法测出Ubd与电源电压之间的相位差，再做差可计算出Uab与电源电压之间的相位差。九、本次实验的收获和体会、对电路实验室的意见或建议通过本次实验，我经历了一个电路实验从查阅资料，设计实验，到实际操作，数据分析整个过程。通过这整个过程，我发现，理论所取元件均是理想元件，在实验过程中，总会出现一些理论分析时考虑不到的因素。因此，我觉得在研究一个模型时，在理论分析和亲手实

13、验同样重要，在实验过程中，发现一些问题，然后进行数据分析，总结与理论有偏差的因素所在，这样才能研究清楚一个真正的模型。建议实验室能够提供可调交流电源，以及多种电感值的电感，方便同学们进行试验。十、参考文献1 刘冬梅. 电路实验教程. 北京：机械工业出版社，2013：13-68.2 陈希有. 电路理论基础. 北京：高等教育出版社，2013：82-100.3 范世贵. 电路分析基础. 西安：西北工业大学，2010：200-212RC可调移相电路设计与研究原始数据记录实验一：表2 输出电压最大值测量结果R/00.11101001k10k99999.9Uabm/V0.050.070.1763.0412

14、.417.017.818.0表3 相位差测量结果电阻箱取值R/一个周期水平方向的长度/ms波形对应点移动的长度/ms相位差/度理论计算值0/度考虑电感箱内阻理论计算值1/度0203.0-54-90.00-32.120.1202.8-50.4-89.8-32.081201.8-32.4-88.1-31.6210201.4-25.2-72.4-27.62100200.6-10.8-17.4-11.821k2000-1.79-1.7110k2000-0.17-0.1899999.92000-0.02-0.02实验二：表4 输出电压最大值测量结果R/00.11101001k2kUabm/V18.018.218.217.918.218.018.1R/3k4k5k6k7k8k9kUabm/V18.017.918.018.218.017.918.2R/10k99999.9Uabm/V18.118.2表5 相位差测量结果电阻箱取值R/一个周期水平方向的长度/ms波形对应点移动的长度/ms相位差/度理论计算值0/度0200000.12000-3.5×10-312000-3.6×10-2102000-0.36100200.2-3.6-3.591k202.0-