电工技能培训专题-电路分析基础-电路的频率响应
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1、 12.1 网络函数网络函数 12.2 RC电路的频率特性电路的频率特性 12.3 串联谐振电路串联谐振电路 第十二章第十二章 电路的频率响应电路的频率响应 12.4 并联谐振电路并联谐振电路 在前面对正弦电路的分析中,主要讨论了在固定在前面对正弦电路的分析中,主要讨论了在固定 频率电源的激励下,如何求电路的电压、电流和功频率电源的激励下,如何求电路的电压、电流和功 率。当正弦激励的幅值不变,而频率变化时,因为率。当正弦激励的幅值不变,而频率变化时,因为 电感和电容的阻抗是频率的函数,因此电路对不同电感和电容的阻抗是频率的函数,因此电路对不同 的频率会有不同的响应,而且频率量的变化可能会的频率
2、会有不同的响应,而且频率量的变化可能会 引起电路性质的质变。引起电路性质的质变。 本章主要研究正弦稳态电路在不同频率下,电路本章主要研究正弦稳态电路在不同频率下,电路 的响应与频率的关系,即频率响应。运用网络函数的响应与频率的关系,即频率响应。运用网络函数 讨论几种典型电路的滤波、选频和谐振的性质。讨论几种典型电路的滤波、选频和谐振的性质。 第十二章第十二章 电路的频率响应电路的频率响应 12.1 网络函数网络函数 电路在正弦稳态时,网络函数的定义为:电路在正弦稳态时,网络函数的定义为: H( j) 响应相量 激励相量 H(j )是频率是频率 的函数的函数,理论上理论上 的范围是的范围是0 。
3、对对 线性网络线性网络,网络函数可用网络函数可用方框图来表示方框图来表示。 线性网络 ()H j 激励相量响应相量 12.1 网络函数网络函数 因为响应和激励既可能是电压相量也可能是电流相因为响应和激励既可能是电压相量也可能是电流相 量,且激励和响应在电路中的位置也可能不同,因此量,且激励和响应在电路中的位置也可能不同,因此 网络函数有不同的物理意义。网络函数有不同的物理意义。 1、激励和响应在同一端口时,网络函数称为策动点激励和响应在同一端口时,网络函数称为策动点 函数。如下图函数。如下图(a) 所示。网络函数称为策动点函数。所示。网络函数称为策动点函数。 线性网络 ()H j (a) 线性
4、网络 ()H j (b) 1 I 1 I 2 I 1 U 1 U 2 U 1 1 () U H j I 策动点电阻 1 1 () I H j U 策动点导纳 2、当响应和激励在电路的不同端口时,如图当响应和激励在电路的不同端口时,如图(b) 所示,所示, 网络函数的物理意义为:网络函数的物理意义为: 12.1 网络函数网络函数 线性网络 ()H j (a) 线性网络 ()H j (b) 1 I 1 I 2 I 1 U 1 U 2 U 2 1 () U H j U 电压传输系数 2 1 () I H j I 电流传输系数 2 1 () U H j I 转移电阻 2 1 () I H j U 转移
5、电导 12.1 网络函数网络函数 当频率变化时,一般情况下网络函数可表示为:当频率变化时,一般情况下网络函数可表示为: )()()( jHjH 可见,网络函数的幅度和角度都是频率的函数。幅可见,网络函数的幅度和角度都是频率的函数。幅 度与频率的关系称为网络函数的度与频率的关系称为网络函数的幅频特性幅频特性,角度与,角度与 频率的关系称为频率的关系称为相频特性相频特性。 得到频率响应曲线的方法:得到频率响应曲线的方法: 1、 若电路结构和参数确定,通过前面学习过的分析若电路结构和参数确定,通过前面学习过的分析 电电 路的方法计算并绘制频率响应曲线;或通过路的方法计算并绘制频率响应曲线;或通过ED
6、A软件软件 得到仿真结果得到仿真结果 。 2、 对电路结构和参数不明确的电路,通过端钮可用实验对电路结构和参数不明确的电路,通过端钮可用实验 的方法测量并绘制频率响应曲线。的方法测量并绘制频率响应曲线。 12.2 RC电路的频率响应电路的频率响应 一、一、RC低通电路低通电路 C R (a) (b) u2 Cj 1 R U R 1 U 2 U u1 设设u1是输入,是输入,u2是输出,网络函数即电压增益:是输出,网络函数即电压增益: )RCarctan( CR1 1 Cj 1 R Cj 1 U U )j (H 222 1 2 12.2 RC电路的频率响应电路的频率响应 一、一、RC低通电路低通
