正弦稳态网络函数H(jω)是电路自身的一种反映,它决定于电路的结构和参数。由于电路中的感抗和容抗是频率的复函数,所以在电路结构、元件参数值一定的情况下,当指定激励端钮对与响应端钮对时,正弦稳态网络函数与激励的振幅和初相无关,仅为激励源频率ω的复数,且是以频率ω为变量的两个多项式之比,可以表示为
式(7-6)中为正弦稳态网络函数H(jω)的模,它反映了电路响应与激励的幅值之比和频率的关系,称为幅度频率特性,简称幅频特性(Amplitude-frequency Characteristic),即
φ(ω)为正弦稳态网络函数H(jω)的相位,它表明电路响应相量与激励相量的相位差和频率的函数关系,称为相位频率特性,简称相频特性(Phase-frequency Characteristic),即
式(7-7)表征了电路响应与频率的关系,称为电路的频率响应或频率特性(Frequency Characteristic)。
为了直观反映电路的频率特性,可以将幅频特性和相频特性分别画成曲线,称为电路的幅频特性曲线和相频特性曲线,这两种特性曲线合称为频率特性曲线。
例7-5 求图7-6(a)所示RC电路的电压转移函数,并绘出幅频特性曲线和相频特性曲线。若输入电压,求输出电压u2,已知τ=RC=10-3s。
图7-6 例7-5图
解 (1)绘特性曲线。作出图7-5(a)所示RC电路的相量模型如图7-5(b)所示,利用串联电路分压关系可得
所以有
根据以上两式,即可作出幅频特性曲线和相频特性曲线。
由幅频特性可知,当ω=0时,;当ω→∞时,;而当时,。再计算若干个ω对应的值,即可作出幅频特性曲线,如图7-6(c)所示。由图7-6(c)可得,对于同样的输入电压来说,频率越高,输出电压就越小,在直流时,输出电压最大,恰好为输入电压。因此,低频的正弦信号要比高频的正弦信号更容易通过这一电路。这一电路又称为RC低通电路(Low-pass Circuit)。由于选频电路能够滤除输入中某些频率信号,因此又可称为滤波器或滤波电路,所以低通电路又称低通滤波器(Low-pass Filter)。由于功率与电压的平方成正比,当时,,此时功率将降低,因此,称为半功率点频率(Half Power Point Frequency)。工程技术上把频率从0到ωC的范围定为这一低通滤波器的通频带(Bandwidth,简写作BW),而ωC又称为截止频率(Cut-off Frequency)。(www.daowen.com)
由相频特性可知,随着ω由0向∞趋近,相移角φ单调地趋向-90°,如图7-6(d)所示。相移角φ总为负,说明输出电压总是滞后于输入电压,滞后的角度范围为0°≤φ≤-90°,具体数值取决于ω。因此,这一RC电路又称为滞后网络(Lag Network)。
(2)求输出电压。
当ω=500π=1571rad/s时,由幅频特性得,由相频特性得φ=-57°,所以有
故
例7-6 求图7-7(a)所示RC串联电路电压比,并绘出其频率响应。
解 利用分压关系,有
令,则上式改写为
图7-7 例7-6图
其中
由幅频特性和相频特性关系式即可绘出频率响应曲线如图7-7(b)、图7-7(c)所示。
由图7-7(c)可得,对于同样的输入电压来说,频率越高,输出电压就越大,频率越低,输出电压就越小,在直流时,输出电压最小,为零。因此,高频的正弦信号要比低频的正弦信号更容易通过这一电路。这一电路又称为RC高通电路(Highpass Circuit)或高通滤波器(Highpass Filter)。
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