双端口网络结构与参数的判别

实验1.3 双端口网络结构与参数的判别

【实验内容】

1. 设计实验电路与方案，观察、研究如图1.3.1（a）所示L型网络中，当Z1和Z2分别为电阻、电容时的时域响应。

2. 分别采用信号源和示波器、扫频仪观察，或应用Multisim软件工具仿真，研究如图1.3.1（a）所示L型网络中，当Z1和Z2分别为电阻、电容时的幅频和相频特性，分析分别采用这几种实验方法时的效率、准确性；若有差异，则分析原因所在。

3. 针对图1.3.1所示已知内部结构的网络，试通过测量的方法判断网络中各元件的性质、计算元件的参数；在尽量提供多种方案并加以分析论证的基础上，选择最优方法实施。

上述要求中，Z1、Z2和Z3分别可能是电阻、电容或电感等单一元件。

（a） （b）

图1.3.1 L型和T型网络

【项目背景】

在工程实践中往往需要通过实验测量的方法获知电路的特性，以便了解其结构与参数，或以一个等效电路去替换。

【实验目的】

1. 通过实验的前两项任务，引导学生去了解分析、测试电子电路通常所采用的实验方法与分析工具，了解不同方法的应用场合与适用范围。

2. 项目的第三项任务，试图引导学生从分析任务要求着手，应用已经学习过的

知识，寻找解决问题的方法；同时也希望拓宽视野，体验解决问题方法的多样性。

【实验要求】

针对【实验内容】中的各项任务，可分别提出不同的要求：

1. 对于任务1

(1) 构思观察阶跃响应的方法。

(2) 设计实验电路，选择元件参数。

(3) 观察并记录信号波形。

(4) 分析解释产生该信号波形的基本原理。

2. 对于任务2

(1) 设计一阶低通和高通电路，选择R、C元件，分别进行实验。

(2) 设计采用信号源与示波器观察频率特性的实验电路。

(3) 根据电路参数估算幅频特性截止频率范围，选择需观察的信号频率。

(4) 测量记录幅频特性、相频特性数据，在变化较大的区域应增加一些观测点。

(5) 使用扫频仪测量频率特性时，选择扫频范围，记录特性曲线。

(6) 在Multisim软件环境中构建与前面实验中相同（结构与参数）的电路，运用电路分析工具，生成幅频特性和相频特性曲线。

(7) 对比三种不同模式实验获得的结果，观察现象，分析原因，并设法验证分析。

3. 对于任务3

(1) 分析图1.3.1所示电路，给出解决问题的思路，提出实验方案。

(2) 指定实验计划，明确各步骤中施加激励的方式、激励类型和状态，电路的连接方式，需要测量的参数等等。

(3) 根据实验信号的波形、参数，判定元件性质、计算元件参数。

(4) 分析思考其它可能的方法，并进行论证。

图1.3.2 H型网络

(5) 提高要求：对于图1.3.2所示H型网络，如何判定各元件的性质。

【教学指导】

1. 从理论上举例分析一阶网络的幅频特性、相频特性。

2. 介绍扫频仪的工作机理、应用特点。

3. 指导Multisim软件分析工具基本使用方法。

4. 引导性地举例分析如何利用电感、电容的频率特性，有选择地在某两个节点间施加直流或交流激励，根据电流是否为零、回路电流与电压间的相位差、相位差与频率的关系等判定元件的性质。

5. 示例：针对图1.3.3所示网络（Z1=1μF、Z2=1mH、Z3=100Ω）的实验方案：

(1)

