RC電路設(shè)計(jì)和特性測(cè)試

1、學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告開課學(xué)院及實(shí)驗(yàn)室： 機(jī)械與電氣工程學(xué)院/電子信息樓202 2012年12月28日學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院年級(jí)、專業(yè)、班11電氣1班姓名學(xué)號(hào)實(shí)驗(yàn)課程名稱電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)成績(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱RC電路設(shè)計(jì)和特性測(cè)試指導(dǎo)老師一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）總結(jié) RC電路的應(yīng)用，為相關(guān)課程學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。（2）設(shè)計(jì)波形變化電路，將方波變換成三角波和正弦波。（3）了解有關(guān)RC積分電路和濾波電路的分析方法，通過仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真運(yùn)行，然后在實(shí)驗(yàn)室搭建波形變換電路并對(duì)其變換結(jié)果進(jìn)行觀察和測(cè)試。二、實(shí)驗(yàn)原理RC電路，就是電阻 R和電容 C串聯(lián)組成的一種分壓電路，輸入電壓加于 RC串聯(lián)電路兩端 ，輸出電壓取自于R或C。

2、由于電容C的充放電性質(zhì)，對(duì)于不同的輸出電壓取法，輸出則呈現(xiàn)出不同的頻率特性。由此 RC電路在電子電路中作為信號(hào)的一種傳輸電路，可根據(jù)不同需要 ，在電路中實(shí)現(xiàn)耦合、相移、濾波等功能，并且在階躍電壓作用下，還能實(shí)現(xiàn)波形的轉(zhuǎn)換、產(chǎn)生等功能。如何選取電路結(jié)構(gòu)及其元件參數(shù)，使 RC電路成為電路中信號(hào)傳輸?shù)臉蛄?、波形變換的轉(zhuǎn)換器以及選取有用信號(hào)的濾波器，是本次實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)。2.1 RC積分電路如圖8-1所示，電阻R和電容C串聯(lián)接入輸入信號(hào)VI，由電容C輸出信號(hào)V0，當(dāng)時(shí)間常數(shù)RC數(shù)值與輸入方波寬度tw之間滿足：tw，這種電路稱為積分電路。在電容C兩端（輸出端）得到鋸齒波電壓，如圖8-3所示。圖8-1 RC積

3、分電路圖8-2 與T的比較圖（1）t=t1 時(shí)，VI 由0Vm ，因電容電壓不能突變，VO=VC=0。(2)t1ttw ，電容充電非常緩慢，VC上升很小近似線性， VCVR，所以VI=VR+VCVR=iR=Vm ，iVm/R ，因而；可見輸出信號(hào)VO(VC)與輸入信號(hào)VI(Vm)的積分成正比。（3）t=t2時(shí)，VI由Vm0，相當(dāng)于輸入端被短路，電容原先充有左正右負(fù)電壓VI(VItw是本電路必要條件，因?yàn)槊}沖上升K沿來到時(shí) ,電容通過電阻 R充電，遠(yuǎn)沒有充滿，即剛經(jīng)過充電曲線的起始部分,脈沖下降沿來到,電容又開始放電，遠(yuǎn)沒有放完，又在上升沿作用下充電，由此在電容上得到隨時(shí)間近似成線性變化的鋸齒波

4、電壓，即輸出電壓與輸入電壓的積分成正比，避免了電容電壓出現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定電壓值，由此得名積分電路。而且越大，鋸齒波就越接近三角波。輸出波形是對(duì)輸入波形積分運(yùn)算的結(jié)果，這是突出輸入信號(hào)的直流及緩變分量，降低了輸入信號(hào)的變化量。2.2濾波電路濾波器是一種使所需頻率信號(hào)順利通過，而對(duì)無用頻率信號(hào)起抑制和衰減作用的電子電路（狹義）。（1）預(yù)備知識(shí)現(xiàn)實(shí)中的通信和電子電路，傳輸?shù)拇蠖际蔷哂性S多不同頻率的正弦信號(hào)，或占據(jù)一定頻帶寬度的電信號(hào)。在包含電容或電感的電路中，電路響應(yīng)會(huì)隨著電源頻率變化而相應(yīng)變化，此即頻率響應(yīng)。電路的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)定義為電路的響應(yīng)（輸出）與激勵(lì)（輸入）之比，即 其中為響應(yīng)，為激勵(lì)，二者是電壓或電

