交流電路的頻率特性.doc

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實(shí)驗(yàn) 1.4 R、L、C電路的頻率特性 實(shí)驗(yàn) 1.4.1 硬件實(shí)驗(yàn) 1．實(shí)驗(yàn)?zāi)康? （1） 熟悉信號(hào)發(fā)生器、示波器、交流毫伏表的使用。 （2） 研究 RLC 串聯(lián)電路的諧振現(xiàn)象、特點(diǎn)及元件參數(shù)對(duì)電路頻率特性的影響。 （3） 了解 RC 串并聯(lián)電路的選頻特性。 2．實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)要求 （1） 閱讀附錄，了解功率函數(shù)發(fā)生器、雙通道交流毫伏表和雙蹤示波器的使用方法。 （2） 能否用普通萬(wàn)用表測(cè)量本實(shí)驗(yàn)中各交流電壓？為什么？ （3） 掌握 R、L、C 串聯(lián)電路的頻率特性。 在圖 1.4.1 中，若功率函數(shù)發(fā)生器輸出電壓 U =2V，R =51Ω、C = 33nF、L = 9mH、線圈電阻 rL = 0.7Ω（由于各實(shí)驗(yàn)板上電感線圈的電感、線圈電阻各不相等，這里取近似值），試計(jì)算電路的性能指標(biāo)： 諧振頻率 f0 =____9.235k_____Hz 品質(zhì)因數(shù)（需考慮 rL） Q =_______10.1______ 諧振時(shí)電感和電容電壓 UL0=UC0=______16.6______V 通頻帶 fBW =____0.92k_____Hz 3．實(shí)驗(yàn)和設(shè)備 序號(hào) 名 稱 型 號(hào) 數(shù)量 1 電路原理實(shí)驗(yàn)箱 EEL-DL2 1 臺(tái) 2 功率函數(shù)發(fā)生器 DF 1631 1 臺(tái) 3 雙通道交流毫伏表 NY 4520 1 臺(tái) 4 雙蹤示波器 V-212 1 臺(tái) 4．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求 （1）R、L、C 串聯(lián)電路頻率特性的測(cè)量 按圖 1.4.1 接線，R = 51Ω、C = 33nF。由函數(shù)發(fā)生器的“功率輸出端”提供頻率和幅度可調(diào)的正弦電壓。示波器通道 CH1 顯示信號(hào)源電壓 u 的波形，通道 CH2 顯示電阻電壓 uR 的波形（此處電流 i 與電阻電壓 uR 同相位）。 把電路調(diào)到諧振狀態(tài)，測(cè)量諧振頻率 fo 測(cè)量諧振頻率 fo 可以采用調(diào)節(jié)信號(hào)源頻率，使電壓 u 和 uR 同相的方法。本實(shí)驗(yàn)用李沙育圖形法（實(shí)驗(yàn)原理見(jiàn)本實(shí)驗(yàn)后附錄）。 調(diào)節(jié)信號(hào)源頻率等于本實(shí)驗(yàn)“預(yù)習(xí)要求（3）”中的估算值 f0，信號(hào)源輸出電壓 U=2V，用示波器觀察 u 和 uR 波形的相位關(guān)系，微調(diào)信號(hào)源頻率，使 u 和 uR 同相。 將示波器“掃描頻率開(kāi)關(guān)”（TIME/DIV）旋鈕選擇“X-Y”工作方式，CH1 成為 X 軸通道。諧振時(shí)示波器顯示波形為一斜直線，此時(shí)信號(hào)源頻率即為電路實(shí)際的諧振頻率 f0，電阻上電壓 UR = UR0 為最大。 注意：a) 示波器 CH1、CH2 的“VOLTS/DIV”旋鈕應(yīng)選取相同檔位 (可置于 1V)。 b) 由于除電感線圈有電阻外電容器也有功率損耗，所以諧振時(shí)電阻電壓 UR0 的實(shí)際測(cè)量值小于理論計(jì)算值。 