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困扰工程师41年!电容两端电压求解

发布时间:2013-09-06 来源:电子元件技术网论坛 责任编辑:cicy

【导读】据说这是一道让很多工程师都绞尽脑汁却仍然无法理解的题目,困扰了TI工程师41年之久。电路方面的工程师都了解,一道题已知参数提供的越少,越难求解,那么这到底是个什么样题目呢,今天电子元件技术网就给大家来揭秘一下。
题目很简单,如下所示:

一个1V的交流信号,连接着一个1Ω电阻和一个1Ω电抗的电容。在电容两端的交流电压是多少?

图1  电路图
这道引发争议的题目,答案是惟一的,还是有多种呢,我们来看看电子元件技术网论坛的网友都是些什么样的观点:

网友yuanhaiys :0.5V交流电压;

网友wulinz :看交流点的频率,其实就是个R与1/jw的分压关系;

网友 累醉 :计算出来应该是0.75V吧;

网友 haitao0612 :0.707V,根据矢量图,1+1i,是矢量电抗;分压是1V。那么在电阻上和电容上的分压是0.707V,而且发生了90度的相移。

网友 lsjiang :这个输出电压的模值为0V,其交流输出电压也为:0V。交流信号在电容上就是短路。

网友 aleda303 :应该是1 * (-1) / |1+j|  = √2/2 = - 0.707

网友 lsjiang :分3种情况讨论:
1.信号源的频率与回路的谐振频率一致,此时输出电压为零;
2.信号源的频率高于回路的谐振频率,这时的输出电压为0.707V左右;
3. 信号源的频率低于回路的谐振频率,此种情况下输出电压为1.0V。

网友 追逐:电阻与电容串联,二者流过的电流是同一个电流,二者的电压值分别等于该电流乘以其电阻R及容抗Zc:UR = I*R  uc = I*Zc  但二者的电压相位不一样:电阻的电压相位与电流同相位,而电容的电压相位却滞后电流相位90度,即电阻的电压方向与电容的电压方向是互为垂直的,故信号电压(1V)与电阻的电压及电容的的电压三者成直角三角形的关系,由于电阻的阻值与电容的容抗相等,该电压三角形为等腰直角三角形。故:其信号电压(斜边)=1V时,电容二端电压(直角边)= 1*sin45(度)=√2/2=0.7V

那么到底是什么样的答案呢?且让我们来看看TI信号链工程师Michael Huang是怎么跟大家解释这道题的。
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黄工说他以前跟很多工程师分享了这个问题,工程师们最常见的反应是,“频率是多少”。但是,为什么我们需要知道频率呢?我们已经知道电容的电抗值了,频率是多余的。或许还有人问,信号源是否可能直流,但是这道题可不是脑筋急转弯。在下面的图中已经标出AC(交流),且电容的电抗值有限,不可能是直流。

一些人掉进了0.5V的陷阱里,而在纯阻性的分压网络,1Ω-1Ω里,才能使得输出为0.5V。这里的情况并非如此。我做了一些简单的矢量计算,正确的回答了问题。

R/C电路产生了极点。阻值和抗值相等时的频率为“拐点”或称截至频率。这点的响应是-3dB(0.707V)的衰减,和45°的相位滞后。如图所示:不需要数学计算,波特图如下:
图2    波特图

 另外,在电阻两端也有着和电容两端相同的幅度的电压,都是0.707V,当然,相位是不同的。

听了专家的解释,是不是觉得豁然开朗了好多,当然如果你还有其他的见解,可以在下面评论,欢迎广大网友能够大胆的说出自己的想法与见解,供大家共同讨论。
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