实验2.4一阶电路暂态过程的分析与研究的实验报告

实验2.4 一阶电路暂态过程的分析与研究

一、实验名称：一阶电路暂态过程的分析与研究

二、实验任务及目的

1.基本实验任务

研究RC一阶电路的零输入、零状态响应的基本规律和特点；研究RC微分电路和积分电路在脉冲信号激励下的响应。

2.扩展实验任务

研究利用RC串联电路的电路参数与其暂态过程的关系进行波形转换的方法；设计能将方波信号转换为尖脉冲和三角波的电路。

3.实验目的

研究RC一阶电路的零输入、零状态响应；研究RC微分电路和积分电路在脉冲信号激励下的响应；进一步掌握示波器和函数信号发生器的使用。

三、实验原理及电路

1.实验原理

方波响应，用半个周期远大于电路时间常数的脉冲信号代替阶跃信号作为激励源，观测零输入和零状态响应。

微分电路，当RC串联电路从电组两端输出，且满足时间常数远小于矩形脉冲的半个周期时，输出电压与输入电压的微分成正比。

积分电路，当RC串联电路从电容两端输出，且满足时间常数远大于矩形脉冲的半个周期时，输出电压与输入电压的积分成正比。

2.实验电路

图2.4.1 实验电路

四、实验仪器及器件

1.实验仪器

示波器1台，使用正常；函数信号发生器1台，使用正常。

2.实验器件

1μF电容1个、0.1μF电容1个、1kΩ电阻1个、10kΩ电阻1个，使用均正常。

五、实验方案与步骤

1.用函数信号发生器输出2Vpp/1kHz的方波，通过示波器通道一DC耦合监测信号，调节函数信号发生器的直流偏移旋钮使其成为矩形脉冲。

2.按图2.4.1（b）接线，分别观测2Vpp/1kHz矩形脉冲，R=1kW,C=0.1mF；2Vpp/100Hz矩形脉冲，R=1kW,C=1mF；2Vpp/10Hz矩形脉冲，R=10kW,C=1mF的输入输出波形，测量零输入和零状态响应的初始值和时间常数。

3.用函数信号发生器输出2Vpp/100Hz矩形脉冲信号，按图2.4.1（a）接线，分别观测R=1kW,C=0.1mF；R=1kW,C=1mF；R=10kW,C=1mF的微分电路。

4. 用函数信号发生器输出2Vpp/2kHz矩形脉冲信号，按图2.4.1（b）接线，分别观测R=1kW,C=0.1mF；R=1kW,C=1mF；R=10kW,C=1mF的积分电路。

六、实验数据

1.零输入和零状态响应的观测

图2.4.2 零输入和零状态响应multisim仿真图

2.微分电路的观测

图2.4.3 微分电路multisim仿真图

注：该激励是矩形脉冲，尖脉冲的幅值等于矩形脉冲的幅值为2V。若激励是1V方波，则尖脉冲幅值为2V，是方波幅值的两倍（尖脉冲的幅值等于激励跃变电压的差值）！

3.积分电路的观测

图2.4.4 积分电路multisim仿真图

注：实际积分出的三角波幅值很小！

七、测量数据的分析

1．将测量值U₀、τ分别与理论计算值作比较。若误差较大，试说明其产生原因；

略

八、存在问题的分析与处理

1.实验中遇到的问题与处理

略

九、思考题

1.电路参数变化时对响应有何影响？

在微分电路中，当时，可观测到输出波形呈尖脉冲状，且尖脉冲的幅度等于矩形脉冲的幅值。若，尖脉冲的宽度减小。若，尖脉冲幅值减小，宽度增大，呈类似锯齿波状，这是由于时间常数过大，电容未放电完全造成的。

在积分电路中，若满足，可观测到输出波形呈三角波状，但三角波的幅值很小。若，三角波的幅值减小，接近一条直线。若，三角波幅值增大，波形呈指数上升下降状，这是由于时间常数不是非常大，电容充放电的指数关系被显现出来。

2.用示波器观察RC电路的零输入响应和零状态响应时，为什么激励必须是方波？

RC零输入相应是指电路无激励，电容从初始电压放电至0的过渡过程。RC零状态响应是指电容无储能，电容从0充电至稳态值的过渡过程。要观测这两个响应，需要设计两个电路，分别给阶跃信号。而半个周期远大于RC电路时间常数的矩形脉冲，可以认为在脉冲某一边沿到来时，前一边沿所引起的过渡过程已经结束。则电路对上升沿的响应是零状态响应，而电路对下降沿的响应是零输入相应，即可同时观测这两个响应。

十、实验的收获和体会

略

说明：以上10部分都齐全A+=95分；每种电路无三组数据最多B+=80分；无思考题B-=70分；激励波形是方波而不是矩形脉冲，积分输出的三角波幅值很大以及抄袭给C=60分。

