實(shí)驗(yàn)四電路的頻率響應(yīng)貼圖后

1、實(shí)驗(yàn)四 RLC電路的頻率響應(yīng)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?. 掌握RLC串聯(lián)、并聯(lián)電路的阻抗特性隨頻率的變化，RLC串聯(lián)、并聯(lián)電路的頻率響應(yīng)；2. 掌握RLC串聯(lián)、RLC并聯(lián)電路諧振判斷方法；3. 了解選頻電路的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)原理：1. RLC串聯(lián)電路圖6-1是RLC串聯(lián)電路，信號(hào)源可變頻正弦電壓源，改變輸入信號(hào)頻率，電阻R上的電壓幅度和相位會(huì)發(fā)生改變，因此，該電路的阻抗特性與頻率相關(guān)。圖6-1. RLC串聯(lián)電路RLC串聯(lián)電路的輸入阻抗表達(dá)式為當(dāng)某個(gè)信號(hào)角頻率滿足時(shí)，上式表示的RLC串聯(lián)電路的阻抗為實(shí)數(shù)，值為此時(shí)的角頻率稱為RLC串聯(lián)電路的諧振角頻率，值為若信號(hào)頻率，阻抗表達(dá)式的虛部小于0，LC串聯(lián)部分呈容性；反之

2、，若信號(hào)頻率，阻抗表達(dá)式的虛部大于0，LC串聯(lián)部分呈感性。只有當(dāng)時(shí)，阻抗為實(shí)數(shù)，且值達(dá)到最小，值為R，據(jù)此可以判斷電路是否達(dá)到諧振。隨頻率的變化趨勢(shì)，即頻率響應(yīng)曲線如圖6-2所示。圖6-2. RLC串聯(lián)電路的頻率響應(yīng)曲線如果以電阻上的電壓作為輸出電壓，則電路的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)可以表示為頻率響應(yīng)可以表示為幅頻特性：相頻特性：其中，Q為RLC電路的品質(zhì)因數(shù)。Q值越高，回路中電阻消耗的功率越小，回路的儲(chǔ)特性越好。的幅頻特性曲線和相頻特性曲線如圖6-3所示。圖6-3. RLC串聯(lián)電路的頻率響應(yīng)曲線：(a) 幅頻特性曲線，(b) 相頻特性曲線圖6-3 (a)中，當(dāng)?shù)姆认陆档椒逯档臅r(shí)，即增益下降3dB時(shí)對(duì)應(yīng)的兩

3、個(gè)頻率點(diǎn)的差值為電路的帶寬BW。根據(jù)定義，歸一化帶寬為則，BW可以表示為2. RLC并聯(lián)電路圖6-4是RLC并聯(lián)電路，與RLC串聯(lián)電路一樣，該電路的阻抗特性與頻率相關(guān)。圖6-4. RLC并聯(lián)電路RLC并聯(lián)電路的輸入導(dǎo)納表達(dá)式為當(dāng)某個(gè)信號(hào)角頻率滿足時(shí)，上式表示的RLC并聯(lián)電路的導(dǎo)納最小，值為此時(shí)的角頻率稱為RLC并聯(lián)電路的諧振角頻率，值為若信號(hào)角頻率，導(dǎo)納表達(dá)式的虛部小于0，LC并聯(lián)部分呈感性；反之，若信號(hào)頻率，導(dǎo)納表達(dá)式的虛部大于0，LC并聯(lián)部分呈容性。只有當(dāng)時(shí)，導(dǎo)納為實(shí)數(shù)，且值達(dá)到最小，即阻抗達(dá)到最大，值為R，據(jù)此可以判斷電路是否達(dá)到諧振。若以輸入電流作為激勵(lì)向量，輸出電壓作為響應(yīng)向量，則電

4、路的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)為據(jù)此，可以得到的幅頻特性和相頻特性如圖6-5所示。圖6-5. RLC并聯(lián)電路的頻率響應(yīng)曲線：(a) 幅頻特性曲線，(b) 相頻特性曲線RLC并聯(lián)電路的品質(zhì)因數(shù)Q可以表示為可見，電阻R越大，回路的Q值越高。3. LC濾波器若某種網(wǎng)絡(luò)具有選頻功能，能輸出需要的頻率分量而抑制不需要的頻率分量，這種網(wǎng)絡(luò)稱之為濾波器。濾波器主要有低通、高通、帶通和帶阻四種類型。可以利用電感和電容構(gòu)成上述各種類型的濾波器，即為L(zhǎng)C濾波器。各種LC濾波器還可以進(jìn)行級(jí)聯(lián)構(gòu)成高階濾波器網(wǎng)絡(luò)。圖6-6為RLC構(gòu)成的二階低通濾波器和二階高通濾波器。 圖6-6. RLC低通濾波器(a)和RLC高通濾波器(b)仿真實(shí)驗(yàn)1

5、. RLC串聯(lián)電路RLC串聯(lián)電路如圖6-7所示，其中V1是AC電壓源，輸入AC幅度1。圖6-6. RLC串聯(lián)電路實(shí)驗(yàn)任務(wù)1： 對(duì)電路進(jìn)行頻域AC分析，用V1電壓和電感L1中的電流的比值得到電路的阻抗特性，觀察阻抗隨頻率的變化，并提交阻抗幅頻特性和相頻特性的截圖，并標(biāo)注諧振點(diǎn)。幅頻特性截圖：相頻特性截圖：實(shí)驗(yàn)任務(wù)2：對(duì)電路進(jìn)行頻域AC分析，用電阻R1上的電壓和輸入電壓V1的比值得到電路的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)，觀察網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的幅度和相位隨頻率的變化，并提交兩種特性的截圖，并在幅頻特性上標(biāo)注3dB帶寬。（提示：為了獲得比較準(zhǔn)確的標(biāo)注結(jié)果，可以盡量減小仿真時(shí)的頻率步長(zhǎng)）。幅頻特性截圖：相頻特性截圖：思考：R1的值對(duì)