7、电路 C R (a) (b) u2 Cj 1 R U R 1 U 2 U u1 设设u1是输入,是输入,u2是输出,网络函数即电压增益:是输出,网络函数即电压增益: )RCarctan( CR1 1 Cj 1 R Cj 1 U U )j (H 222 1 2 12.2 RC电路的频率响应电路的频率响应 2 2222 1 11 () 11 (/) u c U HH j U R C )arctan()RCarctan( c 12 其中,c = 1/RC = 1/ 由以上两式计算出电路在几个频率点的幅值和相位数由以上两式计算出电路在几个频率点的幅值和相位数 据据 : 表12-1 RC低通电路幅值和相
8、位 u H /c /c 0 1 0 10 0.1 -84 1 0.707 -45 20 0.05 -87 2 0.45 063 100 0-.01 -89 3 0.32 -72 0 -90 u H 12.2 RC电路的频率响应电路的频率响应 C R (a) (b) u2 Cj 1 R U R 1 U 2 U u1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 123456 |Hu c 当时, 1 | 2 Hu (a) 幅频特性曲线 0H, u 1 C (b) 相频特性曲线 0 -20 1236 5 4 -40 -60 -80 -100 -45 当时, 45 90, c / 1 C 半功率点半功率
9、点 BW,通频带,通频带 12.2 RC电路的频率响应电路的频率响应 从的幅频、相频特性曲线可直观看出:从的幅频、相频特性曲线可直观看出: 1、当输入电压的幅值不变时,频率越高,输出电压、当输入电压的幅值不变时,频率越高,输出电压 越小,或者说低频的正弦信号比高频信号更容易通越小,或者说低频的正弦信号比高频信号更容易通 过,因此该电路被称为过,因此该电路被称为RC低通电路(低通电路(low pass,简,简 写写LP)。)。 2、当、当 由由0变化时,相移角变化时,相移角 由由0趋近于趋近于-90 ,即,即 输出电压总是落后于输入电压,因此这样的输出电压总是落后于输入电压,因此这样的RC电路电
10、路 又称为滞后网络。又称为滞后网络。 12.2 RC电路的频率响应电路的频率响应 C R (a) (b) u2 Cj 1 R U R 1 U 2 U u1 用相量图可形象地定用相量图可形象地定 性表达出性表达出RC低通电低通电 路输出电压与输入电路输出电压与输入电 压之间幅值和相位的压之间幅值和相位的 关系。关系。 R U 1 U 2 U 12.2 RC电路的频率响应电路的频率响应 二、二、RC高通电路高通电路 1 jC R 1 U 2 U 电路的网络函数为:电路的网络函数为: RCj1 RCj Cj 1 R R U U )j (H 1 2 幅频特性为:幅频特性为: 2 2 )(1 1 )(
11、1 1 1 )( c u RC jHH 相频特性为相频特性为 : )arctan(90)RCarctan(90 c 12 其中,其中, c = 1/RC = 1/ 。 12.2 RC电路的频率响应电路的频率响应 45 0 1 90 C 45 时, 0.707 0 1 1 1 C RC 1 | 2 j H 时, C (a) 幅频特性 (b) 相频特性 u H RC高通电路的频率响应高通电路的频率响应 曲线曲线 结论:结论: 频率越高,输出电压越大,因此电路称为频率越高,输出电压越大,因此电路称为RC高通电高通电 路(路(High pass,简写,简写HP);输出电压总是超前于输);输出电压总是超
12、前于输 入电压,因此该电路是超前网络,最大超前角为入电压,因此该电路是超前网络,最大超前角为90 。 该电路的通频带为该电路的通频带为 c, c称为低频截止频率。称为低频截止频率。 12.2 RC电路的频率响应电路的频率响应 三、三、RC串、并联电路串、并联电路 R C R u1 u2C RC串联的阻抗为:串联的阻抗为: Cj 1 RZ1 RC并联的阻抗为:并联的阻抗为: RCj1 R Cj 1 R Cj 1 R Z2 电压传输函数为:电压传输函数为: ) RC 1 RC( j3 1 ZZ Z U U )j (H 21 2 1 2 )(3 1 0 0 j 其中,其中, 0 = 1/RC 12.
