哈工大電路自主設(shè)計(jì) 移相器和衰減器的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

1、自主設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)移相器和衰減器的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1.了解移相器和衰減器的工作原理，特性及作用。 2.學(xué)會(huì)移相器的設(shè)計(jì)方法。 3.學(xué)會(huì)根據(jù)要求設(shè)計(jì)衰減器的方法。 4.將移相器和衰減器的各原件件理論值和實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較并分析原因。2.總體設(shè)計(jì)方案或技術(shù)路線 1.移相器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一個(gè)0至180度的移相電路，要求：輸出信號(hào)的幅度不變，相位可在0到180度之間自由變化。 2.衰減器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一個(gè)0-30dB的衰減器，要求：1. 輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的相位不變。2. 衰減器按10dB分擋。 3.驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案1.驗(yàn)證移相器，每隔一段間距取一個(gè)相位，計(jì)算出理論值；將電阻R設(shè)為理論值，觀察示波器中信號(hào)的相位變

2、化，與理論相位作比較，記錄示波器圖像及數(shù)據(jù)，分析結(jié)果。2.驗(yàn)證衰減器，將電阻調(diào)成理論計(jì)算阻值，計(jì)算信號(hào)衰減量，與理論值作比較，看是否符合理論衰減量。3.實(shí)驗(yàn)電路圖 3.1移相器電路圖1 X形RC移相電路圖2實(shí)驗(yàn)電路其中接信號(hào)發(fā)生器端, 接示波器端，為了方便變化R采用變阻箱 3.2衰減器電路圖3可調(diào)衰減器的理論電路圖4實(shí)際電路圖采用變阻箱代替多個(gè)電阻，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)電路圖。4. 儀器設(shè)備名稱、型號(hào)1.RIGOL示波器2. TFG2000信號(hào)發(fā)生器3. 電感箱、電阻箱、電容箱4. VC97萬用表5. 交直流實(shí)驗(yàn)箱5.理論分析或仿真分析結(jié)果5.1移相器線性時(shí)不變網(wǎng)絡(luò)在正弦信號(hào)激勵(lì)下，起響應(yīng)電壓、電流是與激

3、勵(lì)信號(hào)同頻率的正弦量，影響與頻率的關(guān)系，即為頻率特性。它可用相量形式的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)來表示。在電氣工程與電子工程中，往往需要在某確定頻率正弦激勵(lì)信號(hào)作用下，獲得有一定幅值、輸出電壓相對(duì)于輸入電壓的相位差在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的響應(yīng)（輸出）信號(hào)。這可通過調(diào)節(jié)電路原件參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，通常是采用RC移相網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的。5.1.1實(shí)驗(yàn)原理圖5 相位90度到0設(shè)輸入正弦信號(hào)，其相量則輸出信號(hào)電壓：其中輸出電壓有效值U2為：輸出電壓的相位為：由上兩式可見，當(dāng)信號(hào)源角頻率一定時(shí)，輸出電壓的有效值與相位均隨電路元件參數(shù)的變化而不同。若電容C為一定值，則有，如果R從零至無窮大變化，相位從90度到零度變化。 圖6相位0到90度

4、輸入正弦信號(hào)電壓，響應(yīng)電壓為： 其中輸出電壓有效值為：輸出電壓相位為：同樣，輸出電壓的大小及相位，在輸入信號(hào)角頻率一定時(shí)，它們隨電路參數(shù)的不同而改變。若電容C值不變，R從零至無窮大變化，則相位從到變化。5.1.2 X型RC移相電路 當(dāng)希望得到輸出電壓的有效值與輸入電壓有效值相等，而相對(duì)輸入電壓又有一定相位差的輸出電壓時(shí)，通常是才采用X型RC移相電路（見圖2）來實(shí)現(xiàn)。 其中結(jié)果說明，此X型RC移相電路的輸出電壓與輸入電壓大小相等，而當(dāng)信號(hào)源角頻率一定時(shí)，輸出電壓的相位可通過改變電路的元件參數(shù)來調(diào)節(jié)。5.1.3 理論值計(jì)算設(shè)電容C值一定，如果電阻R值從0到變化時(shí)，則從0至-180變化，由上面公式可

