电路自主设计实验

1、姓名 班级 学号 实验日期 节次 5-6 成绩 RCL谐振电路电压谐振曲线的测定1.实验目的 1观察谐振现象，加深对串联谐振电路条件及特性的理解 2.掌握谐振频率的测量方法，测定RLC串联谐振电路的频率特性曲线 3.理解电路品质因数及通频带的物理意义和其计算方法，并且通过实验作出在不同品质因数电阻电压网络函数的幅频曲线2.总体设计方案或技术路线RLC串联电路如图所示，当时，电路中的电流与激励电压同相，电路处于谐振状态。此时有：谐振角频率，谐振频率。在、R、L、C固定的条件下，有： 本次试验就是在R、L、C固定的条件下，首先通过Pspice软件仿真R、L、C两端电压频率特性曲线。然后再实验室中进

2、行实际测量，在R、L、C及电源电压有效值固定的条件下通过调节函数信号发生器改变输出电压的频率，并利用交流伏安表记录在不同条件下R、L、C元件两端电压，根据所记录的数据绘制出R、L、C电压的频率特性曲线及在不同品质因数下电阻电压的频率特性曲线。对比分析通过Pspice软件仿真所得的曲线及通过实验室实测数据所绘制的曲线。RCL串联谐振电路谐振曲线的测定绘制频率曲线Pspice软件仿真实验室实际测量记录实验数据调节电源频率连接电路图运行仿真软件记录实验数据绘制电路图获取频率曲线对比分析技术路线：3.实验电路图 4. 仪器设备名称、型号 TFG2000函数信号发生器（1台） DS-5062CA示波器（

3、1台） AS2294交流毫伏表（1只） VC97万用表（1只） ZX21直流十进电阻箱（1台） RX7-0A电容箱(1台) 电感：4.7mH（2个,自备仪器） OrCAD仿真软件5.理论分析或仿真分析结果 1.根据选定的元件参数，通过计算求得其谐振频率及品质因数Q的理论值 数据读取对话框9.4mH电路图4.7mH电路图表1：仿真RLC电路响应的谐振曲线的测量9.4mH电感频率f/kHz51010.510.710.911.111.3131520电阻UR/mV86.514603.56818.77897.27974.26964.33934.52431.67241.02121.18电容UL/V1.25

4、174.36255.63716.05436.45836.29285.98812.40901.16390.4386电感UC/V0.25543.56745.08415.68686.27626.31876.23443.30872.13441.43134.7mH电感频率f/kHz5101414.514.81515.51616.517.520电阻UR/mV76.743227.46669.18815.06822.53926.98975.40967.90895.33679.88401.27电容UL/V1.11041.64603.60224.06734.30624.46764.55184.38303.9278

5、2.88931.4519电感UC/V0.11330.67232.89823.49353.86724.11134.46924.56834.36083.60382.3673仿真RLC电路响应的谐振曲线（9.4mH）仿真RLC电路响应的谐振曲线（4.7mH）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）1. 熟悉实验台仪器仪表的存放位置。用示波器或数字万用表测量函数信号发生器输出测试线、交流电压表、示波器测量线的通断；用万用表检查实验导线的通断。检查结果： 函数信号发生器输出测试线、交流电压表、示波器测量线均正常2. 选取两个4.7mH电感，用小钳子将电感管脚进行整形，管脚弯

6、曲成所需要的形状插装在交直流电路实验箱的插孔中。用数字万用表测量电感的电阻值，记录如下： 一个4.7mH电感的电阻值为41.03. 示波器自检 打开电源开关，将示波器测试线插入通道1（CH1），将测试线夹夹到探头补偿器的信号输入端（提供频率为1kHz、峰峰值为3V的方波信号）。经检验观察到如上描述的输入信号。示波器功能设置如下： 耦合：直流耦合； 带宽限制：设为打开状态； 探头：探头设为1x； 档位调节：粗调； 反相：设为关闭； 此外选择CH1，设置电压测量为方均根电压，设置时间测量为频率测量。本次实验为本次试验为RCL串联谐振试验，整个电路消耗的功率较大，由于函数信号发生器有内阻，可能会导致