6、網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的3dB帶寬有什么影響?2. RLC并聯(lián)電路RLC并聯(lián)電路如圖6-7所示，其中I1是AC電流源，輸入AC幅度1。圖6-7. RLC并聯(lián)電路實(shí)驗(yàn)任務(wù)：對(duì)電路進(jìn)行頻域AC分析，用節(jié)點(diǎn)1上的電壓和輸入電流I1的比值得到電路的阻抗特性，觀察阻抗隨頻率的變化，并提交阻抗幅頻特性和相頻特性的截圖，幅頻特性曲線上標(biāo)注3dB帶寬。改變R1的值，觀察輸出電壓的變化情況。思考：R1的值對(duì)輸出電壓的3dB帶寬有什么影響？硬件實(shí)驗(yàn)：1. RLC低通濾波器按照?qǐng)D6-8所示電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)RLC低通濾波器，并按照?qǐng)D例與myDAQ連接。圖6-8. RLC低通濾波器實(shí)驗(yàn)任務(wù)1：在myDAQ中打開信號(hào)發(fā)生器（FGEN

7、），選擇AO 0通道作為信號(hào)源，設(shè)置輸入信號(hào)波形為正弦波，信號(hào)幅度Vpp為0.2V(幅度不能大，信號(hào)源帶負(fù)載能力有限)，DC Offset=0V。在電腦中打開myDAQ的示波器界面（Scope），同時(shí)顯示輸入（AI 0）和輸出（AI 1）波形。手動(dòng)連續(xù)改變輸入正弦波的頻率，在示波器窗口中選擇合適的時(shí)間和電壓刻度，觀察輸出波形幅度隨頻率的變化和輸入輸出波形相對(duì)相位值的變化，體會(huì)電路對(duì)于不同頻率的響應(yīng)，提交頻率等于100Hz的輸入輸出波形截圖，提交輸出幅度下降到輸入幅度的0.707倍時(shí)的輸入輸出波形截圖。示波器截圖1（f=100Hz）：示波器截圖2（輸出幅度下降到輸入幅度的0.707倍）：實(shí)驗(yàn)任務(wù)

8、2：在電腦中打開myDAQ的波特圖分析儀（Bode），界面和設(shè)置信息如圖6-9所示。掃頻信號(hào)來(lái)自于AO 0通道，接到電路輸入端；波特圖默認(rèn)激勵(lì)通道為AI 0，因此AI 0也接輸入端；AI 1 默認(rèn)為響應(yīng)通道，接電路輸出端（連接關(guān)系如圖6-8所示）。在該界面上，需要設(shè)置掃頻的起始頻率，終止頻率，步進(jìn)和掃頻信號(hào)的峰值電壓等。myDAQ最高能支持的掃頻值為20KHz，實(shí)驗(yàn)中掃頻范圍設(shè)置為100Hz10kHz，掃頻信號(hào)的峰峰值0.1V，每十倍頻程至少掃描20個(gè)頻率點(diǎn)，設(shè)置好后，點(diǎn)擊Run，掃描獲得幅頻和相頻曲線。打開cursor后，可以方便的在頻率下方讀出每個(gè)頻率點(diǎn)的增益和相位。其中增益同時(shí)給出了線性

9、值和dB值。按照上述設(shè)置測(cè)試分析電路的頻率響應(yīng)，得到幅頻特性和相頻特性曲線，并提交截圖，在圖中標(biāo)注-3dB點(diǎn)，并于瞬態(tài)波形測(cè)試結(jié)果對(duì)比。圖6-9. 波特圖分析儀的界面和參數(shù)設(shè)置幅頻特性和相頻特性曲線：2. RLC帶通濾波器按照?qǐng)D6-10所示電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)RLC帶通濾波器，并按照?qǐng)D例與myDAQ連接。圖6-10. RLC帶通濾波器實(shí)驗(yàn)任務(wù)1：在myDAQ中打開信號(hào)發(fā)生器（FGEN），選擇AO 0通道作為信號(hào)源，設(shè)置輸入信號(hào)波形為正弦波，信號(hào)幅度Vpp為0.2V(幅度不能大，信號(hào)源帶負(fù)載能力有限)，DC Offset=0V。在電腦中打開myDAQ的示波器界面（Scope），同時(shí)顯示輸入（AI

10、0）和輸出（AI 1）波形。手動(dòng)連續(xù)改變輸入正弦波的頻率，在示波器窗口中選擇合適的時(shí)間和電壓刻度，觀察輸出波形幅度隨頻率的變化和輸入輸出波形相對(duì)相位值的變化，體會(huì)電路對(duì)于不同頻率的響應(yīng)，按要求提交波形截圖。示波器截圖1（輸出幅度最大）：示波器截圖2（輸出幅度下降到輸入幅度的0.707倍，且相位超前）：示波器截圖2（輸出幅度下降到輸入幅度的0.707倍，且相位滯后）：實(shí)驗(yàn)任務(wù)2：在電腦中打開myDAQ的波特圖分析儀（Bode），掃頻范圍設(shè)置為100Hz20kHz，掃頻信號(hào)的峰峰值0.1V，每十倍頻程至少掃描20個(gè)頻率點(diǎn)，設(shè)置好后，點(diǎn)擊Run，掃描獲得電路的幅頻和相頻曲線，提交截圖，通過(guò)測(cè)試得到該濾波器的中心頻率、