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文档简介
1、自主设计型实验移相器和衰减器的设计及验证1.实验目的 1.了解移相器和衰减器的工作原理,特性及作用。 2.学会移相器的设计方法。 3.学会根据要求设计衰减器的方法。 4.将移相器和衰减器的各原件件理论值和实验值进行比较并分析原因。2.总体设计方案或技术路线 1.移相器的设计设计一个0至180度的移相电路,要求:输出信号的幅度不变,相位可在0到180度之间自由变化。 2.衰减器的设计设计一个0-30dB的衰减器,要求:1. 输出信号和输入信号的相位不变。2. 衰减器按10dB分挡。 3.验证设计方案1.验证移相器,每隔一段间距取一个相位,计算出理论值;将电阻R设为理论值,观察示波器中信号的相位变
2、化,与理论相位作比较,记录示波器图像及数据,分析结果。2.验证衰减器,将电阻调成理论计算阻值,计算信号衰减量,与理论值作比较,看是否符合理论衰减量。3.实验电路图 3.1移相器电路图1 X形RC移相电路图2实验电路其中接信号发生器端, 接示波器端,为了方便变化R采用变阻箱 3.2衰减器电路图3可调衰减器的理论电路图4实际电路图采用变阻箱代替多个电阻,简化实验电路图。4. 仪器设备名称、型号1.RIGOL示波器2. TFG2000信号发生器3. 电感箱、电阻箱、电容箱4. VC97万用表5. 交直流实验箱5.理论分析或仿真分析结果5.1移相器线性时不变网络在正弦信号激励下,起响应电压、电流是与激
3、励信号同频率的正弦量,影响与频率的关系,即为频率特性。它可用相量形式的网络函数来表示。在电气工程与电子工程中,往往需要在某确定频率正弦激励信号作用下,获得有一定幅值、输出电压相对于输入电压的相位差在一定范围内连续可调的响应(输出)信号。这可通过调节电路原件参数来实现,通常是采用RC移相网络来实现的。5.1.1实验原理图5 相位90度到0设输入正弦信号,其相量则输出信号电压:其中输出电压有效值U2为:输出电压的相位为:由上两式可见,当信号源角频率一定时,输出电压的有效值与相位均随电路元件参数的变化而不同。若电容C为一定值,则有,如果R从零至无穷大变化,相位从90度到零度变化。 图6相位0到90度
4、输入正弦信号电压,响应电压为: 其中输出电压有效值为:输出电压相位为:同样,输出电压的大小及相位,在输入信号角频率一定时,它们随电路参数的不同而改变。若电容C值不变,R从零至无穷大变化,则相位从到变化。5.1.2 X型RC移相电路 当希望得到输出电压的有效值与输入电压有效值相等,而相对输入电压又有一定相位差的输出电压时,通常是才采用X型RC移相电路(见图2)来实现。 其中结果说明,此X型RC移相电路的输出电压与输入电压大小相等,而当信号源角频率一定时,输出电压的相位可通过改变电路的元件参数来调节。5.1.3 理论值计算设电容C值一定,如果电阻R值从0到变化时,则从0至-180º变化,
5、由上面公式可得:当R=0时,则º,输出电压与输入电压同相位当R=时,则º,输出电压与输入电压相反。当0< R <时,则在与0º与-180º之间取值。实验中,由式计算电阻R的值,其中电容C为0.01,=1V,频率为50KHz。可计算R,有:-10-45-90-135-170R/175.0828.420004828.422860.1 5.1.4 ORCAD仿真仿真电路图图7 Or CAD仿真图其中一组数据仿真结果图8 R为某一值的图当电阻R特别大时图9 R值特别大时的仿真图 5.2衰减器 5.2.1实验原理 衰减器:是在指定的频率范围内,一种用以
6、引入一预定衰减的电路,一般以所引入衰减的分贝数及其特性阻抗的欧姆数来标明。 仅适用于50欧阻抗衰减电路。 衰减器广泛地应用于电子设备中,它的主要用途是: 1.调整电路中信号的大小; 2.改善阻抗匹配。 通常,衰减器接于信号源和负载之间,衰减器是由电阻元件组成的二端口网络,它的特性阻抗、衰减量都是与频率无关的常数,相移等于零。 实际应用中,有固定衰减器和可变衰减两大类。 常用的固定衰减器有T型、P型、桥T型(以上为对称型)和倒L型(不对称型)等几种结构,其电路形式和计算公式如后。 式中,Rc为二端口网络的特性阻抗(对称时),即输入输出阻抗,Rc1和Rc2两侧特性阻抗,分别为非对称衰减器的输入输出
7、阻抗; N=10(A/20),为输入电压与输出电压之比,A为衰减的分贝数。 5.2.2可变衰减器 可变衰减器,一般是指特性阻抗值恒定的,而它的衰减值是可变的衰减器,由桥T型衰减器构成比较方便。 这种电路的优点是,电路中只有两个可变化部分,而且Rc为固定电阻,可以避免因旋钮换档时,由于旋钮触点接触不良而引起电路中断现象。 电路如图3所示,其中 本次试验为600,已知信号发生器输出内阻为50 5.2.3理论值计算 1.10dB挡 2.20dB挡 3.30dB挡所以我们有如下表:衰减量/dB102030R1/1297.25400.018973.8R2/277.566.719.6理论Vpp(仿真)1.
