R、L、C串聯(lián)電路諧振實(shí)驗(yàn)與仿真

竇勤耘

(貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025)

R、L、C串聯(lián)諧振實(shí)驗(yàn)是大二學(xué)生開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程，學(xué)生通過(guò)正確連線(xiàn)和解決實(shí)驗(yàn)中遇到的設(shè)備故障等問(wèn)題,提高了實(shí)驗(yàn)操作技能和數(shù)據(jù)處理能力，利用EDA進(jìn)行電路設(shè)計(jì)仿真，強(qiáng)大的虛擬功能讓幅頻特性、相頻特性曲線(xiàn)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲得更加便捷，采用虛實(shí)兩種方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，加深了學(xué)生對(duì)串聯(lián)電路頻率特性及品質(zhì)因數(shù)Q的理解。

1 實(shí)驗(yàn)原理

圖1 R、L、C串聯(lián)電路實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)外加正弦交流電壓的頻率可變時(shí)，電路中的感抗、容抗和電抗都隨著外加電源頻率的改變而變化，電路中的電流也隨著頻率而變化。頻率特性曲線(xiàn)如圖2。

圖1 R、L、C串聯(lián)電路實(shí)驗(yàn)Fig.1 R,L,C series circuit experiments

圖2 R、L、C串聯(lián)電路頻率特性曲線(xiàn)Fig.2 Frequency characteristic curves of R,L,C series circuits

圖3 串聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)曲線(xiàn)Fig.3 Quality factor curve of series resonant circuit

2 R、L、C串聯(lián)諧振仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 幅頻特性曲線(xiàn)

設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)電路如圖4，將信號(hào)源的輸出電壓調(diào)至10 V、電感10 mH，f=50 kHz諧振時(shí)計(jì)算電容C，選取電阻使品質(zhì)因數(shù)處于合適范圍內(nèi)，利用Multisim提供的交流分析功能對(duì)電路進(jìn)行分析。

圖4 R、L、C串聯(lián)諧振仿真實(shí)驗(yàn)圖Fig.4 R, L, C series resonance simulation experiment diagram

執(zhí)行菜單命令Simulate→Analyses→AC Analysis出現(xiàn)交流分析對(duì)話(huà)框，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求對(duì)Frequency Parameters頁(yè)面上的內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置，在Output variables頁(yè)面中選取需要分析的節(jié)點(diǎn)，按下Simulate鍵得到交流分析測(cè)試曲線(xiàn)，顯示出電路的幅頻特性和相頻特性曲線(xiàn)，如圖5。

圖5 交流分析測(cè)試曲線(xiàn)Fig.5 AC analysis test curve

2.2 諧振頻率測(cè)試

在幅頻特性曲線(xiàn)上移動(dòng)游標(biāo)1，使其與幅值最高點(diǎn)重合，通過(guò)數(shù)據(jù)窗口觀測(cè)到該點(diǎn)電壓的幅值在頻率f=50.118 7 kHz時(shí)達(dá)到最大，即被測(cè)電路在該頻率下出現(xiàn)諧振，獲得諧振頻率、上限頻率和下限頻率，進(jìn)而得出通頻帶和品質(zhì)因數(shù)Q。

2.3 完成仿真并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

R、L、C串聯(lián)電路仿真實(shí)驗(yàn)，能準(zhǔn)確跟蹤顯示頻率f等參數(shù)變化對(duì)應(yīng)的頻率特性曲線(xiàn)及品質(zhì)因數(shù)曲線(xiàn)，具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，獲得各測(cè)量數(shù)據(jù)更清晰、便捷和高效。

3 R、L、C串聯(lián)諧振硬件實(shí)驗(yàn)

3.1 幅頻特性曲線(xiàn)

參照?qǐng)D1進(jìn)行連線(xiàn)，取R=1 kΩ，在保證電壓不變的條件下，將測(cè)量數(shù)據(jù)記錄表記入表1中。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表Tab.1 Experimental data recording table

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，即可繪出幅頻特性曲線(xiàn)：

UR=f(f)、UC=f(f)與UL=f(f)。

3.2 諧振頻率測(cè)試

3.3 完成實(shí)際操作并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

學(xué)生通過(guò)連接線(xiàn)路，正確使用各種電工設(shè)備，針對(duì)實(shí)驗(yàn)中遇到的設(shè)備故障、接線(xiàn)問(wèn)題、器件偏差、電磁干擾等問(wèn)題進(jìn)行排除，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作技能和數(shù)據(jù)處理能力，這也是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

R、L、C串聯(lián)諧振采用虛實(shí)相結(jié)合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，引入EDA技術(shù)實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真，為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的順利開(kāi)設(shè)創(chuàng)造了條件。通過(guò)實(shí)際動(dòng)手操作的培養(yǎng)和鍛煉，提高了學(xué)生綜合分析和解決問(wèn)題的能力，給學(xué)生營(yíng)造了一個(gè)創(chuàng)造潛能和可以自由發(fā)揮的天地，體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)技術(shù)的先進(jìn)性。