整流、濾波電路—示波器的使用

整流、濾波電路—示波器的使用

示波器是一種常用的電子儀器，主要用于觀察和測量各種電信號。配合各種傳感器把
非電量轉(zhuǎn)換成電量，示波器也可以用來觀察各種非電量的變化過程。示波器有多種類型和
型號，但它們基本原理是相同的。本實驗是利用示波器觀察周期性改變信號和測量其主要
參數(shù)。
交流電的電壓（或電流）隨時間作周期性變化。實際上，所謂交流電包括各種各樣的
波形，如正弦波、方波、鋸齒波等。本實驗中，我們主要討論正弦交流電。其原因在于，
正弦交流電在工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，它在生產(chǎn)、輸送和應(yīng)用上比起直流電來有不少優(yōu)點，
而且正弦交流電變化平滑且不易產(chǎn)生高次諧波，用傅里葉分析法可知各種非正弦的交流電
都可由不同頻率的正弦交流電疊加而成，可用正弦交流電的分析方法來分析非正弦交流電。
通過交流和濾波電路，可以把交流電轉(zhuǎn)換成直流電，在本實驗中我們也通過實驗了解整流
濾波電路。
【實驗?zāi)康摹?br>1．熟悉示波器的使用；
2．掌握交流電路的基本特性及交流電各參數(shù)的測量方法；
3．了解整流濾波電路的基本工作原理。
【實驗原理】
1．交流電
正弦交流電的表達(dá)式如下，其曲線如圖所示。

因此，把頻率（或周期）、振幅和初相位稱為正弦量的三要素。在實際應(yīng)用中，交流電路中
的電流或電壓往往是用有效值而不是用幅值來表示的。許多交流電流或電壓測量設(shè)備（如
萬用表）的讀數(shù)均為有效值。有效值為電流或電壓對時間均方值，定義為：

需要指出的是：同頻率正弦交流電的和或差均為同一頻率的正弦交流電。此外，正弦交流電對時間的導(dǎo)數(shù)也仍為同一頻率的正弦交流電。這在技術(shù)上
具有十分重要的意義。
2．變壓器原理
在變壓器中，將兩個線圈繞在同一鐵芯上，若一個線圈加上交流電壓，則另一線圈上
將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。如圖2 所示，在變壓器中初級線圈所加的電壓為E1（V），次級線圈產(chǎn)
生的電壓為E2（V）。如初級線圈的匝數(shù)為N1，次級線圈的匝數(shù)為N2，則E1與E2的大小正比
于兩個線圈的匝數(shù)。

由于兩個線圈是通過互感相互作用，故E1（V）和E2（V）之間存在一定的相位差。
另外，不僅電壓，電流也按一定的比例變化。設(shè)初級線圈流過的電流為I1（A），次級
線圈流過的電流為I2（A）。則I1（A）和I2（A）之間也存在一定的相位差。其大小與匝數(shù)
成反比，即

變壓器的基本電路

3．整流和濾波
整流電路的作用是把交流電轉(zhuǎn)換成直流電，嚴(yán)格地講是單一方向的脈動電流，含有較
大的交流分量，會影響負(fù)載電路的正常工作；例如交流分量會混入輸入信號被放大電路放
大。為減小電壓的脈動，需通過低通濾波電路濾波，是輸出電壓平滑。
（1）整流原理
利用二極管的單向?qū)щ娦钥蓪崿F(xiàn)整流。
（a）半波整流
圖3 中D是二極管，RL是負(fù)載電阻。若輸入交流電為

圖3 半波整流電路及其波形圖
（b）全波橋式整流
前述半波整流只利用了交流電半個周期的正弦信號。為了提高整流效率，使交流電的正負(fù)半周信號都被利用，則應(yīng)采用全波整流，現(xiàn)以全波橋式整流為例，其電路和相應(yīng)的波形如圖4 所示。若輸入交流電仍為

圖4 橋式整流電路和波形圖
（2）濾波電路
經(jīng)過整流后的電壓（電流）仍然是有“脈沖”的直流電，為了減少波動，通常要加濾
波器，常用的濾波電路有電容濾波、電感濾波等。現(xiàn)介紹最簡單的濾波電路。
（a）電容濾波電路

