RC可調(diào)移相電路設(shè)計(jì)與研究

實(shí)驗(yàn)名稱RC可調(diào)移相電路設(shè)計(jì)與研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1.在設(shè)計(jì)過程與實(shí)驗(yàn)操作中，加深對(duì)電容元件以及電感元件移相功能的理解。 2.設(shè)計(jì)移相電路并實(shí)現(xiàn)輸入、輸出電壓之間的相位差Δφ可調(diào)。 3.自主構(gòu)思、策劃、安排、完成、總結(jié)一個(gè)電路設(shè)計(jì)及實(shí)踐的全過程，培養(yǎng)自己自主進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的能力。二、總體設(shè)計(jì)方案或技術(shù)路線 在《電路理論基礎(chǔ)》一書中我們學(xué)到過，電阻兩端電壓與流過電阻電流同相，電容兩端電壓的相位落后于流過電流的相位，而電感兩端電壓的相位則超前于流過電感兩端電流的相位π/2。因此，可以通過對(duì)三種元件合理的選擇及組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電壓的移相作用。三、實(shí)驗(yàn)電路圖實(shí)驗(yàn)一：電路圖如圖3.1所示：圖3.1實(shí)驗(yàn)二： 電路圖如圖3.2所示：dcbadcba 圖3.2四、儀器設(shè)備名稱、型號(hào)表1實(shí)驗(yàn)所需儀器設(shè)備儀器設(shè)備名稱、型號(hào)數(shù)量交流電源（工頻、14V）1電容箱(可調(diào)范圍0~1.111μF)2電阻箱（可調(diào)范圍0~99999.9Ω）2電感箱（可調(diào)范圍0~1H）1RIGOLDS5062CA

示波器1導(dǎo)線若干五、理論分析或仿真分析結(jié)果1.實(shí)驗(yàn)一：實(shí)驗(yàn)電路圖如圖3.1，畫出該電路圖各電壓的向量圖，如圖5.1B .BULUUUUsACUAC圖5.1圖5.1由相量圖可直觀地看到，Us=UR+UL,B點(diǎn)永遠(yuǎn)在圓周上，隨著電阻R的增加，UR與Us的相位差下面，我將從理論角度出發(fā)，證明由相量圖所得結(jié)論。設(shè)U則U==== 由推導(dǎo)公式可知，隨著R的增加，輸出電壓的有效值在不斷增大，其相位差也不斷減小，與相量圖分析相吻合。由于在多數(shù)情況下，我們需要輸出電壓值穩(wěn)定，僅能改變相位差。顯示，該電路達(dá)不到這樣的目的，為此，我設(shè)計(jì)了另一種方案，參見實(shí)驗(yàn)二。2．實(shí)驗(yàn)二： 實(shí)驗(yàn)電路圖如圖3.2，根據(jù)電路圖做出各電壓的向量圖，如5.2UbdUUaUUUSUadUUUU圖5.2 由向量圖可直觀地看到，無論電阻R如何變化，輸出電壓Uab僅僅改變與輸入電壓Us之間的相位差,而其有效值卻始終與輸入電壓Us相同。j下面，我將從理論角度出發(fā)，證明該電路輸出電壓有效值∣Uab∣j設(shè):Us=Us∠jωRC jωRC1-jωRC

1-jωRC= = 圖5.2 因此，理論分析與相量圖分析相吻合，輸出電壓有效值Uab=Us相等,輸出電壓相位差Δφ=-2六、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） 實(shí)驗(yàn)一：1.按照?qǐng)D3.1搭建電路，其中，電源取50Hz，14V交流電壓源，電感L取100mH，電阻用電阻箱接入。2.將電阻箱阻值同時(shí)按下表接入電路，將示波器接入ab兩端測量并計(jì)算在各個(gè)阻值下的最大值Uabm和相位Δφ(規(guī)定當(dāng)R=99999.9Ω時(shí)，Δφ=0°)，并記錄在表2表2輸出電壓最大值測量結(jié)果R/Ω00.11101001k10k99999.9Uabm0.050.070.1763.0412.417.017.818.0表3相位差測量結(jié)果電阻箱取值R/Ω一個(gè)周期水平方向的長度/ms波形對(duì)應(yīng)點(diǎn)移動(dòng)的長度/ms相位差Δφ/度理論計(jì)算值Δφ0/考慮電感箱內(nèi)阻理論計(jì)算值Δφ1/0203.0-54-90.00-32.120.1202.8-50.4-89.8-32.081201.8-32.4-88.1-31.6210201.4-25.2-72.4-27.62100200.6-10.8-17.4-11.821k2000-1.79-1.7110k2000-0.17-0.1899999.92000-0.02-0.02 實(shí)驗(yàn)二：1.