8、671V623mV193.4mV5.2.4 Or CAD仿真仿真电路图10 仿真电路仿真结果(其中一个)图11 仿真结果由仿真可得理论衰减后的电压峰峰值,具体结果见上面表格6.详细实验步骤及实验结果数据记录(包括各仪器、仪表量程及内阻的记录) 6.1移相器 1.按照学过的知识进行示波器的自检,并将示波器参数设置如下: 1)耦合:设置为直流耦合方式。 2)带宽限制:设为打开状态。 3)探头:设置为1。 4)档位调节为粗调,反相关闭。注意CH1 CH2设置均为上面要求。 2.信号发生器的设置 1)信号发生器内阻:50 2)将信号发生器A路频率调整为50KHz,波形选择正弦波,Vpp(峰峰值)设置为
9、1V如下表信号发生器频率波形峰峰值内阻参数50KHz正弦波1V50 3.按照图2所示电路连接好电路图,按下表调整两电阻阻值为上面理论计算值,观察示波器的图像并记录数据。其中根据公式 整理数据并计算可得下表:-10-45-90-135-170R/175.0828.42000.04828.422860.1时间差/us实验值0.552.454.957.559.40记录示波器测量结果和波形原始波形 相位改变后波形信号发生器及电阻值示波器显示及波形(其中峰峰值,顶端值及底端值为移动后波形数据)2.衰减器 1.按上一实验设置示波器参数 2.连接电路图如4所示,其中,变阻为电阻箱实际衰减量 3.设置并记录信
10、号发生器参数信号发生器频率波形峰峰值内阻参数1KHz正弦波10V50 4.按照理论值调节两电阻阻值,并观察示波器显示记录各挡数据衰减量/dB102030R1/1297.2540018973.8R2/277.586.719.6理论Vpp1.671V623mV193.4mV示波器显示1.64V612mV183mV5.选择一个挡记录示波器数据及波形 7.实验结论及现象分析7.1移相器1.利用X型RC移相电路可以实现信号相位的改变,同时此电路在改变相位的同时不改变信号幅值。2.当电路中电阻为特定电阻时,输出信号相位改变量与理论值基本一样。故所设计的移相电路达到预期要求。3.当电阻增大时,理论上信号幅值
11、不发生改变,实际中略微减少。7.2衰减器1.当电阻值为给定值时对应衰减器各个挡,同时各挡衰减量实验值与理论值基本一样。2.利用此衰减电路所构成的衰减器只改变信号幅值,不改变信号相位。故此衰减器达到实验预期目标。8.实验中出现的问题及解决对策1.移相器实验中信号不稳定,导致示波器中图像过粗,不易读数。图 左边未开带宽限制,右边打开带宽限制线路连接要尽量可靠,避免有松动现象,同时在示波器设置中应该打开带宽限制选项。2.衰减器实验中所需阻值没有定值电阻。用不同定值电阻组合构成所需电阻,但是由于电阻阻值并不是十分准确,故对实验结果造成一定的影响。3.实验中可读数变阻器数量不够。使用交直流实验箱上滑动变
12、阻,用万用表测量以达到所需阻值。4.移相器实验中开始仅输出移相后的信号波形图,导致无法确定相位改变量。CH1,CH2分别输入信号源信号,以及经过移相电路后的信号,通过示波器方便获得相位.9.本次实验的收获和体会、对电路实验室的意见或建议9.1收获与体会 自己设计的实验不会是非常完善的,无论是在数据上还是实验电路上可能出现一些没有想到的问题,这就需要我们不断地发现问题解决问题,完善自主设计实验。需要不断地去实践,有可能在实验过程中发现问题,然后需要查阅资料,向老师请教以解决问题,从而继续实验完成实验。 通过对于二端口移相电路和衰减电路的研究,加深了对这部分知识的理解。在实验过程中让我更加熟悉实验
13、设备的用法,提高了对于信号发生器以及示波器的运用。9.2建议 1.实验增加一些现在没有的设备,仪器或者元件,这样可以使我们在做自主设计性实验时可选择的内容更多。10参考文献1 哈尔滨工业大学电工基础教研室 电路理论基础(第三版). 高等教育出版社 .20042 于建国 王松林. 电路实验教程. 高等教育出版社. 212-213. 20083 百度文库 4 齐凤艳 电路实验教程. 机械工业出版社. 41-48. 2009.8原始数据记录1.移相器 信号发生器参数信号发生器频率波形峰峰值内阻参数50KHz正弦波1V50相位改变量-10-45-90-135-170R/175.0828.42000.04828.422860.1时间差/us实验值0.552.454.957.559.40原始波
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