7、输出电压的有效值及电压频率发生变化，所以在此次实验中采用示波器对函数信号发生器输出的信号进行检测。如下图为频率为5kHz时示波器检测函数信号发生器输出的信号图像。 4. 函数信号发生器的设置打开电源开关，设置其输出信号波形为正弦交流信号，设置其电压有效值为1V，设置其频率为5kHz。本次实验为本次试验为RCL串联谐振试验，整个电路消耗的功率较大，所以在实验中应该选择输出功率较大的功率输出端。使用示波器对函数信号发生器输出的信号进行检测。然后调节电阻箱的阻值为100，调节电容的电容值为22nF。按照如下电路图连接电路，并且依次在电路中连接入9.4mH电感和4.7mH电感，按照如下表格中要求的电路

8、输出频率调节函数信号发生器的输出频率，交流毫伏表选择适当的量程，分别测量电阻两端电压、电容两端电压、电感两端电压，记录在最后原始数据表格中。表1：实测RLC电路响应的谐振曲线的测量9.4mH电感频率f/kHz51010.510.710.911.111.3131520电阻UR/mV84.9414491511524528522360236120电容UL/V1.182.963.223.303.323.263.181.901.060.420电感UC/V0.2452.412.953.153.213.253.222.631.941.354.7mH电感频率f/kHz5101414.514.81515.516

9、16.517.520电阻UR/mV76.6220532590620638660658637550370电容UL/V1.061.522.782.963.043.053.072.922.692.191.29电感UC/V0.1100.6002.282.492.602.672.982.962.902.672.095. 整理实验台6. 数据处理根据如上表格中的测量数据分别作出在不同的电感条件下电阻电压、电容电压以及电感电压随电源输出频率的变化曲线。根据公式将表格中的数据处理后求出电阻两端的电压，作出电阻电压的网络函数曲线，在本次实验中，电阻两端电压的测量值恰为其电阻电压的网络函数值。9.4mH电感时,电

10、阻电压、电容电压及电感电压随频率变化曲线4.7mH电感时,电阻电压、电容电压及电感电压随频率变化曲线根据第5部分理论算出的结果如下： 通过上面做出的电路图我们可以看出在电感分别为9.4mH和4.7mH是其电路的谐振频率约为10.8kHz和15.5kHz，在误差允许范围内和理论运算结果相同。但是实际测量相同电路、相同频率下实测电压值却和理论计算电压值存在很大的差别。并且我们发现当频率较小或者频率较大的时候，实际测量的电压值与理论运算的结果基本接近，但是随着频率逐渐趋近与谐振频率的过程中实际测量值与理论运算结果的偏差越来越大，最终接近谐振频率是理论运算结果为相应实际测量结果的1.5倍左右。以下将对

11、这一现象进行详细的分析：1）理论分析的过程中电感是纯电感，不带任何电阻，而实际使用的电感却都带有一定的电阻，且电阻的阻值可近似认为恒定。通过万能表测得一个电感的电阻值为41.0。当电路处于谐振状态时，由公式，在9.4mH和4.7mH电感的等效电阻分别为82.0和41.0，带入公式可以计算得在考虑电感电阻时理论电阻两端电压大小为：9.4mH时，; 4.7mH时，分别于实验所实际测得电路接近谐振时电阻两端的电压和较为接近。所以经过以上分析我们知道，当电路处于谐振状态时实际测量的电阻两端电压远小于理论运算结果的原因是电感本身具有较大的电阻，起到了很大的分压作用。2） 当电路处于非谐振状态时（及即时频

12、率与谐振频率有较大差值是），由交流电路的相关知识我们知道，可以看出当电路处于非谐振状态时值较大（例如当电路频率为5kHz时在9.4mH电路中其值为-1151.5），远大于，所以此时电阻两端的电压主要由其分母的大小决定，电感的电阻在其中的作用十分微小，所以此时实际测量的电阻电压接近于理论运算结果。综合以上可知，实际测量电压值与理论运算电压值存在较大差距的原因是电感本身带有较大的电阻，在理论计算的时候不可忽略。7. 实验仪器技术指标 示波器：测量带宽DC60MHz，电压峰峰值16mV40V。 信号源：频率20MHz，电压 78V(有效值）。 交流电压表（AS2294D型）： 测量电压最高300V,

