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LRC电路谐振特性的研究实验报告
实验名称:_____LRC电路谐振特性的研究________
姓名___ _ _ 学号_ _
班级_ _ 实验日期 _ 2013.11.14_ _
温度___ 15℃___ 同组者 ________
实验目的:
1.研究和测量LRC串、并联电路的幅频特性;
2.掌握幅频特性的测量方法;
3.进一步理解回路Q值的物理意义.
实验仪器:
低频信号发生器、交流毫伏表、电阻箱、电感线圈、标准电容箱、频率计、开关和导线
实验原理:
在力学和电学实验中都观测过简谐振动和阻尼振动.在力学的扭摆实验中,在外加的按正弦变化的策动力作用下,不仅使振动得以维持,而且策动力的频率对振动状态有很大的影响.类似地,在电路中接入一电动势按正弦变化的电源,可经常地给电路补充能量以维持电振荡.在此实验中是研究电源的频率对电路中振荡的影响.
一、LRC串联电路
1.回路中的电流与频率的关系(幅频特性)
见图l(a)相(b),图中R’由两部分组成,一部分是电感线圈的电阻,另一部分是与电容串联的等效损耗电阻,mVl为交流毫伏表,可监视信号源的输出电压,mV2也为交流毫伏表,用来测量R两端的交流电压值, f为频率计.
LRC交流回路中阻抗Z的大小为
(1)
对此回路总电压U与总电流I的相位差,下式成立:
(2)
或
(3)
回路中电流I为
(4)
当时,,电流I最大。令与分别表示的角频率与频率,并称为谐振角频率与谐振频率,即 (5)
如果取横坐标为,纵坐标为I,可得图2所示电流频率特性曲线.
2.串联谐振电路的品质因数Q
谐振时,,即纯电感两端的电压与理想电容器两端的电压相等,并且
又将式(5)代入上式,得
(6)
令 (7)
则UL=UC=QU (8)
Q称为串联谐振电路的品质因数.当时,UL和UC都远大于信号源输出电压,这种现象称为LRC串联电路的电压谐振。
Q的第一个意义是:电压谐振时,纯电感和理想电容器两端电压均为信号源电压的Q倍。
为了描述I-W曲线的尖锐程度,常常考查I由极大值Imax下降到时的带宽与谐振频率的关系。对应此带宽边界的两个频率和均应满足
由此可以得出
(时) (9)
(时) (10)
上面二式相减得
则
和式(28-5)相比较,可得
(11)
又将式(28-9)与式(28-10)相加,整理后得出
将代入上式,得
=
最后得出
(12)
显然()越小,曲线就越尖锐,可以讲
Q的第二个意义是:它标志曲线的尖锐程度,即电路对频率的选择性,称为通频带宽度。
3.Q值的测量法
① (电压)谐振法 根据图1(a)所示的线路,调节信号源的输出电压值,保证在各种不同频率时都相等,然后测量R两端的交流电压,当UR最大时,说明电路已处于谐振状态。用交流电压表分别测量L和C两端的电压,则Q()值就可计算出来。如果各种频率的输出信号幅度U值都是1.00V,那么测得的UL或UC值就是Q值的大小,这是专门测量Q值的“Q”表原理。
② 频带宽度法
根据图1(a)所示的线路,按照上述要求测量各种颠率时R两端的电压值,作出UR—曲线,找出UR最大时的频率,即谐振频率,再求出时的频率和值,根据(12)式计算出Q值的大小。
以上两种方法得到的Q值是一样的.但是测量精确度各不相同.电压谐振法宜用于高Q值(即Q位较大的)电路,频带宽度法适用于低Q值电路.为了测到准确的Q值,要多次调到谐振,并用频率计仔细地测出每次的谐振频率,再取平均,最后得到比较可靠的谐振频率值。
实验内容及步骤:
测量LRC串联电路的谐振特性步骤如下:
图3 LRC电路的测量线路
(1)连接测量线路如图3所示;
(2)令K与“2”接通,调节XF的电压输出幅度,保证各种频率测量时的电压有效值都是3.0V;
(3)当K与”1”接通,用交流毫伏表测量R的端电压,并记录电路的频率f;
(4)慢慢从小增大f,得到每一频率测电阻R的端电压,在的极值处再多测继续数据,得到更准确的极值,该处的频率频率即电路的谐振频率;
(5)使频率从向两侧扩展,每侧取8种频率,得到每一频率测电阻R的端电压;
(6)绘制~曲线;
(7)用频带宽度法确定Q值;
数据处理:
UR-f的数据记录表
序号
f/HZ
UR/V
1
1.157
1.22
2
1.294
1.48
3
1.349
1.51
4
1.469
2.13
5
1.523
2.42
6
1.540
2.48
7
1.583
2.51
8
1.590
2.52
9
1.606
2.51
10
1.622
2.49
11
1.663
2.40
12
1.704
2.21
13
1.810
1.83
14
1.920
1.58
15
2.000
1.43
16
2.443
1.16
由表和图像得,f0≈1.590HZ,URMax≈2.52V
有图像得,当时,f1≈1.422HZ,f2≈1.870HZ
所以
实验总结:
实验测得的电路谐振频率f0与实际值十分接近;
尽管在谐振频率附近取了较多的值,使得取得的效果较为不错,但从UR-f图像上看,在f0左侧的取值并不均匀,使得曲线没右端平滑;