第5章電路PPT課件

1、應(yīng)知應(yīng)會要求： 掌握網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的的表示 掌握網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的計算 掌握網(wǎng)絡(luò)函數(shù)頻率特性掌握諧振電路發(fā)生諧振的條件及特性掌握RC電路頻率特性 能熟練的根據(jù)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的定義寫出網(wǎng)絡(luò)函數(shù) 能熟練寫出電路諧振時的諧振頻率 根據(jù)諧振時的特點能熟練計算電路的參數(shù) 熟練計算通頻帶 能分析電路的選擇性運用幅頻特性會分析電路的特性. 第1頁/共31頁5.15.1概述 5.25.2網(wǎng)絡(luò)函數(shù) 在工程實際中，電路要處理的信號在一般情況下并不是單一頻率的正弦量，而是可能具有多種頻率分量的組合信號。當(dāng)這種信號通過含有動態(tài)元件（含L、C）電路時，由于復(fù)阻抗是頻率的特性，使電路對不同頻率分量的信號的響應(yīng)是不同，最終使個頻率分量之間的相

2、對關(guān)系發(fā)生改變。動態(tài)電路的頻率特性在電子和通信工程中得到廣泛應(yīng)用，常用來實現(xiàn)電路的濾波、選頻、移相等。 5.2.1網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的定義和分類 1. 網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的定義 網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的定義是指動態(tài)電路在頻率為的單一正弦激勵下，正弦穩(wěn)態(tài)輸出（響應(yīng)）相量與輸入（激勵）相量的比值。記作H(j)，即 輸入相量輸出相量)(jH(5-1） 第2頁/共31頁2. 網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的分類 如圖5-1所示，如果輸入與輸出同在一個端口,得到的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)稱為策動點函數(shù)或驅(qū)動點函數(shù)。若輸入是電流源，輸出是電壓時，網(wǎng)絡(luò)函數(shù)稱為驅(qū)動點阻抗。 如果輸入與輸出不在同一個端口,得到的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)稱為轉(zhuǎn)移函數(shù)或傳輸函數(shù)，如圖5-1所示。轉(zhuǎn)移函數(shù)分為轉(zhuǎn)移阻抗、

3、轉(zhuǎn)移導(dǎo)納、轉(zhuǎn)移電壓比（電壓傳輸函數(shù)）、轉(zhuǎn)移電流比（電流傳輸函數(shù)）。結(jié)合圖5-1所示電路將各種網(wǎng)絡(luò)函數(shù)列出如下： -+-+2.UU1.N.I1.I2 圖5-1 定義網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的框圖 11)(IUjHZ驅(qū)動點阻抗 11)(UIjHY驅(qū)動點導(dǎo)納 21)(IUjHZ12)(IUjHZ轉(zhuǎn)移阻抗 或 第3頁/共31頁21)(UIjHY12)(UIjHY轉(zhuǎn)移導(dǎo)納 或 21)(UUjHu12)(UUjHu轉(zhuǎn)移電壓比 或 21)(IIjHi12)(IIjHi轉(zhuǎn)移電流比 或 5.2.2網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的計算方法 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的分類，在計算網(wǎng)絡(luò)函數(shù)時可以在輸入端加入一個電壓源或電流源，再利用前面章節(jié)所講分析電路的任何一種方法

4、，求出輸出相量的表達(dá)式，整理出相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)。 【例5-1】如圖5-2所示電路負(fù)載端開路時，求出輸出電壓與輸入電壓轉(zhuǎn)移電壓比。解：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)定義，得 CRU.1U.2+-+- 圖5-2【例5-1】圖 第4頁/共31頁RCarctgRCRCjCjRCjUUjHu212)(111111)( 【例5-2】如圖5-3所示電路, 求：（1）當(dāng)22/端短路時，11/端電壓與電流之比HZ(j)；（2）當(dāng)22/端開路時，11/端電壓與電流之比HZ(j)。解：（1）當(dāng)22/短路時，有 ZZZ1322211 圖5-3【例5-2】圖 3232111)(ZZZZZIUjHZ（2）當(dāng)22/開路時，則有 3111)(ZZ

