GT4503 LCR电路特性的研究实验解决方案

GT4503/A(微机型)   LCR电路特性研究实验仪说明书

LCR电路特性的研究

电容、电感元件在交流电路中的阻抗是随着电源频率的改变而变化的.将正弦交流电压加到电阻、电容和电感组成的电路中时,各元件上的电压及相位会随着变化,这称作电路的稳态特性；将一个阶跃电压加到LCR元件组成的电路中时,电路的状态会由一个平衡态转变到另一个平衡态,各元件上的电压会出现有规律的变化,这称为电路的暂态特性.

[实验目的]

1、观测RC和RL串联电路的幅频特性和相频特性

2、了解LCR串联、并联电路的相频特性和幅频特性

3、观察和研究LCR电路的串联谐振和并联谐振现象

4、观察RC和RL电路的暂态过程,理解时间常数τ的意义

5、观察LCR串联电路的暂态过程及其阻尼振荡规律

6、了解和熟悉半波整流和桥式整流电路以及RC低通滤波电路的特性

[实验仪器]

1、GT4503/A(微机型) LCR电路实验仪

2、双踪示波器

3、数字存储示波器(选用)

[实验内容]

对RC、RL、LCR电路的稳态特性的观测采用正弦波.对LCR电路的暂态特性观测可采用直流电源和方波信号,用方波作为测试信号可用普通示波器方便地进行观测；以直流信号作实验时,需要用数字存储式示波器才能得到较好的观测.

GT4503/A(微机型) LCR电路实验仪的使用及性能参见附录,示波器的使用参照厂家的说明书或实验老师的指导.注意：仪器采用开放式设计,使用时要正确接线,不要短路功率信号源,以防损坏.

一、RC串联电路的稳态特性

1、RC串联电路的幅频特性

选择正弦波信号,保持其输出幅度不变,分别用示波器测量不同频率时的U_R、U_C,可取C=0.1μF,R=1KΩ,也可根据实际情况自选,R、C参数.

用双通道示波器观测时可用一个通道监测信号源电压,另一个通道分别测U_R、U_C ,但需注意两通道的接地点应位于线路的同一点,否则会引起部分电路短路.

2、RC串联电路的相频特性

将信号源电压U和U_R分别接至示波器的两个通道,可取C=0.1μF,R=1KΩ(也可自选).从低到高调节信号源频率,观察示波器上两个波形的相位变化情况,先可用李萨如图形法观测,并记录不同频率时的相位差.

二、RL串联电路的稳态特性

测量RL串联电路的幅频特性和相频特性与RC串连电路时方法类似,可选L=10mH,R=1KΩ,也可自行确定.

三、LCR串联电路的稳态特性

自选合适的L值、C值和R值,用示波器的两个通道测信号源电压U和电阻电压U_R,必须注意两通道的公共线是相通的,接入电路中应在同一点上,否则会造成短路.

1、幅频特性

保持信号源电压U不变(可取Upp=5V),根据所选的L、C值,估算谐振频率,以选择合适的正弦波频率范围.从低到高调节频率,当U_R的电压为最大时的频率即为谐振频率,记录下不同频率时的UR大小.

2、相频特性

用示波的双通道观测U,的相位差,U_R的相位与电路中电流的相位相同,观测在不同频率下的相位变化,记录下某一频率时的相位差值.

四、LCR并联电路的稳态特性

按图9进行连线,注意此时R为电感的内阻,随不同的电感取值而不同,它的值可在相应的电感值下用直流电阻表测量,选取L=10mH、 C=0.1μF 、R′=10KΩ.也可自行设计选定.注意R′的取值不能过小,否则会由于电路中的总电流变化大而影响U_R′的大小.

1、LC并联电路的幅频特性

保持信号源的U值幅度不变(可取UPP为2~5V),测量U和 U_R′的变化情况.注意示波器的公共端接线,不应造成电路短路

2、LCR并联电路的相频特性

用示波器的两个通道,测U与U_R′的相位变化情况.自行确定电路参数.