按照?qǐng)D3.2搭建電路，其中，電源取50Hz，14V交流電壓源，兩電容C取1uF，電阻用電阻箱接入。 2.將兩電阻箱阻值同時(shí)按下表接入電路，將示波器接入ab兩端測量Uab并計(jì)算在各個(gè)阻值下的最大值Uabm，并記錄在表4中，同時(shí)記錄Uab在R=0Ω,100Ω,1kΩ,2kΩ,3kΩ,4kΩ,5kΩ,99999.9Ω下的波形于圖1中。并觀察電阻箱阻值改變時(shí)，相應(yīng)的輸出電壓與電源的相位差，并記錄于表 表4輸出電壓最大值測量結(jié)果R/Ω00.11101001k2kUabm18.018.218.217.918.218.018.1R/Ω3k4k5k6k7k8k9kUabm18.017.918.018.218.017.918.2R/Ω10k99999.9Uabm18.118.2表5相位差測量結(jié)果電阻箱取值R/Ω一個(gè)周期水平方向的長度/ms波形對(duì)應(yīng)點(diǎn)移動(dòng)的長度/ms相位差Δφ/度理論計(jì)算值Δφ0/0200000.12000-3.5×12000-3.6×102000-0.36100200.2-3.6-3.591k202.0-36-34.862k203.8-68.4-64.283k205.0-90-86.614k206.1-109.8-102.985k206.6-118.8-115.046k207.0-126-124.117k207.4-133.2-131.098k207.6-136.8-136.609k207.9-142.2-141.0410k208.1-145.8-144.6899999.92010-180-176.35圖1Uab3.根據(jù)所測數(shù)據(jù)，做出Δφ-R圖2Δφ-R實(shí)驗(yàn)結(jié)論1.實(shí)驗(yàn)一：（1）經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該電路通過改變電阻箱R的阻值，可以實(shí)現(xiàn)相位差Δφ在-30°~0°可調(diào)移相功能，隨著電阻R（2）經(jīng)過觀察輸出電壓波形可得，隨著電阻箱阻值R的取值的不斷增加，輸出電壓的最大值也在不斷增加，當(dāng)R>>ωL時(shí)，輸出電壓最大值約等于電源電壓最大值。（3）當(dāng)電阻箱R取值很大時(shí)，實(shí)測相位差Δφ才與理論計(jì)算值Δφ0相吻合，當(dāng)電阻箱R取值較小時(shí)，實(shí)測相位差Δφ與理論計(jì)算值Δφ0出入很大。經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電感箱電感值L取100mH時(shí)，電感箱存在內(nèi)部電阻37.9Ω，將其帶入計(jì)算，可發(fā)現(xiàn)理論計(jì)算值Δφ0與實(shí)測相位差Δφ較為相符。后經(jīng)查閱資料發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上，通常所用電感器內(nèi)部都有損耗電阻。一般情況下，電感器的電阻的影響一般是不能忽略的。因此，當(dāng)電阻箱R的取值較小時(shí)，電感器損耗電阻發(fā)揮主要作用，實(shí)測相位差Δφ與理論計(jì)算值Δφ0出入很大，而當(dāng)電阻箱R2.實(shí)驗(yàn)二：（1）經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該電路通過同時(shí)改變兩個(gè)電阻箱R的阻值（保證兩電阻箱阻值相等），可以實(shí)現(xiàn)相位差Δφ在-180°~0°可調(diào)移相功能，隨著電阻R（2）經(jīng)過觀察輸出電壓波形可得，無論電阻箱阻值如何改變，輸出電壓的最大值始終與電源電壓的最大值相等。（3）實(shí)測相位差Δφ與理論計(jì)算值Δφ八、實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題及解決對(duì)策 1.