5、流向量。一般含動(dòng)態(tài)元件（電容或電感）電路的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)為頻率的復(fù)函數(shù)，所以上式又可表示為： 式中，部分為網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的模，是響應(yīng)與激勵(lì)向量的模之比，是的輻角，是響應(yīng)與激勵(lì)向量的相位差。網(wǎng)絡(luò)函數(shù)與角頻率或f之間的關(guān)系稱為電路（網(wǎng)絡(luò)）的頻率響應(yīng)，包括幅頻特性和相頻特性，可分別以和曲線表示。通常將的頻率范圍稱為濾波器的通頻帶(passband)，的頻率范圍稱為濾波器的阻帶 (stopband)，二者的邊界頻率稱為截止頻率(outoff frequency)或截止角頻率，用fc或c表示，此時(shí)電路的輸出功率是最大輸出功率的一半，故又稱c為半功率點(diǎn)。按頻率響應(yīng)通帶的位置可將濾波器劃分為低通(lowpass)、高通

6、(highpasss)、帶通(bandpass)、帶阻(bandstop)和全通(allpass)濾波器。（2）RC濾波電路常見濾波電路的基本組成部分是一個(gè) RC電路，由于電容阻低頻通高頻的性質(zhì)，當(dāng)輸出電壓取自于電阻時(shí)，它就是一個(gè)高通濾波器；當(dāng)輸出電壓取自于電容時(shí)，它就是一個(gè)低通濾波器。常見由RC組成的無源濾波電路中，根據(jù)電容的接法及參數(shù)大小主要可分為低通濾波電路和高通濾波電路。圖16-6 低通濾波電路（4）低通濾波電路將阻容R、C串入電路，通過電容C將高頻導(dǎo)入地，通過C輸出形成一階RC低通濾波電路，由分壓公式知頻率響應(yīng)為其中，c=1/RC為截止頻率，幅頻特性和相頻特性分別為由頻率響應(yīng)曲線知，

7、頻率較低時(shí)，網(wǎng)絡(luò)函數(shù)幅值較大；頻率變高時(shí)，網(wǎng)絡(luò)函數(shù)隨著變化而衰減。這表明，在輸入電壓有效值保持不變的前提下，頻率較低時(shí)，輸出電壓UC較大，從傳輸方面來看，表明低頻信號(hào)較容易通過；輸出電壓UC隨著頻率增加而減小，表明高頻信號(hào)產(chǎn)生較大衰減，故此電路稱為低通濾波器（無源一階低通濾波器）。實(shí)際上，此電路的頻率響應(yīng)曲線與理想低通特性有著明顯的差異，實(shí)際濾波器設(shè)計(jì)中，應(yīng)使幅頻特性在通帶內(nèi)盡可能平坦，從通帶到阻帶的過渡盡可能陡峭，在阻帶內(nèi)幅頻特性趨于零，濾波器設(shè)計(jì)是一門科學(xué)，本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容僅供入門參考。在上述低通濾波電路輸出端再加上一個(gè)電壓跟隨器，使之與負(fù)載很好地隔離開來，就構(gòu)成了一個(gè)簡(jiǎn)單的一階有源低通濾波電路

