关于RC串并联选频网络实验的改进

张学文，司佑全

( 湖北师范大学物理与电子科学学院，湖北 黄石 435002)

关于RC串并联选频网络实验的改进

张学文，司佑全

( 湖北师范大学物理与电子科学学院，湖北 黄石 435002)

RC串并联选频网络特性观测实验中，普遍采取的方法是在实验过程中，每改变一次频率时，都要调节信号源输出幅度，致使学生很难在有限的学时里完成幅频特性和相频特性的测量。通过在信号源和RC串并联选频网络之间加入由集成运放组成的电压跟随器，使得净输入信号幅值基本保持不变，避免信号源频率增大时引起RC串并联选频网络电路幅值减小，提高了实验的效率。

RC网络; 幅频特性; 相频特性

RC串并联选频网络是电路分析中的一个重要电路[1]，该电路结构简单，被广泛应用于低频振荡电路中作为选频环节，可以获得很高纯度的正弦波电压[2]。在实际观测RC串并联选频网络的幅频特性和相频特性实验中，改变信号观测频率时，要求保持信号源接入电路后的输出电压大小不变(即净输入电压不变)，而实际信号源的输出电压大小与频率大小的改变有一定的关联关系。在通常的RC串并联选频网络特性观测实验中，普遍采取的方法是在实验过程中，每改变一次频率时，都需要调节信号源输出幅度，致使学生很难在有限的学时里完成幅频特性和相频特性的测量。能否采取一定的方法，使得实验过程中RC串并联选频网络的输入信号幅值基本保持不变？本文通过在信号源和RC串并联选频网络之间加入由集成运放组成的电压跟随器可很好地解决了这一问题，提高实验效率。

1 电路理论分析

如图1所示电路，保持信号源输出接入电路后净输入电压有效值Ui为3V不变(用交流毫伏表测量)，当改变输入信号频率时，测量对应输出值。(由于信号源内阻的影响，RC串并联选频网络输入信号的幅度会随信号频率变化而变化。因此，在调节输出频率时，应同时调节输出幅度，使实验电路的输入电压Ui保持不变。)RC串联部分与RC并联部分串在一起，电流相同，所以输出输入电压比值

(1)

化简后就得到该网络的传递函数为

(2)

其幅频特性为

(3)

相频特性为

(4)

通频带：BW=3f0

图1 选频网络实验电路

2 RC串并联选频网络特性的实验测量

实验中使用的示波器为上海新建XJ4316A(20MHz模拟示波器)，信号源为鼎阳SDG1025 25MHz 2通道的函数/任意波发生器。信号发生器输出阻抗为50Ω. 被测电路也是有输入阻抗的，当信号发生器与被测电路连接时，由于分压作用，加在被测电路的电压被衰减。图1所示选频网络实验电路等效电路如图2所示。

表1 测量的有效值为3V不变(Ui=3V)幅频、相频特性

表1中m为输入输出波形示波器水平方向相差格数，n为一个周期信号的格数。

实验时将信号源频率分别调到中心频率、下限频率、上限频率和输出信号为中心频率的0.5倍，0.2倍所对应的频率的地方。用示波器双踪显示测量相频特性时，分别将示波器两个通道的耦合方式拨动开关(AC/GND/DC)置于GND处，调节两条水平扫描线与中间的一条基准线重合，这样才能读数准确[5]。由表1可见幅频、相频特性相对误差较大的地方在靠近中心频率附近的500Hz处。

3 改进电路的RC串并联选频网络特性的实验测量

图3 选频网络实验改进电路

信号发生器输出阻抗为50Ω，在改变频率的过程中需要不断调节信号源输出幅度。电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低。一般来说，输入阻抗可以达到几兆欧姆，而输出阻抗低，通常只有几欧姆，甚至更低。电压跟随器的输入阻抗高、输出阻抗低特点，可以极端一点去理解，当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路；当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响。一个对前级电路相当于开路，输出电压又不受后级阻抗影响的电路当然具备隔离作用[6]，使前、后级电路之间互不影响。在信号源和RC串并联选频网络之间加入由集成运放组成的电压跟随器(如图3所示改进电路)，这样信号源对RC串并联选频网络就相当于一个恒压源。

