一阶动态电路暂态过程的研究

一、实验目的

1．研究一阶电路方波响应的变化规律和特点。

2．学习用示波器测定电路时间常数的方法。

3．掌握微分电路与积分电路的测试方法。

二、实验原理

1．电路换路后无外加独立电源，仅由电路中动态元件初始储能而产生的响应称为零输入响应。 若电路的初始储能为零，仅由外加独立电源作用所产生的响应称为零状态响应。

2．动态电路的过渡过程是十分短暂的单次变化过程，用一般的双踪示波器观察电路的过渡过程和测量有关的参数，必须使这种单次变化的过程重复出现。为此，我们利用信号源输出的方波来模拟阶跃激励信号，即方波的上升沿作为零状态响应的正阶跃激励信号，方波的下降沿作为零输入响应的负阶跃激励信号。只要选择方波的半个周期大于被测电路时间常数的3~5倍，电路在这样方波序列信号的作用下，它的影响和直流电源接通与断开的过渡过程是相同的。

3．微分电路和积分电路是一阶电路较典型的电路。在方波激励下，当电路元件参数和输入信号的周期满足一定的要求时，构成输出电压波形和输入电压波形之间的特定（微分或积分）关系。

 

图1 微分电路

如图1所示 RC电路，由R端作为响应输出，输入信号u_S（t）如图2所示，方波重复周期为T，若满足时，此时电路的输出电压与输入信号近似成微分关系，即

此电路称为微分电路，其响应波形为正负尖脉冲如图3。

 

                               

图2  微分电路输入波形               图3  微分电路输出波形

 

图4  积分电路                      图5  积分电路输出波形

若将图1中的R与C位置调换，由C端作为响应输出，且满足时，即构成积分电路，如图4，此时电路的输出电压与输入信号近似成积分关系，即

输出端得到近似三角波的电压，如图5所示。

三、实验仪器

    1．YB4325型双踪示波器

2．YB1602P型功率函数信号发生器

3．XK-DGD型电路分析实验箱

四、实验步骤  

1．给定方波作为输入信号，其参数为：峰-峰值3V，频率为50HZ，根据微分电路的性质，使其输出为尖脉冲波形。

2．输入信号与任务1相同，根据积分电路的性质，使其输出为三角脉冲波形。

3．根据实验观察结果，归纳、总结微分电路和积分电路的特点。

 

第二篇：RLC串联电路暂态过程的研究

         选十    RLC串联电路暂态过程的研究

一、目的要求：

通过对RLC电路暂态过程的研究，了解该电路的特性，具体要求达到：

1.加深对阻尼振荡的理解；

2.能用示波器定量描绘三种不同阻尼振荡的波形；并记录下临界阻尼电路R且与理论值相比较。

3.测量弱阻尼振荡周期T’。并与理论值相比较；

二、实验仪器：

示波器、低频讯号发生器，波形发生器。

三、参考书目

1.林抒、龚镇雄《普通物理实验》P.319-324

2.邱关源《电路》

3.A.M.波蒂斯、H.D.扬《大学物理实验》P.149-158。

四、基本原理

本实验要研究的是RLC串联电路在阶跃电压（或称方波讯号）作用下的工作过程及电容上电压变化的规律。

实验线路如图1所示。输入讯号如图2所示。

            图1                                   图2

方波（或称矩形波）讯号的周期为T，其电压变化的特点是：1.a~b电压为E，b~c电压为零，以后周而复始。形成阶跃式电压；2.该讯号电压变化的周期较短。约s~s。在电路中相当于供能断续开关，使电路的变化过程是短暂的瞬态过程。

由上述可知，当电路处于方波的正讯号输入时，即相当于在A、B端加上电压E，使电容充电。由于R、L、C的存在，可得电路中电流I随时间变化的方程如下：

                          

又因I=，上式可写为：

                                                （1）

由初始条件t=0时，Q=0、=0且当阻尼较小时（即<）,可解得：

                                             

