实验题目：电路频率特性研究

1. 课程简要信息

课程名称：电路分析基础，学时数：80 学时，适用专业：电子、通信、自动化、微电子等全部电类专业，学期：一年级下（第二学期）

2. 实验内容与任务（限 500 字）

项目需要完成的任务（如需要观察的现象，分析某种现象的成因、需要解决的问题等）；是否设计有不同层次的任务。

自学要求：

1）熟练掌握函数信号发生器、数字示波器、电压表等电子仪器仪表的使用；2）熟练掌握 Multisum 仿真软件；基本要求：3）完成正弦交流电路中电阻、电感、电容元件的性能测试实验；4）完成 RC 滤波电路的频率特性研究实验；5）完成RLC 串联谐振电路的频率特性研究实验；扩展要求：6）综合实现将（ $1 \mathrm { K H _ { Z } }$ ，3V）非正弦周期信号（方波）分解为基波、三次谐波、五次谐波等谐波成分实验；7）将上面分解出的各次谐波逐次再合成为方波；8）绘制电路的幅频、相频特性曲线，时域的波形图、频域的幅度频谱图、相位频谱图。

3. 实验过程及要求（限 300 字）

如对学生在实验过程中在需求分析、资料查询、自学预习、思考讨论、方法设计、进程规划、软件仿真、平台构建、器件选择、表格设计、现象观察、数据测试、问题分析、总结报告、验收答辩、演讲交流等各方面的要求。

1）自主学习并掌握电子仪器仪表、Multisum 仿真软件；2）深入学习正弦交流电路中电阻、电感、电容元件的性质，仿真并实物验证元件的频率特性。
深刻理解元件的感抗、容抗与频率的关系，RLC 元件的VCR关系等内容；3）学习掌握RC电路的频率特性，理解低通滤波电路、高通滤波电路、带通滤波电路的工作原
理，学会设计给定频率的低通和高通滤波电路，仿真并实测电路的转折频率及带宽，绘制幅频、相
频特性曲线；4）理解串联谐振电路的带通滤波特性，掌握谐振频率、带宽、品质因数、选择性的基本概念，
能设计给定谐振频率的串联谐振电路（从指定元件库中选择元件），仿真并实测参数，绘制幅频、相
频特性曲线；5）复习傅里叶级数的基本概念，从数学上理解角频率为 $\omega$ 的非正弦周期信号可分解为无穷多个
正弦信号之和；6）复习串联谐振电路（带通滤波电路）的选频工作原理，分析 RLC 串联谐振电路和数学上傅
里叶级数分解出的各正弦信号的关系，包括频率关系、幅度关系、相位关系等；7）构思分解方式，在仿真优化的基础上实物验证非正弦周期信号的分解，绘制时域的波形图、
频域的幅度频谱图、相位频谱图；8）撰写实验报告，并分组演示讲解，交流各组的得失。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

项目涉及的知识方法、实践技能、应用背景、工程案例。

这是一个运用“电路分析基础”课程内容结合实际研究的验证、设计型实验案例。综合了仪器仪表、仿真软件使用，元件特性研究及由串联谐振电路构成满足要求的综合型电路等相关知识与技术方法。并涉及时域频域，相移、幅度等调节及误差产生原因分析等工程概念与方法。帮助学生由浅入深的理解电路的频率特性，引导学生探究信号与处理领域的知识与分析方法。

5. 教学目标与目的（限 100 字）

如学习、运用知识、技术、方法；培养、提升能力、素质。

本实验是综合应用“电路分析基础”课程所学元件、电路，结合实际进行设计与分析的实验案例，目的是引导学生进一步掌握 R、L、C 元件的频率特性，学习仪器仪表的使用，掌握 RLC 串联谐振电路的带宽、品质因数、选频性等性质，最终通过测试数据及分析，理解信号时域和频域的关系，对于学生提高工程应用能力、提高专业认知度很有帮助。

6. 教学设计与引导

如预习要求及检查；课堂知识讲解、方法引导、背景解释；实验中的方法指导，问题设置、思路引导等。研讨主题、观察节点、验收重点、质询问题的设计等。

本实验的是一个综合性比较强的验证、设计型实验，需要经历学习研究、元件选择、电路设计、调试测试、实验总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1）学习并掌握R、L、C元件的频率特性，举例讲解典型型号、典型用途的R、L、C 元件；

2）学习Multisum仿真软件，在软件中实现R、L、C 元件特性的仿真，绘制元件频率特性曲线；实现RLC 串联谐振电路的仿真，绘制谐振曲线，分析带宽、选频性与元件参数的关系；

3）熟练掌握函数信号发生器、数字示波器、电压表的使用；

4）介绍傅里叶级数分解的物理意义，从理论上明确非正弦周期信号与不同频率、不同幅度正弦信号的关系；

5）深刻学习RLC 串联谐振电路的工作原理，理解无源带通滤波器的带宽、品质因数、选频性等概念；

6）考虑设计要求中需要观察不同次谐波的正弦波以及各次谐波依次累加的结果，并最终观察到近似的方波，需要学生进一步学习示波器的使用，得到合成波形；

7）在电路设计、搭试、调试完成后，必须要用标准仪器进行实际测量，分析分解、合成波形精度及误差原因。

8）在实验完成后，可以组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，介绍不同设计方案及其特点，拓宽知识面

