电路与电子学基础交流电路的性质实验报告

《电路与电子学基础》实验报告实验名称交流电路的性质班级学号姓名实验3交流电路的性质实验3.1串联交流电路的阻抗一、实验目的1.测量串联RL电路的阻抗和交流电压与电流之间的相位，并比较测量值与计算值。2.测量串联RC电路的阻抗和交流电压与电流之间的相位，并比较测量值与计算值。3.测量串联RLC电路的阻抗和交流电压与电流之间的相位，并比较测量值与计算值。二、实验器材双踪示波器1台信号发生器1台交流电流表1个交流电压表1个0.1µF电容1个100mH电感1个1KΩ电阻1个三、实验准备两个同频率周期函数(例如正弦函数)之间的相位差，可通过测量两个曲线图之间及曲线一个周期T的波形之间的时间差t来确定。因为时间t与周期T之比等于相位差θ(单位：度)与一周相位角的度数（360°）之比θ/360°=t/T所以，相位差可用下式计算θ=t(360°)/T在图3-1，图3-2和图3-3中交流电路的阻抗Z满足欧姆定律，所以用阻抗两端的交流电压有效值VZ除以交流电流有效值IZ可算出阻抗(单位：Ω)IzVzZ在图3-1中RL串联电路的阻抗Z为电阻R和感抗XL的向量和。因此阻抗的大小为22LXRZ阻抗两端的电压VZ与电流IZ之间的相位差可由下式求出RXLarctan图3-1RL串联电路的阻抗在图3-2中RC串联电路的阻抗Z为电阻R和容抗Xc的向量和，所以阻抗的大小为CXRZ22阻抗两段的电压Vz和电流Iz之间的相位差为RXCarctan当电压落后于电流时，相位差为负。图3-2RC串联电路的阻抗在图3-3中RLC串联电路的阻抗Z为电阻R和电感与电容的总电抗X之向量和，总电抗X等于感抗XL与容抗Xc的向量和。因此感抗与容抗之间有180°的相位差，所以总电抗X为CLXXX这样，RLC串联电路的阻抗大小可用下式求出22XRZ阻抗两端的电压Vz与电流Iz之间的相位差为RXarctan图3-3RLC串联电路的阻抗感抗XL和容抗Xc是正弦交流电频率的函数。在RLC串联交流电路中，只有一个信号频率可以使得XL与Xc相等。在这个频率上，总电抗为零(X=XL-Xc=0)，电路阻抗为电阻性，而且达到最小值。四、实验步骤1.在电子平台上建立如图3-1所示的实验电路，一起按图设置。单击仿真电源开关，激活电路进行动态分析。因为1KΩ电阻两端的电于与电力六成正比，在示波器的纵轴上1V相当于1mA，所以屏幕上红色曲线图代表RL电路阻抗两端的电压Vz，蓝色曲线图代表电流Iz。在下面的V,I-T坐标上作出电压Vz和电流Iz岁时间T变化的曲线图，记录交流电压表和电流表上交流电压有效值Vz和电流有效值Iz的读书。读数为：电压有效值Vz=7.071V电流有效值Iz=4.372mA2.根据步骤1中的曲线图，计算电压与电流之间的相位差θ。Δt=|t1-t2|=70.3125μsT=500μs电压与电流之间的相位差θ=360*70.3125/500=50.625度3.用交流电压有效值Vz和电流有效值Iz计算RL电路的阻抗大小。Vz=U。∠θ1Iz=I。∠θ2Rl=Vz/Iz=U。/I。∠θ1-θ2=1617.33∠50.625Ω4.用电感值L和正弦频率f计算电感的阻抗XL。阻抗XL:XL=Lω=L2πf=100*10^-3*2*3.14*2000=1256.637Ω5.用电阻值R和电感L的感抗XL计算RL电路阻抗Z的大小。阻抗的大小为:22LXRZ=(1000^2+400π^2)^½=1605.96086Ω6.根据算得的感抗值XL和电阻值R，计算电流与电压之间的相位差θ。Cosθ=R/Z=1000/1605.96086=0.62268Arccos0.62268=θ=51.48°7.在电子工作平台上建立如图3-2所示的实验电路，仪器按图设置。单击仿真电源开关，激活电路进行动态分析。因为1KΩ电阻两端的电压和电流成正比(在示波器的纵轴上1V相当于1mA)，因此屏幕上红色曲线图代表RC电路阻抗两端的电压Vz，蓝色曲线代表电流Iz，在上面的V,I-T坐标上作出电压Vz和电流Iz随时间T变化的曲线图。记录交流电压表和电流表上的电压有效值Vz和电流有效值Iz的读数。读数为：电压有效值Vz=7.072V电流有效值Iz=5.567mA8.根据步骤7中的曲线图，计算电压与电流之间的相位差。Δt=|t1-t2|=54.6875μsT=500μs电压与电流之间的相位差=-360*54.6875/500=-39.375度9.用交流电压有效值Vz和电流有效值Iz就算RC电路阻抗Z的大小。Vz=U。∠θ1Iz=I。∠θ2Rl=Vz/Iz=U。