1、新疆大学实训（实习） 设 计 报 告所属院系： 机械工程学院 专 业： 机械工程及自动化 课程名称： 电工电子学 设计题目： RLC 串联谐振电路 班 级： 机械 10-5 班 学生姓名： 刘祖兵 学生学号： 20102001230 指导老师 : 吴老师 马老师 完成日期： 2012.7.17 实训（实习）设计题目：RLC 串联谐振电路设计要求完成的内容：设计一个 RLC 串联谐振电路。技术指标要求为：串联谐振电路及不同频率下的串联谐振电路，并作出输出波形。测定频率特性 使用的元器件要求：R L C 等要求：（1）根据设计要求，确定电路的设计方案，估算并初步选取电路的元件参数。（2）选用熟悉的
2、电路仿真软件，搭建电路模型进行仿真分析，由仿真结果进行参数调试、修改，直至满足设计要求。（3）由选取的元件参数，精确计算和复核技术指标要求。（4）满足设计要求后，认真按格式完成课程设计报告。指导教师评语：评定成绩为： 指导教师签名： 年 月 日RLC 串联谐振电路一 设计目的（1） 通过设计性试验，全面掌握电路分析的内容，基本原理和概念。（2） 掌握元件模型对基本电路进行建模、分析的方法。二设计仪器和设备（1）计算机一台 （2）Mlutisim 电路仿真软件 （3）示波器（4）数字万用表三.实验题目（1）设计一 R、L、C 串联谐振电路，在 Multisim 软件平台上自选元器件。（2）设计不
3、同频率下的串联谐振电路，并作出输出波形。四.设计原理：1.一个优质电容器可以认为是无损耗的（即不计其漏电阻），而一个实际线圈通常具有不可忽略的电阻。把频率可变的正弦交流电压加至电容器和线圈相串联的电路上。若 R、L、C 和 U 的大小不变，阻抗角和电流将随着信号电压频率的改变而改变，这种关系称之为频率特性。当信号频率为 f= 时，即出现谐振现象，且电路具有以下特性：012fLC（1）电路呈纯电阻性，所以电路阻抗具有最小值。（2）I=I。=U/R即电路中的电流最大，因而电路消耗的功率最大。同时线圈磁场和电容电厂之间具有最大的能量互换。工程上把谐振时线圈的感抗压降与电源电压之比称之为线圈的品质因数
4、 Q。因为谐振时 = ，所以 。晶体管收音机的调频电路利用了串联谐振UR CRLUQRL01现象，它更多地吸收谐振频率电波的能量而极少吸收其他频率电波的能量，这就是通常所说的收音机的选择性。一般希望线圈 QW 值大一些，是选择性好些。2.在 Multisim2001 中创建的 RLC 串联仿真实验电路。其中交流电压源是必须放置的形式信号源用，其幅值和频率的数值对电路的频率特性没用影响，波特图仪用于显示幅频特性曲线。RLC 串联电路由电阻 R、电感 L 及电容 C 串联构成，由于回路的电流 I 与电阻 R 两端电压的特性相同，因此选择电阻两端电压作为频率响应测试电量。电阻 R、电感 L 及电容从
5、Multisim 的基本元件库中找出，交流电压源从电源信号源库中找出，波特图仪从虚拟仪器栏中找出。元件参数的选取为电感 L=21 mH、电容 C=2uF，电阻 R=10，分析电阻大小对品质因数的影响时再改变电阻值。反映电路频率特性的参数有谐振频率 、通频带宽 BW 和品质因数 Q，其定义如下：0fRCf210LHfBW其中， , 分别是回路电流由最大值增加和减少 3dB 时所对应的上限频率和下限频率。HfLBRC1Q00f其中， 002f五.设计内容1.设计电路 自选元器件及设定参数，通过仿真软件观察并确定 RLC 串联谐振的频率，通过改变信号发生器的频率，当电阻上的电压达到最大值时的频率就是
6、谐振频率。设计 RLC 串联电路图如下图：串联谐振电路当电路发生谐振时， 或 （谐振条件） 。其中，CLX1C1=2uF,L1=21mH,R1=10，根据公式 可以得出，当该电路发生谐振时，频率02fLHzf70。 RLC 串联电路谐振时，电路的阻抗最小，电流最大；电源电压与电流同相；谐振时电感两端电压与电容两端电压大小相等，相位相反。 2、用调节频率法测量 RLC 串联谐振电路的谐振频率 0f在用 Multisim 仿真软件连接的 RLC 串联谐振电路，电容选用 C1=2uF,电感选用 L1=21mH,电阻选用 R1=10。电源电压 处接低频正弦函数信号发生器，电阻电压 处接交流毫伏表。su
7、 Ru保持低频正弦函数信号发生器输出电压 不变，改变信号发生器的频率（由小逐渐变大） ，su观察交流毫伏表的电压值。当电阻电压 的读数达到最大值（即电流达到最大值）时所对应的RU频率值即为谐振频率。将此时的谐振频率记录下来。通过理论计算，此时电路的谐振频率为 =776.6Hz0f6实验内容与步骤按照下图连接实验电路，使图中的 C1=2uF,L1=21mH,R1=10观察谐振现象，找出谐振频率 ，改变电压输出信号的频率，并分别测量出电阻、电容、0f电感两端的电压。在谐振 左右连续取几组数值，再分别测量相应的 和 以及 。0f LUCR序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9f(Hz) 250 4
