電路基礎(chǔ)實驗四ppt

1、4.1 4.1 實驗目的實驗目的1. 1. 掌握幅頻特性和相頻特性的測量方法。掌握幅頻特性和相頻特性的測量方法。2. 2. 加深對常用加深對常用RCRC網(wǎng)絡(luò)幅頻特性的理解。網(wǎng)絡(luò)幅頻特性的理解。3. 3. 學會應用對數(shù)坐標來繪制頻率特性曲線。學會應用對數(shù)坐標來繪制頻率特性曲線。4.2 4.2 實驗原理實驗原理1.1.網(wǎng)絡(luò)頻率特性的定義網(wǎng)絡(luò)頻率特性的定義 網(wǎng)絡(luò)的響應相量與激勵相量之比是頻率網(wǎng)絡(luò)的響應相量與激勵相量之比是頻率的函數(shù)，的函數(shù)，稱為正弦穩(wěn)態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)。表示為稱為正弦穩(wěn)態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)。表示為 實驗四實驗四 RC網(wǎng)絡(luò)頻率特性研究網(wǎng)絡(luò)頻率特性研究H(j）=響應向量激勵向量=()jHje 其模

2、隨頻率其模隨頻率變化的規(guī)律稱為幅頻特性，輻角隨變化的規(guī)律稱為幅頻特性，輻角隨變化的規(guī)變化的規(guī)律稱為相頻特性。為使頻率特性曲線具有通用性，常以作為律稱為相頻特性。為使頻率特性曲線具有通用性，常以作為橫坐標。通常，根據(jù)隨頻率橫坐標。通常，根據(jù)隨頻率變化的趨勢變化的趨勢, ,將將RCRC網(wǎng)絡(luò)分為網(wǎng)絡(luò)分為“低低通通(LP)(LP)電路電路”、“高通高通(HP)(HP)電路電路”、“帶通帶通(BP)(BP)電路電路”、“帶帶阻阻(BS)(BS)電路電路”等。等。(1) RC(1) RC低通網(wǎng)絡(luò)低通網(wǎng)絡(luò) 圖圖4.1(a)4.1(a)所示為所示為RCRC低通網(wǎng)絡(luò)。它的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)為低通網(wǎng)絡(luò)。它的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)為+-U

3、i.U0+-RCHj10.70701/CRC C04590(a) RC低通網(wǎng)絡(luò)(b) 幅頻特性(c) 相頻特性圖圖4.1 RC4.1 RC低通網(wǎng)絡(luò)及其頻率特性低通網(wǎng)絡(luò)及其頻率特性其模為：其模為：01/11/1iUj cHjRj Cj RCU211HjRC arctanRC 輻角為輻角為:顯然，隨著頻率的增高，顯然，隨著頻率的增高，|H(j|H(j)|)|將減小，這說明低頻將減小，這說明低頻信號可以通過，高頻信號被衰減或抑制。當信號可以通過，高頻信號被衰減或抑制。當=1 1/ /RCRC，即即U U0 0 / /U Ui i = 0.707 = 0.707，通常把，通常把U U0 0降低到降低到

4、0.707 0.707 U U i i時的角頻率時的角頻率稱為截止角頻率稱為截止角頻率c c。即。即=c=1/RC(2) (2) RCRC高通網(wǎng)絡(luò)高通網(wǎng)絡(luò) 圖圖4.2 (a)4.2 (a)所示為所示為RCRC高通網(wǎng)絡(luò)。它的網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)為高通網(wǎng)絡(luò)。它的網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)為+-iU0UCR+-Hj10.70701/cRC 90450c(a) RC高通網(wǎng)絡(luò)（b)幅頻特性(C)相頻特性01/iURHjRj RCU2111HjRC其模為其模為圖圖4.2 RC4.2 RC高通網(wǎng)絡(luò)及其頻率特性高通網(wǎng)絡(luò)及其頻率特性可見，隨著頻率的降低而減小，說明高頻信號可以通過，低可見，隨著頻率的降低而減小，說明高頻信號可以通過，

