一阶电路暂态过程的研究

U87一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、零状态响应的基本规律和特点。

2.学习用示波器观察一阶电路的响应和测量时间常数，了解电路参数对时间常数的影响，理解时间常数与响应变化速度的关系。

3.掌握微分电路的基本概念。

4.熟悉示波器的主要技术特征，掌握其正确使用方法。

二、实验原理：

1.一阶动态电路：电容器是一种储能原件，在含有电容器的电路中，当电源通、断换接时电路中就会产生暂态过程，电路接通时，电容器充电，电源断开时，电容器通过电阻放电，如果电路仅含一个动态文件，则可以用戴维南定理或诺顿定理把该动态文件以外的电阻电路化简，变换为RC电路或RL电路，这种电路称为一阶动态电路。

2.RC一阶电路的时域响应：用一阶微分方程描述的电路称为一阶电路，一阶电路通常由一个动态原件电感L或电容C和若干个电阻原件构成。

（1）RC一阶电路的零状态响应：RC一阶电路开关S与开关1（导线）连接时，Uc?0电容器上初始储能为零。当开关有位置1打向2时即S与US连接时，直流电源通过电阻R向电容C充电，此时电路的响应为零状态响应，电容器上的UC(t)?Us?Use?t电压为??Us(1?e)?t，UC(t)变化曲线如书上15-2所示，当UC上升到0.632US所需时间称为时常数?，且??RC

（2）RC一阶电路的零输入响应：在S位置2电路稳定后，再合向位置1时，

?UC(t)称为零输入响应，电容器C通过电阻R放电，电容器上的电压Uc(t)?Use，?t

变化曲线如图15-3所示，当UC下降到0.368US所需的时间称为时间常数I，同理I=RC。

3.测量RC一阶电路时间常数：使用双踪示波器观察电路电压UC，便可观察到稳定的指数曲线。如图15-5所示，在荧光屏上测得电容电压最大值Ucm?a(cm)，b=0.632a(cm),与指数曲线焦点对应时间t轴的x点，则根据时间t轴比例尺，该电路的时间常数??x(cm)?t

cm

三、实验仪器、设备、用具及其规范

双踪示波器、信号源（方波输出）、实验元件箱二（含电阻电容）

规范：

1.调节遗弃各旋钮时，动作不要过猛，实验前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。

2.调节示波器时，要注意触发源开关和触发电平调节旋钮的配合使用，使显示波形稳定。

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

4.示波器的灰度不应过亮，尤其是光点长期停留在荧光屏上不动时，应将灰度调暗，以延长示波器的使用寿命。

四、试验方法：

1.调节实验所需的方波信号：将信号源的“波形选择”开关置于方波信号位置上，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，使输出信号的频率为1KZ。调节输出信号的“辐值调节”旋钮，使方波的峰-峰值Vp?p?4v，固定信号源的频率和辐值不变，US为方波输出信号，用双踪示波器观察点来激励信号。

实验时使用示波器必须注意：（1）示波器两个输入通道的“v/DIV”旋钮的钮必须置于“校准状态”

（2）“输入耦合方式选择开关”置于“DC”档。

（3）连接时注意“共地”，信号源的地线和示波器的地线要连在一起，并接到RC电路的接地端，即电容端

（4）示波器的“显示方式”开关应置于“DUAL”状态，此时可同时观察从示波器两个通道输入的信号波形。

2.测量RC一阶电路的响应

（1）选择R.C元件，令R=10k?.C=0.01?F，用示波器观察激励US与响应变化规律

（2）观察时间常数?对暂态过程的影响，继续增大C或R定性地观察时间常数?对响应的影响。

五、实验记录、数据处理：

六、结果分析及问题讨论：

 

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，ｕC＝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，ｕC(t)称为零状态响应

 

变化曲线如图2-2所示，当ｕC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uC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uC，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uＳ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uR与

方波输入信号us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uC与方波输入信号uＳ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，图中电阻R、电容C从EEL—52组件上选取（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。ｕS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Vp-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：选择EEL—51组件上的 R、 C元件，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：选择EEL-52上的R、C元件，令R=100kΩ，C＝0.01μF，用示波器观察激励uS与响应uC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uS与响应uR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。

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ＵC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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