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1、实验二、频率特性的测试与分析一、 实验目的、 掌握频率特性的测试原理及方法。、 根据开环系统的对数频率特性，确定系统组成环节的参数。、 进一步掌握电模拟方法。二、 实验设备和仪器1、自动控制系统教学模拟机 一台2、数字万用表 一块3、TD4010 型频率响应分析仪 一台三、 实验原理及方法、 概念：在 XSint 的作用下，线性定常系统的输出信号稳态分量 Y（t）是和正弦输入信号同频率的正弦函数，其振幅 Y 与输入正弦信号的振幅 X 的比值是角频率 的函数，它描述系统对不同频率的正弦输入信号在稳态情况下的衰减或放大特性。定义系统输出信号的稳态分量 Y（t）对正弦输入信号 X（t）的相移 为该系
2、统的相频特性，它描述系统的输出对不同频率的正弦输入信号在相位上产生的相角滞后和相角超前的特性。上述的幅频特性|G（j）|和相频特性G(j)统称为系统的频率特性，记为：频率特性可以通过实验的方法来确定，即改变正弦输入信号 XSint 的角频率，测出与此相应的输出信号稳态分量 Yw（t）的振幅以及 Yw（t）相对于正弦输入信号X（t）的相移 ，然后计算出 Y/X 对于频率 的函数曲线这便是幅频特性：求取相移 对于信号频率 的函数曲线，这便是相频特性G(j)。上述这种方法就是求取频率特性的实验法。四、TD4010 型频率响应分析仪使用说明TD4010 型频率响应分析仪是用来测量自动控制系统，部件或元
3、件等的频率特性，是在频率域内分析对象动态特性的重要工具。、 前面板示意图)(jGXejGjjG)()()()jXY1前面板示意图见图 21，除电源开关为按键外，其余均为轻触键。显示方式 发生器显示窗口 过载指示灯数字键及发生器参数键TD4010 FREQUENCY RESPONSE ANALYSERA B GENERATOR V 7 8 9Hz OVLDR-LOGR mHz 4 5 6输入量程 显示方式 积分周数 波形选择INPUT RANGE DISPLAY MODE INTEGRATOR WAVEFORM 1 2 3AUTO100V 10V A.B R.LOGR. AUTO 正弦波 三角波
4、 矩形波100MV 1V 0 . ENTER10 扫频 Fmax Fmin F/STEP 100 SWEEP延迟时间 分析器工作方式 LIN HOLD FREQ VOLT PRINTDELAY TIME ANALYSER 10000.1S 1S 10S SINGLE RECYCLE STOP LOG OFF mHz/Hz RESET CLEAR电源开关 GENERATOR ANALYSERPOWER Hi LO GND Hi LO发生器输出端子 接地端子分析器输入端子图 21 前面板示意图、 开机按下电源开关 POWER （POWER） ， 仪器进入初始状态，预热 10-15 分钟即可使用。轻
5、按 RESET （复位） ，强迫进入初始状态。、 发生器参数写入及状态设定只有在 STOP 键指示灯亮（测量停止状态）时，才能改变发生器参数。2信号发生器的输出频率，电压值均由前面板轻触键写入，按通常书写格式，从左到右。3.1 频率设定例 1 设定频率为 102.4Hz，顺序轻按 FREQ CLEAR 1 0 2 . 4 （或 mHz/Hz ）ENTER步骤： *1 *2 *3 *4 *5 *1.按 FREQ （频率）键后，该键指示灯亮，发生器窗口显示当前工作频率。*2.按 CLEAR （清零）键后，发生器窗口清零（不清内存） ，并以闪烁方式提示数据写入位。*3.依次按相应数字键设定输出信号的
6、频率值。*4.如果写入单位与显示单位相同，则不按此键。*5.按 ENTER （写入）键后， FREQ 键指示灯灭，新数据已写入。频率大于999.9Hz时则不能写入，这时 FREQ 键指示灯及显示窗口最高位“1”同时闪烁，可按上述步骤重新设定。3.2 输出电压值设定 大于 1V 的电压值为 3 位有效数，最大输出电压为 9.99V.例 2设定电压 9.87V，顺序轻按 VOLT CLEAR 9 . 8 7 ENTER步骤： *1 *2 *3 *4 *1.按 VOLT （电压）键后，该键指示灯亮，发生器窗口显示当前电压值。*2.按 CLEAR （清零）键后，发生器窗口清零（不清内存） ，并以闪烁方
