RLC电路的稳态特性.doc

实验34 RLC电路的稳态特性教学目标研究交流信号在RLC串联电路中的幅频特性和相频特性；巩固交流电路中矢量图解法和复数表示法。重点与难点重点：测量RLC串联电路的幅频特性。难点：测量RLC串联电路的相频特性。实验内容测量RLC串联电路的幅频特性；测量RLC串联电路的相频特性；根据上述测量内容绘制数据表；作I - f的关系曲线图和j - f的关系曲线曲线图。教学方法采用讨论式、提案式教学方法教学过程设计一讨论1在交流电路中，RLC串联电路具有什么特性和作用？在交流电路中，电阻值和频率无关，RLC串联电路的电流与电阻电压是同相位；电容具有“通高频、阻低频”的特性；电感具有“通低频，阻高频”的特性。RLC串联电路具有特殊的幅频特性和相频特性，有选频和滤波作用。2交流电路中，如何表示电压和电流的大小和相位的变化？图1 LRC串联电路交流电路的电压和电流有大小和相位的变化，通常用复数法及其矢量图解法来研究。RLC串联电路如图1所示，交流电源电压为，则RLC电路的复阻抗 图2 RLC串联电压矢量图回路电流 ，电流大小 。矢量图解法如图2所示，总电压与电流之间的相位（或与电阻电压的相位）为，可见，RLC串联回路相位j与电源频率f（）有关。3什么是RLC串联谐振？RLC串联电路中，当信号的频率f为谐振频率，即感抗与容抗相等（）时，电路的阻抗有最小值（Z=R），电流有最大值（），电路为纯电阻，这种现象称为RLC串联谐振。4什么是RLC串联电路的幅频特性曲线？RLC串联回路电流 I 与电源的频率f（w=2pf）有关，RLC串联电路的If 的关系曲线称为RLC串联电路的幅频特图3 RLC串联幅频曲线性曲线，如图3所示。5什么是回路的品质因数?谐振时，回路的感抗（或容抗）与回路的电阻之比称为回路的品质因数，以Q表示， 或 6什么是RLC回路的通频带？如何比较RLC回路的滤波性能？RLC串联幅频曲线如图3所示，将电流I=0.707I0的两点频率f1、f2的间距定义为RLC回路的通频带Df0.7，当RLC电路中L、C不变时，根据和，电阻R越大，则品质因数Q越小，通频带2Df0.7越宽，滤波性能就越差（如图3所示）。7电路谐振时，电感、电容的电压与品质因数Q有什么关系？谐振时，电感与电容的电压有最大值，是电源电压的Q倍，即图4 LRC串联相频曲线谐振时，电容和电感两端的电压比信号源电压US大Q倍，有电压放大作用，要注意元件的耐压。8RLC串联电路的相频特性是什么？RLC串联电路的j - f的关系曲线称为RLC串联电路的相频特性曲线，如图4所示。9RLC串联电路的相频特性有哪几种情况？RLC串联电路的相频特性曲线，如图5所示，分三种情况讨论：（1）当f = f0 时，j = 0，谐振时，电源电压US与电流IS同相位。（2）当f f0 时，j 0 ，电路呈电感性，表示电源电压US的相位超前于电流I的相位，随f增大j 趋于p/2。（3）当f f0 时，j 0，电路呈电容性，表示电源电压US的相位落后于电流的I相位，随f减小j 趋于p/2 。图5 RLC串联电路实验板10如何计算RLC串联电路的谐振频率f0和回路品质因数Q的理论值？实验板电路如图5所示，W是外接电阻箱可调电阻，US为正弦信号源（内阻为RS），C=0.01F，L=10mH（电阻为RL），谐振频率的理论值为。固定电阻R1=10W，回路总电阻R=R1+W+RS+RL，则回路品质因数的理论值修正为。11幅频特性的测试方法幅频特性的测试就是研究回路电流I与电源频率f的关系。由于UR1=IR1，故可以用UR1f的关系曲线代替If的关系曲线。用交流电压表测出各种f的UR1值，取f为横坐标，UR1为纵坐标，则绘出RLC电路的幅频特性曲线。注意：取不同的f值，US要保持不变。操作方法：每次改变频率f时，要调节信号发生器的“输出信号幅度”旋钮，使输出电压US保持不变。12相频特性的测量方法相频特性的测量就是研究电源电压US对回路电流I的相位与电源频率f的关系。输出不同频率的正弦波，（UR=IR，UR和I同相，）用UR代替I去和US比较相位，得到对应的相位差j；以f为横坐标，以j为纵坐标，画出RLC电路相频曲线。用双踪示波器相位比较法的测量操作方法：UR与示波器的CH1相连，US与示波器的CH2相连。“触发源”旋钮选“垂直触发（VERT）”位置，调节“触发电平（TRIG LEVEL）”，使波形稳定。测量US周期T和US与UR之间水平相差距离Dt，相位差为，式中j 的单位为度。13如何判断j 值的正、负号？当ff0 时，UR波形在US波形左边，则US落后于UR（即电压滞后于电流），电路为电容性，j 值应取负号。当ff0 时，US超前于UR，电路为电感性，则US超前于UR，j值应取正号。波形如图6所示。二课后思考题1改变信号源频率f时，如果信号发生器的“输出信号幅度”旋钮不调节，其输出电压US是否变化？2如何判断RLC串联电路中U和I之间的相位是超前还是落后？怎样确定电路呈电感性还是呈电容性？图6 相差测量 ff0 时，UR波形在US波形左边，则US落后于UR，相差j 取负值。URU