8、。由于電壓跟隨器的輸入阻抗很高、輸出阻抗很低，輸出阻抗似戴維南等效電阻RO, 對(duì)于輸出為電壓信號(hào)的放大電路，RO越小，因此，其帶負(fù)載能力很強(qiáng)（RO越小，負(fù)載電阻RL的變化對(duì)輸出電壓的影響越小，對(duì)供電電源的線路能耗就越低）。（4）低通濾波與積分電路的區(qū)別電容都是并在輸出端，跟積分電路有些相似，但他們用于實(shí)現(xiàn)不同的電路功能，積分電路主要是利用電容充電時(shí)的積分作用，在輸入方波情形下，來產(chǎn)生周期性的鋸齒波（三角波），因此電容C及電阻R是根據(jù)方波的tw來選取，而低通濾波電路，是將較高頻率的信號(hào)旁路濾除（因?yàn)閄C=1/(2fC)，f較大時(shí)，XC較小，相當(dāng)高頻信號(hào)短路于地，高頻部分被濾除），因此電容C的值是

9、參照低頻值來定， 對(duì)于電源的濾波電路，理論上C值越大越好。圖8-7 高通濾波電路（5）高通濾波電路圖8-7的高通濾波電路與微分電路或耦合電路形式相同。模擬電路中，選擇恰當(dāng)?shù)碾娙軨值，就可以抑制或衰減低頻信號(hào)，而有選擇地讓較高頻的信號(hào)通過，如高音喇叭串接的電容，就是阻止中低音進(jìn)入高音喇叭，以免燒壞。另一方面，在多級(jí)交流放大電路中，這也是一種交流耦合電路，只使交流分量基本無損失的輸入到下一級(jí)電路中。高通濾波可參照低通濾波分析，非本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)不做過多介紹。三、濾波器的應(yīng)用實(shí)例“去加重”和“預(yù)加重”電路在電視廣播中，伴音采用調(diào)頻方式傳送。用調(diào)頻方式傳送音樂，其音質(zhì)、音域都比調(diào)幅好得多，還具有較強(qiáng)

10、的抗干擾能力。但采用調(diào)頻方式存在著一定的問題，即調(diào)制信號(hào)的高頻成分抗干擾能力比低頻成分差，傳輸過程中高頻成分的信噪比（SNR，Signal to Noise Ratio）將變差。為解決這一問題，在發(fā)送調(diào)頻信號(hào)時(shí)，將調(diào)制信號(hào)高頻分量的振幅預(yù)先給予提高，稱為“預(yù)加重”，這樣可以加大頻偏，提高其抗干擾能力。在接收端則需將解調(diào)后得到的音頻信號(hào)的高頻分量加以衰減，以恢復(fù)發(fā)送端原來的情況，這種做法稱為“去加重（de-emphasis）”。只要電路參數(shù)選擇得當(dāng)，便可以取得良好效果，這一原理也常常應(yīng)用于CD唱片的錄制和回放過程中以提高信噪比。預(yù)加重功能可由RC高通濾波電路實(shí)現(xiàn)，它對(duì)高頻信號(hào)衰減較小，而對(duì)低頻信號(hào)衰減很大，即通高頻，阻低頻，相對(duì)而言，音頻信號(hào)中的高頻部分得到了提升。去加重電路為了將解調(diào)后的音頻信號(hào)還原，必須對(duì)其高頻部分進(jìn)行衰減，所以去加重電路為低通濾波電路，時(shí)間常數(shù)應(yīng)與預(yù)加重電路相同。三、實(shí)驗(yàn)步驟（1）本實(shí)驗(yàn)首先采用Mulisim設(shè)計(jì)和仿真，實(shí)驗(yàn)用方波激勵(lì)源（2000Hz），電阻和電容型號(hào)根據(jù)需要自選，要求根據(jù)上次實(shí)驗(yàn)課所學(xué)RC電路、濾波器和積分電路知識(shí)，選擇適當(dāng)元件參數(shù)，完成方波到三角波和正弦波的轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)出波形轉(zhuǎn)換電路，并通過虛擬示波器觀察