第11章电路的频率响应

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2013年7月5日星期五 8
串联谐振可能会在L、C上引起高电压。
所以串联谐振又称为电压谐振。 串联谐振引起的高电压在无线电等工程领 域十分有用。例如,用来选择接收信号。 但是在电力工程中,输送的电压已经很高, 发生串联谐振可能会击穿L和C的绝缘,造 成设备损坏。
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例:某收音机的输入回路如图, L=0.3mH,R=10W,为收到中央 电台560kHz信号,求调谐电容C 值;若输入电压为1.5mV,求谐 振电流和此时的电容电压。 解:由串联谐振的条件得 1 C= = 269pF 2L (2pf0) I0 = U = 1.5 =0.15mA R 10 UC = I0 1 =158.5mV >1.5mV w0C 电路的Q值约106。
. I R +
jwL
US -
.
+ U - + UL R .+ UC -
.
.
1 jwC
为便于在同一个尺度下比较,横坐标以w0为基值: w 即以 h = w 为坐标。 显然,电路在h =1处谐振。
这样绘制的频率响应曲线称为通用曲线。
1. 以电阻电压作为输出变量 . UR(jw) R = 网络函数 HR(jh)= . Z(jw) US(jw)
若谐振发生在并联电路, . IS + 则称为并联谐振。 . U 谐振的定义和分析过 程与串联电路相同。
. I
. IG
G
. IL 1 jwL
. IC jwC
电路的导纳为 1 ) wL w0C- 1 =0 1. 谐振条件 w0L w0 = 1 谐振频率 LC Y(jw)=G+j(wC2013年7月5日星期五
4Q 谐振峰值
|HC(jhC2)| =
Q 1- 1 2 4Q
>Q
0.5 o 1
Q<0.707
1 当 Q> 时,有峰值。 2 Q 越高, hC2越靠近1,峰值频率越靠近谐振频率。
hC2
h
|HC(jhC2)|的分母小于1,故谐振峰值>Q。 低通函数,具有低通滤波特性。
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= 1 令|HC(jh)| 2
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BW2 Q1
o 1 BW1
h
实践中要视具体情况 兼顾两方面的要求。
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2. 以电容电压作为输出变量 . UC(jh) -jQ HC(jh) = . = US(jh) h + jQ (h2-1) . . UC(jh) 滞后 UR(jh) 90o,相频特性的分析从略。
幅频特性:
总能量是常量,不随时间变化,正好为最大值。
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电感、电容储能的总值与品质因数的关系为:
L I2(jw0) |QL(jw0)| |QC(jw0)| Q= =w0 = = 2(jw ) R P(jw0) RI P(jw0) 0
w0L
= 2p
L I2(jw0)
T0 R I2(jw0)
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. I1(jw) +. U1(jw) -
. I2(jw)
无源 网络
.+ U2(jw) -
ZL
2
根据激励、响应是电压 或电流,输入或输出, 网络函数有多种类型: . U2(jw) 为转移 H(jw) = . U1(jw) 电压比; . U2(jw) 为转移 H(jw) = . I1(jw) 阻抗; . I2(jw) 为转移 H(jw) = . U1(jw) 导纳; . I2(jw) 为转移 H(jw) = . I1(jw) 电流比;
(5) 谐振时的能量关系 设 i =Imcosw0t 则 uC=UCmsinw0t=Imw0Lsinw0t 电感储能 wL(jw0) = 1 Li2 = LI2cos2w0t 2 2 电容储能 wC(jw0) = 1 CuC =LI2sin2w0t 2 电场能量和磁场能量作周期振荡性的 能量交换,且最大值相等。 能量总和:W(jw0) =WL(jw0)+WC(jw0) = LI2(jw0) =CUC2(jw0) =CQ2US2
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1 Z(jw)=R+j w LwC
|Z(jw)|
|Z(jw)|频响曲线
. I +
R
jwL
US -
.
+ UR - + UL .+ UC -
.
.