5、得：當(dāng)R=0時(shí)，則,輸出電壓與輸入電壓同相位當(dāng)R=時(shí)，則，輸出電壓與輸入電壓相反。當(dāng)0 R 時(shí)，則在與0與-180之間取值。實(shí)驗(yàn)中，由式計(jì)算電阻R的值，其中電容C為0.01，=1V，頻率為50KHz?？捎?jì)算R，有：-10-45-90-135-170R/175.0828.420004828.422860.1 5.1.4 ORCAD仿真仿真電路圖圖7 Or CAD仿真圖其中一組數(shù)據(jù)仿真結(jié)果圖8 R為某一值的圖當(dāng)電阻R特別大時(shí)圖9 R值特別大時(shí)的仿真圖 5.2衰減器 5.2.1實(shí)驗(yàn)原理 衰減器：是在指定的頻率范圍內(nèi)，一種用以引入一預(yù)定衰減的電路，一般以所引入衰減的分貝數(shù)及其特性阻抗的歐姆數(shù)來標(biāo)明。

6、僅適用于50歐阻抗衰減電路。 衰減器廣泛地應(yīng)用于電子設(shè)備中，它的主要用途是： 1.調(diào)整電路中信號(hào)的大??； 2.改善阻抗匹配。 通常，衰減器接于信號(hào)源和負(fù)載之間，衰減器是由電阻元件組成的二端口網(wǎng)絡(luò)，它的特性阻抗、衰減量都是與頻率無關(guān)的常數(shù)，相移等于零。 實(shí)際應(yīng)用中，有固定衰減器和可變衰減兩大類。 常用的固定衰減器有T型、P型、橋T型（以上為對(duì)稱型）和倒L型（不對(duì)稱型）等幾種結(jié)構(gòu)，其電路形式和計(jì)算公式如后。 式中，Rc為二端口網(wǎng)絡(luò)的特性阻抗（對(duì)稱時(shí)），即輸入輸出阻抗，Rc1和Rc2兩側(cè)特性阻抗，分別為非對(duì)稱衰減器的輸入輸出阻抗； N=10(A/20)，為輸入電壓與輸出電壓之比，A為衰減的分貝數(shù)。

7、5.2.2可變衰減器 可變衰減器，一般是指特性阻抗值恒定的，而它的衰減值是可變的衰減器，由橋T型衰減器構(gòu)成比較方便。 這種電路的優(yōu)點(diǎn)是，電路中只有兩個(gè)可變化部分，而且Rc為固定電阻，可以避免因旋鈕換檔時(shí)，由于旋鈕觸點(diǎn)接觸不良而引起電路中斷現(xiàn)象。 電路如圖3所示，其中 本次試驗(yàn)為600，已知信號(hào)發(fā)生器輸出內(nèi)阻為50 5.2.3理論值計(jì)算 1.10dB擋 2.20dB擋 3.30dB擋所以我們有如下表：衰減量/dB102030R1/1297.25400.018973.8R2/277.566.719.6理論Vpp(仿真)1.671V623mV193.4mV5.2.4 Or CAD仿真仿真電路圖10

8、仿真電路仿真結(jié)果（其中一個(gè)）圖11 仿真結(jié)果由仿真可得理論衰減后的電壓峰峰值，具體結(jié)果見上面表格6.詳細(xì)實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)記錄（包括各儀器、儀表量程及內(nèi)阻的記錄） 6.1移相器 1.按照學(xué)過的知識(shí)進(jìn)行示波器的自檢，并將示波器參數(shù)設(shè)置如下： 1）耦合：設(shè)置為直流耦合方式。 2）帶寬限制：設(shè)為打開狀態(tài)。 3）探頭：設(shè)置為1。 4）檔位調(diào)節(jié)為粗調(diào)，反相關(guān)閉。注意CH1 CH2設(shè)置均為上面要求。 2.信號(hào)發(fā)生器的設(shè)置 1）信號(hào)發(fā)生器內(nèi)阻：50 2）將信號(hào)發(fā)生器A路頻率調(diào)整為50KHz，波形選擇正弦波，Vpp（峰峰值）設(shè)置為1V如下表信號(hào)發(fā)生器頻率波形峰峰值內(nèi)阻參數(shù)50KHz正弦波1V50 3.按照

9、圖2所示電路連接好電路圖，按下表調(diào)整兩電阻阻值為上面理論計(jì)算值，觀察示波器的圖像并記錄數(shù)據(jù)。其中根據(jù)公式 整理數(shù)據(jù)并計(jì)算可得下表：-10-45-90-135-170R/175.0828.42000.04828.422860.1時(shí)間差/us實(shí)驗(yàn)值0.552.454.957.559.40記錄示波器測(cè)量結(jié)果和波形原始波形 相位改變后波形信號(hào)發(fā)生器及電阻值示波器顯示及波形（其中峰峰值，頂端值及底端值為移動(dòng)后波形數(shù)據(jù)）2.衰減器 1.按上一實(shí)驗(yàn)設(shè)置示波器參數(shù) 2.連接電路圖如4所示，其中，變阻為電阻箱實(shí)際衰減量 3.設(shè)置并記錄信號(hào)發(fā)生器參數(shù)信號(hào)發(fā)生器頻率波形峰峰值內(nèi)阻參數(shù)1KHz正弦波10V50 4.按

