1、实验六 R、L、C 元件阻抗特性的测定一、实验目的1.验证电阻 R、感抗 XL、容抗 XC 与频率的关系，测定 Rf、X Lf 及Xc f 特性曲线。2.加深理解 R、L、C 元件端电压与电流间的相位关系。二、原理说明1.在正弦交变信号作用下，R、L、C 电路元件在电路中的抗流作用与信号的频率有关，它们的阻抗频率特性 Rf，X Lf， Xcf 曲线如图 6-1 所示。其中 XL= L=2fL，X C=1/C=1/2fc 。2.单一参数 R、L、C 阻抗频率特性的测量电路如图 6-2 所示。图 6-1 图 6-2图中 R、L、C 为被测元件，r 为电流取样电阻。改变信号源频率，测量R、L、C 元
2、件两端电压 UR、U L、U C，流过被测元件的电流则可由 r 两端电压除以 r 得到。3.元件的阻抗角（即 U、i 的相位差 ）（1）R 与 r 串联时：阻抗角 为 0（2）L 与 r 串联时：阻抗角 为 arctgL/r,即 arctg2fL/r（3）C 与 r 串联时，阻抗角 为 arctg(-1/Cr),即 arctg(-1/2fcr)可见在 L 与 r 串联或 C 与 r 串联时，元件的阻抗角随输入信号的频率变化而改变，将各个不同频率下的相位差画在以频率 f 为横坐标、阻抗角 为纵座标的座标纸上，并用光滑的曲线连接这些点，即得到阻抗角的频率特性曲线。图 6-3用双踪示波器测量阻抗角的
3、方法如图 6-3 所示。从示波器上测得一个周期占 n 秒，输入输出波形时延占 m 秒，则实际的相位差 （阻抗角）为m360 0 / n。三、实验设备R、L、C 元件阻抗特性实验板、交流毫伏表、双踪示波器、函数信号发生器。四、实验内容1测量 R、L、C 元件的阻抗频率特性实验电路图如下图所示：(L 取为 40mH)通过导线将函数信号发生器输出的正弦信号接至上图的电路，作为激励源Ui，并用交流毫伏表测量，使激励电压的有效值为 U3V ，并在实验过程中保持不变。使信号源的输出频率从 200Hz 逐渐增至 900Hz 左右，并用导线将 r 分别接通 R、L、C 三个元件，用交流毫伏表分别测量 UR、U
4、r ；U L、Ur ；Uc、Ur, 并通过计算得到各频率点时的 R、X L 与 Xc 之值，记入表 1 中。实验步骤：（1）将函数信号发生器和 R、L、C 阻抗特性实验板电路中的激励端连接。（函数信号发生器“波形输出”的上面插孔连接“激励 Ui”的左面插孔，函数信号发生器“波形输出”的下面插孔连接“激励 Ui”的右面插孔）（2）打开函数信号发生器电源。调节函数信号发生器，使函数信号发生器的输出频率为 200HZ， ，功能设置选正弦。然后用数字多用表的交流 20V 档位监测函数信号发生器的” 波形输出 ”端电压，(红表笔接“波形输出”的上面插孔，黑表笔接“波形输出”的下面插孔。调节输出电压为 3
5、V（可以调成函数信号发生器的幅度上限为 8.6，下限为 0） 。（3）用导线将 R、L、C 阻抗特性实验板电路的 r 与 R 连接。(4) 用数字多用表的交流 20V 档位，测得 UR，Ur，填入表 1 中。 （数字多用表的红表笔总接 r、R 的公共端。 ）（5）逐渐增加函数信号发生器的频率直到 900HZ，按步骤 3 测得 UR，Ur ，填入表 1 中。（6）将 R、L、C 阻抗特性实验板电路的 r 改为与 L(40mH)连接。(7)将信号源的频率调回 200HZ,重复步骤（4） 、 （5） ，测得 UL、Ur 值， （数字多用表的红表笔总接 r、L 的公共端。 ）填入表 1 中。 （注意：
6、电感元件值太小实验数据会非常不准确，为此需串联 30mH 电感 (由附近 R、L、C 串联谐振电路图中取得 30mH 电感值)，即电感取 40mH，r 不变，激励端如何确定？U L 又如何测得？）（8）将 R、L、C 阻抗特性实验板电路的 r 改为与 C 连接。重复步骤（7）, 用测得 UC、Ur 值， （数字多用表的红表笔总接 r、c 的公共端。 ）填入表 1 中。2用双踪示波器观察 rC 串联和 rL 串联电路在不同频率下阻抗角的变化情况，按图 6-3 记录 n 和 m，算出 ，计入表 2 中。实验步骤:(1) 打开示波器电源，待示波器自检稳定后将示波器的一个探头和示波器的输入通道 CH1