五、RC串联电路的暂态特性

如果选择信号源为直流电压,观察单次充电过程要用存储式示波器.我们选择方波作为信号源进行实验,以便用普通示波器进行观测.由于采用了功率信号输出,故应防止短路.

1、选择合适的R和C值,根据时间常数τ,选择合适的方波频率,一般要求方波的周期T＞10τ,这样能较完整地反映暂态过程,并且选用合适的示波器扫描速度,以完整地显示暂态过程.

2、改变R值或C值,观测U_R或U_C的变化规律,记录下不同RC值时的波形情况,并分别测量时间常数τ

3、改变方波频率,观察波形的变化情况,分析相同的τ值在不同频率时的波形变化情况.

六、RL电路的暂态过程

选取合适的L与R值,注意R的取值不能过小,因为L存在内阻.如果波形有失真、自激现象,则应重新调整L值与R值进行实验,方法与RC串联电路的暂态特性实验类似.

七、LCR串联电路的暂态特性

1、先选择合适的L、C值,根据选定参数,调节R值大小.观察三种阻尼振荡的波形.如果欠阻尼时振荡的周期数较少,则应重新调整L、C值.

2、用示波器测量欠阻尼时的振荡周期T和时间常数τ.τ值反映了振荡幅度的衰减速度,从最大幅度衰减到0.368倍的最大幅度处的时间即为τ值.

八、整流滤波电路的特性观测

1、半波整流

按图17原理接线,选择正弦波信号作电源.先不接入滤波电容,观察U与Uo的波形.

再接入不同容量的C值.观察Uo波形的变化情况.

2、桥式整流

按图18原理接线,先不接入滤波电容,观察Uo波形,再接入不同容量的C值.观察Uo波形的变化情况,并与半波整流比较有何区别.

[数据处理]

1、根据测量结果作RC串联电路的幅频特性和相频特性图.

2、根据测量结果作RL串联电路的幅频特性和相频特性图.

3、分析RC低通滤波电路和RC高通滤波电路的频率特性.

4、根据测量结果作LCR串联电路、LCR并联电路的幅频特性和相频特性.并计算电路的Q值.

5、根据不同的R值、C值和L值,分别作出RC电路和RL电路的暂态响应曲线有何区别.

6、根据不同的R值作出LCR串联电路的暂态响应曲线,分析R值大小对充放电的影响.

7、根据示波器的波形作出半波整流和桥式整流的输出电压波形,并讨论滤波电容数值大小的影响.

附录 GT4503/A(微机型) LCR电路实验仪技术说明

GT4503/A(微机型) LCR电路实验仪采用开放式设计,由学生自己连线来完成RC、RL、LCR电路的稳态和暂态特性的研究,从而掌握一阶电路、二阶电路的正弦波和阶跃波的响应过程,并理解积分电路、微分电路和整流电路的工作原理.

一、仪器组成

仪器由功率信号发生器、频率计、电阻箱、电感箱、电容箱和整流滤波电路等组成,见附图.

附图  GT4503/A(微机型)LCR电路实验仪面板图

二、仪器主要技术参数

1、供电：单相220V,50Hz

2、工作温度范围5~35℃,相对温度25~85%

3、信号源：

正弦波分50Hz~1KHz,1K~10KHz,10KHz~100KHz三个波段

方波为50Hz~1KHz,信号幅度均0~6Vpp可调

直流2~8V可调

4、频率计工作范围：0~99.999KHz,5位数显,分辨率1Hz

5、十进式电阻箱：(10KΩ +1KΩ+100 Ω+10Ω)×10,精度 0.5%

6、十进式电感箱：(10mH+1mH)×10,精度 2%

7、十进式电容箱：(0.1μF+0.01μF+0.001μF)×10,精度1%

8、仪器外形尺寸：400mm×250mm×120mm

三、注意事项

1、仪器使用前应预热10~15分钟,并避免周围有强磁场源或磁性物质.

2、仪器采用开放式设计,使用时要正确接线,不要短路功率信号源,以防损坏.使用完毕后应关闭电源.

3、仪器的使用和存放应注意清洁干净避免腐蚀和阳光暴晒.

4、本仪器的保修期为一年.