實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)輸入電壓有效值不是14V，后經(jīng)過實(shí)測，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室輸出電壓峰值約為18V，有效值為12.7V。因此按照峰值18V進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和記錄。 2.實(shí)驗(yàn)過程中，電感損耗電阻無法消除，考慮電感箱內(nèi)阻重新計(jì)算并記錄數(shù)據(jù)。 3.在實(shí)驗(yàn)二中，發(fā)現(xiàn)ab端和cd端無公共端，無法同時(shí)將兩個(gè)電壓波形輸入示波器，給計(jì)算相位差帶來困難，為了解決這一問題，只能分別向示波器中輸入ad和cd端電壓，計(jì)算出Uad與電源電壓之間的相位差，再用同樣的方法測出Ubd與電源電壓之間的相位差，再做差可計(jì)算出九、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 通過本次實(shí)驗(yàn)，我經(jīng)歷了一個(gè)電路實(shí)驗(yàn)從查閱資料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，到實(shí)際操作，數(shù)據(jù)分析整個(gè)過程。通過這整個(gè)過程，我發(fā)現(xiàn)，理論所取元件均是理想元件，在實(shí)驗(yàn)過程中，總會(huì)出現(xiàn)一些理論分析時(shí)考慮不到的因素。因此，我覺得在研究一個(gè)模型時(shí)，在理論分析和親手實(shí)驗(yàn)同樣重要，在實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)一些問題，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，總結(jié)與理論有偏差的因素所在，這樣才能研究清楚一個(gè)真正的模型。 建議實(shí)驗(yàn)室能夠提供可調(diào)交流電源，以及多種電感值的電感，方便同學(xué)們進(jìn)行試驗(yàn)。十、參考文獻(xiàn)[1]劉冬梅.電路實(shí)驗(yàn)教程.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013：13-68.[2]陳希有.電路理論基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，2013：82-100.[3]范世貴.電路分析基礎(chǔ).西安：西北工業(yè)大學(xué)，2010：200-212RC可調(diào)移相電路設(shè)計(jì)與研究原始數(shù)據(jù)記錄實(shí)驗(yàn)一：表2輸出電壓最大值測量結(jié)果R/Ω00.11101001k10k99999.9Uabm0.050.070.1763.0412.417.017.818.0表3相位差測量結(jié)果電阻箱取值R/Ω一個(gè)周期水平方向的長度/ms波形對(duì)應(yīng)點(diǎn)移動(dòng)的長度/ms相位差Δφ/度理論計(jì)算值Δφ0/考慮電感箱內(nèi)阻理論計(jì)算值Δφ1/0203.0-54-90.00-32.120.1202.8-50.4-89.8-32.081201.8-32.4-88.1-31.6210201.4-25.2-72.4-27.62100200.6-10.8-17.4-11.821k2000-1.79-1.7110k2000-0.17-0.1899999.92000-0.02-0.02實(shí)驗(yàn)二：表4輸出電壓最大值測量結(jié)果R/Ω00.11101001k2kUabm18.018.218.217.918.218.018.1R/Ω3k4k5k6k7k8k9kUabm18.017.918.018.218.017.918.2R/Ω10k99999.9Uabm18.118.2表5相位差測量結(jié)果電阻箱取值R/Ω一個(gè)周期水平方向的長度/ms波形對(duì)應(yīng)點(diǎn)移動(dòng)的長度/ms相位差Δφ/度理論計(jì)算值Δφ0/0200000.12000-3.5×12000-3.6×102000-0.36100200.2-3.6-3.591k202.0-36-34.862k203.8-68.4-64.283k205.0-90-86.614k20