/I。∠θ1-θ2=1270.343∠-39.375Ω10.用电容C和正弦频率f计算电容器的容抗Xc。Xc=(Cω)^-1=(C2πf)^-1=(100*10^-9*2*3.14*2000)^-1=795.7747155Ω11.用电阻值R和电容C的容抗Xc计算RC电路阻抗Z的大小。阻抗的大小为:CXRZ22=(1000^2+795.7747^2)^½=1277.9895Ω12.根据算得的容抗Xc和电阻值R,计算电流与电压正弦函数之间的相位差θ。Cosθ=R/Z=1000/1277.9895=0.782479Arccos0.782479=-θ=38.511°Θ=-38.511°实验3.2串联谐振一、实验目的1.测定串连谐振电路的谐振频率，并比较测量值与计算值。2.测定串连谐振电路的带宽，并比较测量值与计算值。3.测定串连谐振电路的品质因素。4.测定串联谐振电路的谐振阻抗。5.测定串联谐振电路谐振时电压与电流之间的相位关系。6.研究电路电阻变化时对串连谐振电路的谐振频率和带宽的影响。二、实验器材信号发生器1台双踪示波器1台100mH电感1个0.25µF电容1个1kΩ电阻1个三、实验准备在图3-4，图3-5所示的电路中，信号频率为串连谐振电路的谐振频率0f时感抗XL等于容抗Xc，因为感抗与容抗有180°的相位差，所以谐振频率上总电抗为零，这时总阻抗最小，并且等于电路电阻R。在谐振频率0f上电路电流I最大，因此XL＝XCCfLf002/12由此可求得谐振频率LCf210在图3-4和图3-5所示的电路中，串连谐振电路的带宽BW可从频率特性曲线图通过测量低端频率Lf和高端频率Hf来确定，在这两点上电流I下降为峰值的0.707倍(-3dB)。因此，带宽为LHffBW带宽也可由电路元件值来计算LRBW2品质因数Q可反应谐振电路的带宽与谐振频率之间的关系。品质因数越高，则带宽越窄。品质因数可用下式计算BWfQ0图3-4串连谐振在谐振频率上，因为阻抗与容抗相等，总电抗为零，总阻抗为纯电阻性，所以谐振时电路的电压与电流同相。做这个实验要使用波特图仪，可参考电子工作平台的仪器菜单。图3-5串联谐振的频率特性曲线四、试验步骤1.在电子工作平台上建立如图3-4所示的实验电路。单击仿真开关进行动态分析。在表3-6中记录相应频率的节点电压Va和Vb。表3-6F/HzVa/VVb/VI/mAZ/kΩ100300700100030004000100002.按表3-6改变信号发生器的频率，运行动态分析，记录每种频率的峰值电压Va和Vb，必要时可调整示波器。3.根据表3-6中的每个Vb值及图3-4所示电路中的R值，计算每种频率的电流I，并将结果记录到表中。4.画出电流I随频率变化的曲线图，频率用对数刻度。5.根据步骤4的曲线图，测定串联谐振电路的谐振频率0f。6.根据图3-4中的元件值，测定串联谐振电路的谐振频率0f。7.根据步骤4的曲线图，测定串联谐振电路的带宽BW。8.根据图3-4中的元件值，计算串联谐振电路的带宽BW。9.根据步骤7中测量的带宽BW和步骤5中测量的谐振频率0f，计算这个串联谐振电路的品质因数Q。10.根据表3－6中的Va值和I值，计算每种频率对应的串联谐振电路阻抗Z，将结果记录到表中。11.作出串联电路阻抗Z随频率f变化的曲线图，频率用对数刻度。12.根据图3-4中的电路元件值，计算串联谐振电路的谐振阻抗。13.将信号发生器的频率调整为谐振频率0f,记录电压与电流之间的相位差θ，必要时可以调整示波器的有关参数。14.在电子工作平台上建立如图3-5所示的实验电路。单击仿真开关进行动态分析。波特图仪将图示串联谐振电路的电流I与频率f之间的函数关系。在纵轴上每个刻度代10mA从曲线图测量并记录谐振频率和带宽。246810I/mA,Z/kΩF/Hz1002005001k2k5k10k谐振频率f0=1kHz带宽BW=2-0.5179kHz=1.4821kHz15.将电阻改为100Ω，重复步骤14，必要时可改变波特图仪的位置。谐振频率f0=1kHz带宽BW=1.096-0.923kHz=0.173kHz五、思考与分析1.步骤6中谐振频率的计算值与曲线测定值比较，情况如何？2.步骤8中带宽的计算值与曲线测定值比较，情况如何？3.根据步骤11的曲线图，对串联谐振电路的阻抗随频率变化情况可得出什么结论。4.步骤12中算得得谐振阻抗与表3-6中记录得谐振阻抗比较，情况如何？5.在步骤13中，对谐振时电压与电流的相位差可得出什么结论？6.在步骤15中，关于电阻值得变化对谐振频率和带宽的影响可得出有什么结论？