第二篇：实验2 一阶电路暂态过程的研究

实验二一阶电路暂态过程的研究

一．实验目的

1．研究RC一阶电路的零输入响应、零状态响应和全响应的规律和特点；

2．学习一阶电路时间常数的测量方法，了解电路参数对时间常数的影响；

3．掌握微分电路和积分电路的基本概念。

二．原理说明

1．RC一阶电路的零状态响应

RC一阶电路如图2-1所示，开关S在‘1’的位置，ｕ_C＝0，处于零状态，当开关S合向‘2’的位置时，电源通过R向电容C充电，ｕ_C(t)称为零状态响应

变化曲线如图2-2所示，当ｕ_C上升到所需要的时间称为时间常数，。

2．RC一阶电路的零输入响应

在图2-1中，开关S在‘2’的位置电路稳定后，再合向‘1’的位置时，电容 C通过 R放电，ｕ _C(t)称为零输入响应，

变化曲线如图2-3所示，当u_C下降到所需要的时间称为时间常数，。

3．测量RC一阶电路时间常数

图2-1电路的上述暂态过程很难观察，为了用普通示波器观察电路的暂态过程，需采用图2-4所示的周期性方波ｕ _S作为电路的激励信号，方波

信号的周期为T，只要满足，便可在示波器的荧光屏上形成稳定的响应波形。

电阻R、电容C串联与方波发生器的输出端连接，用双踪示波器观察电容电压u_C，便可观察到稳定的指数曲线，如图2-5所示，在荧光屏上测得电容电压最大值

取，与指数曲线交点对应时间t轴的x点，则根据时间t轴比例尺（扫描

时间），该电路的时间常数。

4．微分电路和积分电路

在方波信号u_Ｓ作用在电阻R、电容C串联电路中，当满足电路时间常数远远小于方波周期T的条件时，电阻两端（输出）的电压u_R与

方波输入信号u_s呈微分关系，，

该电路称为微分电路。当满足电路时间常数远远大于方波周期T的条件时，电容C两端（输出）的电压u_C与方波输入信号u_Ｓ呈积分关系，

，该电路称为积分电路。

微分电路和积分电路的输出、输入关系如图2-6(a)、(b)所示。

三．实验设备

1．双踪示波器

2．信号源（方波输出）

3．NEEL—23或EEL—52或MEEL—03

四．实验内容

实验电路如图2-7所示，（请看懂线路板的走线，认清激励与响应端口所在的位置；认清R、C元件的布局及其标称值；各开关的通断位置等，）用双踪示波器观察电路激励（方波）信号和响应信号。ｕ_S为方波输出信号，将信号源的“波形选择”开关置方波信号位置上，将信号源的信号输出端与示波器探头连接，接通信号源电源，调节信号源的频率旋钮（包括‘频段选择’开关、频率粗调和频率细调旋钮），使输出信号的频率为1kHz（由频率计读出），调节输出信号的“幅值调节”旋钮，使方波的峰－峰值V_p-p＝2V，固定信号源的频率和幅值不变。

1． RC一阶电路的充、放电过程

（1）测量时间常数τ：令 R=10kΩ， C＝0.01μF，用示波器观察激励 u _S与响应 u _C的变化规律，测量并记录时间常数τ。

（2）观察时间常数τ(即电路参数R、C)对暂态过程的影响：令R＝10kΩ，C=0.01μF，观察并描绘响应的波形，继续增大C(取0.01μF～0.1μF)或增大R(取10kΩ、30kΩ)，定性地观察对响应的影响。

2．微分电路和积分电路

（1）积分电路：令R=100kΩ，C＝0.01μF，用示波器观察激励u_S与响应u_C的变化规律。

（2）微分电路：将实验电路中的R、C元件位置互换，令R=100Ω，C＝0.01μF，用示波器观察激励u_S与响应u_R的变化规律。

五．实验注意事项

1、调节电子仪器各旋钮时，动作不要过猛。实验前，尚需熟读双踪示波器的使用说明，特别是观察双踪时，要特别注意开关，旋钮的操作与调节以及示波器探头的地线不允许同时接不同电势。

2、信号源的接地端与示波器的接地端要连在一起（称共地），以防外界干扰而影响测量的准确性。

3、示波器的辉度不应过亮，尤其是光点长期停留在荧光屏上不动时，应将辉度调暗，以延长示波管的使用寿命。

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六．预习与思考题

1．用示波器观察RC一阶电路零输入响应和零状态响应时，为什么激励必须是方波信号？

2．已知RC一阶电路的R=10kΩ，C＝0.01μF，试计算时间常数τ，并根据τ值的物理意义，拟定测量τ的方案。

3．在RC一阶电路中，当R、C的大小变化时，对电路的响应有何影响？

4．何谓积分电路和微分电路，它们必须具备什么条件？它们在方波激励下，其输出信号波形的变化规律如何？这两种电路有何功能？

七．实验报告要求

1．根据实验1(1)观测结果，绘出RC一阶电路充、放电时Ｕ_C与激励信号对应的变化曲线，由曲线测得τ值，并与参数值的理论计算结果作比较，分析误差原因。

2．根据实验2观测结果，绘出积分电路、微分电路输出信号与输入信号对应的波形。

3．回答思考题3、4。

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