10、照理論值調(diào)節(jié)兩電阻阻值，并觀察示波器顯示記錄各擋數(shù)據(jù)衰減量/dB102030R1/1297.2540018973.8R2/277.586.719.6理論Vpp1.671V623mV193.4mV示波器顯示1.64V612mV183mV5.選擇一個(gè)擋記錄示波器數(shù)據(jù)及波形 7.實(shí)驗(yàn)結(jié)論及現(xiàn)象分析7.1移相器1.利用X型RC移相電路可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)相位的改變，同時(shí)此電路在改變相位的同時(shí)不改變信號(hào)幅值。2.當(dāng)電路中電阻為特定電阻時(shí)，輸出信號(hào)相位改變量與理論值基本一樣。故所設(shè)計(jì)的移相電路達(dá)到預(yù)期要求。3.當(dāng)電阻增大時(shí)，理論上信號(hào)幅值不發(fā)生改變，實(shí)際中略微減少。7.2衰減器1.當(dāng)電阻值為給定值時(shí)對(duì)應(yīng)衰減器各個(gè)

11、擋，同時(shí)各擋衰減量實(shí)驗(yàn)值與理論值基本一樣。2.利用此衰減電路所構(gòu)成的衰減器只改變信號(hào)幅值，不改變信號(hào)相位。故此衰減器達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)期目標(biāo)。8.實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題及解決對(duì)策1.移相器實(shí)驗(yàn)中信號(hào)不穩(wěn)定，導(dǎo)致示波器中圖像過粗，不易讀數(shù)。圖 左邊未開帶寬限制，右邊打開帶寬限制線路連接要盡量可靠，避免有松動(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)在示波器設(shè)置中應(yīng)該打開帶寬限制選項(xiàng)。2.衰減器實(shí)驗(yàn)中所需阻值沒有定值電阻。用不同定值電阻組合構(gòu)成所需電阻，但是由于電阻阻值并不是十分準(zhǔn)確，故對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成一定的影響。3.實(shí)驗(yàn)中可讀數(shù)變阻器數(shù)量不夠。使用交直流實(shí)驗(yàn)箱上滑動(dòng)變阻，用萬用表測(cè)量以達(dá)到所需阻值。4.移相器實(shí)驗(yàn)中開始僅輸出移相后的信號(hào)波形圖

12、，導(dǎo)致無法確定相位改變量。CH1，CH2分別輸入信號(hào)源信號(hào)，以及經(jīng)過移相電路后的信號(hào)，通過示波器方便獲得相位.9.本次實(shí)驗(yàn)的收獲和體會(huì)、對(duì)電路實(shí)驗(yàn)室的意見或建議9.1收獲與體會(huì) 自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)不會(huì)是非常完善的，無論是在數(shù)據(jù)上還是實(shí)驗(yàn)電路上可能出現(xiàn)一些沒有想到的問題，這就需要我們不斷地發(fā)現(xiàn)問題解決問題，完善自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。需要不斷地去實(shí)踐，有可能在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)問題，然后需要查閱資料，向老師請(qǐng)教以解決問題，從而繼續(xù)實(shí)驗(yàn)完成實(shí)驗(yàn)。 通過對(duì)于二端口移相電路和衰減電路的研究，加深了對(duì)這部分知識(shí)的理解。在實(shí)驗(yàn)過程中讓我更加熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備的用法，提高了對(duì)于信號(hào)發(fā)生器以及示波器的運(yùn)用。9.2建議 1.實(shí)驗(yàn)增加一

13、些現(xiàn)在沒有的設(shè)備，儀器或者元件，這樣可以使我們?cè)谧鲎灾髟O(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)時(shí)可選擇的內(nèi)容更多。10參考文獻(xiàn)1 哈爾濱工業(yè)大學(xué)電工基礎(chǔ)教研室 電路理論基礎(chǔ)（第三版）. 高等教育出版社 .20042 于建國 王松林. 電路實(shí)驗(yàn)教程. 高等教育出版社. 212-213. 20083 百度文庫 4 齊鳳艷 電路實(shí)驗(yàn)教程. 機(jī)械工業(yè)出版社. 41-48. 2009.8原始數(shù)據(jù)記錄1.移相器 信號(hào)發(fā)生器參數(shù)信號(hào)發(fā)生器頻率波形峰峰值內(nèi)阻參數(shù)50KHz正弦波1V50相位改變量-10-45-90-135-170R/175.0828.42000.04828.422860.1時(shí)間差/us實(shí)驗(yàn)值0.552.454.957.559.40原始波形