哈工大電路自主設(shè)計 移相器與衰減器的設(shè)計及驗證

1、自主設(shè)計型實驗移相器和衰減器的設(shè)計及驗證1.實驗?zāi)康?1.了解移相器和衰減器的工作原理，特性及作用。 2.學(xué)會移相器的設(shè)計方法。 3.學(xué)會根據(jù)要求設(shè)計衰減器的方法。 4.將移相器和衰減器的各原件件理論值和實驗值進行比較并分析原因。2.總體設(shè)計方案或技術(shù)路線 1.移相器的設(shè)計設(shè)計一個0至180度的移相電路，要求：輸出信號的幅度不變，相位可在0到180度之間自由變化。 2.衰減器的設(shè)計設(shè)計一個0-30dB的衰減器，要求：1. 輸出信號和輸入信號的相位不變。2. 衰減器按10dB分擋。 3.驗證設(shè)計方案1.驗證移相器，每隔一段間距取一個相位，計算出理論值；將電阻R設(shè)為理論值，觀察示波器中信號的相位變

2、化，與理論相位作比較，記錄示波器圖像及數(shù)據(jù)，分析結(jié)果。2.驗證衰減器，將電阻調(diào)成理論計算阻值，計算信號衰減量，與理論值作比較，看是否符合理論衰減量。3.實驗電路圖 3.1移相器電路圖1 X形RC移相電路圖2實驗電路其中接信號發(fā)生器端, 接示波器端，為了方便變化R采用變阻箱 3.2衰減器電路圖3可調(diào)衰減器的理論電路圖4實際電路圖采用變阻箱代替多個電阻，簡化實驗電路圖。4. 儀器設(shè)備名稱、型號1.RIGOL示波器2. TFG2000信號發(fā)生器3. 電感箱、電阻箱、電容箱4. VC97萬用表5. 交直流實驗箱5.理論分析或仿真分析結(jié)果5.1移相器線性時不變網(wǎng)絡(luò)在正弦信號激勵下，起響應(yīng)電壓、電流是與激

3、勵信號同頻率的正弦量，影響與頻率的關(guān)系，即為頻率特性。它可用相量形式的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)來表示。在電氣工程與電子工程中，往往需要在某確定頻率正弦激勵信號作用下，獲得有一定幅值、輸出電壓相對于輸入電壓的相位差在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的響應(yīng)（輸出）信號。這可通過調(diào)節(jié)電路原件參數(shù)來實現(xiàn)，通常是采用RC移相網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)的。5.1.1實驗原理圖5 相位90度到0設(shè)輸入正弦信號，其相量則輸出信號電壓：其中輸出電壓有效值U2為：輸出電壓的相位為：由上兩式可見，當(dāng)信號源角頻率一定時，輸出電壓的有效值與相位均隨電路元件參數(shù)的變化而不同。若電容C為一定值，則有，如果R從零至無窮大變化，相位從90度到零度變化。 圖6相位0到90度

4、輸入正弦信號電壓，響應(yīng)電壓為： 其中輸出電壓有效值為：輸出電壓相位為：同樣，輸出電壓的大小及相位，在輸入信號角頻率一定時，它們隨電路參數(shù)的不同而改變。若電容C值不變，R從零至無窮大變化，則相位從到變化。5.1.2 X型RC移相電路 當(dāng)希望得到輸出電壓的有效值與輸入電壓有效值相等，而相對輸入電壓又有一定相位差的輸出電壓時，通常是才采用X型RC移相電路（見圖2）來實現(xiàn)。 其中結(jié)果說明，此X型RC移相電路的輸出電壓與輸入電壓大小相等，而當(dāng)信號源角頻率一定時，輸出電壓的相位可通過改變電路的元件參數(shù)來調(diào)節(jié)。5.1.3 理論值計算設(shè)電容C值一定，如果電阻R值從0到變化時，則從0至-180º變化，

