關(guān)于RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

張學(xué)文，司佑全

( 湖北師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 黃石 435002)

關(guān)于RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

張學(xué)文，司佑全

( 湖北師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 黃石 435002)

RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)特性觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中，普遍采取的方法是在實(shí)驗(yàn)過程中，每改變一次頻率時(shí)，都要調(diào)節(jié)信號(hào)源輸出幅度，致使學(xué)生很難在有限的學(xué)時(shí)里完成幅頻特性和相頻特性的測(cè)量。通過在信號(hào)源和RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)之間加入由集成運(yùn)放組成的電壓跟隨器，使得凈輸入信號(hào)幅值基本保持不變，避免信號(hào)源頻率增大時(shí)引起RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)電路幅值減小，提高了實(shí)驗(yàn)的效率。

RC網(wǎng)絡(luò); 幅頻特性; 相頻特性

RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)是電路分析中的一個(gè)重要電路[1]，該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，被廣泛應(yīng)用于低頻振蕩電路中作為選頻環(huán)節(jié)，可以獲得很高純度的正弦波電壓[2]。在實(shí)際觀測(cè)RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性實(shí)驗(yàn)中，改變信號(hào)觀測(cè)頻率時(shí)，要求保持信號(hào)源接入電路后的輸出電壓大小不變(即凈輸入電壓不變)，而實(shí)際信號(hào)源的輸出電壓大小與頻率大小的改變有一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系。在通常的RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)特性觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中，普遍采取的方法是在實(shí)驗(yàn)過程中，每改變一次頻率時(shí)，都需要調(diào)節(jié)信號(hào)源輸出幅度，致使學(xué)生很難在有限的學(xué)時(shí)里完成幅頻特性和相頻特性的測(cè)量。能否采取一定的方法，使得實(shí)驗(yàn)過程中RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的輸入信號(hào)幅值基本保持不變？本文通過在信號(hào)源和RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)之間加入由集成運(yùn)放組成的電壓跟隨器可很好地解決了這一問題，提高實(shí)驗(yàn)效率。

1 電路理論分析

如圖1所示電路，保持信號(hào)源輸出接入電路后凈輸入電壓有效值Ui為3V不變(用交流毫伏表測(cè)量)，當(dāng)改變輸入信號(hào)頻率時(shí)，測(cè)量對(duì)應(yīng)輸出值。(由于信號(hào)源內(nèi)阻的影響，RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)輸入信號(hào)的幅度會(huì)隨信號(hào)頻率變化而變化。因此，在調(diào)節(jié)輸出頻率時(shí)，應(yīng)同時(shí)調(diào)節(jié)輸出幅度，使實(shí)驗(yàn)電路的輸入電壓Ui保持不變。)RC串聯(lián)部分與RC并聯(lián)部分串在一起，電流相同，所以輸出輸入電壓比值

(1)

化簡(jiǎn)后就得到該網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為

(2)

其幅頻特性為

(3)

相頻特性為

(4)

通頻帶：BW=3f0

圖1 選頻網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)電路

2 RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)量

實(shí)驗(yàn)中使用的示波器為上海新建XJ4316A(20MHz模擬示波器)，信號(hào)源為鼎陽(yáng)SDG1025 25MHz 2通道的函數(shù)/任意波發(fā)生器。信號(hào)發(fā)生器輸出阻抗為50Ω. 被測(cè)電路也是有輸入阻抗的，當(dāng)信號(hào)發(fā)生器與被測(cè)電路連接時(shí)，由于分壓作用，加在被測(cè)電路的電壓被衰減。圖1所示選頻網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)電路等效電路如圖2所示。

表1 測(cè)量的有效值為3V不變(Ui=3V)幅頻、相頻特性

表1中m為輸入輸出波形示波器水平方向相差格數(shù)，n為一個(gè)周期信號(hào)的格數(shù)。

實(shí)驗(yàn)時(shí)將信號(hào)源頻率分別調(diào)到中心頻率、下限頻率、上限頻率和輸出信號(hào)為中心頻率的0.5倍，0.2倍所對(duì)應(yīng)的頻率的地方。用示波器雙蹤顯示測(cè)量相頻特性時(shí)，分別將示波器兩個(gè)通道的耦合方式撥動(dòng)開關(guān)(AC/GND/DC)置于GND處，調(diào)節(jié)兩條水平掃描線與中間的一條基準(zhǔn)線重合，這樣才能讀數(shù)準(zhǔn)確[5]。由表1可見幅頻、相頻特性相對(duì)誤差較大的地方在靠近中心頻率附近的500Hz處。