5、低頻信號被衰減或被抑制。網(wǎng)絡(luò)的截止頻率仍為頻信號被衰減或被抑制。網(wǎng)絡(luò)的截止頻率仍為C C=1 1/ /RCRC, , 因因為為=C C時時,|H(j,|H(j)|)| =0.707=0.707。它的幅頻特性和相頻特性分。它的幅頻特性和相頻特性分別如圖別如圖4.2(b)4.2(b)、(c)(c)所示。所示。(3) (3) RCRC帶通網(wǎng)絡(luò)帶通網(wǎng)絡(luò)( (RCRC選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)) )圖圖4.3(a)4.3(a)所示所示RCRC帶通濾波電路的輸入和輸出分別為電壓帶通濾波電路的輸入和輸出分別為電壓u ui i和和u u0 0，網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)為，網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)為 090arctanRC圖 4.3 RC帶通網(wǎng)

6、絡(luò)及其頻率特性 輻角為 其模為其模為0111131iRUj RCHjRURjRCj Cj RCRC2119HjRCRC輻角為輻角為 1arctan3RCRC 可以看出，當信號頻率為可以看出，當信號頻率為o=1/RC時，模時，模|H(j)| =1/3為最為最大大, ,即輸出與輸入間相移為零。信號頻率偏離即輸出與輸入間相移為零。信號頻率偏離=1/RC=1/RC越遠，信號被越遠，信號被衰減和阻塞越厲害。說明衰減和阻塞越厲害。說明RCRC網(wǎng)絡(luò)允許以網(wǎng)絡(luò)允許以=0 0=1/RC(0)=1/RC(0)為中心的為中心的一定頻率范圍一定頻率范圍( (頻帶頻帶) )內(nèi)的信號通內(nèi)的信號通過，而衰減或抑制其他頻率的

7、信號，過，而衰減或抑制其他頻率的信號， 即對某一窄帶頻率的信號具有選頻通過的作即對某一窄帶頻率的信號具有選頻通過的作用，因此，將它稱為帶通網(wǎng)絡(luò)或選頻網(wǎng)絡(luò)。而用，因此，將它稱為帶通網(wǎng)絡(luò)或選頻網(wǎng)絡(luò)。而將將0 0或或f f0 0稱為中心頻率。當稱為中心頻率。當 時，時，所對應的兩個頻率也稱截止頻率，用所對應的兩個頻率也稱截止頻率，用H H和和L L表示。它的幅頻特性和相頻特性分別如圖表示。它的幅頻特性和相頻特性分別如圖4.3(b)4.3(b)、(C)(C)所示。所示。(4) RC(4) RC雙雙T T網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)(RC(RC帶阻網(wǎng)絡(luò)帶阻網(wǎng)絡(luò)) ) 圖圖4.44.4所示電路稱為所示電路稱為RCRC雙雙T

8、T網(wǎng)絡(luò)。它的特點網(wǎng)絡(luò)。它的特點是在一個較窄的頻率范圍內(nèi)具有顯著的帶阻特是在一個較窄的頻率范圍內(nèi)具有顯著的帶阻特性，網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)為性，網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)為: : 021()411iUH jRCUjRCm ax12HjHj圖4.4 RC雙T網(wǎng)絡(luò)及其頻率特性當信號頻率當信號頻率=1 1/ /RCRC時，對應的模為時，對應的模為22110411RCHjRCRC輻角為輻角為 24arctan1RCRC 以以 為中心的某一窄帶頻率的信號受到阻塞，為中心的某一窄帶頻率的信號受到阻塞，不能通過，即網(wǎng)絡(luò)達到不能通過，即網(wǎng)絡(luò)達到“平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)”。大于或小于大于或小于0 0以以外外頻率的信號允許通過。具有這種頻率特性

9、的網(wǎng)絡(luò)稱為帶阻頻率的信號允許通過。具有這種頻率特性的網(wǎng)絡(luò)稱為帶阻網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)。R RC C雙雙T T網(wǎng)絡(luò)是一個典型的帶阻網(wǎng)絡(luò)，它的幅頻特性及網(wǎng)絡(luò)是一個典型的帶阻網(wǎng)絡(luò)，它的幅頻特性及相頻特性如圖相頻特性如圖4.4(b)4.4(b)、(c)(c)所示。所示。2. 2. 網(wǎng)絡(luò)頻率特性測量方法及步驟網(wǎng)絡(luò)頻率特性測量方法及步驟 (1) 逐點法 按圖接好線路后，首先根據(jù)電路頻率特性曲線的特點按圖接好線路后，首先根據(jù)電路頻率特性曲線的特點找出特征頻率點找出特征頻率點f f0 0進行測量，然后在進行測量，然后在f f0 0兩側(cè)依次選取若干兩側(cè)依次選取若干個點（個點（1010倍頻）再進行測量。測量中，用交流毫伏表

