探究串联谐振回路在电子技术中的应用

摘要：本文首先介绍了串联谐振回路的基本工作原理，然后分析了串联请振回路的参数和特性，最后探究了串联谐振回路在电子技术中的应用。

关键词：串联谐振回路，工作原理，电子技术，应用。

中图分类号：F407.63 文献标识码：A 文章编号：

一、串联谐振回路的基本工作原理

谐振电路在电子技术中应用很广。在收音机、电视机等电子设备中, 都有多个由电感线圈与电容器组成的谐振回路, 其作用大多是选频。

串联谐振回路的基本形式如图1 所示, 图中L 和C 分别为回路电感和电容,R s 为信号源内阻,R L 为负载电阻, r 为回路中固有损耗电阻, 主要是电感中的导线电阻和磁心损耗。

图1

一般来说, 与电感中的损耗相比, 电容中的损耗可忽略不计, 其简化回路如图2 所示,

图2

当在正弦交流电压U 的激励下, 通过回路的电流为：

I==

式中，R= r + RL Z= R + j(ωL-1/ωC)

显然, 当ωL 二1 /ωC 时, 电路端口的电压与电流同相, 回路发生谐振; 因是在R、L、C 串联回路中发生的, 故称为串联谐振。当回路发生谐振时, 具有以下特征:

1、回路的阻抗最小, Z =R, 当端口电压U 不变时, 电流I 最大, I =I。=U / R (其中I。称为谐振电流) ,U = IR = U

2、谐振时, 电感上的电压和电容上的电压大小相等, 相位相反, 相互抵消, 即电抗电压U=U―U=0, 相量图如图3 所示。

图3

3、谐振时, 回路与电源间不发生能量交换, 能量的互换只在电感和电容之间进行。

二、串联请振回路的参数和特性

1、回路谐振频率f0

由谐振条件知, 当时ωL=1/ωC回路产生谐振。

此时: ω=ω=1/，得f0=1/2π

2、回路总阻Z

由原理图知, 串联谐振回路的总阻抗为: z = R L + r + R.+j (ωL 一l/ωC ), 谐振时阻抗最小且为纯电阻回路; 失谐时阻抗变大, 当f3、回路的品质因素Q< f0 时, 回路呈容性, 当f > f0 时, 回路呈感性。

3、回路的品质因素Q

品质因素.Q 定义为特性阻抗与电阻的比值,它是一个由回路参数R、L、C 决定的量。

4、空载回路电流I

I==，谐振时，I=

5、谐振曲线

由于串联电路中电流i相等，但L.C两端的电压并不一致，L两端的电压U1比电流i超前90°，而C两端的电压U则比i落后90°, U和U的相位正好相反，因此两者串联后是互相抵消的.又因为电感L两端的电压UL =2πfLi，电容C两端的电压Uc=i/(2πfc),也即感抗X,随频率的升高而升高，容抗X却随频率的升高而减小。因此，必然存在这样一个特定频率f0，满足条件2πfOL=1/(2πfOc)，此时感抗和容抗数值相等，电感两端的电压UL和电容两端的电压Uc数值相等，而方向相反，两者相互抵消，此时电路电流最大。由此可见，串联谐振的条件是X= Xc，其谐振频率f0=1/(2π).

串联电路的振荡频率f0，完全是由电路本身的参数来决定的，这是电路本身的固有性质，对于每一个具体的R.L,C串联电路，只存在一个对应的谐振频率f0。当外接信号源的频率与电路的谐振频率相等时，电路便发生谐振。此时电路的电流最大，该电流流过电感线圈L和电容C，产生的谐振电压也为最大值。人们利用谐振电路这一特点，可以达到从较宽频谱的信号中选择某一频率信号的目的。

当外接信号源频率f小于f0时，因为Xc > X，回路呈现容性，电路阻扰为Xc > X，此时电流比谐振状态下小;当外接信号源频率f高于f0时，Xc > X，此时回路呈现感抗，其值为Xc > X，电流亦比谐振状态下小。其电流随频率变化的曲线如图4所示。该曲线称为串联回路的谐振曲线。

图4

由图可知: 当谐振回路的Q 值不同, 谐振曲线的形状不同,Q 值越大, 曲线越尖,Q 值越小, 曲线越平坦, 在Q 值较低的情况下, 当频率偏离谐振频率时, 电流变化不大, 回路对非谐振频率的抑制能力较弱, 反之亦然。即是Q 值越高的回路选择性越好,Q 值越低的回路选择性越差。

串联谐振电路在谐振状态下, 电路的感抗与容抗相等, 相互抵消, 串联电路的总阻抗呈最小值为R, 回路电流i=U/R。此时电容上的电压Uc=QU, 电感上的电压U=QU。由于电感或电容两端的电压为信号源电压􀀁 的􀀁 倍, 因此串联谐振又称为电压谐振。

6、回路的通频带

定义谐振曲线I>I/=0.707 I所对应的频率范围，用BW=f0/Q表示，说明通频带与回路的Q值成反比，而Q值代表回路的选择性，因而这两个指标是互相矛盾的, 在应用时要合理的选用。

三、串联谐振回路在电子技术中的应用

根据串联谐振回路的特性, 它在电子技术中的应用很广泛, 主要体现在以下几个方面:

1、选频

以收音机选频回路为例, 如图5 所示为一收音机的输人回路图, 由一次侧调谐线圈L、, 二次侧韧合线圈玩和可变电容C 构成; L1和C 构成串联谐振选频回路。L1和L2绕在磁棒上, 当空中各种不同频率的电磁波穿过磁棒时, 在L1上感应出不同频率的电动e1、e2、e3・・・en。当调节C 使L1C 谐振回路的频率与其中一个信号的频率相等时即产生谐振, 此时该频率的信号所产生的电流达到最大, 而其它频率的信号产生的电流可以忽略不计, 从而在L1两端得到该频率的较大信号, 通过电磁藕合到二次侧得到该频率的信号再送到下一级回路进行处理; 如此调节C 就可以得到所要频率的信号, 从而达到选频的目的。该种选频回路在其它接收机中也得到广泛的应用。如: 无线调频话筒、对讲机、电视机等。

图5

2、滤波

在某些接收机中, 为了抑制某些特定的频率对接收信号产生干扰, 常采用串联谐振回路对其吸收,从而达到抑制干扰的目的。如: 电视机为抑制相邻高频道的图像中频载频(30 M 干扰和抑制相邻低频道的伴音中频载频(39.5M )干扰常采用的串联谐振吸收回路。

3、频率补偿

如图6 所示为一L C 串联谐振调音频率补偿回路, 以频率为15 KHZ的高音为例说明其补偿过程。L5、C5 、R5组成谐振频率为15 KHZ的串联谐振回路, 对15 KHZ及附近频率的信号阻抗很小, 当R P5调至中间位置时, 对15 KHZ频率没有补偿作用, 当RP 5向上滑动时,V3基极对地负反馈电阻减小,15 KHZ信号得到提升补偿; 反之亦然。

图6

串联谐振回路除了以上几个方面的应用外, 还在频幅和频相转换、阻抗变换等高频电路中得到较为广泛的应用。

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