电路原理实验日志

5
2010——2011 春学期电路原理实验日志
参数选取如下：C=0.01uF，C1=0.0015uF，R1=4.28Ω，R2=4.57Ω，R3=5.49Ω，设计 的低通滤波器截止频率为 6kHz，增益为 2。 Multisim 仿真电路图如下：
用交流扫描观测出当输出电压幅值下降为输入电压幅值的 0.707 倍时的输入电压频率， 即为该低通滤波器的截止频率。 仿真结果如下：
8
2010——2011 春学期电路原理实验日志
仿真分析：从图中可以看出，输出电压的波形与带通滤波器输出电压波形恰好相反，在 3.8kHz~15.3kHz 之间，输出电压较小，即受阻，因而可知，该电路是一个带阻滤波器，对频 率在 3.8kHz~15.3kHz 之间的信号有阻隔作用。 日期： 2011.3.5 在上周完成了实验的相关理论推导和仿真后,本周我们正式开始进行实验。由于实验课 时间有限， 今天的实验我们只完成了移相器和滤波器的实验内容， 负阻和回转器实验暂时未 能进行。同时，本次实验过程中出现了不少事先没有预料到的问题和现象，仍有待我们课后 及下次实验时继续思考和探究。 实验内容一：移相器 本次实验要求分别利用无源和有源元件，设计一个幅值不变的 0～180°(-180°)相移 电路。 1 ）无源移相器 1.设计电路如下：
参数选取如下：C=0.01uF，C1=0.005uF，R1=1.5kΩ，R2=9.38kΩ，截止频率为 10kHz， 增益为 2。 Multisim 仿真图如下：
用交流扫描观测出当输出电压幅值下降为输入电压幅值的 0.707 倍时的输入电压频率， 即为该高通滤波器的截止频率。 仿真结果如下：
仿真结果分析： 由交流扫描结果可知，当输出电压幅值下降为输入电压幅值的 0.707（-3dB）倍(图中 输出电压最大值为 2.003V),即 1.4002V 时，对应的输入电压频率为 10.0609kHz，近似为 10kHz，基本满足设计要求。 ③ 带通滤波器和带阻滤波器 将上述高通滤波器和低通滤波器级联， 可得到一个带通滤波器； 将高通滤波器和低通滤 波器输出波形相加，可得一个带阻滤波器：
仿真结果分析： 由交流扫描分析结果显示( 图中坐标) 可知，当输出电压幅值下降为输入电压幅值的 0.707（-3dB ）( 图中输出电压最大值为 2.0023)倍 ,即 1.4V 时，对应的输入电压频率为 5.9940kHz，近似为 6kHz，基本满足设计要求。 ② 高通滤波器
6
2010——2011 春学期电路原理实验日志
2010——2011 春学期电路原理实验日志
2010——2011 春学期电路原理实验日志
日期： 2011.2.25 由于今天是本学期第一次实验课，相关的实验器材还未准备齐全，因此，课上主要内容 是接下来几周所要进行的相关实验的原理分析和实验要求。 首先，对上课学期的实验课做下总结： 经过上个学期的电路原理实验学习，我们对这门动手能力与理论推导要求都比较高的 实验课基础课已经较为熟悉， 也渐渐能够体会到通过做实验来巩固理论知识的实验价值。 上 课学期的电路原理实验有些地方我还有待提高， 在实验前未能很好的应用所学电路原理的理 论知识对实验原理进行较深入的分析，导致有些实验做的有些“茫然” 。因此，本学期的实 验课，应当加强理论分析结合实践的实验方法，全面提高动手能力与创新能力，为今后的科 研课题打下基础。姚老师很善于调动我们的思维，我们也应该更多的与老师沟通交流，发现 问题，产生困惑的时候要及时与老师探讨。总之，这是一门实践课，有许多未知等待我们去 发现，所以我们要充分发挥实验探索的能力，发现问题，解决问题，学好电路原理实验这门 课。 接下来几周的实验内容主要有：移相器和滤波器及负阻和回转器。为了对实验原理有 更透彻的了解， 加之本周器材为准备齐全， 我们这周的主要内容是熟悉各个实验的主要原理， 在进行适当的理论推导的基础上， 进行实验仿真分析， 结合仿真结果进一步对实验内容进行 思考，总结出实验时应当注意的地方，发现并记录相应的问题，在实际实验进一步思考。 下面进行实验理论推导及 Multisim 仿真： 一． 移相器 移相器是一种能够对波的相位进行调整的装置。在实验室里主要可以都过搭建简单的 无源移相电路或者利用运放搭建有源移相电路来实现移相器的功能： ① 无源移相器 本次实验设计的是一个能够实现幅值不变的 0°~180° （或-180°） 相移的移相器电路， 具体电路图如下：
4
2010——2011 春学期电路原理实验日志
1） 电位器滑片置于 0% 时的仿真结果( 输出电压与输入电压同相位)
2） 电位器滑片置于 50%时的仿真结果(输入电压相位超前)
3 ）电位器滑片置于 100%时的仿真结果( 输出电压与输入电压反向)