10、測量倍頻）再進行測量。測量中，用交流毫伏表測量電壓響應相量的有效值，用雙蹤示波器測量響應與激勵波電壓響應相量的有效值，用雙蹤示波器測量響應與激勵波形的相位差，并監(jiān)測激勵相量電壓。峰一峰值形的相位差，并監(jiān)測激勵相量電壓。峰一峰值( (U Up-p)p-p)不變。不變。 (2) 掃頻法 利用頻率特性測試儀顯示電路幅頻特性曲線，但其相位利用頻率特性測試儀顯示電路幅頻特性曲線，但其相位差仍需用示波器測出。差仍需用示波器測出。00112fRCRC 3 3、對數(shù)頻率坐標的概念、對數(shù)頻率坐標的概念 在繪制頻率特性曲線時，往往由于涉及的頻率范圍在繪制頻率特性曲線時，往往由于涉及的頻率范圍較寬，若采用均勻分度的

11、頻率坐標，勢必使低頻部分較寬，若采用均勻分度的頻率坐標，勢必使低頻部分被壓縮，而高頻部分又相對展得較寬，從而使所繪制被壓縮，而高頻部分又相對展得較寬，從而使所繪制的頻率特性曲線在低頻段不能充分清晰地展示其特點。的頻率特性曲線在低頻段不能充分清晰地展示其特點。若采用對數(shù)分度的頻率軸，就不會出現(xiàn)這種情況，如若采用對數(shù)分度的頻率軸，就不會出現(xiàn)這種情況，如圖圖4.54.5所示。應當注意所示。應當注意, ,對數(shù)坐標是將軸按對數(shù)規(guī)律進對數(shù)坐標是將軸按對數(shù)規(guī)律進行刻度，并非對頻率取對數(shù)。行刻度，并非對頻率取對數(shù)。圖4.5 均勻分度坐標與對數(shù)分度坐標 同一電路的頻率特性曲線，隨坐標選取方式不同，曲線同一電路的

12、頻率特性曲線，隨坐標選取方式不同，曲線形狀也會有所不同，可以根據(jù)實際需要適當選擇，以突出需形狀也會有所不同，可以根據(jù)實際需要適當選擇，以突出需要表達的部分。要表達的部分。 如如RCRC帶通濾波器的中心頻率為帶通濾波器的中心頻率為1600 Hz1600 Hz，測試范圍為，測試范圍為20 20 kHzkHz，若橫坐標采用均勻分度，則低頻段就壓縮在很小的范，若橫坐標采用均勻分度，則低頻段就壓縮在很小的范圍內(nèi)；如將橫坐標比例放大，縮小測試范圍，則高頻段就不圍內(nèi)；如將橫坐標比例放大，縮小測試范圍，則高頻段就不能充分展現(xiàn)。若采用對數(shù)坐標，橫坐標以對數(shù)標尺刻度，就能充分展現(xiàn)。若采用對數(shù)坐標，橫坐標以對數(shù)標尺

13、刻度，就可在很寬的范圍內(nèi)將頻率特性清楚地展現(xiàn)出來，如圖可在很寬的范圍內(nèi)將頻率特性清楚地展現(xiàn)出來，如圖4.3 (b)4.3 (b)、(c)(c)采用的是對數(shù)尺度的橫坐標，圖采用的是對數(shù)尺度的橫坐標，圖4.64.6則采用的是均勻分則采用的是均勻分度橫坐標。度橫坐標。圖圖4.6 RC4.6 RC帶通網(wǎng)絡(luò)頻率特性帶通網(wǎng)絡(luò)頻率特性2211lnlnUINpUI 電平的單位為奈培。當電平的單位為奈培。當U U1 1(I (I1 1) )取任意值時，取任意值時，稱為稱為U U2 2相相對于對于U Ul l的相對電平。的相對電平。 如果不取自然對數(shù)，而采用以如果不取自然對數(shù)，而采用以1010為底的常用對數(shù)，則電