7、(X)通过探头连接器连接并固定好，并将探头勾形头、接地夹子和函数信号发生器的波形输出端连接。 （探头勾形头接函数信号发生器“波形输出”的上面插孔，接地夹子接函数信号发生器“波形输出”的下面插孔）（2）重新调节函数信号发生器，使函数信号发生器的输出频率为 200HZ，功能设置选正弦。输出电压保持 3V 不变。（3）按一下示波器面板上的 AUTO 按钮，示波器会自动设置波形显示形式使我们能看到最好的波形显示。记下 CH1 的 Prd（周期）大小即 n 值，填入表2 中。旋转 CH1 按钮的上面的 Voit/div 旋钮和下面的 POSITION 旋钮可调节波形的垂直宽度和垂直位置。把波形的垂直宽度
8、和垂直位置调节合适。（4）将另一探头和示波器的输入通道 CH2(Y)及 R、L、C 阻抗特性实验板电路的 200 电阻 r 两端连接（200 电阻 r 的左端接探头勾形头，右端接接地夹子) ，CH2 通道的输出波形即为电流 i 的波形。 （为什么？）并按一下示波器面板上的 CH2 按键。屏幕上将出现（CH2 通道）电流 i 的波形信号。如果波形快速闪动，按一下“SET TO 50%”按键或“AUTO ”按键使波形稳定。（5）旋转 CH2 按钮的上面的 Voit/div 旋钮和下面的 POSITION 旋钮可调节波形的垂直宽度和垂直位置。把波形的垂直宽度和垂直位置调节合适。（6）观察电压 U 和
9、电流 i 的波形。按一下示波器控制面板上的 RUN/STOP按钮，使波形静止。（7）按一下示波器控制面板上的 CURSORS 光标，然后按 MENU 键下的青色按键选好：光标模式选项选定追踪，光标 A 选定 CH1，光标 B 选定 CH2选项，通过示波器面板上面点亮指示灯的万能旋钮移动光标 A、B 到合适的位置，记录光标水平相对位置T，测得 m 值，填入表 2 中。 （光标 A、B 的坐标及它们的相对位置在示波器屏幕上显示：A-T：光标 A 的水平位置，A-V：光标 A 的垂直位置，B-T ：光标 B 的水平位置,B-V ：光标 B 的垂直位置, T：光标 A、 B 的水平间距, V：光标 A
10、、B 的垂直间距） ，即 m 值,计入表 2中。测量完毕后按一下示波器控制面板上的 AUTO 按钮，使波形触发。（8）逐渐增加函数信号发生器的频率直到 900HZ，按步骤（3） 、 （5） 、 （6） 、(7)测得 n、m 值，填入表 2 中。（9）重新调节函数信号发生器，使函数信号发生器的输出频率为 200HZ，按一下示波器控制面板上的 RUN/STOP 按钮，使波形静止。将电路实验板中的r 改为和 L（ 注意 L 取为 40mH）连接，按一下 AUTO 按钮，使波形触发，调整波形高度及位置为合适，重复步骤（6） 、 （7） 、 （8） 。 （周期 n 值不用再测。 ）频率 f（ Hz） 2
11、00 300 400 500 600 700 800 900UR(V)Ur(V)IR=Ur/r(mA)R1k R=UR/IR(k )UL(V)Ur(V)IL=Ur/r(mA)XL=UL/IL()L40mH2fL( )UC(V)Ur(V)IC=Ur/r(mA)XC=UC/IC()C1F1 / 2fC()表 1频率 f 200 300 400 500 600 700 800 900n(ms)m(ms)r、L串联= m/n *3600arctgL/r14.1120.66 26.69 32.14 37.02 41.34 45.15 48.52n(ms)m(ms)= m/n *3600r、c串联Arct
12、g-1/Cr -75.9 -69.3 -63.3 -57.9 -52.98 -48.67 -44.85 -41.48表 2五、实验注意事项1.调节电子仪器各旋钮时，动作不要过快、过猛。实验前，需熟读双踪示波器的使用说明书。观察双踪时，要特别注意相应开关、旋钮的操作与调节。2.信号源的接地端与示波器的接地端要连在一起（称共地） ，以防外界干扰而影响测量的准确性。六、预习思考题1图 6-2 中各元件流过的电流如何求得？2怎样用双踪示波器观察 rL 串联和 rC 串联电路阻抗角的频率特性？七、实验报告要求1.根据实验数据，绘制 R、L、C 三个元件的阻抗频率特性曲线，从中可得出什么结论？2.根据实验数据,绘制 rL 串联、 rC 串联电路的阻抗角频率特性曲线，并总结、归纳出结论。