L （ r L ） 功 率 輸 出 函 數(shù) 發(fā) 生 器 示 波 器 CH2 CH1 黑 紅 C R i 圖 1.4.1 RLC 串聯(lián)電路 + u - + u R - 測(cè)量 RLC 串聯(lián)電路的電流諧振曲線 根據(jù)表 1.4.1 給出的頻率值，調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器的輸出頻率，用交流毫伏表測(cè)量每一頻率上 UR 的數(shù)值，填入表 1.4.1 中。在諧振狀態(tài)下，加測(cè) UL0、UC0，并記入表 1.4.1 中。 注：表 1.4.1 中 f2 和 f1 分別是通頻帶 fBW 的上、下限頻率，應(yīng)在測(cè)出 f0 及相應(yīng) UR0 后，經(jīng)計(jì)算獲得 Uf1、Uf2 ( = 0.707UR0 )，再由 Uf1、Uf2 的值測(cè)出 f1 和 f2。 表 1.4.1 b) 測(cè)量電感和電容上的電壓時(shí)，應(yīng)根據(jù)估算值，選擇交流毫伏表的合適量程。 調(diào)節(jié)電源頻率，觀察電源電壓 u 和電流 i 的相位關(guān)系 此時(shí)示波器 TIME / DIV 旋鈕應(yīng)恢復(fù)為 X-T 方式。定性畫出 u、uR（電流 i 與電阻電壓 uR 同相位）波形的相位關(guān)系，記錄于表 1.4.2 中。 表 1.4.2 頻率 f f < f0 f = f0 f > f0 電壓 u、uR 的波形 相位差φu,i 正（感性電路） 0（阻性電路） 負(fù)（容性電路） 取 R=100Ω，電路其它參數(shù)不變，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，將測(cè)量值記入表 1.4.3 中。表 1.4.3 取 C=10nF，R=51Ω，電源電壓保持 2V 不變，測(cè)量諧振時(shí)的 f0、UR0、UL0、UC0，將測(cè)量值記入表 1.4.4 中。 表 1.4.4 5. 總結(jié)要求 （1） 將表 1.4.1 和表 1.4.3 測(cè)量數(shù)據(jù)的兩條 I ( f )曲線，用坐標(biāo)紙畫在同一坐標(biāo)中。并說(shuō)明 Q 值對(duì)諧振曲線的影響（計(jì)算 Q 值時(shí)應(yīng)考慮線圈電阻 rL）。 （2） 整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表 1.4.6 中，與理論值作比較。 （3） 根據(jù) f0、Q、fBW 和諧振時(shí) UL0、UC0 等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，說(shuō)明元件參數(shù)對(duì)電路頻率特性的影響。 （4） 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明 RC 串并聯(lián)選頻電路的作用。 （1） 實(shí)際測(cè)量過(guò)程中計(jì)算得Q51=9.145,Q100=5.73,即R=51Ω時(shí)諧振電流更大，這說(shuō)明一個(gè)電路的品質(zhì)因數(shù)越大，諧振效果就越好，諧振電流也越大。（品質(zhì)因數(shù)本身是用來(lái)描述電能在電容電感之間轉(zhuǎn)換程度的無(wú)量綱物理量，品質(zhì)因數(shù)大說(shuō)明電路無(wú)功功率與有功功率比值更大，諧振效果更好。） （2） 表1.4.6如下 （3） 因?yàn)橹C振時(shí)的頻率由電路的電阻電感和電容決定，所以增大電阻和電感，減小電容都會(huì)使諧振頻率升高，另一方面，諧振頻率又是通頻帶寬和品質(zhì)因數(shù)的乘積，即fbw和品質(zhì)因數(shù)Q是反比的關(guān)系，這一點(diǎn)也可以從諧振的I（f）曲線看出，因?yàn)槠焚|(zhì)因數(shù)提高后，I（f）曲線會(huì)更加集中在諧振f0處，且在f0處I值會(huì)變得很大，則在0.707I時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率變化量就會(huì)變小，即fbw變小。 3