3 改進(jìn)電路的RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)量

圖3 選頻網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)電路

信號(hào)發(fā)生器輸出阻抗為50Ω，在改變頻率的過程中需要不斷調(diào)節(jié)信號(hào)源輸出幅度。電壓跟隨器的顯著特點(diǎn)就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低。一般來說，輸入阻抗可以達(dá)到幾兆歐姆，而輸出阻抗低，通常只有幾歐姆，甚至更低。電壓跟隨器的輸入阻抗高、輸出阻抗低特點(diǎn)，可以極端一點(diǎn)去理解，當(dāng)輸入阻抗很高時(shí)，就相當(dāng)于對(duì)前級(jí)電路開路；當(dāng)輸出阻抗很低時(shí)，對(duì)后級(jí)電路就相當(dāng)于一個(gè)恒壓源，即輸出電壓不受后級(jí)電路阻抗影響。一個(gè)對(duì)前級(jí)電路相當(dāng)于開路，輸出電壓又不受后級(jí)阻抗影響的電路當(dāng)然具備隔離作用[6]，使前、后級(jí)電路之間互不影響。在信號(hào)源和RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)之間加入由集成運(yùn)放組成的電壓跟隨器(如圖3所示改進(jìn)電路)，這樣信號(hào)源對(duì)RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)就相當(dāng)于一個(gè)恒壓源。

信號(hào)源輸出有效值調(diào)到3V，在改變頻率的過程中Ui始終等于3V，避免了實(shí)驗(yàn)過程中不斷調(diào)節(jié)信號(hào)源輸出值的麻煩。

表2 信號(hào)源輸出有效值為3V不變(Us=Ui=3V)改進(jìn)電路幅頻特性、相頻特性

其中m為輸入輸出波形示波器水平方向相差格數(shù)，n為一個(gè)周期信號(hào)的格數(shù)。

由表2所得結(jié)果可知改進(jìn)后的電路相對(duì)誤差較改進(jìn)前并沒有增加。這樣大大減小了工作量，可以使學(xué)生將精力投入到輸出信號(hào)幅度的測(cè)量，輸入輸出信號(hào)相位差的測(cè)量上。

在信號(hào)源和RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)之間加入由集成運(yùn)放組成的電壓跟隨器[7]，給出了信號(hào)源的輸出電壓之后，在測(cè)量幅頻、相頻特性的過程中，不需要調(diào)節(jié)信號(hào)源輸出電壓幅度，節(jié)約了大量的時(shí)間[8～10]。

在正弦穩(wěn)態(tài)分析電路中都可以采取在信號(hào)源與被測(cè)電路之間加入電壓跟隨器的方法，避免在改變信號(hào)源頻率時(shí)所帶來的對(duì)實(shí)際電路的影響[11～12]。

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Improving on the experiment of series and parallel for RC networkfrequency selection

ZHANG Xue-wen,SI You-quan

(College of Physics and Electronic Science, Hubei Normal University, Huangshi 435002,China)

About RC series and parallel frequency selective characteristic observation experiment, the method generally adopted is that the amplitude of the output signal source must be adjusted as the frequency is changed each time in the course of the experiment, which often results in students being difficult to accomplish the measurement on the frequency characteristics and amplitude-frequency characteristics in a limited period. In this paper, by adding voltage follower composed with the integrated op amp between the signal source and frequency selection series and parallel RC network added by the integrated op amp, let the net input signal amplitude remain unchanged, to avoid decreasing of the frequency selective network series and parallel RC circuit amplitude owing to increasing of the signal source frequency, and improve the efficiency of the experiment.

RC network; amplitude frequency characteristic; phase frequency characteristic

2016—10—10

湖北師范學(xué)院校級(jí)教研項(xiàng)目JH201129，ZD201121

張學(xué)文(1965— )，女，湖北黃岡人，本科，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，從事電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究。

TMl3

A

2096-3149(2017)02- 0068-04

10.3969/j.issn.2096-3149.2017.02.015