研究型综合实验的开发与实践

2013-05-03 11:03严文凯

实验技术与管理 2013年3期

严文凯，孙盾，张勇，李键

（浙江大学电气工程学院，浙江杭州 310027）

为了满足工科学生自主研究和创新实践能力的培养需求，我校电路原理实验课程教学增设了研究型实验探究环节。实验内容涉及滤波、频谱分析、信号的分解与叠加、分布参数电路分析和信号的无畸变传输等。实验的各个模块环环相扣，高度模块化和集成化，切实提高了学生的动手操作能力和实践创新能力［1－3］。

1 实验原理设计

电路原理理论教学中，由傅里叶级数分析可知，方波信号中蕴含着各种奇次谐波，通过滤波电路可从方波中提取得到一次谐波、三次谐波和五次谐波，并通过加法电路对信号进行叠加，实验发现叠加后的信号仍有些许高次谐波干扰，则再通过低通滤波器，得到稳定的周期性非正弦信号。而对于长距离均匀传输线，根据实验室的现有条件，利用链型集中参数电路的双口网络实现分布参数电路的模拟，并通过前面模块得到的叠加后非正弦信号，来探明信号无畸变传输的条件。由上可得，实验模块包括：1kHz带通滤波器，3kHz带通滤波器，5kHz带通滤波器，加法器电路，低通滤波器，链型集中参数电路。

2 实验模块的设计

2.1 加法器电路

加法器为一次谐波、三次谐波、五次谐波的叠加电路，其电路结构如图1所示，取R10＝R20＝R30＝R31，可以得到：

图1 加法器电路

2.2 滤波电路模块

2.2.1 一、三、五次谐波发生电路

方波信号经过傅里叶级数展开后可知其包含着不同频率的奇次正弦波信号，通过带通滤波器来提取不同频率的正弦波。本次实验通过六阶级联的带通滤波器，通过调节其中某些电阻的阻值，完成一次谐波、三次谐波和五次谐波的提取。带通滤波器模块见图2。

图2 带通滤波器

对图2所示电路图，可通过调节滑动变阻器的阻值使输出波形的中心频率连续变化，表1反映了带通滤波器的幅频特性曲线的中心频率随着滑动变阻器R2、R5、R8的阻值变化的情况.由此即可通过调节度阻器的阻值分别为20kΩ、2.5kΩ、680Ω，依次得到一次谐波、三次谐波和五次谐波。得到的实测波形：一次谐波为图3，三次谐波为图4，五次谐波为图5［4］。

表1 带通滤波器幅频特性曲线变化表 kHz

图3 一次谐波

图4 三次谐波

图5 五次谐波

2.2.2 低通滤波器电路

由于加法器叠加后的信号仍含有高次谐波，则需要通过低通滤波器进一步滤波。此低通滤波器的上限频率为5kHz。实验表明，这样得到的波形更加稳定，更接近理想的一、三、五次谐波的叠加波形，其原理图为图6。

图6 低通滤波器

2.3 链型集中参数分布电路

长距离传输线路用Г型的链型集中参数电路进行等效，电路见图7。

图7 链型集中参数电路

为了求取链型集中参数电路的特征阻抗，将链型集中参数电路用双端口网络进行等效。链型集中参数电路的二端口等效电路，如图8所示［5－6］。

图8 双口网络模型

双端口网络的特性方程为

根据特性阻抗性质，U2端接特征阻抗时，从U1端口看入，整个网络的等效阻抗仍为特性阻抗，由此得出

由对称网络特性又有

综合（1）、（2）、（3）、（4）可得特性阻抗

由（1）、（2）又可得

综合（5）、（6）、（7）式可以计算出链型集中参数电路的特性阻抗。由此可通过Multisim软件仿真求出此链型集中参数电路的特性阻抗理论值［7］。

图9 组合实验电路图

3 信号无畸变传输的探究

3.1 Г型链型等效电路的实验分析

传输线的模拟传统做法用的是Г型链型集中参数电路。当有限级数级联时，由于Г型电路缺乏对称性，实验所得特性阻抗与理论值有较大的偏差。此次实验我们也得出了这个结论，当级联的级数为6级时，实测特性阻抗为757Ω，12级时，实测特性阻抗为720 Ω，与理论值674Ω均有较大偏差。

3.2 链型集中参数电路的探究与改进

由于Г型链型集中参数电路实验所得特性阻抗与理论值存在较大的误差，究其原因包括Г型链型电路在有限级数级联时缺少对称性，电容、电感的标称值与实际值存在误差，电感存在电阻等。为了减少上述实验误差，提高模拟长线的精度，我们采用T型等效电路（见图10），并探究了此T型等效电路与Г型等效电路在不同级数级联下的特性阻抗情况。结合（5）、（6）、（7）式，我们分别实测出了2级、6级、9级、12级级联的Г型，T型等效电路的实际特性阻抗。实验数据见表2、表3、表4、表5。