1 jwC
X(w)
R
电流的特性
w
|I(jw0)| |I(jw0)|
o
w0
XC= - 1 wC
US |I(jw)| = |Z(jw)|
h
具有选择w0附近信号的能力,称工程上称选择性。 Q值越大,曲线在w0附近的形状越尖锐。w 稍有
偏移,输出就急剧下降,说明选择性越好。
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通频带(或称频带宽度)的概念 工程上规定:频率升高或 降低,使曲线下降为原来 的0.707倍时所对应的频率 分别为上截止频率wj2和下 截止频率wj1。
|HC(jh)| =
Q2
h2 + Q2 (h2-1)2
hC2= 1- 1 2
4Q 峰值为
用数学的方法绘制曲线: d|HC(jh)| 令 =0 求得: dh
出现峰值时的频率为
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|HC(jhC2)| =
Q
1- 1 2 4Q
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出现峰值时的频率
HC(jh)
Q>>1 1.0
hC2= 1- 1 2 <1
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I0 C
R L + u2 收音机 的接收 回路
+ u(f0) -
+ u(fn) -
为提高电路的Q 值,中波段的L 常采用多股漆包 线绕制,短波段 常采用单股镀银 导线绕制而成。
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(4)谐振时功率关系 有功功率为: P(jw0)=US I(jw0) = I2(jw0)R 即电源向电路输送电阻消耗的功率, 电阻功率达最大。 无功功率为: Q(jw0)=QL(jw0) + QC(jw0) 1 2 =w0LI2(jw0)I (jw0)=0 w0C . C 即电源不向电路输送 L I 无功,电感中的无功 + Q 与电容中的无功大小 . R US 相等,互相补偿,彼 P 此进行能量交换。 2013年7月5日星期五 11
可求出上截止频率:
R + uS -
L + uC HC(jh) HL(jh)
C
wj≈1.55w0。
通频带0~wj。
3. 以电感电压作为输出变量 |HL(jh)|与|HC(jh)|镜像对称。 1.0 分析过程同上。
0.707 0.5
Q>>1 1 wj
o
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h
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§11-4 RLC并联谐振电路
.
.
1 jwC
US 谐振时的相量图 UL(jw0) = w0LI(jw0)=w0L = QUS R . . UR 1 I(jw ) = 1 US = QU UL UC(jw0) = 0 S w0C w0C R w0L Q= = 1 = 1 L . . . R C R w0CR US UC I UL(jw0) UC(jw0) = = w0L = 1 >R,Q>1 US US w0C 为谐振电路的品质因数。 UL(jw0) =UC(jw0)>US
谐振时电路中磁场总储能 谐振时一周期电路消耗的能量
即品质因数 Q 是反映谐振回路中电磁振荡程度的
量。Q 越大,总的能量就越大,维持一定量的振 荡所消耗的能量愈小,振荡程度就越剧烈。则振 荡电路的“品质”愈好。一般应用于谐振状态的 电路希望尽可能提高 Q 值。
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§11-3 RLC串联电路的频率特性 保持输入信号uS的幅度不 变,只改变w,分别以R、 L、C上的电压为输出,这 些网络函数的频率特性就 是电路的频率响应。
|I(jw)| R1< R2
R1
w<w0 ,X为容性电抗。 w>w0 ,X为感性电抗。 w=w0 ,X=0。
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o
w0
R2
w
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(3) 内部出现过电压现象
虽然谐振时电抗电压 但U UX(jw0)=0, L(jw0)
+
. I
R
jwL
US -
.
和UC (jw0)分别不为零:
+ UR - + UL .+ UC 相当于短路 -
3
§11-1 RLC串联电路的谐振 引言:一个含有RLC的无源一端口,其端电压u与 输入电流 i一般是不同相的。如果改变C 或L 或电 源频率 f,使端口电压和电流达到同相,则电路 中就发生了谐振现象,简称谐振。(谐振的定义)
谐振可以发生在串联电路中,也可以发生在并联 电路中,当然,在混联电路里也会发生谐振。
谐振是正弦交流电路中可能发生的一种现象,在 在无线电和电工技术中,一方面获得了广泛的应 用,另一方面又可能产生危害。 研究谐振的现象目的是掌握它的规律,在需要时 加以利用,在产生危害时设法预防。
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1. 串联谐振的条件
. I +
R
jwL
若谐振发生在串联电路 中,就称为串联谐振。 因为 Z=R+j(XL+XC)
所以当 XL+XC = 0 时 Z=R 电流与电压同相。 wL = 1 谐振条件 wC w0 = 1 谐振频率 LC 1 或 f0 = 2p LC
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US -
.
