方波的傅里叶分解

电学四、方波的傅里叶分解

任何周期信号如三角波、矩形波、半波、全波等谐波都是由多个频率和多个频率和振幅各不相同的正弦波构成的，反过来，这些在有限频谱内无论多么复杂的谐波波形，又都是由非常多的不同频率振幅的正弦波叠加而成。利用不同的方法，可以从周期信号中分解出它的各次谐波的幅值和相位，也可将各次谐波叠加得到所期望的信号，用这种方法对信号进行分析处理，称为傅里叶分析。

傅里叶分析是一种最常用的分析电信号波形的方法，信号分析在科学研究和工程技术中具有重要地位和广泛的应用。

本实验根据带通滤波器的“滤波”特性，采用串联谐振电路和带通滤波器选频电路，构筑了周期电信号谐波的分解电路。并通过加法合成器等电路分信号的合成叠加电路，通过频率计、万用表或示波器等器材测定信号的频率、相位和振幅，来验证其傅里叶分析(级数)的正确性。

一、实验目的

1.用RLC串联谐振方法将方波分解成基波和各次谐波，并测量它们的振幅与相位关系。

2.了解傅里叶分析的物理含义和分析方法。

二、实验仪器

FD-FLY-A型傅里叶分解合成仪,示波器，电阻箱，电容箱，电感。

三、实验原理

1.数学基础

任何具有周期为T的波函数f(t)都可以表示为三角函数所构成的级数之和，即：

?1f(t)?a0??(ancosn?t?bnsinn?t)2n?1

a02?其中：T为周期，?为角频率。?＝T；第一项2为直流分量。

所谓周期性函数的傅里叶分解就是将周期性函数展开成直流分量、基波和所有ｎ阶谐波的迭加。方波可以写成：

T?(0?t?)?h2f(t)??T??h(??t?0)2?

此方波为奇函数，它没有常数项。数学上可以证明此方波可表示为：

4h111f(t)?(sin?t?sin3?t?sin5?t?sin7?t???)?357

2.周期性波形傅里叶分解的选频电路

我们用RLC串联谐振电路作为选频电路，对方波或三角波进行频谱分解。在示波器上显示这些被分解的波形，测量它们的相对振幅。我们还可以用一参考正弦波与被分解出的波形构成李萨如图形，确定基波与各次谐波的初相位关系。

本仪器具有1KHz的方波和三角波供做傅里叶分解实验，方波和三角波的输出阻抗低，可以保证顺利地

完成分解实验。实验原理图如图3所示。这是一个简单的RLC电路，其中R、C是可变的。L一般取0.1H～H范围。

当输入信号的频率与电路的谐振频率相匹配时，

1

图3 波形分解的RLC串联电

路

此电路将有最大的响应。谐振频率?0为：?0=LC。

这个响应的频带宽度以Q值来表示：Q＝R。当Q值较大时，在?0附近的频带宽度较狭窄，所以实验中我们应该选择Q值足够大，大到足够将基波与各次谐波分离出来。

如果我们调节可变电容C，在n?0频率谐振，我们将从此周期性波形中选择出这个单元。它的值为：V(t)?bnsinn?0t，这时电阻R两端电压为：

?0LVR(t)?I0Rsin(n?0t??)，此式中为串联电路的总阻抗。

??tg?1bXI0?nR，X为串联电路感抗和容抗之和Z，Z

在谐振状态X＝0，此时，阻抗Z?r?R?RL?RC?r?R?RL ，其中，ｒ方波电源的内阻；R为取样电阻；RL为电感的损耗电阻；RC为标准电容的损耗电阻(RC值常因较小而忽略）。电感用良导体缠绕而成，由于趋肤效应，RL的数个将随频率的增加而增加。实验证明碳膜电阻及电阻箱的阻值在1KHz~7KHz范围内，阻值不随频率变

化。

四、实验内容与步骤

方波的傅里叶分解

1.先确定RLC串联电路对1KHz，3KHz，5KHz正弦波谐振时的电容值C1、C3、C5。实

验中，观察在谐振状态时，电源总电压与电阻两端电压的关系。接线图如下。（电感：L=0.1H(标准电感)，理论值：Ci?1(2?fi)L2）

图4 确定RLC电路谐振电容接线图 2.将1KHz方波进行频谱分解，测量基波和n阶谐波的相对振幅和相对相位，接线图如下。

图5 频谱分解接线图

将1KHz方波输入到RLC串联电路，如图5所示。然后调节电容值至C1、C3、C5值附近，可以从示波器上读出只有可变电容调在C1、C3、C5时产生谐振，且可测得振幅分别为b1’、b3’、 b5’（这里只需比较基波和各次谐波的振幅比，所以只要读

出同一量程下示波器上的峰值高度即可）。 3.相对振幅测量时，用分压原理校正系统误差。

提示：若b3为3KHz谐波校正后振幅，b3’为3KHz谐波未被校正时振幅。RL1为1KHz使用频率时损耗电阻。RL3为3KHz使用频率时损耗电阻，r为信号源内阻。则：

b3?b3'?RL3?R?r

RL1?R?r1）测量方波信号源的内阻r。先直接将方波信号接入示波器，读出峰值；再将一电阻箱接入电路中，调节电阻箱，当示波器上的幅度减半时，记下电阻箱的值，此值即为r。接线图如下：

图6 测量信号源内阻电路

2）不同频率电流通过电感损耗电阻的测定。

图7 测量电感损耗电阻原理图

对于0.1H空心电感可用下述方法测定损耗电阻R 。接一个如图7的串联谐振电路。测量在谐振状态时，信号源输出电压VAB 和取样电阻R两端的电压VR（用示波器

测量VAB、VR电压），则：

RL?RL?RC?(VAB?1)RVR

RC为标准电容的损耗电阻，一般较小可忽略。同理测出3KHz、5KHz下电感的损耗电阻，接线图如下。

图8 测量电感损耗电阻接线图

五、数据记录及处理

方波的傅里叶分解

表一：频谱分解实验数据。 谐振频率/KHz 1 谐振时电容理论值 ?fCi0() 谐振时电容实验值无谐振 3 无谐振 5 C1和C3之间 ---- ---- C3和C5之间 Ci(?f) 相对振幅 李萨如图 ---- ---- 表二（选做）：电感损耗电阻实验数据。

取样电阻R= ?，信号源内阻测量得r= ?，电感L=0.1H。

使用频率f/KHz 损耗电阻RL/? 1.00 3.00 5.00 校正后基波和谐波的振幅比; 。

六、注意事项

分解时,观测各谐波相位关系,可用本机提供的1KHz在正弦波做参考；

七、本实验可入手的创新点思

1.实验中可有意识增加串联电路中的电阻R的值，将Q值减小，观察电路的选频效果，从中理解Q值的物理意义。

2.良导体的趋肤效应是怎样产生的？如何测量不同频率时，电感的损耗电阻？如何校正傅里叶分解中各次谐波振幅测量的系统误差？

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