RC可調(diào)移相電路設(shè)計與研究

1、實(shí)驗(yàn)名稱 RC可調(diào)移相電路設(shè)計與研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.在設(shè)計過程與實(shí)驗(yàn)操作中，加深對電容元件以及電感元件移相功能的理解。2.設(shè)計移相電路并實(shí)現(xiàn)輸入、輸出電壓之間的相位差可調(diào)。3.自主構(gòu)思、策劃、安排、完成、總結(jié)一個電路設(shè)計及實(shí)踐的全過程，培養(yǎng)自己自主進(jìn)行電路設(shè)計的能力。二、總體設(shè)計方案或技術(shù)路線在電路理論基礎(chǔ)一書中我們學(xué)到過，電阻兩端電壓與流過電阻電流同相，電容兩端電壓的相位落后于流過電流的相位，而電感兩端電壓的相位則超前于流過電感兩端電流的相位/2。因此，可以通過對三種元件合理的選擇及組合，實(shí)現(xiàn)對輸入電壓的移相作用。三、實(shí)驗(yàn)電路圖實(shí)驗(yàn)一：電路圖如圖3.1所示： 圖3.1實(shí)驗(yàn)二：電路圖如圖3.2

2、所示：dcba圖3.2四、 儀器設(shè)備名稱、型號表1 實(shí)驗(yàn)所需儀器設(shè)備儀器設(shè)備名稱、型號數(shù)量交流電源（工頻、14V）1電容箱(可調(diào)范圍01.111µF)2電阻箱（可調(diào)范圍099999.9）2電感箱（可調(diào)范圍01H）1RIGOL DS5062CA 示波器1導(dǎo)線若干五、理論分析或仿真分析結(jié)果1.實(shí)驗(yàn)一：實(shí)驗(yàn)電路圖如圖3.1，畫出該電路圖各電壓的向量圖，如圖5.1B.ULURUsAC圖5.1 圖5.1由相量圖可直觀地看到，Us=UR+UL,B點(diǎn)永遠(yuǎn)在圓周上，隨著電阻R的增加，UR與Us的相位差在不斷減小，然而隨之帶來的問題是隨著電阻R阻值的不斷變化，輸出電壓的有效值卻也在時刻改變。

3、下面，我將從理論角度出發(fā)，證明由相量圖所得結(jié)論。設(shè)Us=Us0°則Uab=UR=UsRR+jL=UsR2-jRLR2+2L2=UsR2R2+2L2arctan(-LR)=Us11+2L2R2arctan(-LR)由推導(dǎo)公式可知，隨著R的增加，輸出電壓的有效值在不斷增大，其相位差也不斷減小，與相量圖分析相吻合。由于在多數(shù)情況下，我們需要輸出電壓值穩(wěn)定，僅能改變相位差。顯示，該電路達(dá)不到這樣的目的，為此，我設(shè)計了另一種方案，參見實(shí)驗(yàn)二。2實(shí)驗(yàn)二：實(shí)驗(yàn)電路圖如圖3.2，根據(jù)電路圖做出各電壓的向量圖，如5.2UbdUabUcbUSUadUca 圖5.2由向量圖可直觀地看到，無論電阻R如何變化

4、，輸出電壓Uab 僅僅改變與輸入電壓Us之間的相位差,而其有效值卻始終與輸入電壓Us相同。j下面，我將從理論角度出發(fā)，證明該電路輸出電壓有效值Uab總是不變。設(shè):Us=Us0°jRCUab=Ucb-Uca1-jRC=1jCR+1jCUs- RR+1jCUs=1-jRC1+jRCUs=Us-2arctanRC 圖5.2因此，理論分析與相量圖分析相吻合，輸出電壓有效值Uab=Us相等,輸出電壓相位差=-2arctanRC，因此，在輸入電壓頻率確定的情況下，可以通過改變R、C的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對輸出電壓相位的調(diào)節(jié)。六、詳細(xì)實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)驗(yàn)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）實(shí)驗(yàn)一：1.