5、IUjHZ課外作業(yè)：P115 1 、 2第5頁/共31頁5.2.3網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的頻率特性網(wǎng)絡(luò)函數(shù)描述一個網(wǎng)絡(luò)在不同頻率信號輸入下，輸出相量與輸入相量的關(guān)系。一般情況H(j)是一個復(fù)函數(shù)。即)()()()()(HeHjHj(5-2) 其中式(5-2)中H()為網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的模，描述了輸入為一個單位情況下，輸出的相對幅值隨頻率變化的情況，稱為網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性。在分析電路時，將H()隨頻率變化情況用曲線表示，稱為幅頻特性曲線。 是網(wǎng)絡(luò)函數(shù)H(j)的輻角，也是頻率的函數(shù)，當(dāng)輸入初相為零時可以描述輸出初相隨頻率變化的情況， 稱為相頻特性。將 隨頻率變化情況用曲線表示，稱為相頻特性曲線。 )()()(課外作業(yè)：P1

6、15 4第6頁/共31頁5 53 3諧振電路 5.3.1 RLC串聯(lián)諧振電路 含有電感、電容和電阻的單口電路，當(dāng)端口電壓與端口電流的相位相同時，稱這種現(xiàn)象為電路發(fā)生諧振。若諧振時RLC串聯(lián)稱為串聯(lián)諧振；若諧振時RLC并聯(lián)就稱為并聯(lián)諧振。 RLC+u-i 圖5-4 RLC串聯(lián)電路 1. 諧振條件與諧振頻率如圖5-4所示RLC串聯(lián)電路，其復(fù)阻抗為)()()()1()(ZjXRXXjRLLjRIUjZCL2222)1()(CLRXRZRCLarctgRXXarctgCL1)(其中 第7頁/共31頁要使電路處于諧振狀態(tài)，則有XL=XC 即X=0，令=0，此時 LC10(5-3） 0叫電路的諧振角頻率又

7、稱固有角頻率。 LCf210(5-4） f0稱為電路諧振頻率又稱固有頻率。 從式(5-4）可知，當(dāng)調(diào)節(jié)外加信號頻率f或改變電路參數(shù)L或C時，使電路發(fā)生諧振。稱這種過程為調(diào)諧?！纠?-3】如圖5-5所示電路中R=10，L=100H，電容C為可變電容，在50 400PF范圍變化，當(dāng)外加信號的頻率為500kHz時，求電容C為多少時電路才能發(fā)生諧振？ RL+-uCs 圖5-5【例5-3】圖 第8頁/共31頁解：由式(5-4)得 pFFLfC3231023. 310100)105002(1)2(110623202. 諧振時電路特性 RLC串聯(lián)電路發(fā)生諧振時，其電抗X=0，電路的復(fù)阻抗Z0= R+jX=

8、R,阻抗模為最小值，且為純電阻R。阻抗角 。此時，若電路輸入為電壓源，則電路中電流為最大。 0)(iuIRURUZUI00(5-5) 從式(5-5）可看出，電壓與電流相位相同。電流的大小與電感與電容值無關(guān)。諧振時的感抗和容抗被定義為特性阻抗，用表示。即00001CLXCCLLX(5-6) CL表明，特性阻抗決定于電路的參數(shù)L和C，單位為歐姆（）。 第9頁/共31頁特性阻抗和電阻R的比值被定義為串聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因素，用Q表示。即CLRCRRLRQ1100(5-7） 品質(zhì)因素Q是無單位的物理量，一般在幾十幾百之間。實際的電路中，在一定的頻率范圍內(nèi)，改變L或C，Q的值變化不大。在實際工程中，有專門