14、為底的常用對數(shù)，則電平的單位稱為分貝平的單位稱為分貝(dB)(dB)，此時有，此時有4. 4. 電平的概念電平的概念 在研究濾波器、衰耗器、放大器等電路時，通常并不直接在研究濾波器、衰耗器、放大器等電路時，通常并不直接 考察電路中某點的電壓，而是要了解各個環(huán)節(jié)的增益或衰耗，考察電路中某點的電壓，而是要了解各個環(huán)節(jié)的增益或衰耗， 即傳輸電壓比。因電壓比本身是無量綱的，且往往數(shù)量級太大即傳輸電壓比。因電壓比本身是無量綱的，且往往數(shù)量級太大 不便于作圖或計算，特別是在通信系統(tǒng)的測試中，因為人耳聽不便于作圖或計算，特別是在通信系統(tǒng)的測試中，因為人耳聽 覺與聲音的強度不是線性關(guān)系而是對數(shù)關(guān)系，所以在工程

15、上引覺與聲音的強度不是線性關(guān)系而是對數(shù)關(guān)系，所以在工程上引 人了電平的概念，其定義如下：人了電平的概念，其定義如下： 當輸入電壓當輸入電壓U U1 1 ( (或電流或電流I I1 1) )與輸出電壓與輸出電壓U U2 2( (或電流或電流I I2 2) )相差相差 e(2.718)e(2.718)倍時，稱倍時，稱U U2 2相對于相對于U U1 1的電平為的電平為1Np(1Np(奈培奈培) )，即，即 分貝與奈培之間的關(guān)系為：分貝與奈培之間的關(guān)系為：1dB =0.1151Np1dB =0.1151Np或或1Np=8.686 1Np=8.686 dB dB。 電平是一個相對量，要進行電平的測量就

16、必須確定一電平是一個相對量，要進行電平的測量就必須確定一個基準功率或基準電壓?；鶞使β室?guī)定為在個基準功率或基準電壓。基準功率規(guī)定為在600600電阻上電阻上消耗消耗1mW1mW的功率，并用的功率，并用P P0 0表示，所以功率電平為表示，所以功率電平為221120lg10lgUPdBUP2110lg10lgXPPdBP 該式表示的電平稱為該式表示的電平稱為P P2 2的絕對功率電平。若電路中的絕對功率電平。若電路中某點的功率為某點的功率為1mW1mW，此點的功率電平即為，此點的功率電平即為0 dB0 dB。由由P P0 0=U=U0 02 2R R，R=600R=600，可知，可知U U0 0

17、=0.7750.775 V V，即基準電壓，即基準電壓為為0.775 V0.775 V，所以電壓電平為，所以電壓電平為 n該式表示的電平稱為該式表示的電平稱為U U2 2的絕對電壓電平。顯然，若電的絕對電壓電平。顯然，若電路中某點的電壓為路中某點的電壓為0.775 V0.775 V，則此點的絕對電壓電平為，則此點的絕對電壓電平為0 dB0 dB。n當電壓大于當電壓大于0.775 V0.775 V時，電壓電平為正值，小于時，電壓電平為正值，小于0.775 0.775 V V的電壓電平為負值。例如，某點電壓為的電壓電平為負值。例如，某點電壓為3 V3 V，其絕對，其絕對電壓電平為電壓電平為11.7

18、6 dB;11.76 dB;電壓為電壓為0.5 V0.5 V，則絕對電壓電平為，則絕對電壓電平為- -3.8 dB3.8 dB。n網(wǎng)絡(luò)分析儀、毫伏表等許多測量儀表都可以直接進行網(wǎng)絡(luò)分析儀、毫伏表等許多測量儀表都可以直接進行電平測量。電平測量實質(zhì)上也就是電壓測量，只是刻電平測量。電平測量實質(zhì)上也就是電壓測量，只是刻度不同而已。例如，度不同而已。例如，YB2173YB2173型毫伏表上的型毫伏表上的dBdB刻度線就刻度線就是對是對1 V1 V擋的電壓指示取絕對電平后進行刻度的。擋的電壓指示取絕對電平后進行刻度的。22020lg20lg0.775UUdBU當毫伏表的量程置于當毫伏表的量程置于1 V1