5、按照圖3.1搭建電路，其中，電源取50Hz，14V交流電壓源，電感L取100mH，電阻用電阻箱接入。2.將電阻箱阻值同時按下表接入電路，將示波器接入ab兩端測量并計算在各個阻值下的最大值Uabm和相位(規(guī)定當(dāng)R=99999.9時，=0°)，并記錄在表2中。并觀察電阻箱阻值改變時，波形的移動狀況，并記錄于表3中表2 輸出電壓最大值測量結(jié)果R/00.11101001k10k99999.9Uabm/V0.050.070.1763.0412.417.017.818.0表3 相位差測量結(jié)果電阻箱取值R/一個周期水平方向的長度/ms波形對應(yīng)點(diǎn)移動的長度/ms相位差/度理論計算值0/度考慮電感箱內(nèi)

6、阻理論計算值1/度0203.0-54-90.00-32.120.1202.8-50.4-89.8-32.081201.8-32.4-88.1-31.6210201.4-25.2-72.4-27.62100200.6-10.8-17.4-11.821k2000-1.79-1.7110k2000-0.17-0.1899999.92000-0.02-0.02實(shí)驗(yàn)二：1.按照圖3.2搭建電路，其中，電源取50Hz，14V交流電壓源，兩電容C取1uF，電阻用電阻箱接入。2.將兩電阻箱阻值同時按下表接入電路，將示波器接入ab兩端測量Uab并計算在各個阻值下的最大值Uabm，并記錄在表4中，同時記錄Uab在

7、R=0,100,1k,2k,3k,4k,5k,99999.9下的波形于圖1中。并觀察電阻箱阻值改變時，相應(yīng)的輸出電壓與電源的相位差，并記錄于表5中。表4 輸出電壓最大值測量結(jié)果R/00.11101001k2kUabm/V18.018.218.217.918.218.018.1R/3k4k5k6k7k8k9kUabm/V18.017.918.018.218.017.918.2R/10k99999.9Uabm/V18.118.2表5 相位差測量結(jié)果電阻箱取值R/一個周期水平方向的長度/ms波形對應(yīng)點(diǎn)移動的長度/ms相位差/度理論計算值0/度0200000.12000-3.5×10-312

8、000-3.6×10-2102000-0.36100200.2-3.6-3.591k202.0-36-34.862k203.8-68.4-64.283k205.0-90-86.614k206.1-109.8-102.985k206.6-118.8-115.046k207.0-126-124.117k207.4-133.2-131.098k207.6-136.8-136.609k207.9-142.2-141.0410k208.1-145.8-144.6899999.92010-180-176.35圖1 Uab在各個阻值下的波形3.根據(jù)所測數(shù)據(jù)，做出 -R圖像圖2 -R圖像七、 實(shí)驗(yàn)結(jié)

9、論1.實(shí)驗(yàn)一：（1）經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該電路通過改變電阻箱R的阻值，可以實(shí)現(xiàn)相位差 在-30°0°可調(diào)移相功能，隨著電阻R的取值的不斷增加，輸出電壓與電源的相位差在不斷減小。（2）經(jīng)過觀察輸出電壓波形可得，隨著電阻箱阻值R的取值的不斷增加，輸出電壓的最大值也在不斷增加，當(dāng)R>>L時，輸出電壓最大值約等于電源電壓最大值。（3）當(dāng)電阻箱R取值很大時，實(shí)測相位差 才與理論計算值0相吻合，當(dāng)電阻箱R取值較小時，實(shí)測相位差 與理論計算值0出入很大。經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電感箱電感值L取100mH時，電感箱存在內(nèi)部電阻37.9，將其帶入計算，可發(fā)現(xiàn)理論計算值0與實(shí)測相位差 較為相符。后經(jīng)

10、查閱資料發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上，通常所用電感器內(nèi)部都有損耗電阻。一般情況下，電感器的電阻的影響一般是不能忽略的。因此，當(dāng)電阻箱R的取值較小時，電感器損耗電阻發(fā)揮主要作用，實(shí)測相位差 與理論計算值0出入很大，而當(dāng)電阻箱R的取值很大時，電阻箱R發(fā)揮主要作用，電感器損耗電阻可忽略不計，因此實(shí)測相位差 才與理論計算值0相吻合。由此可以得出，我們在設(shè)計移相電路時，若用到電感器，要考慮到電感器的損耗電阻，來確定可調(diào)相位差 的范圍。2.實(shí)驗(yàn)二：（1）經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該電路通過同時改變兩個電阻箱R的阻值（保證兩電阻箱阻值相等），可以實(shí)現(xiàn)相位差 在-180°0°可調(diào)移相功能，隨著電阻R的取值的不斷增加，輸

