RLC 谐振虚拟实验

扫描频率,观察电流的幅值与相位,从半功率带宽测定选择性。

图 1 理想串联 RLC 等效电路;$R$ 表示全部串联损耗

扫频与读数

滑块范围为当前谐振频率的 0.20–2.50 倍;改变电路后保留频率比。

图 2 电阻电压幅频曲线与当前扫频点
图 3 电流相对于电源电压的相位
图 4 稳态归一化波形;电源相位取零

图中幅值包含 $\sqrt2$ 有效值换算,横轴为 $ft$。此图展示稳态周期,不表示接通瞬态。

表 1 虚拟扫频记录(0 条)

来源身份$f/\mathrm{Hz}$$U_R/\mathrm V$$I/\mathrm{mA}$$\varphi/{}^\circ$操作

当前电路与所选来源各取同组身份最后一条读数;参数不同的记录分别保存。自动定位与用户选频独立反演,均保存理想模型电压和选频身份。

原报告观测

原报告记录 $L=100\ \mathrm{mH}$,两档电容和两种电阻设置。R₁、R₂ 为原记录标签,其实际阻值未记录;下图保持观测电压,不把教学总电阻代入观测批次。

图 5 原报告幅频观测;半功率交点由邻接读数插值

表 2 原报告选定曲线读数

$f/\mathrm{Hz}$$U_R/\mathrm V$

模型依据

采用文献 [1] 的集总、线性、恒幅正弦稳态串联 RLC 模型。理想电感和电容的损耗归入正的总串联电阻,测量等效总电阻两端电压。

$$Z=R+\mathrm j\left(\omega L-\frac1{\omega C}\right),\qquad I=\frac{U}{|Z|},\qquad\varphi=-\arg Z.$$
$$f_0=\frac1{2\pi\sqrt{LC}},\quad Q=\frac{2\pi f_0L}{R},\quad f_+-f_-=\frac R{2\pi L},\quad f_-f_+=f_0^2.$$

半功率点满足 $U_R=U/\sqrt2$,相位分别为 $+45^\circ$ 和 $-45^\circ$。使用两交点的几何平均估计 $f_0$,避免把它们的算术中点误当作谐振频率。

参数域为 $50\le L\le200\ \mathrm{mH}$、$C=0.10/0.20\ \mu\mathrm F$、$20\le R\le400\ \Omega$、$0.10\le U\le5.00\ \mathrm V$;这是教学扫描域。实际器件的寄生参数、非线性和源幅度变化需要逐项实测校准;仪器阻抗和频率响应的影响见文献 [2]。

模型、参数身份和独立验证见模型证据与验证。

参考文献

  1. 汪艳、夏雪琴:《RC、RL及RLC串联电路幅频和相频特性的研究》,大学物理实验,2012,25(5):55–60。DOI。
  2. 陈悦华、冯卓宏、庄滟彤等:《RC、RL和RLC串联电路幅频及相频特性实验优化研究》,实验室科学,2025,28(4):188–192。DOI。