9、用來測量實際元件的Q值的測量儀器叫Q表。圖5-4電路諧振時各元件的電壓分別為： URURIRUR(5-8) UjQRUjIjXULCL0(5-9) UjQRUjIjXUCC00(5-10) c.L.UU.IU.=.UR圖5-6串聯(lián)諧振時的相量圖 從式（5-8）、（5-9）和（5-10）可知，發(fā)生諧振時，電阻上電壓與總電壓等值同相，電感電壓和電容電壓等值反向且等于總電壓的Q倍。 第10頁/共31頁 【例5-4】電路如圖5-4所示，已知L=20mH，C=200pF，R=100，正弦電壓U=10V，求：（1）電路諧振頻率f0；（2）品質(zhì)因素Q；（3）諧振時電容、電感上電壓。 KHzFHLCf6 .7

10、91020010202121123010010200102010011123CLRQUL=UC=QU=10010V=100V課外作業(yè)：P115 5第11頁/共31頁5.3.2 RLC5.3.2 RLC串聯(lián)諧振電路的頻率特性1. 復(fù)阻抗的頻率特性 對于一個RLC串聯(lián)電路，在電路參數(shù)R，L，C給定時，XL 、XC、X、Z()及都將隨外施信號角頻率變化而變化。其XL、XC、X及Z()隨角頻率的變化如圖5-7a)b)所示。由圖5-7a)知，當(dāng)遞增時，XL遞增而XC遞減X則由負(fù)變正，即電路從容性到感性。反之，電路從感性到容性。當(dāng)=0時電路為阻性，此時Z() =R。 X 0 XL X XC 0 0 0 Z

11、() R a) b) 圖5-7 XL 、XC、X 、Z()與的關(guān)系曲線 第12頁/共31頁2電流的頻率特性對于圖5-4所示電路，在外加電壓源的作用下，電路中的電流有)()1()(iICLjRUjZUI2002020002211)1(QIRLRUCLRUI2002011QII(5-11)第13頁/共31頁 0 0 I0 I 00201ffff0.7071I / IQ=1Q=10Q=50 圖5-8 I曲線圖 圖5-9不同Q時的諧振曲線 從圖5-8看出，對于同樣幅度的電壓信號，當(dāng)信號角頻率等于系統(tǒng)固有角頻率0（即諧振），電路中電流有效值最大，當(dāng)信號偏離系統(tǒng)0（即失諧）越嚴(yán)重時，電路中的電流越小。也就

12、是說，串聯(lián)Z()電路對不同頻率的信號有不同的響應(yīng)，這種響應(yīng)對信號具有選擇的功能，對偏離諧振點的信號有抑制的作用。圖5-9為不同Q值時的特性曲線，還可知Q值越大，回路選擇性越高，曲線越尖銳。 第14頁/共31頁3通頻帶 實際信號通過諧振電路時，希望各頻率成分的電壓在電路中產(chǎn)生的電流的比例關(guān)系保持不變，即諧振曲線應(yīng)為矩形。實際上實際信號都有一定的頻率范圍，在討論頻率特性時知道，諧振電路對不同頻率的信號具有一定的選擇性，Q值越大，選擇性能力越強(qiáng)。所以，這種理想情況不可能得到。在實際應(yīng)用中常將回路電流I/I00.707所對應(yīng)的頻率范圍稱為通頻帶,以B表示。通頻帶的邊界頻率通常稱為上邊界頻率和下邊界頻率

