调谐电路功效的研究 实验报告.doc

学生序号6实验报告课程名称： 电路与模拟电子技术实验 指导老师： 张冶沁 成绩：_实验名称： 调谐电路功效的研究 实验类型： 电路实验 同组学生姓名：_一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、实验目的和要求1、掌握谐振频率及品质因数的测量方法；2、掌握频率特性曲线的测量与作图技巧；3、了解谐振电路的选频特性、通频带及其应用；4、研究电感线圈以及信号源的非理想状态对谐振特性测量 的影响和修正方法。5、示波器、信号源的基本操作；二、实验内容和原理由电阻器、电感器和电容器串联组成的一端口网络，其等效复阻抗为： RLC串联电路发生谐振时，电路具有的特点：1、电路的阻抗最小；2、电路的电流达到最大值，该值的大小取决于一端口网络的等效阻值，与电感和电容的值无关，即3、电压、电流同相位；4、电感与电容上的电压有效值相等，相位相反，电抗压降等于零。三、主要仪器设备1、信号发生器 2、DG08模块 3、示波器 4、宽频带电压表 5、电阻箱四、操作方法和实验步骤由电阻器、电感器和电容器组成RLC串联电路，选择L=40mH，C=0.1mF，R=100W，电路输入端接信号发生器，使其输出正弦信号。计算品质因数（由于电感的制造工艺使得其偏差较大，因此f0只能参考，若要精确计算f0，可能需要先测定电感的值）。1、根据提供的设备，预先计算出谐振频率f0 的值，确定信号源输出幅值和UR、UL、UC 的极值范围。2、以f0为中心向左右扩展，保持US幅值基本不变，依次改变f， 测量UR、UL、UC 、ULC ，画出幅频特性曲线。3、将R由100 W改为1K W ，重复测量UR、UL、UC 、ULC ，再次绘制幅频特性曲线。4、画出上述两个Q值下的通用谐振曲线。五、实验数据记录和处理根据实验原理，本实验中在电感和电容两端可能产生明显大于电源电压的电压值，为避免电压值过大超出电表量程或损坏仪器，控制输出交流电压有效值在3V左右，再调节频率。由于未能测得电感的值，只能由元件的标称值粗略计算谐振频率f0,由串联谐振公式得因此按右上图接线后在2516Hz左右调节输出电压的频率，同时在示波器上用X-Y模式观察电路和电阻两端的电压，当示波器图形基本为一条过一、四象限的斜线时，达到该RLC电路的串联谐振频率，测得此时频率为f0=2410Hz在信号源有效电压值为3V的情况下，理想的谐振状况下LC不从电源获得电压，因此R两端电压的最大值认为是URmax=3V,由此计算UL、UC 的极值：在R=100W的情况下，改变f在f0两边扩展，一共测量了56组UR、UL、UC 的数据如下：频率/kHzUR/VUL/VUC/V频率/kHzUR/VUL/VUC/V0.580.100.153.132.551.9713.0511.800.780.150.313.272.601.8112.2510.700.970.200.513.472.651.6711.769.701.130.250.743.692.701.5310.698.871.260.300.983.932.751.419.998.021.370.351.254.172.801.309.387.281.470.401.544.442.851.218.866.621.550.451.814.692.901.138.426.101.620.502.134.942.951.057.965.601.680.552.415.373.000.997.575.181.750.632.815.713.100.887.004.471.810.703.266.043.200.786.463.901.850.743.556.433.300.726.013.441.890.803.896.703.400.665.713.061.930.884.257.143.500.605.452.741.970.984.827.553.600.565.222.492.011.015.288.023.700.525.042.272.051.125.988.453.800.494.792.052.091.216.719.073.900.464.651.892.121.347.319.494.000.434.521.752.161.438.2410.294.100.414.411.632.201.639.3011.004.400.364.061.312.261.8811.0312.244.800.313.801.022.312.0812.4613.035.200.273.630.832.362.2113.5613.405.700.233.400.642.412.2614.1714.086.000.213.320.572.462.2114.1413.676.500.183.230.472.502.1213.7612.807.000.163.170.40在R=1kW的情况下，由于电路略微发生变化，共振频率变为f0=2442Hz，改变f在f0两边扩展，一共测量了13组UR、UL、UC 