8、00 700 770 777 784 820 950 1150UR(V) 0.074 0.145 0.902 2.091 2.121 2.081 1.413 0.495 0.255UC(V) 0.245 0.764 8.332 21.249 21.75 21.528 15.293 6.21 3.869UL(V) 2.265 2.881 10.25 21.606 21.719 21.115 13.71 4.184 1.763当频率为 777Hz 时，电阻电压 的读数达到最大值，即此时电路发生谐振。同时验证了与理论计算结果的一致。当频率为 777Hz 时，电路发生谐振,观察下列波形，函数信号发生器
9、输出电压 和电阻电压 同相位，可以得出，此时电路发生谐振，验证了实验电路的正确，与之前得出的理论值相等。因此证明实验电路的连接的正确性。当频率为 740Hz 时，观察下列波形，函数信号发生器输出电压 和电阻电压 相位不同，suRU此时电路呈现电感性当频率为 800Hz 时，观察下列波形，函数信号发生器输出电压 和电阻电压 相位不同，suRU此时电路呈现电容性改变电路的电阻使 R=5，如下图所示连接电路，观察谐振现象，找出谐振频率 ，改变0f电压输出信号的频率，并分别测量出电阻、电容、电感两端的电压。在谐振 左右连续取几组0f数值，再分别测量相应的 和 以及 。LUCR序号 1 2 3 4 5
10、6 7 8 9f(Hz) 250 400 700 770 777 784 820 950 1150UR(V) 0.0372 0.072 0.485 2.007 2.12 1.971 0.865 0.253 0.128UC(V) 0.245 0.765 8.962 40.798 43.486 40.797 18.722 6.341 3.89UL(V) 2.366 2.886 11.02 41.483 43.424 40.014 16.785 4.235 1.772用波特图示仪观察幅频特性。按下图所示，将波特图仪 XBP1 连接到电路图中。双击波特图仪图标打开面板。打开仿真开关，在波特图仪面板上出
11、现输出 的幅频特性，拖动红色指针，0U使之对应在幅值最高点。当电阻 R=10 时移动红色游标指针使之对应在幅值最高点处，此时在面板上显示出谐振频率 775.894 Hz；0f再移动红色游标指针使之分别对应幅值最高点左右两侧的 dB 处，读出上限频率和下限频率3为 =815.023Hz、 =739.804Hz。HfLf可计算出通频带宽 BW= - =75.219Hz，品质因数L 32.109.75840BWfQ通过理论计算 2.1.75RLU由此可见，理论值与仿真值大致相同，误差很小。将电路参数改为 R=5，使回路的电阻减小，运行电路仿真开关后在波特图仪面板上显示出电阻两端电压的幅频特性曲线如下
12、图所示移动红色游标指针使之对应在幅值最高点处，此时在面板上显示出谐振频率 775.894Hz；再0f移动红色游标指针使之分别对应幅值最高点左右两侧的 dB 处，读出上限频率和下限频率为3=795.746Hz、 =758.55Hz。HfLf可计算出通频带宽 BW= - =37.196Hz，品质因数L 86.2019.37450BWfQ通过理论计算 .21.4863RLU品质因数的提高表明频率选择性变好。可以看出电阻 R 变小，品质因数增大。七.体会本次实验用 Multisim 仿真软件对 RLC 串联谐振电路进行分析，设计出了准确的电路模型，也仿真出了正确的结果。并且得到了 RLC 串联谐振电路
13、有几个主要特征：1.谐振时，电路为阻性，阻抗最小，电流最大。可在电路中串入一电流表，在改变电路参数的同时观察电流的读数，并记录，测试电路发生谐振时电流是否为最大。2.谐振时，电源电压与电流同相。这可以通过示波器观察电源电压和电阻负载两端电压的波形中否同相得到。3.谐振时，电感电压与电容电压大小相等，相位相反。这可以通过示波器观察电感和电容两端的波形是否反相得出，还可用电压表测量其大小。4.用硬件实验仪器对 RLC 串联电路谐振特性进行测试时，仪器输出参数调整较为繁琐，信号频率偏高或偏低时波形显示不稳定。由于受实验仪器的限制无法进行电路的 AC 交流频率特性分析，用 Multisim 软件仿真解决了这一问题，将计算机仿真软件 Multisim 引入到电路实验中，使电路的分析、仿真、测试非常方便，特别便于电路参数改变时的测试。所述方法具有实际应用意义，创新点是解决了 RLC 串联电路谐振特性的工作波形及参数不易或无法用电子实验仪器进行分析测试的问题。总的来说，本次实验比较成功，不仅仿真出了正确的结果，也对 Multisim 仿真软件的功能及其应用也有了更深的提高。