13、 频率5Hz2MHz。 电阻箱每档电阻允许通过的电流 旋钮倍率×0.1×1×10×100×1000×10000容许负载电流（A）1.50.50.150.050.0150.005 电容箱：可调范围(01.111µF)，工作电压50V(有效值）7.实验结论1. 当RCL串联电路的输出电压频率等于电路谐振频率时，电路中的电流最大，电路中各元件两端的电压最大。当频率逐渐远离谐振频率时，电路中的电流减小，电路中各个元件两端的电压减小。2. 在RCL串联电路输出电压的计算时，当考虑了电感电阻等一些实验误差时，实验测量值与理论计算值在误差

14、允许范围内相等，验证了串联谐振理论的正确性。8.实验中出现的问题及解决对策1. 出现的问题: 在设计电路实验的时候只是注意到实验室有电感箱而没有注意其可调大小，导致最终设计好实验后在实验室无法找到合适的电感。解决对策: 仔细记录30041实验室可提供的具体实验仪器及实验仪器的技术参数，根据仪器技术指标相应修改实验报告，并且通过自带仪器弥补了实验室缺少的相应仪器。2. 出现的问题：因为本次实验为RCL串联谐振实验，所以在实验过程中连接函数信号发生器时应该连接功率输出端口，但是连接功率输出端口后无法设置B端口（即功率输出端）的输出电压及输出频率。解决对策：函数信号发生器A路输出端和B路输出端的区别

15、在于：A路输出常用于对电路输出功率要求较小的电工电子实验，当电路负载较大时如谐振实验则应选用B路输出。且A路输出有过压过流保护。经过请教老师确定该实验确实需要采用B路输出，而通过设置A路输出的参数即可达到设置B路输出参数的设置。3. 出现的问题：由公式，我们可以看出电阻关于处处可导，即关于也是处处可导的，仿真得到的电阻电压频率曲线应该为光滑的，但是实验仿真的结果中曲线存在突变点，并不处处可导。解决对策：经过分析知，所求的曲线一定是光滑的，由于实验仿真时设定的步长较大而导致曲线出现突变点，存在不可导的地方。在仿真参数设定的时候设定较小的步长即可避免以上问题。9.本次实验的收获和体会、对电路实验室

16、的意见或建议收获和体会1. 在本次自主设计实验中，经过构想、设计、模拟仿真、实践等过程，使我对电路理论知识有了更深刻的理解，初步掌握了电路设计和调试的基本方法，同时增强自己的动手能力。2. 在本次实验中我看到了理论计算结果与实际测量结果之间的差别（如理想的电感没有电阻，但是实际使用的电感都带有一定的电阻），让我体会到：理论可以指导实践，但是在现实生活中却会由于技术上的原因导致与理论值存在较大的差别，所以我们要在学习理论知识的过程中考虑现实技术的限制，不断改进设计方法，从而解决现实生活的中实际电路问题。3. 本次实验要求必须是自己想出来的实验，在此过程中提高了我独立思考的能力、以及发现问题和解决问题的能力。这次实验也使我认识到自己所掌握的知识只是冰山一角，动手操作能力还是有一定的欠缺，仍然需要自己不断努力的提高。 意见和建议 1. 在自主实验的设计过程中，由于一些元件的不足使实验的选择收到了一定的限制，希望电路实验室能够在今后的自主实验中提供更多种类和不同大小的元件。2. 设计实验采取自由实验的模式，需要学生经常到实验室去看是否有空位，建议自主设计实验采取自由实验和预约实验并行的上课模式。3. 提供更多的实验模式供选择，设计实验的过程中学生容易局限课本知识，实验室可以给出实际生活中