即                                           （2）（式中.   ）

从式（2）中可知。电容上的电压是余弦变化的。且其幅值随着时间按指数函数衰减并趋于稳定值E，如图3中I所示。

当电路处于方波讯号零电位时。即相当于撤去讯号电压E使A、B端短接。此时，电容将通过R和L反向放电，其电路方程变为：

                   

由初始条件t=0，、，且阻尼较小，得解：

                              （3）

由式（3）可知，电容上电压也是按余弦变化，其振幅也是随时间按指数函数衰减，但它最后趋于零，其变化规律如图4中I所示。

           图3                                          图4

如果将电容两端接至示波器的Y输入端，就可观察到如图5的波形，即电容器上的电压波形随方波讯号的变化情况（从一个稳定态到另一个稳定态的变化情况）。

又因时间常数是决定衰减快慢的，所以改变电阻R将对图线产生较大影响。以下分三种情况讨论。

1.如果，即为过阻尼状态。此时

               图5

此处已不能理解为圆频率了。曲线将以缓慢方式趋于平衡状态（E或0），不再发生余弦式衰减振荡，如图3和图4中所示。可以证明，随R的增大而增大，因此衰减到零的过程将随R的增大而变得缓慢。

2.如果，即为弱阻尼状态。则有

              

（是R=0时回路的固有园频率）此时，电路将一回路的固有频率自由振荡，其振荡周期为

                   T’=                                      （4）

的变化曲线如图5或图3和图4中的I所示。

3.如果，即为临界阻尼状态。变化的曲线如图3和图4的所示，又因

临=，所以此时的时间常数临与电感L及电容C的关系为：

                            临=                                 （5）

与式（4）比较可知，临是弱阻尼振荡周期T’的倍。所以临总小于弱阻尼振荡时的时间常数及过阻尼振荡时的。因而可以判断：趋于平衡态（E或0）的速度以临界阻尼情况为最快，即历时最短。此状态也是过阻尼到弱阻尼振荡之间的过度态。

以上三种阻尼状态的变化曲线分别如图6所示。

在实验中要明显地观察到三种阻尼状态，必须要合适地选取阶跃电压（即方波）的周期T。从图3中知，在三种状态中。若能明显地观察到弱阻尼振荡，则其它两种阻尼状态也就不难观察到。所以可以根据在一个方波宽度（=T/2）或一个方波周期T内准备观察几个弱阻尼振荡数来选取讯号源中方波的频率f(f=)。

从上可知，若要明显地观察到三种阻尼状态，必须要根据实验样品的电容量C和电感量L计算出相应的弱阻尼振荡周期T’及准备在（或T）内所观察到的振荡次数n（或N）来选取方波频率f，即

                        F==

              图6

五、观察与思考

1.当电路处于弱阻尼振荡时，若改变频率，其振荡周期会不会改变？为什么？若调节示波器的扫描频率，其振荡周期会不会变？为什么？

2.如何测定弱阻尼振荡周期T’。

3.如何测定临界阻尼电阻R临。

4.如何测定弱阻尼振荡时间常数。

六、实验提示

在测量RLC串联回路弱阻尼振荡周期T’时，我们可以计算在方波宽度内振荡的次数n(n为整数)。则T’=；或计算在方波周期T内振荡的次数N（N亦为整数），则T’=。从式子上看似乎。其实不然，因为我们对于同相点的判断不可能很准确。因此必须多次测量，使我们因同相点判断不准确而引入的误差随机化，另外，考虑到对于一定的L、C，固有振荡周期=是一个确定的数，因此当我们增加在（或T）内振荡的次数n(或N)将会减少测量误差。

在测定临界阻尼电阻R临时，要注意此电阻值不只是电阻箱的阻值，还应包括电感的真流电阻值和波形发生器的真流内阻。

弱阻尼振荡时间常数可通过以下途径测得：从式（2）或式（3）中知，当电路处于弱阻尼振荡时，其周期的振幅是随时间作指数函数衰减的（即A=），根据这一原理，我们可以从示波器荧光屏上读出对应于第一个周期的振幅所占有的格数和相隔n个周期的振幅所占有的格数，此时

                

对上式两边取对数后，经整理得