信号源输出有效值调到3V，在改变频率的过程中Ui始终等于3V，避免了实验过程中不断调节信号源输出值的麻烦。

表2 信号源输出有效值为3V不变(Us=Ui=3V)改进电路幅频特性、相频特性

其中m为输入输出波形示波器水平方向相差格数，n为一个周期信号的格数。

由表2所得结果可知改进后的电路相对误差较改进前并没有增加。这样大大减小了工作量，可以使学生将精力投入到输出信号幅度的测量，输入输出信号相位差的测量上。

在信号源和RC串并联选频网络之间加入由集成运放组成的电压跟随器[7]，给出了信号源的输出电压之后，在测量幅频、相频特性的过程中，不需要调节信号源输出电压幅度，节约了大量的时间[8～10]。

在正弦稳态分析电路中都可以采取在信号源与被测电路之间加入电压跟随器的方法，避免在改变信号源频率时所带来的对实际电路的影响[11～12]。

[1]吴大中，赵远东.电路理论与实践[M].北京：清华大学出版社,2013.

[2]任骏原.RC桥式正弦波振荡电路的输出幅值分析[J].电子设计工程,2013,21(14) :107～110.

[3]张廷锋，李春茂.电工学实践教程[M]. 北京：清华大学出版社,2006.

[4]电工电子实验教程编写组.电工电子实验教程[M].长春：东北师范大学出版社,2011.

[5]杨龙鳞.电路与信号实验指导[M].北京：人民邮电出版社,2004.

[6]宋玉阶.电工与电子技术[M].武汉：华中科技大学出版社,2012.

[7]汪 艳，夏雪琴. RO、RL及RLC串联电路幅频和相频特性的研究[J].大学物理实验,2012.

[8]吴昭方.RC 并串联网络频率特性[J].安庆师范学院学报( 自然科学版) , 2004,l0 (4 ):45～46.

[9]段秀铭.RC 串联电路特性测试实验常见问题解析[J].大学物理实验,2014,27(5):68～71.

[10]牛泽茜，潘俊陶，李晓文.RC无源带通电路特性及滤波误差分析方法[J].大学物理,2015,34(11):53～56.

[11]张学文,司佑全.RLC串联谐振电路仿真分析[J].湖北师范学院学报(自然科学版) ,2013,33(2):64～68.

[12]张学文,司佑全.RLC 阻抗特性的测量两种实验方法比较[J].湖北师范学院学报(自然科学版) ,2014,34(2): 83～87.

Improving on the experiment of series and parallel for RC networkfrequency selection

ZHANG Xue-wen,SI You-quan

(College of Physics and Electronic Science, Hubei Normal University, Huangshi 435002,China)

About RC series and parallel frequency selective characteristic observation experiment, the method generally adopted is that the amplitude of the output signal source must be adjusted as the frequency is changed each time in the course of the experiment, which often results in students being difficult to accomplish the measurement on the frequency characteristics and amplitude-frequency characteristics in a limited period. In this paper, by adding voltage follower composed with the integrated op amp between the signal source and frequency selection series and parallel RC network added by the integrated op amp, let the net input signal amplitude remain unchanged, to avoid decreasing of the frequency selective network series and parallel RC circuit amplitude owing to increasing of the signal source frequency, and improve the efficiency of the experiment.

RC network; amplitude frequency characteristic; phase frequency characteristic

2016—10—10

湖北师范学院校级教研项目JH201129，ZD201121

张学文(1965— )，女，湖北黄冈人，本科，高级实验师，从事电子技术实验研究。

TMl3

A

2096-3149(2017)02- 0068-04

10.3969/j.issn.2096-3149.2017.02.015