11、出電壓與電源的相位差在不斷減小。（2）經(jīng)過觀察輸出電壓波形可得，無論電阻箱阻值如何改變，輸出電壓的最大值始終與電源電壓的最大值相等。（3）實(shí)測相位差 與理論計算值0很相近。與電感移相電路結(jié)果不相似。經(jīng)查閱資料可知，實(shí)際上，電容器內(nèi)部同樣存在損耗電阻。但是，電容器的損耗電阻很小，標(biāo)準(zhǔn)電容箱的損耗電阻在低頻時接近于零，可以不必考慮。因此，在設(shè)計移相電路時，選擇電容器與電阻組合較好。八、實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題及解決對策1.實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)輸入電壓有效值不是14V，后經(jīng)過實(shí)測，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室輸出電壓峰值約為18V，有效值為12.7V。因此按照峰值18V進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和記錄。2.實(shí)驗(yàn)過程中，電感損耗電阻無法消除，考慮電

12、感箱內(nèi)阻重新計算并記錄數(shù)據(jù)。3.在實(shí)驗(yàn)二中，發(fā)現(xiàn)ab端和cd端無公共端，無法同時將兩個電壓波形輸入示波器，給計算相位差帶來困難，為了解決這一問題，只能分別向示波器中輸入ad和cd端電壓，計算出Uad與電源電壓之間的相位差，再用同樣的方法測出Ubd與電源電壓之間的相位差，再做差可計算出Uab與電源電壓之間的相位差。九、本次實(shí)驗(yàn)的收獲和體會、對電路實(shí)驗(yàn)室的意見或建議通過本次實(shí)驗(yàn)，我經(jīng)歷了一個電路實(shí)驗(yàn)從查閱資料，設(shè)計實(shí)驗(yàn)，到實(shí)際操作，數(shù)據(jù)分析整個過程。通過這整個過程，我發(fā)現(xiàn)，理論所取元件均是理想元件，在實(shí)驗(yàn)過程中，總會出現(xiàn)一些理論分析時考慮不到的因素。因此，我覺得在研究一個模型時，在理論分析和親手實(shí)

13、驗(yàn)同樣重要，在實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)一些問題，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，總結(jié)與理論有偏差的因素所在，這樣才能研究清楚一個真正的模型。建議實(shí)驗(yàn)室能夠提供可調(diào)交流電源，以及多種電感值的電感，方便同學(xué)們進(jìn)行試驗(yàn)。十、參考文獻(xiàn)1 劉冬梅. 電路實(shí)驗(yàn)教程. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013：13-68.2 陳希有. 電路理論基礎(chǔ). 北京：高等教育出版社，2013：82-100.3 范世貴. 電路分析基礎(chǔ). 西安：西北工業(yè)大學(xué)，2010：200-212RC可調(diào)移相電路設(shè)計與研究原始數(shù)據(jù)記錄實(shí)驗(yàn)一：表2 輸出電壓最大值測量結(jié)果R/00.11101001k10k99999.9Uabm/V0.050.070.1763.0412

14、.417.017.818.0表3 相位差測量結(jié)果電阻箱取值R/一個周期水平方向的長度/ms波形對應(yīng)點(diǎn)移動的長度/ms相位差/度理論計算值0/度考慮電感箱內(nèi)阻理論計算值1/度0203.0-54-90.00-32.120.1202.8-50.4-89.8-32.081201.8-32.4-88.1-31.6210201.4-25.2-72.4-27.62100200.6-10.8-17.4-11.821k2000-1.79-1.7110k2000-0.17-0.1899999.92000-0.02-0.02實(shí)驗(yàn)二：表4 輸出電壓最大值測量結(jié)果R/00.11101001k2kUabm/V18.018.218.217.918.218.018.1R/3k4k5k6k7k8k9kUabm/V18.017.918.018.218.017.918.2R/10k99999.9Uabm/V18.118.2表5 相位差測量結(jié)果電阻箱取值R/一個周期水平方向的長度/ms波形對應(yīng)點(diǎn)移動的長度/ms相位差/度理論計算值0/度0200000.12000-3.5×10-312000-3.6×10-2102000-0.36100200.2-3.6-3.591k202.0-