13、，如圖5-10所示。0I / I10.707ffffB1020 圖5-10串聯(lián)諧振曲線和通頻帶 QffB02QB0（5-12) 或 因f0和Q完全由電路參數(shù)R、L和C決定，因此B與信號無關(guān)，即諧振回路的通頻帶完全由電路參數(shù)決定。對于f0相同而Q值不同的回路，通頻帶將各不相同，Q值越大的電路，諧振曲線將越尖銳，通頻帶將越窄，回路選擇越好。但從幅度失真觀點看，要求Q值不要太大，諧振曲線平坦好。因此，電路中Q值的選擇應(yīng)該保證信號通過電路后幅度失真應(yīng)在允許范圍內(nèi)，在此前提下來提高電路的選擇性。 第15頁/共31頁 【例5-5】有一RLC串聯(lián)諧振電路，已知C=0.01F，R=100，接在u=14.1si

14、n(104t+300)V正弦交流電源兩端，求（1）電感元件L的值；（2）電路的品質(zhì)因素Q；（3）通頻帶B。解：由給定條件知：0=104rad/sHCL11001. 0)10(1162420（1）由式（5-3）得： 1001001. 01010011640CRQ(2) 由式（5-7）得： sradQB/1001001040（3）由式（5-12）得： 課外作業(yè)：P115 6 、 7第16頁/共31頁5.3.3 RLC5.3.3 RLC并聯(lián)諧振電路CLR+u-iiLic 圖5-11 RLC并聯(lián)諧振電路 1. 并聯(lián)諧振的條件與頻率 由圖5-11所示,電路的總導(dǎo)納為)()()()(222221YYjBG

15、LRLCjLRRYYY在一般情況下Q1，即R0L，所以有 LC10（5-13） LCf210（5-14） 第17頁/共31頁2.并聯(lián)諧振的特性 若R1，則有 00011jQUU有效值之比為 22002021111ffQQUU（5-20） 2.并聯(lián)諧振電路通頻帶 令（式5-20）中的U/U0=0.707，同樣有 QffffB0122（5-21） 第20頁/共31頁 【例5-6】有一實際線圈R=20,與電容C=80pF并聯(lián)，接在頻率為800KHz的電源端而發(fā)生諧振，求：（1）線圈的電感量L；（2）電路的品質(zhì)因數(shù)Q；（3）諧振阻抗Z0；（4）通頻帶B。解：（1）根據(jù)式（5-14）有 mHHCfL5

16、. 01051080)108002(1)2(14122321252010800230RLQ（2）由式（5-15）有 kRQZ5 .31220125220（3）由式（5-17）有 kHzQfB4 . 61251080030（4）由式（5-21）有 課外作業(yè)：P116 10、11第21頁/共31頁5.4 RC5.4 RC電路的頻率特性5.4.1一階RC低通濾波電路 從【例5-1】可知幅頻特性和相頻特性分別為 2)(11)(RCHu（5-22） RCarctgu)(（5-23） 根據(jù)式（5-22）畫出幅頻曲線，見圖5-13所示。從圖5-13看出當(dāng)從零向無窮大變化時，Hu()將從1趨近于零。令Hu()

17、=0.707，有=1/RC稱此角頻率為截止頻率，用C表示，則C=1/。在0C范圍內(nèi)，輸入信號幅度相同時各頻率分量信號的輸出幅度失真在允許范圍內(nèi)，這一范圍就是通頻帶B。而在C范圍內(nèi)，Hu() 趨近于零，稱此范圍為阻帶。因此，這種電路具有允許頻率低的信號通過，而對頻率高的信號有削弱的特性，將具有這種特性的電路稱為低通濾波電路或低通濾波器，簡稱低通電路。 圖5-13 RC低通濾波器頻率特性 1 0.707 0 c Hu() C第22頁/共31頁5.4.2一階RC高通濾波電路 RC+u1-+u2- Hu() c 0 1 0.707 450 900 )(u c 0 a) 一階RC高通濾波電路 b) 幅頻