5、由上面公式可得：當(dāng)R=0時，則º,輸出電壓與輸入電壓同相位當(dāng)R=時，則º，輸出電壓與輸入電壓相反。當(dāng)0< R <時，則在與0º與-180º之間取值。實驗中，由式計算電阻R的值，其中電容C為0.01，=1V，頻率為50KHz?？捎嬎鉘，有：-10-45-90-135-170R/175.0828.420004828.422860.1 5.1.4 ORCAD仿真仿真電路圖圖7 Or CAD仿真圖其中一組數(shù)據(jù)仿真結(jié)果圖8 R為某一值的圖當(dāng)電阻R特別大時圖9 R值特別大時的仿真圖 5.2衰減器 5.2.1實驗原理 衰減器：是在指定的頻率范圍內(nèi)，一種用以

6、引入一預(yù)定衰減的電路，一般以所引入衰減的分貝數(shù)及其特性阻抗的歐姆數(shù)來標(biāo)明。 僅適用于50歐阻抗衰減電路。 衰減器廣泛地應(yīng)用于電子設(shè)備中，它的主要用途是： 1.調(diào)整電路中信號的大??； 2.改善阻抗匹配。 通常，衰減器接于信號源和負載之間，衰減器是由電阻元件組成的二端口網(wǎng)絡(luò)，它的特性阻抗、衰減量都是與頻率無關(guān)的常數(shù)，相移等于零。 實際應(yīng)用中，有固定衰減器和可變衰減兩大類。 常用的固定衰減器有T型、P型、橋T型（以上為對稱型）和倒L型（不對稱型）等幾種結(jié)構(gòu)，其電路形式和計算公式如后。 式中，Rc為二端口網(wǎng)絡(luò)的特性阻抗（對稱時），即輸入輸出阻抗，Rc1和Rc2兩側(cè)特性阻抗，分別為非對稱衰減器的輸入輸出

7、阻抗； N=10(A/20)，為輸入電壓與輸出電壓之比，A為衰減的分貝數(shù)。 5.2.2可變衰減器 可變衰減器，一般是指特性阻抗值恒定的，而它的衰減值是可變的衰減器，由橋T型衰減器構(gòu)成比較方便。 這種電路的優(yōu)點是，電路中只有兩個可變化部分，而且Rc為固定電阻，可以避免因旋鈕換檔時，由于旋鈕觸點接觸不良而引起電路中斷現(xiàn)象。 電路如圖3所示，其中 本次試驗為600，已知信號發(fā)生器輸出內(nèi)阻為50 5.2.3理論值計算 1.10dB擋 2.20dB擋 3.30dB擋所以我們有如下表：衰減量/dB102030R1/1297.25400.018973.8R2/277.566.719.6理論Vpp(仿真)1.

8、671V623mV193.4mV5.2.4 Or CAD仿真仿真電路圖10 仿真電路仿真結(jié)果（其中一個）圖11 仿真結(jié)果由仿真可得理論衰減后的電壓峰峰值，具體結(jié)果見上面表格6.詳細實驗步驟及實驗結(jié)果數(shù)據(jù)記錄（包括各儀器、儀表量程及內(nèi)阻的記錄） 6.1移相器 1.按照學(xué)過的知識進行示波器的自檢，并將示波器參數(shù)設(shè)置如下： 1）耦合：設(shè)置為直流耦合方式。 2）帶寬限制：設(shè)為打開狀態(tài)。 3）探頭：設(shè)置為1。 4）檔位調(diào)節(jié)為粗調(diào)，反相關(guān)閉。注意CH1 CH2設(shè)置均為上面要求。 2.信號發(fā)生器的設(shè)置 1）信號發(fā)生器內(nèi)阻：50 2）將信號發(fā)生器A路頻率調(diào)整為50KHz，波形選擇正弦波，Vpp（峰峰值）設(shè)置為

9、1V如下表信號發(fā)生器頻率波形峰峰值內(nèi)阻參數(shù)50KHz正弦波1V50 3.按照圖2所示電路連接好電路圖，按下表調(diào)整兩電阻阻值為上面理論計算值，觀察示波器的圖像并記錄數(shù)據(jù)。其中根據(jù)公式 整理數(shù)據(jù)并計算可得下表：-10-45-90-135-170R/175.0828.42000.04828.422860.1時間差/us實驗值0.552.454.957.559.40記錄示波器測量結(jié)果和波形原始波形 相位改變后波形信號發(fā)生器及電阻值示波器顯示及波形（其中峰峰值，頂端值及底端值為移動后波形數(shù)據(jù)）2.衰減器 1.按上一實驗設(shè)置示波器參數(shù) 2.連接電路圖如4所示，其中，變阻為電阻箱實際衰減量 3.設(shè)置并記錄信