13、2 RC电路的频率响应电路的频率响应 R C R u1 u2C 电路的相频特性为:电路的相频特性为: )( 3 1 arctan 0 0 由电路的相频特性公式:频率不同,由电路的相频特性公式:频率不同, 角可正可负,角可正可负, 即输出电压既可超前输入电压也可滞后输入电压,因即输出电压既可超前输入电压也可滞后输入电压,因 此此RC串并联电路也称为超前滞后网络。在测量技术串并联电路也称为超前滞后网络。在测量技术 和电子电路中,常常利用该电路的这种频率特性和电子电路中,常常利用该电路的这种频率特性 。 电路的幅频特性为:电路的幅频特性为: 2 0 0 2 )(3 1 )( jHHu 12.2 RC
14、电路的频率响应电路的频率响应 2 0 0 2 )(3 1 )( jHHu 当当 = 0时,时, =0,即输出电压与输入电压同相。在,即输出电压与输入电压同相。在 该频率下,输出电压幅值最大。输出与输入电压幅该频率下,输出电压幅值最大。输出与输入电压幅 值比为:值比为: )( 3 1 arctan 0 0 3 1 )j (H RC振荡器中的选频电路利用的就是振荡器中的选频电路利用的就是RC串并联电路串并联电路 的这一特点。当频率为的这一特点。当频率为1/RC时,输出电压与输入时,输出电压与输入 电压同相,满足振荡器的相位条件电压同相,满足振荡器的相位条件 ,通过改变,通过改变R或或 C的阻值可得
15、到不同的选频频率。的阻值可得到不同的选频频率。 12.2 RC电路的频率响应电路的频率响应 0 1 RC 0 1 3 |()|H j 90 90 0 0 1 RC RC串并联电路的频率响应串并联电路的频率响应 12.3 串联谐振电路串联谐振电路 谐振:谐振:当电路中含有电容和电感时,如果电路的当电路中含有电容和电感时,如果电路的 固有频率与外加激励的频率相同时,称电路发生固有频率与外加激励的频率相同时,称电路发生 谐振。谐振。 R j L 1 j C I V UU ss RLC串联电路 电路的输入阻抗为:电路的输入阻抗为: ) C 1 L( jR)j (Z LCC L 1 , 0 1 0 即即
16、 当当 容抗和感抗对电路的作用容抗和感抗对电路的作用 相互抵消,电路发生谐振,相互抵消,电路发生谐振, 称为串联谐振称为串联谐振 。 谐振频率为:谐振频率为: LC2 1 f 0 LC 1 0 12. 3 串联谐振电路串联谐振电路 当电路发生谐振时,可以得到以下当电路发生谐振时,可以得到以下结论结论: R j L 1 j C I V UU ss 1、电路的输入阻抗是纯电阻,即、电路的输入阻抗是纯电阻,即Z=R,且电路的阻抗,且电路的阻抗 最小;最小; 2、电路的电压与电流是同相位的,阻抗角、电路的电压与电流是同相位的,阻抗角 ; 3、电路中有、电路中有 ,即电感和电容上的电压方向,即电感和电容
17、上的电压方向 相反,互相抵消相反,互相抵消; 4、在谐振频率下,若电路的输入电源电压不变,则、在谐振频率下,若电路的输入电源电压不变,则 电路中的电流和电阻上的压降最大。电路中的电流和电阻上的压降最大。 0 0UU LC 12. 3 串联谐振电路串联谐振电路 因为因为RLC串联电路的电流幅值为串联电路的电流幅值为: 22 )/1(CLR Usm Im 0 1 0 2 Im Usm/R 0.707Usm/R RLC串联电路的电流幅频特性 谐振时电路的平均功谐振时电路的平均功 率为最大:率为最大: R U R R U UIUIP m sm mm 2 )( 2 1 2 1 )( 2 2 0 当谐振电
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