18、特性曲線 c) 相頻特性曲線圖5-15 RC組成的電路，若輸出電壓從電阻輸出可構(gòu)成一階RC高通濾波器，見圖5-15a)所示，由轉(zhuǎn)移電壓比表達(dá)式，得 )()(1111)(12uuuHRCjCjRRUUjH第23頁/共31頁2111)(RCHu幅頻特性 （5-24） RCarctgu1)(相頻特性 （5-25） 根據(jù)式（5-24）有幅頻特性曲線，如圖5-15b)所示，從幅頻特性曲線看出，這種電路對頻率低的信號有抑制作用，而頻率高的信號的幅度失真在允許范圍內(nèi)。所以將具有這種特性的電路稱為高通濾波電路或高通濾波器。由式（5-25）可畫出相頻特性曲線，如圖5-15c)所示。從相頻特性曲線知，輸出電壓的相

19、位超前輸入電壓的相位。因此，在實際工程中，可利用此特性獲得所需的相位移動，把這種電路稱為移相電路。 課外作業(yè)：P116 13第24頁/共31頁6.56.5實訓(xùn) 1.實訓(xùn)目的 (1) 通過實訓(xùn)進(jìn)一步了解R-L-C串聯(lián)諧振電路的特點。 (2) 利用儀器測出諧振時的物理量,繪出諧振曲線。2.實訓(xùn)器材(1)低頻信號發(fā)生器 (2)晶體管毫伏表 (3) 電阻箱 (4) 電感線圈 L=0.15H (5) 電容器 C=0.47F第25頁/共31頁3.實訓(xùn)的內(nèi)容及步驟(1)尋找諧振點 按圖5-16接線，其中R=22，L=0.15H，C=0.47F。低頻信號發(fā)生器的電壓U=3V，將毫伏表接在R端，仔細(xì)調(diào)節(jié)信號發(fā)生

20、器的頻率，使毫伏表測量電阻R端的電壓UR為最大。此時，信號發(fā)生器的頻率為諧振頻率f0。然后，用毫伏表測量電感電壓UL、電容電壓UC ，讀取數(shù)據(jù)填如表5-1中。 C L R 信號發(fā)生器 圖5-16串聯(lián)諧振實驗電路 測量物理量f0(Hz)UR(V)UL(V)UC(V)I0(A)測量數(shù)據(jù) 表5-1串聯(lián)諧振實驗電路數(shù)據(jù)表(2)測定諧振曲線按圖5-16接線，信號發(fā)生器的輸出電壓調(diào)為U=3V，改變信號發(fā)生器的輸出頻率，使頻率變化范圍在諧振頻率f0兩側(cè)。測出不同頻率時對應(yīng)電阻R、電感L、電容C的電壓，并計算電路電流I、I/I0、f /f0填如表5-2中。改變電阻值，使R=500，重復(fù)上述測量并填入表5-3中

21、第26頁/共31頁物理量f(Hz)UR(V)UL(V)UC(V)I(A)I/I0f /f0測 量 數(shù) 據(jù) f0 物理量f(Hz)UR(V)UL(V)UC(V)I(A)I/I0f /f0測 量 數(shù) 據(jù) f0 表5-2測定諧振曲線記錄表 （R= ） 表5-3測定諧振曲線記錄表 （R= ） 第27頁/共31頁4. 實訓(xùn)注意事項（1）實訓(xùn)前預(yù)算諧振頻率f0，在尋找諧振點時才能心中有數(shù)。（2）在測定諧振曲線時改變信號發(fā)生器輸出頻率要保證信號發(fā)生器的輸出電壓始終為3V。（3）毫伏表只能測電壓，因此，電路中的電流通過計算得到。即I= UR/R產(chǎn)生。5實訓(xùn)報告要求（1）根據(jù)圖5-16給出電路參數(shù)，計算電路的品質(zhì)因數(shù)Q。（2）表5-1中數(shù)據(jù)是否滿足UL=UC=QU，UR=U，如果不滿足，這是為什么？（3）根據(jù)表5-2和表5-3的數(shù)據(jù)，繪出諧振曲線。說明電阻的大小對諧振曲線的影響。（4）計算