仿真结果分析： 由以上仿真结果可知，有源移相器同样可以实现输出电压相位 0°到-180°的变化， 随着电位阻值的增大，输出电压相位逐渐滞后输入电压，同时，由于参数选取 R1=R2，因此 可知输出电压幅值与输入电压幅值大小相等，由仿真结果也验证这一点（图中 U 入=U 出 =14.14V） ，与设计要求相符。 二． 滤波器 滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率 成分。按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种： 低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声； 高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量； 带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪 声； 带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。 ① 低通滤波器
电感式移相器仿真结果(输入电压和输出电压反向)
仿真结果分析： 由上面的仿真波形可知，对于电感式移相器，随着电位器滑片位置的变化，即随着 电位器阻值的增大，输出电压波形相位逐渐超前输入电压：当电位器阻值为 0 时，输出 电压与输出电压同相位；而当电位器阻值增大到 2kΩ时，输出电压已经超前输入电压 180°（实际上阻值约为 1.2k 时已经可以实现 180°相移） 。同理，对于电容式移相器， 随着电位器阻值增大， 输出电压逐渐滞后输出电压， 即调节电位器可以实现 0°~-180° 相移。同时，有测量功能还可以观测到，随着电位器阻值的改变，输出电压的峰峰值大 小始终保持不变，即经过减法得到的波形的 Vp-p 始终为 Vp-p=7.07V（见上图） ，即满足 输出电压幅值不变的设计要求。 ② 有源移相器 利用集成运放，可以搭建有源移相电路，同样可以实现 0°~180°（或-180°）相 移，电路如下：
9
2010——2011 春学期电路原理实验日志
电位器阻值从 0 开始逐渐增大，记录下的电位器阻值为 0Ω，500Ω和阻值为 2kΩ时输 入输出电压波形如下：
R=0Ω时，输出电压与输入电压波形同相 输出电压 Vp-p=7.38V
R=500Ω时，输入电压相位超前输入电压 输出电压 Vp-p=7.23V
1）电容式移相器（0°~-180°） 2）电感式移相器（0°~180°） 其中，R1 与 R2 的参数选择需满足 R1=R2（这样才能实现输出电压幅值不变） 。其余 参数根据实验时的具体情况配置，以能观察到较为理想的实验现象为佳。 移相器功能实现的理论推导如下（以电感式为例） ：
1
2010——2011 春学期电路原理实验日志
7
2010——2011 春学期电路原理实验日志
带通滤波器 Multisim 仿真图如下：
带阻滤波器
带通滤波器 ① 带通滤波器仿真结果:
带阻滤波器
仿真分析：从结果可以看出输出电压对应的下限频率约为 3.9kHz ，上限频 10.7Hz ，中心 频率 6.4586kHz ，带宽 6.5kHz ，可见该电路是一个带通滤波器，但是显然上限截止频率与与 原先高通电路和低通电路的截止频率并不对应了，这主要是两级级联后会相互影响。 ② 带阻滤波器扫描结果:
如左上电路图，以电压源为参考相量, 画出相量图由图中向量关系可知： 输出电压 U=UL-UR1, ，即 U 是一个以 Us 中点（由于 R1=R2）为起点的向量，方向从 0°变化 到 180°，而幅值始终不变，因而与设计要求相符。 进一步分析可知，电阻从小增大，相角从 0 开始增大：电阻在 0~∞变化时, 输出电压 相位在 0°~180°变化. 若电感改为换为电容，则输出电压相位在 0 ~ -180°变化。 Multisim 仿真电路图如下：
0°~-180°有源移相器 2.参数选择：
0°~180°有源移相器
取 R1=R2=1kΩ，可使得输出电压与输入电压幅值相同，电容 C=1uF，电位器可选择 1kΩ 或者 10kΩ。
10
2010——2011 春学期电路原理实验日志
3.实验步骤： 按上述电路图（左侧电路图）搭建好电路后，信号源接 5V，1kHz 正弦波，调节电位器 r 滑片位置，示波器的 CH1 和 CH2 分别接图中的输入电压端和运放输出端,其中 CH1 通道测得 的即为输入电压波形， CH2 测得的为输出电压波形,观察记录电位器阻值从 0 逐渐增大的过 程,输出电压与输入电压相位差的变化情况。 4.实验波形记录：
电感式移相器仿真图
电容式移相器仿真图
波形观测时，示波器的 X 通道接在 R1 和 R2 之间，观测等效的输入电压波形（相位与 输入电压相同，幅值是输入电压的一半） ，Y 通道接在电感（或电容）与电位器之间，用示 波器做减法，即 X-Y，可观测输出电压波形。调节电位器滑片位置，分别记录输入输出电压 的相位关系进行分析。 仿真结果如下： 1. 电位器滑片置于 0%时的仿真结果：
3
2010——2011 春学期电路原理实验日志
0°~-180°有源移相器
0°~180°有源移相器
其中，取 R1=R2，可使得输出电压与输入电压幅值相同。 理论推导过程如下:
若调换 R 和 C 的位置，则可实现相位超前。 Multisim 仿真电路图如下：
用示波器 X，Y 通道分别观测输入电压和输出电压（即运放号脚）波形，调节电位器滑片， 观测波形相位变化，进行分析。 仿真结果如下：