【自学嵌入式笔记：模电】16. LRC震荡电路

16. LRC震荡电路

• LRC振荡电路——从电震荡到呼吸灯（新手实战版）

一、什么是LRC振荡电路？

LRC振荡电路由 电感L、电容C、电阻R 组成，能产生 稳定的交流信号（如正弦波）。核心是 电感和电容的共振协作：电荷在两者间周期性流动，形成循环的电流/电压波动。

二、工作原理：电荷的“来回蹦极”

1. 能量循环逻辑

• 电容：存电荷（电场储能），像“电荷容器”；
• 电感：存磁场（磁场储能），像“磁能弹簧”；
• 电阻：消耗能量（发热），像“能量漏斗”。

2. 振荡过程（分阶段，结合仿真实验）

以 “开关闭合充电 → 开关断开振荡” 为例：

• 阶段1：电容充电（开关闭合）：
  电源给电容充电，电容储存电荷（电压升高，电流减小），此时电感磁场能量为0（电流为0）。
• 阶段2：电容放电 → 电感储能（开关断开后）：
  电容开始放电，电流流过电感，电感产生磁场（储存磁能），电容电荷减少（电压降低）。
• 阶段3：电感放电 → 电容反向充电：
  电感磁场崩溃，释放能量推动电流反向流动，给电容反向充电（电容电压反向升高）。
• 阶段4：重复循环：
  电容再次放电，电感再次储能…… 直到电阻消耗完所有能量，振荡停止。

→ 类比：电荷在电容和电感间“蹦极”：电容是“蹦极绳”（存电），电感是“弹力”（存磁），电阻是“空气阻力”（耗能）。

三、振荡频率公式：控制信号快慢

LRC振荡电路的 固有频率 由电感L和电容C决定（电阻影响振荡幅度，不影响频率）：

\[f = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}} \]

• 规律：L越大、C越大，频率\(f\)越低（振荡越慢）；反之频率越高。
• 例子：若\(L=1\,\text{H}\)，\(C=15\,\mu\text{F}\)，则
  \[f = \frac{1}{2\pi\sqrt{1 \times 15 \times 10^{-6}}} \approx 412\,\text{Hz} \]
  （和仿真里的res-f=41.094Hz接近，因实际有电阻损耗，频率略低）

四、仿真实验：Circuit JS1里的动态过程

1. 电路搭建（参考截图）

• 电感：\(L=1\,\text{H}\)（线圈）
• 电容：\(C=15\,\mu\text{F}\)（极板）
• 电阻：\(R=100\,\Omega\)（耗能）
• 开关：控制充电和振荡启动。

2. 实验步骤与现象

操作	电路状态	关键现象	原理对应
开关闭合	电源给电容充电	电容电压上升，电感电流为0	阶段1：电容充电
开关断开	LRC开始振荡	电流/电压出现正弦波波动	阶段2~4：能量循环
观察波形	示波器显示曲线	电感电压和电容电压相位相反	能量在电→磁→电间转换
电阻影响	增大电阻值	振荡幅度快速衰减（变成阻尼波）	电阻消耗能量，削弱振荡

五、应用：呼吸灯与信号生成

1. 呼吸灯原理：

利用LRC振荡的 周期性信号，结合单片机控制LED亮度：

• 振荡频率决定“呼吸节奏”（频率低→呼吸慢，频率高→呼吸快）；
• 信号幅度决定“亮度变化”（幅度大→亮度变化明显）。

2. 其他应用：

• 信号发生器：产生稳定交流信号（如收音机的载波）；
• 滤波电路：筛选特定频率信号（利用共振特性）；
• 定时电路：通过频率计算时间（类似时钟振荡器）。

关键记忆：能量、循环、损耗

• ✅ 能量循环：电容（电场）↔ 电感（磁场），来回转换；
• ✅ 频率公式：\(f = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}\)，记住L和C越大，振荡越慢；
• ✅ 电阻作用：消耗能量，让振荡幅度减小（阻尼振荡）；
• ✅ 实战联想：呼吸灯的“快慢呼吸”，本质是LRC频率的调控！

（后续可扩展：用Multisim或Circuit JS1模拟不同L/C值，观察呼吸灯节奏变化~）