圖5 全波整流電容濾波器            圖6 全波整流電容濾波電路波形圖

電容濾波器是利用電容充電和放電來是脈動的直流電變成平穩(wěn)的直流電。我們已經(jīng)知
道電容器的充、放電原理。圖5 所示為電容濾波器在帶負(fù)載電阻后的工作電路。設(shè)在t = 0
時刻接通電源，ui由0 開始上升，對電容器進(jìn)行充電。由于整流元件的正向電阻很小，可
略去不計。在t = t1時，uC達(dá)到峰值為2ui 。此后ui以正弦規(guī)律下降，電容電壓通過負(fù)載電
阻RL放電，在t2以前，二極管D1和D3因受反向電壓而截止。當(dāng)達(dá)到ui負(fù)半周的t2時，二極管
D2和D4導(dǎo)通，在次對電容和對負(fù)載供電。到達(dá)t3時，電容又充電至uC ＝ i 2u ，以后每半
個周期如此循環(huán)下去。負(fù)載上的波形圖如圖6 中實線所示。由電容兩端的電壓不能突變的
特點，達(dá)到輸出波形趨于平滑的目的。
（b）π 型RC 濾波
前述電容濾波的輸出波形脈動系統(tǒng)仍較大，尤其是負(fù)載電阻RL較小時，除非將電容容
量增加（實際應(yīng)用時難于實現(xiàn)）。在這種情況下，要想減少脈動，可利用多級濾波方法，即
再加一級RC低通濾波電路，如圖7 所示，這種電路也稱π型RC濾波電路。
由圖7 可見，π型RC 濾波是在電容濾波之后又加了一級RC 濾波，使得輸出電壓更平
滑（但輸出電壓平均值要減少）。

圖7 π 型RC濾波電路
【實驗儀器】
雙蹤示波器，函數(shù)信號發(fā)生器，數(shù)字萬用表，接線板，變壓器1 個（1000 匝和500 匝），
整流二極管（4 個），電容三個：C1 = C2 ＝47 μF，C = 2200 pF，電阻兩個：R1 = 300 Ω，
R2 = 1 kΩ，短接橋6 個，接線等。

【實驗內(nèi)容】
1．示波器的使用
（1）熟悉示波器和信號發(fā)生器各旋鈕的作用，可參見實驗室提供的儀器使用說明；
（2）調(diào)節(jié)信號發(fā)生器，使輸出波的電壓大小為5 V，頻率為1 kHz（信號發(fā)生器所顯示的
電壓值為峰值），計算其電壓有效值；
（3）調(diào)節(jié)示波器，要求能觀察到穩(wěn)定的交流波形，在附表1 中記錄最高峰與最低峰之間的
時間和電壓差值，計算電壓有效值；
（4）用數(shù)字萬用表測量信號發(fā)生器輸出波的電壓有效值并記錄在附表1 中；
（5）對上面三個電壓有效值值進(jìn)行比較。
2．觀測變壓器的輸入、輸出波（升壓、降壓電路選作一）
（1）將變壓器連接成升壓電路或降壓電路，保持信號發(fā)生器輸出波不變（5 V，1 kHz），
利用示波器觀察并測量輸出電壓的峰值，計算其有效值，并記錄在附表2 中；

（2）將初級線圈和次級線圈的電信號分別輸入示波器的CH1和CH2，觀察并記錄兩波形（毫
米方格紙上），同時標(biāo)出此時的相位差。
3．整流波形的測量
（1）將電路連接成半波整流電路（如圖3），保持信號發(fā)生器輸出波不變（5 V，1 kHz），
RL取1 kΩ；
（2）用示波器觀察半波整流ui和輸出信號uo，分別畫出ui、uo的圖形；
（3）用示波器測量輸出波電壓，記錄在附表2 中；
（4）將電路連接成全波整流電路（如圖4）RL =1 kΩ，重復(fù)以上實驗。
4．濾波電路
（1）實驗電路圖按圖5 接線，RL =1 kΩ，C = 2200pF，調(diào)節(jié)信號發(fā)生器使輸出信號為5 V，
200 Hz；
（2）用示波器觀察輸入信號和輸出信號，分別畫出輸入和輸出波的圖形；
（3）用示波器測量輸出波電壓，記錄在附表2 中；
（4）將電路按圖7 接線，成為π 型RC濾波電路，C1 = C2 ＝ 47 μF，RL =1 kΩ， R1 =300Ω，
重復(fù)以上的實驗。
【思考題】
1．峰-峰值為1 V 的正弦波，它的有效值是多少？
2．整流、濾波的主要目的是什么？