10、號發(fā)生器參數(shù)信號發(fā)生器頻率波形峰峰值內(nèi)阻參數(shù)1KHz正弦波10V50 4.按照理論值調(diào)節(jié)兩電阻阻值，并觀察示波器顯示記錄各擋數(shù)據(jù)衰減量/dB102030R1/1297.2540018973.8R2/277.586.719.6理論Vpp1.671V623mV193.4mV示波器顯示1.64V612mV183mV5.選擇一個擋記錄示波器數(shù)據(jù)及波形 7.實驗結(jié)論及現(xiàn)象分析7.1移相器1.利用X型RC移相電路可以實現(xiàn)信號相位的改變，同時此電路在改變相位的同時不改變信號幅值。2.當(dāng)電路中電阻為特定電阻時，輸出信號相位改變量與理論值基本一樣。故所設(shè)計的移相電路達到預(yù)期要求。3.當(dāng)電阻增大時，理論上信號幅值

11、不發(fā)生改變，實際中略微減少。7.2衰減器1.當(dāng)電阻值為給定值時對應(yīng)衰減器各個擋，同時各擋衰減量實驗值與理論值基本一樣。2.利用此衰減電路所構(gòu)成的衰減器只改變信號幅值，不改變信號相位。故此衰減器達到實驗預(yù)期目標(biāo)。8.實驗中出現(xiàn)的問題及解決對策1.移相器實驗中信號不穩(wěn)定，導(dǎo)致示波器中圖像過粗，不易讀數(shù)。圖 左邊未開帶寬限制，右邊打開帶寬限制線路連接要盡量可靠，避免有松動現(xiàn)象，同時在示波器設(shè)置中應(yīng)該打開帶寬限制選項。2.衰減器實驗中所需阻值沒有定值電阻。用不同定值電阻組合構(gòu)成所需電阻，但是由于電阻阻值并不是十分準(zhǔn)確，故對實驗結(jié)果造成一定的影響。3.實驗中可讀數(shù)變阻器數(shù)量不夠。使用交直流實驗箱上滑動變

12、阻，用萬用表測量以達到所需阻值。4.移相器實驗中開始僅輸出移相后的信號波形圖，導(dǎo)致無法確定相位改變量。CH1，CH2分別輸入信號源信號，以及經(jīng)過移相電路后的信號，通過示波器方便獲得相位.9.本次實驗的收獲和體會、對電路實驗室的意見或建議9.1收獲與體會 自己設(shè)計的實驗不會是非常完善的，無論是在數(shù)據(jù)上還是實驗電路上可能出現(xiàn)一些沒有想到的問題，這就需要我們不斷地發(fā)現(xiàn)問題解決問題，完善自主設(shè)計實驗。需要不斷地去實踐，有可能在實驗過程中發(fā)現(xiàn)問題，然后需要查閱資料，向老師請教以解決問題，從而繼續(xù)實驗完成實驗。 通過對于二端口移相電路和衰減電路的研究，加深了對這部分知識的理解。在實驗過程中讓我更加熟悉實驗

13、設(shè)備的用法，提高了對于信號發(fā)生器以及示波器的運用。9.2建議 1.實驗增加一些現(xiàn)在沒有的設(shè)備，儀器或者元件，這樣可以使我們在做自主設(shè)計性實驗時可選擇的內(nèi)容更多。10參考文獻1 哈爾濱工業(yè)大學(xué)電工基礎(chǔ)教研室 電路理論基礎(chǔ)（第三版）. 高等教育出版社 .20042 于建國 王松林. 電路實驗教程. 高等教育出版社. 212-213. 20083 百度文庫 4 齊鳳艷 電路實驗教程. 機械工業(yè)出版社. 41-48. 2009.8原始數(shù)據(jù)記錄1.移相器 信號發(fā)生器參數(shù)信號發(fā)生器頻率波形峰峰值內(nèi)阻參數(shù)50KHz正弦波1V50相位改變量-10-45-90-135-170R/175.0828.42000.04828.422860.1時間差/us實驗值0.552.454.957.559.40原始波