我们知道,对于电阻、电容和电感,都有对应的阻抗模型,因为电阻对电压电流没有滞后作用,因此纯电阻电路不使用阻抗模型进行分析,而对于包含电容和电感的电路,由于电容两端电压变化滞后电流变化,电感两端电流变化滞后电压变化,因此,在含有电容和电感的电路中,需要使用阻抗模型分析信号的幅值和相位关系。
从以下简单的RC低通滤波电路进行分析:
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由电阻电容分压得:
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带入阻抗模型公式得:
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化简得:
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最终得:
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以上式子取模即为输出电压的幅值,而虚数部分则表示相移。
得输出Uo和输入Ui的幅值关系:
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对于输出电压的幅值,由式子可以观察到,在输入信号幅度不变的情况下,输出电压幅值随着输入信号的频率减小,因此形成低通滤波器。
对于输出的相位关系,同样可以采用相量图进行分析。
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如上标出电压正方向,首先,由于电阻电压电流同向,以电阻两端电流电压画基准线:
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再画出电容电压相量图,电容电流与电阻一致,因此IR与IC同向,电容电压滞后电流90°,因此电容端电压UO滞后电阻电压UR 90°,观察图中箭头方向,电容UO的尾部连接UR的头部,因此绘制如下UO相线:
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在观察Ui的电压方向,Ui箭头尾部连接UR尾部,头部连接UC头部,因此Ui相线如下:
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Ui与Uo之间形成相角θ,可看出,输出电压Uo滞后输入电压Ui相角为θ,计算值为:
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对于其他含电容电感的电路,可依据相同的道理进行推算输入与输出的关系。
以下以实例进行分析:
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如上图,Ui设置如下为幅值为1V,频率为10kHz的正弦波,R1的阻值为1Ω,使用示波器测量输入Ui与输出Uo信号波形,令输入Ui波形为红色信号线,输出Uo为蓝色信号线,仿真测量结果如下:
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如上图,Ui和Uo的信号幅度和相位一致。
输出端增加电容C1。
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令C1=16uF,则容抗为:
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通过理论计算,Uo幅值为:
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输出Uo与输入Ui的相位关系为:
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实际仿真结果如下:
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红色线(通道A)为输入,蓝色线(通道B)为输出,从波形明显看出输出幅值比输入幅值低,且输出信号滞后输入信号,根据光标点计算可得,实际输入Ui幅值为1.991V,输出Uo幅值为1.394V,两者比例为:
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两条线的峰值时间差为12.5us,频率周期为100us,以此计算相位差为:
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以上计算结果可满足理论计结果。
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