+ U - + UL R .+ UC -
.
.
1 jwC
谐振频率仅由电路参数 决定,这是电路的固有 性质。因此谐振频率又 称固有频率。 每一个RLC串联电路, 只有一个固有频率,由 L、C决定,与R无关。
5
如果电路不满足谐振条件,通常称为失谐。 而使电路产生谐振的方法叫做调谐。 根据谐振频率表达式可知,调谐的方法有: (1) L、C 不变,改变 f ,可用于L或C的测量; (2) 电源频率f 不变,改变L 或 C ( 常改变 C ) , . jwL 常用于选择信号。 R I . . 1 + + U - + UL 2. 谐振时的特征 . R .+ jwC US (1)电路端口电压与端口 UC 电流同相位; (2)输入端阻抗 Z(jw0)=R 最小,且呈纯电阻。电路 |US(jw0)| 中的电流达到最大; |I(jw0)| = R
(wj2-wj1)称为通频带。
1.0
HR(jh) Q1>Q2
0.707 0.5
BW2 Q1 o
Q2
hj1 1 hj2
h
按上述规定: 1 = 1 2 1+ Q2(h - 1 )2
1 Q(h - h ) =±1 解之得到 BW=hj2 -hj1= 1 Q
h

Q2(h
1 - h )2 = 1
BW=wj2 -wj1=
或 f0 =
1
2p LC
f0 是电路的固有 频率,由L、C 决定,与G无关。
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2. 并联谐振的特征 (1)电路端口电压与端口 电流同相位;
. IS
. I
(2)输入端阻抗 Y(jw0)=G 最小,且呈纯阻性。或者电路的阻抗达到最大; (3)电源电压U一定时,总电流 I 最小; 谐振时的相量图 . 但是,若采用电流源供电(或提 IG . IC 供信号),由于电路的抗阻达到 最大,所以端口处电压U 最高。
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0ຫໍສະໝຸດ Baidu
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HR(jh) 分析幅频特性: h =1 (w=w0):电流或电压 1.0 出现最大值; h <1和h >1 (偏离谐振点w0), 0.5 曲线逐渐下降。 只有在w0附近 (h1~h2),才 o 1 有较大的输出幅度。
Q1>Q2
Q2 Q1
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. I1(jw) +. U1(jw) -
. I2(jw)
无源 网络
.+ U2(jw) -
ZL
若激励与响应在同一端口: . U1(jw) 为输入 H(jw) = . I1(jw) 阻抗。 . I1(jw) 为输入 H(jw) = . U1(jw) 导纳。
网络函数不仅与电路结构、 参数有关,还与输入输出 变量的类型及端口对的相 互位置有关。
第十一章 电路的频率响应
学习要点 网络函数的定义与含义; 串、并联谐振的概念,参数选定及应用情况;
Bode图
重点与难点 谐振的概念、频率响应。 与其它章节的联系 第九、十章的继续
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§11-1 网络函数
到目前为止,在正弦电路分析中,电源的频率都是 常数。本章将分析电源频率的变化对电路中电压和 电流的影响,分析结果就是频率响应。 电路和系统的工作状态随频率而变化的现象,称 为电路和系统的频率特性,或频率响应。 为描述频率特性,需要建立输入变量与输出变量之 间的函数关系,这一函数关系称为网络函数。 网络函数定义为: . Rk(jw) H(jw) = . Esj(jw)
w0
Q
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BW=wj2 -wj1=
w0
Q
Q越大,BW越窄,选择性越好。
HR(jh) 1.0 0.707 0.5 Q1>Q2 Q2
从提高抗干扰能力和选 择性的角度出发,谐振 曲线越尖锐越好,因此 应尽量提高Q值。
从减少信号失真的观点 出发,要求通频带有一 定宽度,而且在通频带 范围内谐振曲线平坦一 些为好,因此又不希望 Q值太高。
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