19、 V擋時，直接由表頭的讀數(shù)得到分擋時，直接由表頭的讀數(shù)得到分貝值。當量程為其他擋時，應將讀數(shù)加上修正值。修正貝值。當量程為其他擋時，應將讀數(shù)加上修正值。修正值為各量程開關(guān)上的分貝值，如表值為各量程開關(guān)上的分貝值，如表4.14.1所示。例如，量程所示。例如，量程為為+10 dB(+10 dB(3V)3V)擋時，表頭讀數(shù)為擋時，表頭讀數(shù)為4 dB4 dB，則實際電平，則實際電平值為值為4+10 = +6 dB4+10 = +6 dB。量程為。量程為20dB(20dB(100 mV)100 mV)擋時，擋時，表頭讀數(shù)表頭讀數(shù)+2dB+2dB，則實際電平值為，則實際電平值為+2+(+2+(20dB)=

20、20dB)=1818dBdB。量量 程程3001mV3mV10mV30mV100mV300mV修正值修正值dBdB-70-60-50-40-30-20-10量量 程程1V3V10V30V100V300V修正值修正值dBdB 0 10 20 30 40 50表表 4.14.14.3 4.3 實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容 1 1、 測量一階測量一階RCRC低通電路的頻率特性低通電路的頻率特性 電路如實驗圖電路如實驗圖4.1(a)4.1(a)所示，圖中所示，圖中R = 5.1 k12R = 5.1 k12，C = C = 0.047F0.047F。電路的輸入端輸入一個零電平的正弦信。電路的輸入端輸入一個零電平的

21、正弦信號（號（0dB0dB），頻率范圍可選為），頻率范圍可選為50Hz50Hz20 kHz20 kHz。測量。測量低通電路的頻率特性，其幅頻特性用低通電路的頻率特性，其幅頻特性用dBdB表示，相頻表示，相頻特性用特性用“ “ ”表示，所有原始測量數(shù)據(jù)均記錄在表示，所有原始測量數(shù)據(jù)均記錄在自自行設(shè)計行設(shè)計的表格中。的表格中。 實驗時按圖連接好電路后，首先改變信號源的頻實驗時按圖連接好電路后，首先改變信號源的頻率率( (從低到高從低到高) )，用毫伏表或示波器觀測輸出端電壓的，用毫伏表或示波器觀測輸出端電壓的變變化化，粗略地看一下電路是否具有低通特性；找出，粗略地看一下電路是否具有低通特性；找出3

22、 dB3 dB截止頻率點。然后再逐點測量。截止頻率點。然后再逐點測量。2 2、 測量一階測量一階RCRC高通電路的頻率特性高通電路的頻率特性 電路如實驗圖電路如實驗圖4.2(a)4.2(a)所示。圖中所示。圖中R = 5.1KR = 5.1K，C =0.047 C =0.047 F F。頻率范圍可選為。頻率范圍可選為50 Hz50 Hz20 kHz20 kHz。其幅頻特性用。其幅頻特性用“倍倍”數(shù)表示，相頻特性用數(shù)表示，相頻特性用“ “ ”表示，所有原始測量表示，所有原始測量數(shù)據(jù)均記錄在自行設(shè)計的表格中。測試時連接好實驗電數(shù)據(jù)均記錄在自行設(shè)計的表格中。測試時連接好實驗電路，首先改變信號源的頻率

23、，用毫伏表或示波器觀測輸路，首先改變信號源的頻率，用毫伏表或示波器觀測輸出端電壓的變化，粗略地看一下電路是否具有高通特性，出端電壓的變化，粗略地看一下電路是否具有高通特性，然后再逐點測量。然后再逐點測量。3 3、測定、測定RCRC帶通濾波電路的幅頻特性及相頻特性帶通濾波電路的幅頻特性及相頻特性 按圖按圖4.34.3連接電路，取連接電路，取R=1KR=1K，C = 0.1FC = 0.1F。輸。輸入端接函數(shù)信號發(fā)生器，保持輸入正弦電壓入端接函數(shù)信號發(fā)生器，保持輸入正弦電壓=3 V=3 V不變，改變頻率不變，改變頻率(200Hz(200Hz20 kHz)20 kHz)，用毫伏表測，用毫伏表測量輸出電壓量輸出電壓U U0 0；同時用示波器觀察并記錄和的相；同時用示波器觀察并記錄和的相位差。并測定其中心頻率位差。并測定其中心頻率0 0及兩個截止頻率及兩個截止頻率f fH H、f fL L。 取取R=1KR=1K，C = 0.1fC = 0.1f，按圖，按圖4.44.4連接電連接電路。保持輸入電壓路。保持輸入電壓u ui i=3 V=3 V不