7、式提示数据写入位。*3.依次按相应数字键设定输出信号的电压值。*4.按 ENTER （写入）键后，FREQ 键指示灯灭，新数据已写入。如果写入幅度大于 9.99V 仪器具有自动小数点功能。3.3 输出波形选择轻按 正弦波 三角波 矩形波 键之一。34.测量4.1 按图 22（a）或（b）测量 发生器 分析器TD4010 L H H L H L H L TD4010发生器 分析器 X(t) Y(t) G（j）（a）用分析器测信号源 （b）用分析器测系统图 22 测试接线图测量结果在测量显示窗口读出，频率值在发生器窗口读出，直角坐标 A，B 的符号及极坐标的相角按初等数学定义，如图 23 所示B2
8、 1 A 03 4图 23 直角坐标 A，B 的符号及象限对数坐标显示值为：20LOGR/10mV，即 0dB=10mV，R10mV 均按 0dB 处理，显示方式由所按 A,B ， R, ， LOGR, 键的状态（哪个灯亮）确定。4.2 积分周数选择：测量时间与测量精度相矛盾在 AUTO 状态设计时已合理折衷建议选用 AUTO 状态。4.3 单次测量1. 按图 22（a）或（b）接线。2. 按 31，32 设定频率和电压。3. 设定前面板状态（键指示灯亮，则该状态设定，无需再按）：输出波形 正弦波 、轻按 SINGLE 键（单次键指示灯亮）进入测量状态（在测量状态只有按 STOP 键才能停止测
9、量） ，测量结束 STOP 灯亮，在测量显示窗口读出数据。按一次 SINGLE 键得到一次数据。45.设定前面板状态：输出波形 正弦波 、输入量程 AUTO 、延迟时间 0.1S 、 1S 或 10S 、积分周数 AUTO 、 显示方式 A,B 、 R, 或 LOGR, 、每一次按 SINGLE 键得到一组数据，在发生器窗口读出频率值，在测量显示窗口读出相应频率的响应值。在 STOP 状态可改变参数与面板状态。6. 数据记录建议用单次测量以便观察测量数据。五、实验步骤1根据自拟三阶系统的模拟电路图。预先设置好参数 T1 ，T 2 ，K。要求：(1) T1 ，T 2之间相差 10 倍左右， T1
10、 T 2或 T1 T 2 均可。数值可在 0.01 秒和 10秒之间选择，设置时需考虑可供选用的元件 R，C 的数值。(2) K102.按照系统的开环部分，即的模拟电路图，在模拟机上接好线路，参见图 24。图 24 中)()(21ssG)1)(1)(2sTsTKG1,5.0,1.01.01021 KFKTFKT 秒秒 ，5C(t)R(t)R10K 10K0.1u10K- -.u1 10K-10K 10K10K- -10Ku10K图 24 三阶系统的模拟电路图3.利用直角坐标和对数坐标进行幅相频率特性测试。X（t） Y（t） 高 被测系统 高发生器 分析器 低 地 低图 25 测试电路（1） 根
11、据所设置的 T1 ，T 2的大小，确定出所需频率范围（低端低于转折频率小者 10 倍左右，高端高于转折频率大者 10 倍左右） 。（2） 按图 25 接好测试电路。（3） 发生器输出电压置 10V。（4） 按所取频率范围由低到高依次改变输入信号频率，测试并记入表 21 中。六、实验报告要求61写出被测系统传递函数。2 整理上表中的实验数据，在直角坐标纸上做出被测系统的频率特性，在半对数坐标纸上做出被测系统的对数幅频特性和相频特性。注意：表中所测数据为被测系统的输出数据。系统的幅频特性应为：系统的对数幅频特性应为：3参考相频特性，对对数幅频特性采取折线近似，从而确定出被测系统的参数（转折频率、阻尼比、开环放大倍数）与实验时所设置的原始数据进行比较。）（系 统 输 入 ）（系 统 输 出 jXYjG)(dBRjXjYj60loglog22)(l）（）（ ）（系 统 输 入 ）（系 统 输 出
