实验四-方波的傅里叶分解与合成

实验四方波的傅里叶分解与合成一、实验目的1.用RLC串联谐振方法将方波分解成基波和各次谐波，并测量它们的振幅与相位关系。2.将一组振幅与相位可调正弦波由加法器合成方波。3.了解傅里叶分析的物理含义和分析方法。二、实验仪器FD-FLY-A型傅里叶分解与合成,示波器，电阻箱，电容箱，电感。三、实验原理1.数学基础任何具有周期为T的波函数f(t)都可以表示为三角函数所构成的级数之和，即：10)sincos(21)(nnntnbtnaatf其中：T为周期，为角频率。＝T2；第一项20a为直流分量。图1方波图2波形分解的RLC串联电路所谓周期性函数的傅里叶分解就是将周期性函数展开成直流分量、基波和所有ｎ阶谐波的迭加。如图1所示的方法可以写成：)02()20()(tTTthhtf此方波为奇函数，它没有常数项。数学上可以证明此方波可表示为：)7sin715sin513sin31(sin4)(tttthtf=1])12sin[()121(4ntnnh2.周期性波形傅里叶分解的选频电路我们用RLC串联谐振电路作为选频电路，对方波或三角波进行频谱分解。在示波器上显示这些被分解的波形，测量它们的相对振幅。我们还可以用一参考正弦波与被分解出的波形构成李萨如图形，确定基波与各次谐波的初相位关系。本仪器具有1KHｚ的方波和三角波供做傅里叶分解实验，方波的输出阻抗低，可以保证顺利地完成分解实验。实验原理图如图2所示。这是一个简单的RLC电路，其中R、C是可变的。L一般取0.1H～H范围。当输入信号的频率与电路的谐振频率相匹配时，此电路将有最大的响应。谐振频率0为：0=LC1。这个响应的频带宽度以Q值来表示：Q＝RL0。当Q值较大时，在0附近的频带宽度较狭窄，所以实验中我们应该选择Q值足够大，大到足够将基波与各次谐波分离出来。如果我们调节可变电容C，在n0频率谐振，我们将从此周期性波形中选择出这个单元。它的值为：tnbtVn0sin)(，这时电阻R两端电压为：)sin()(00tnRItVR，此式中)/(1RXtg，X为串联电路感抗和容抗之和ZbIn/0，Z为串联电路的总阻抗。在谐振状态X＝0，此时，阻抗Z＝ｒ＋R＋RL＋RC＝ｒ＋R＋RL，其中，ｒ方波（或三角波）电源的内阻；R为取样电阻；RL为电感的损耗电阻；RC为标准电容的损耗电阻(RC值常因较小而忽略）。电感用良导体缠绕而成，由于趋肤效应，RL的数个将随频率的增加而增加。实验证明碳膜电阻及电阻箱的阻值在1KHz~7KHz范围内，阻值不随频率变化。3.傅里叶级数的合成仪器可提供振幅和相位连续可调的1KHz，3KHz，5KHz，7KHz四组正弦波。如果将这四组正弦波的初相位和振幅按一定要求调节好以后，输入到加法器，叠加后，就可以分别合成出方波、三角波等波形。四、实验内容及步骤1）方波的傅里叶分解1.先确定RLC串联电路对1KHz，3KHz，5KHz正弦波谐振时的电容值C1、C3、C5，并与理论值进行比较。实验中，观察在谐振状态时，电源总电压与电阻两端电压的关系。可从李萨如图为一直线，说明此时电路显示电阻性，接线图如下。（电感：L=0.1H(标准电感)，理论值：LCii21）图3确定RLC电路谐振电容接线图2.将1KHz方波进行频谱分解，测量基波和n阶谐波的相对振幅和相对相位，接线图如下。图4频谱分解接线图将1KHz方波输入到RLC串联电路，如图5所示。然后调节电容值至C1，C3，C5值附近，可以从示波器上读出只有可变电容调在C1，C3，C5时产生谐振，且可测得振幅分别为b1’，b3’，b5’（这里只需比较基波和各次谐波的振幅比，所以只要读出同一量程下示波器上的峰值高度即可）；而调节到其它电容值时，却没有谐振出现。3.相对振幅测量时，用分压原理校正系统误差。若：3b为3KHz谐波校正后振幅，'3b为3KHz谐波未被校正时振幅。1LR为1KHz使用频率时损耗电阻。3LR为3KHz使用频率时损耗电阻，r为信号源内阻。则：rRRRrRRRbbLL31'33::则rRRrRRbbLL13'331）测量方波信号源的内阻r。先直接将方波信号接入示波器，读出峰值；再将一电阻箱接入电路中，调节电阻箱，当示波器上的幅度减半时，记下电阻箱的值，此值即为r。接线图如下：图5测量信号源内阻的电路2）不同频率电流通过电感损耗电阻的测定(选取取样电阻R=22)。图6测量电感损耗电阻原理图对于0.1H空心电感可用下述方法测定损耗电阻RL。接一个如图7的串联谐振电路。测量在谐振状态时，信号源输出电压VAB和取样电阻R两端的电压VR（用示波器测量VAB、VR电压），则：RVVRRRRABCLL)1(RC为标准电容的损耗电阻，一般较小可忽略。同理测出3KHz、5KHz下电感的损耗电阻，接线图如下。图7测量电感损耗电阻接线图2）傅里叶级数合成：A方波的合成)7sin715sin513sin31(sin4)(tttthxf以上式中可知，方波由一系列正弦波(奇函数)合成。这一系列正弦波振幅比为1:31:51:71，它们的初相位为同相。1.用李萨如图形反复调节各组移相器1KHz、3KHz、5KHz、7KHz正弦波同位相。调节方法是示波器X轴输入1KHz正弦波：而Y轴输入1KHz、3KHz、5KHz、7KHz正弦波在示波器上显示如下波形时：图8基波和各次谐波与参考信号相位差都为时的利萨如图此时，基波和各阶谐波初相位相同。也可以用双踪示波器调节1KHz、3KHz、5KHz、7KHz正弦波初相位同相。2.调节1KHz、3KHz、5KHz、7KHz正弦波振幅比为1:31:51:71。3.将1KHz、3KHz、5KHz、7KHz正弦波逐次输入加法器，观察合成波形变化。五、数据记录及处理1.方波的傅里叶分解表一：频谱分解实验数据。谐振频率/KHz1无谐振3无谐振5谐振时电容值Ci/fC1和C3之间C3和C5之间相对振幅/cm--------李萨如图--------与参考正弦波位相差--------表二：电感损耗电阻实验数据。取样电阻R=，信号源内阻测量得r=，电感L=0.1H。使用频率f/KHz损耗电阻RL/1.003.005.00校正后基波和谐波的振幅比;。2.傅里叶级数合成合成谐波1KHz1KHz，3KHz1KHz，3KHz，5KHz1KHz，3KHz，5KHz，7KHz合成波形实验结果分析：六、注意事项1.分解时,观测各谐波相位关系,可用本机提供的1KHz在正弦波做参考；2.合成方波时,当发现调节5KHz或7KHz正弦波相位无法调节至同相位时,可以改变1KHz或3KHz正弦波相位,重新调节最终达到各谐波同相位。七、思考题1.实验中可有意识增加串联电路中的电阻R的值，将Q值减小，观察电路的选频效果，从中理解Q值的物理意义。2.良导体的趋肤效应是怎样产生的？如何测量不同频率时，电感的损耗电阻？如何校正傅里叶分解中各次谐波振幅测量的系统误差？