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(cè)量各種電信號(hào)。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(hào)，但它們基本原理是相同的。本實(shí)驗(yàn)是利用示波器觀察周期性改變信號(hào)和測(cè)量其主要
參數(shù)。
交流電的電壓（或電流）隨時(shí)間作周期性變化。實(shí)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)，
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(shí)驗(yàn)中我們也通過實(shí)驗(yàn)了解整流
濾波電路。
【實(shí)驗(yàn)?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(cè)量方法；
3．了解整流濾波電路的基本工作原理。
【實(shí)驗(yàn)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(shí)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(cè)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(duì)時(shí)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(duì)時(shí)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(gè)線圈繞在同一鐵芯上，若一個(gè)線圈加上交流電壓，則另一線圈上
將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如圖2 所示，在變壓器中初級(jí)線圈所加的電壓為E1（V），次級(jí)線圈產(chǎn)
生的電壓為E2（V）。如初級(jí)線圈的匝數(shù)為N1，次級(jí)線圈的匝數(shù)為N2，則E1與E2的大小正比
于兩個(gè)線圈的匝數(shù)。

由于兩個(gè)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(jí)線圈流過的電流為I1（A），次級(jí)
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(dòng)電流，含有較
大的交流分量，會(huì)影響負(fù)載電路的正常工作；例如交流分量會(huì)混入輸入信號(hào)被放大電路放
大。為減小電壓的脈動(dòng)，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?shí)現(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(gè)周期的正弦信號(hào)。為了提高整流效率，使交流電的正負(fù)半周信號(hào)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(dòng)，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(jiǎn)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(dòng)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(shí)刻接通電源，ui由0 開始上升，對(duì)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(jì)。在t = t1時(shí)，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(shí)，二極管
D2和D4導(dǎo)通，在次對(duì)電容和對(duì)負(fù)載供電。到達(dá)t3時(shí)，電容又充電至uC ＝ i 2u ，以后每半
個(gè)周期如此循環(huán)下去。負(fù)載上的波形圖如圖6 中實(shí)線所示。由電容兩端的電壓不能突變的
特點(diǎn)，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(dòng)系統(tǒng)仍較大，尤其是負(fù)載電阻RL較小時(shí)，除非將電容容
量增加（實(shí)際應(yīng)用時(shí)難于實(shí)現(xiàn)）。在這種情況下，要想減少脈動(dòng)，可利用多級(jí)濾波方法，即
再加一級(jí)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(jí)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(shí)驗(yàn)儀器】
雙蹤示波器，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，數(shù)字萬用表，接線板，變壓器1 個(gè)（1000 匝和500 匝），
整流二極管（4 個(gè)），電容三個(gè)：C1 = C2 ＝47 μF，C = 2200 pF，電阻兩個(gè)：R1 = 300 Ω，
R2 = 1 kΩ，短接橋6 個(gè)，接線等。

【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】
1．示波器的使用
（1）熟悉示波器和信號(hào)發(fā)生器各旋鈕的作用，可參見實(shí)驗(yàn)室提供的儀器使用說明；
（2）調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器，使輸出波的電壓大小為5 V，頻率為1 kHz（信號(hào)發(fā)生器所顯示的
電壓值為峰值），計(jì)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(shí)間和電壓差值，計(jì)算電壓有效值；
（4）用數(shù)字萬用表測(cè)量信號(hào)發(fā)生器輸出波的電壓有效值并記錄在附表1 中；
（5）對(duì)上面三個(gè)電壓有效值值進(jìn)行比較。
2．觀測(cè)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(hào)發(fā)生器輸出波不變（5 V，1 kHz），
利用示波器觀察并測(cè)量輸出電壓的峰值，計(jì)算其有效值，并記錄在附表2 中；

（2）將初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的電信號(hào)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(shí)標(biāo)出此時(shí)的相位差。
3．整流波形的測(cè)量
（1）將電路連接成半波整流電路（如圖3），保持信號(hào)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(hào)uo，分別畫出ui、uo的圖形；
（3）用示波器測(cè)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(shí)驗(yàn)。
4．濾波電路
（1）實(shí)驗(yàn)電路圖按圖5 接線，RL =1 kΩ，C = 2200pF，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器使輸出信號(hào)為5 V，
200 Hz；
（2）用示波器觀察輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，分別畫出輸入和輸出波的圖形；
（3）用示波器測(cè)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(shí)驗(yàn)。
【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？