我們知道,對于電阻、電容和電感,都有對應的阻抗模型,因為電阻對電壓電流沒有滯后作用,因此純電阻電路不使用阻抗模型進行分析,而對于包含電容和電感的電路,由于電容兩端電壓變化滯后電流變化,電感兩端電流變化滯后電壓變化,因此,在含有電容和電感的電路中,需要使用阻抗模型分析信號的幅值和相位關系。
從以下簡單的RC低通濾波電路進行分析:
由電阻電容分壓得:
帶入阻抗模型公式得:
化簡得:
最終得:
以上式子取模即為輸出電壓的幅值,而虛數部分則表示相移。
得輸出Uo和輸入Ui的幅值關系:
對于輸出電壓的幅值,由式子可以觀察到,在輸入信號幅度不變的情況下,輸出電壓幅值隨著輸入信號的頻率減小,因此形成低通濾波器。
對于輸出的相位關系,同樣可以采用相量圖進行分析。
如上標出電壓正方向,首先,由于電阻電壓電流同向,以電阻兩端電流電壓畫基準線:
再畫出電容電壓相量圖,電容電流與電阻一致,因此IR與IC同向,電容電壓滯后電流90°,因此電容端電壓UO滯后電阻電壓UR 90°,觀察圖中箭頭方向,電容UO的尾部連接UR的頭部,因此繪制如下UO相線:
在觀察Ui的電壓方向,Ui箭頭尾部連接UR尾部,頭部連接UC頭部,因此Ui相線如下:
Ui與Uo之間形成相角θ,可看出,輸出電壓Uo滯后輸入電壓Ui相角為θ,計算值為:
對于其他含電容電感的電路,可依據相同的道理進行推算輸入與輸出的關系。
以下以實例進行分析:
如上圖,Ui設置如下為幅值為1V,頻率為10kHz的正弦波,R1的阻值為1Ω,使用示波器測量輸入Ui與輸出Uo信號波形,令輸入Ui波形為紅色信號線,輸出Uo為藍色信號線,仿真測量結果如下:
如上圖,Ui和Uo的信號幅度和相位一致。
輸出端增加電容C1。
令C1=16uF,則容抗為:
通過理論計算,Uo幅值為:
輸出Uo與輸入Ui的相位關系為:
實際仿真結果如下:
紅色線(通道A)為輸入,藍色線(通道B)為輸出,從波形明顯看出輸出幅值比輸入幅值低,且輸出信號滯后輸入信號,根據光標點計算可得,實際輸入Ui幅值為1.991V,輸出Uo幅值為1.394V,兩者比例為:
兩條線的峰值時間差為12.5us,頻率周期為100us,以此計算相位差為:
以上計算結果可滿足理論計結果。
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