首先在某两个节点间加直流电压，来判断元件的极性，若某一个是电容，则包含此元件的回路电流必为0；为防止一个回路中的两个元件皆为电感，则可以串接一个较小的限流电阻，且所加直流电压不宜太高，可逐渐增加。

i. 在IA1 IC1间加1V（DC）时，I=0，可以判断Z1、Z3中至少有一

个是电容。

图1.3.3 测试电路

ii. 在IA1 IB1间加1V（DC）时，I=0；可以判断Z1、Z2中至少有一

个是电容。

iii. 在IB1 IC1间加1V（DC）时，I=10mA；可以判断Z2、Z3中至

少有一个是电阻。

(2) 根据上述三点，可以断定Z1是电容。为了判断Z2、Z3的性质，可以在

IB1 IC1间施加1V（AC）。如从f=1KHz开始，若随着频率的增大：

i. 电流保持不变，则说明Z2、Z3都是电阻。

ii. 电流变小，则说明Z2、Z3中有一个是电感；因为前门施加直流电压

时可以测出阻值，此时电阻上电压已知，可以得知电感上电压，进而获知电感量。

(3) 为了进一步判断Z2、Z3中哪一个是电阻，可以分别在IA1 IB1和IA1 IC1间施加交流电压，用示波器观察回路电压和电流的相位：

i. 若电流与电压的相位角始终相差90°，且不随频率的改变而变化，说明此回路是由电容和电感构成的。

ii. 若电流与电压的相位角随频率的增大而变小，则说明此回路是由电容和电阻构成的（频率增大时容抗变小）。

图1.3.4 电流、电压相位

【实验方案】

1. 对于两种结构，可以采用不同方法分析。重要的是，不拘泥于只是在1-2端口施加激励，在3-4端口测量响应。

2. 针对图1.3.1中的L型网络可以有以下方法：

(1) 在1端测量电流（或在3-4端间接电流表），在1-2端施加交流激励时测

量1-3端间电压响应，就可以得知Z1的性质与参数。

(2) 在1-3端施加交流激励，测量Z1上的电压、电流，就可得知Z1的性质与

参数。

(3) 在3端串接电流表，在1-2端开路，在3-4端口施加交流激励，就可以得知Z2的性质与参数。

3. 针对图1.3.1（b）网络有多种测量方法，下面是其中一些方法：

(1) 分别在1-2端间、1-3端间和3-4端间施加同一交流激励，根据欧姆定律，建立联列方程，计算Z1、Z2、Z3。这是最基本的方法，但也是计算最

复杂的。

(2) 电路采用如下连接方式：3-4端悬空时在1-2端间施加电压激励，2-4端悬空时在1-3端间施加电压激励，1-2端悬空时在3-4端间施加电压激励。每次测试中均只涉及两个串联元件，根据电感在直流激励下的阻抗近似为零，阻抗随交流激励信号的頻率提高而变大，电流相位超前于电压；电容在直流激励下的阻抗为无穷大，随交流激励信号的頻率提高而变小，电流相位滞后于电压的特点，判断Z1、Z2、Z3的性质。

i. 若阻抗与激励的频率无关，则两元件均为阻性。

ii. 若直流时阻抗无穷大，则至少其中一个为容性。

iii. 若直流时阻抗接近于零，则可能两个均为感性。

iv. 若交流激励信号的頻率从0开始提高时，阻抗从某一个定值开始增加，电流与电压的相位差从0开始变大，则其中一个是感性，另一个是阻性，频率为0时的阻抗值即为阻值。

v. 若交流激励信号的頻率从0开始提高时，阻抗从无穷大开始趋近某一个定值，则其中一个是容性，另一个是阻性，趋近的阻抗定值即为阻值。

vi. 施加交流激励时，若电路与电压的相位接近90°，则两个元件中没有阻性元件。

vii. 施加交流激励时，若电路与电压的相位角随频率的提高逐渐增大，则两个元件一个是阻性、一个是感性；反之，则两个元件一个是阻

性、一个是容性。

viii. 通过对有共有元件的两个支路的判断，就可以判定共有元件的性质。

(3) 施加交流激励，通过测量回路电压和另一端口的电压，根据三电压法可得知另一元件上的电压；测量回路电流，可以计算出各元件参数。

AC

图1.3.5 实验电路

(4) 施加交流激励，测量回路端口电压，用示波器观察、测量电流电压的相位差，计算出两个元件上的 …… 此处隐藏：1985字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……