7. 实验原理及方案

实验的基本原理、完成实验任务的思路方法，可能采用的方法、技术、电路、器件。

1） 系统结构

2）实现方案（方波信号分解的实现方案）

a）基本要求：

正弦交流电路中电阻、电感、电容元件的性能测试实验；RC 滤波电路的频率特性研究实验；RLC串联谐振电路的频率特性研究实验；

b）扩展要求：

（1）信号产生：本次实验要求由函数信号发生器产生（1KHZ，3V）方波。

（2）信号分解电路设计：设计由 R、L、C 元件构成的不同频率的串联谐振电路，实现非正弦周期信号的分解。设计中要考虑分解信号的幅度、频率与傅里叶级数数学公式的对应关系，达到分解目的。

（3）信号合成：利用 4 通道示波器加法运算合成叠加波形。

c）提升要求：

讨论学习振荡电路、有源滤波电路、加法电路，用模拟电子技术的方法实现非正弦周期信号的分解与合成，扩大知识面，提升综合应用知识技术的能力。

8. 教学实施进程

简要介绍实验实施进程的各个环节（如任务安排、预习自学、现场教学、分组研讨、现场操作、结果验收、总结演讲、报告批改等）中，教学设计的思路、目的，教师、学生各自需要完成的工作任务，需要关注的重点与细节。

1）依据理论教学安排，要求学生自学仪器仪表、multisum仿真软件的使用，为后续的实验做准备。（开放实验室进行，教师提供学习视频及资源）

2）由浅入深地引入正弦交流电路中电阻、电感、电容元件的性能测试实验；RC 滤波电路的频率特性研究实验；RLC 串联谐振电路的频率特性研究实验；要求先进行仿真，分析得出合理的仿真数据，元件参数；根据实验室的条件选择元件，修改实验电路，实物搭建并实测实验数据，需要分析与仿真数据的差别。教师全程跟踪，辅导解决实验过程中出现的问题，对每个基础实验进行验收，帮助学生分析实验数据。认识低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器。理解动态电路的频率特性在电子和通信工程中的广泛应用，比如实现滤波、选频、移相等功能。

3）在基本要求实验的基础上，引导学生再次学习傅里叶级数的数学含义，理解方波是多频信号的迭加。分析是否能应用已学过的滤波电路分解出各频率信号？讨论可能选用的滤波选频电路，确定方案，设计计算参数，仿真实现。指导有学习余力的同学选择元件，搭建电路，完成测试、测量数据；大部分同学使用教师设计制作的设备验证方波的分解；指导学生运用示波器的波形合成功能还原方波。

4）教师指导学生从不同的角度绘制曲线，包括时域分解波形，频域幅频、相频频谱曲线；

5）教师将多频信号频率分解的思路扩展到有源滤波电路，有意识的引导学生学习振荡、有源滤波、加法电路等后续知识，提高学生的自学能力，扩大知识面，从而提高工程应用能力。

9. 实验报告要求

需要学生在实验报告中反映的工作（如：实验需求分析、实现方案论证、理论推导计算、设计仿真分析、电路参数选择、实验过程设计、数据测量记录、数据处理分析、实验结果总结等等）

实验报告需要反映以下工作：

1）实验需求分析；2）实现方案论证；3）电路设计与元件选择；4）局部电路功能测试验证；5）电路调试方法；6）电路测试方法和设计测试数据表格，包括设计方波的幅度、频率、各级无源带通滤波器的增益、频率、带宽、品质因数、合成波形的电压有效值、频率等技术指标，按表格完成数据测试；7）绘制电路的幅频、相频特性曲线，时域的波形图、频域的幅度频谱图、相位频谱图；8）分析数据误差，总结滤波电路中减少失真的措施；9）实验结果总结。

10.考核要求与方法（限 300字）

1）建立详细考核、验收表：记录、跟踪每次实验完成进度。
2）实物验收：功能与性能指标的完成程度及完成时间。
3）实验质量：实验操作规范，实验数据合理。
4）自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力a) 电路功能理解透彻，局部电路能够反映自己的思维；b) 从拟定方案、设计、实物功能验证各个环节认真、严谨，原始设计资料、验证参数保存齐全；
5）实验报告：实验报告的规范性与完整性
6）文明操作

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

“电路频率特性研究”实验为涉及“高等数学”、“电路分析基础”等课程的设计性实验。对电路频率特性的学习，学生往往觉得比较难理解，老师在讲授时也无法使课堂生动、形象。“电路频率特性研究”实验将“电路分析基础”课程的知识综合联系起来，将抽象的理论形象化、具体化，简化学习难度。同时，通过学生综合运用所学理论知识设计工程实例，可以培养学生的自主学习、独立思考、综合协作能力。

实验案例信息表