、ULC的数据如下：UR/VUL/VUC/VULC/V频率/kHz2.711.671.720.122.4422.681.841.460.422.8022.602.111.280.853.2022.552.211.171.033.4022.492.271.051.193.6022.412.340.991.323.8022.292.440.851.594.2022.152.530.721.794.6022.701.491.770.422.2022.501.142.181.011.8022.200.782.501.671.4022.390.972.321.351.6021.990.602.501.991.202六、实验结果与分析当R=100W时，绘制幅频特性曲线如下：UR、UL和UC以不同形状的点画出，它们基本上都在谐振频率附近达到峰值，在峰值处R两端电压为2.26V，低于3V，可能是因为电感本身存在电阻，40mH电感用万用表实测电阻约20W，由此计算R分压应接近2.5V，另外可能存在一些线路上的压降，所以测得结果非常符合实际。另外此RLC谐振电路的品质因数Q=6.32，故L和C两端的电压值应该接近2.266.32=14.28V，实测UL0=14.14V, UC0=13.67V，都比较符合预期结果。且由图中看出电感电压在f0左侧变化快，右侧变化慢；电容电压在f0左侧变化快，右侧变化慢，也非常符合元件特性。对数据进行简单处理，画出Q=6.32时的通用谐振曲线如下：可见当品质因数为6.32时，曲线在谐振频率处达到峰值，即放大倍数最大，且在谐振频率附近位置，曲线较为尖锐，通频带宽较窄。当串联电阻R=1kW时，绘制幅频特性曲线如下：因已知在此品质因数下，各电压的变化趋势较为固定，无需过多的点即可刻画出曲线特性，故测量的点相对减少。由图可知，当达到谐振频率时，UR=2.71V，UC和UL对应的曲线在此相交，此时RLC串联电路的品质因数为Q=0.632，故在谐振频率下L和C两端的电压应该是2.710.632=1.71V，实测UL0=1.67V, UC0=1.72V，非常接近预期值。另外还测量了LC串联结构两端的电压值大小随输入频率变化曲线如下：可见在谐振频率附近，LC上分压最小（接近于0），表明电抗压降基本为零，符合理论预期。下面是品质因数为0.632时的通用谐振曲线：很显然相比Q=6.32时的通用谐振曲线，Q=0.632时曲线并没有非常尖锐，通频带较宽。七、讨论、心得通过本次实验，我了解了RLC串联电路谐振频率的测定方法，双踪示波器的使用更加熟练了。本实验的特点是要记录大量的数据，而我在第一次记录数据的时候，没有考虑到在谐振频率附近时电抗很小，近纯电阻电路的阻值只有100W左右，而交流电源内阻也仅有几十欧姆，所以RLC电路无法分得足够的电压，所以得到的数据很不符合实际。因此实验过程中必须增大交流电源提供的电压，随时补偿，才能保证RLC电路的电压源恒定，于是我改日重新测了所有的数据，新的数据因为每次都有补偿电压，基本恒定在3V，所以得到的结果也比较理想，同时也让我更形象地理解了品质因数的含义。思考题：1、可用哪些方法来判断电路处于谐振状态？答:当示波器在XY模式下，接入电路电压和电阻电压时，屏幕显示为一条斜线，说明达到谐振；或分别测定电阻和电感的电压，当两者电压相等时也达到谐振。2、实验时我们用宽频带电压表来测量电压而不是用电流表来测量电流，试问为什么？答:理论上可以测量电流得到同样的实验结果，但实验中的电源频率会在一定范围内发生变化，实验室没有宽频带电流表，只有50Hz的，而交流毫伏表是宽频的，所以在此条件下测量电压才是可行的。3、试根据通频带宽定义推导公式：答：通频带宽的通频带定义为两个半功率点的频率范围宽度，亦即当电压频率偏离f0，外加信号电压在谐振电路中产生的功率减小到一半（电流降到谐振时电流值I0的0.707倍）时的上下两个频率值之差，在式中令左侧等于0.707，解得于是电路的通频带为或4、滤波、选频、通频带的物理含义是什么？答：滤波的物理意义是让某一特定频率范围的信号通过，而极大地衰减或抑制其他频率成分的信号；选频也是滤波的一种，但选频时通频带宽较窄，可以选定某特定频率；通频带用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力，通频带越宽，表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强，通频带越窄，表明电路对通频带中心频率的选择能力越强。Multisim仿真如图接线，连接示波器组件，调整电源输出频率，直到示波器显示如图表明达到谐振频率：对上述电路使用SimulateAnalysesAC analysis功能，分析得频率特性如图：保持电路结构不变，将电阻替换为1kW，再使用AC analysis功能，分析得频率特性如图：