RC電路設(shè)計和特性測試

1、廣州大學(xué)學(xué)生實驗報告開課學(xué)院及實驗室： 年 月 日學(xué)院 機(jī)械與電氣工程年級、專業(yè)、班姓名學(xué)號實驗課程名稱電路成績實驗項目名稱實驗八RC電路設(shè)計和特性測試指導(dǎo)老師一、實驗?zāi)康?掌握一階RC電路的幾種組成形式及其作用，利用不同的RC組合電路實現(xiàn)波形變換、信號耦合、脈沖分壓等電路功能。2研究RC電路的頻率響應(yīng)特性，掌握RC電路幅頻特性和相頻特性的測試方法，并繪制頻率特性曲線。3掌握RC濾波電路，利用RC電路構(gòu)成常見的低通、高通濾波器，實現(xiàn)對信號的濾波、選頻、移相等。二、實驗原理一、 一階RC電路的時域特性含有一個儲能元件L或C的電路，其電路方程可用一階微分方程描述，這種電路稱為一階電路。圖8-1所示

2、的RC充放電電路就是一個典型的一階電路。 圖8-1 RC充放電電路描述該電路的一階微分方程為：解得一階RC電路的全響應(yīng)為： 其中稱為一階RC電路的時間常數(shù)，R的單位為歐姆，C的單位為法拉，的單位為秒。稱為電容電壓的初始值，為一階RC電路的直流激勵。1、一階RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)（階躍響應(yīng)）如果電路中儲能元件沒有儲存能量，處于零狀態(tài)，即=0，當(dāng)接通外電源時，電路中所產(chǎn)生的響應(yīng)稱為零狀態(tài)響應(yīng)。對于圖11-1所示的一階RC電路，在t=0時，將開關(guān)K由位置2合到位置1，直流電源向C充電，電路的零狀態(tài)響應(yīng)為 ，t0 t0 零狀態(tài)響應(yīng)過程中，電容電壓由零逐漸上升到US，電路時間常數(shù)=RC決定上升的快慢，當(dāng)t

3、=時，uc()=0.632US ，如圖8-2所示。 圖8-2 一階RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)曲線2、一階RC電路的零輸入響應(yīng)電路在無電源激勵,輸入信號為零的條件下,由儲能元件的初始狀態(tài)所產(chǎn)生的電路響應(yīng)稱為零輸入響應(yīng)。在圖11-1中，當(dāng)t=0時，將開關(guān)K從位置1合到位置2，使電路脫離電源，于是電容元件經(jīng)過電阻R放電，電路的零輸入響應(yīng)為： t0 t0零輸入響應(yīng)的輸出波形為單調(diào)下降的。當(dāng)t=RC時，uc()=0.368，如圖8-3所示。 圖8-3 一階RC電路的零輸入響應(yīng)曲線從圖8-2和8-3中看出，無論是零狀態(tài)響應(yīng)還是零輸入響應(yīng)，其響應(yīng)曲線都是按照指數(shù)規(guī)律變化的，變化的快慢由時間常數(shù)決定，即電路瞬態(tài)過程

4、的長短由決定?？梢?，一階RC電路的時間常數(shù)，它決定充放電過程的快慢。越大，過渡過程的時間越長，反之過渡過程的時間越短。3、一階RC電路的暫態(tài)響應(yīng)觀察為了能在普通示波器上觀察這些響應(yīng)的波形，就必須使這些波形周期性地變化?？刹捎弥芷谧兓姆讲ǎ捶讲ㄐ蛄校┖椭芷跊_激函數(shù)（即沖激序列）作為激勵。（a）一階RC電路 （b）激勵波形和響應(yīng)曲線圖8-4 方波激勵下的一階RC電路充放電響應(yīng)波形RC 串聯(lián)電路如圖8-4(a)所示，由方波激勵。從t=0開始，該電路相當(dāng)于接通直流電源，如果T/ 2 足夠大（T/25），則在OT/2響應(yīng)時間范圍內(nèi)，可以達(dá)到穩(wěn)定值，這樣在OT/2范圍內(nèi)即為零狀態(tài)響應(yīng)；而從t=T/2

5、開始，則電容C 相當(dāng)于從起始電壓 向R 放電，若T/2 5，在T/2T 時間范圍內(nèi)C上電荷可放完，這段時間范圍即為零輸入響應(yīng)。第二周期重復(fù)第一周期，如圖8-4(c)所示，如此周而復(fù)始，這就是電容的充放電過程。三、 實驗設(shè)備序號名 稱型號與規(guī)格數(shù)量備注1函數(shù)信號發(fā)生器12雙蹤示波器13電路原理實驗箱14交流毫伏表15電阻、電容若干四、實驗步驟、實驗任務(wù)給定一頻率20KHz,幅值4V的方波激勵信號，請設(shè)計一波形轉(zhuǎn)換器，要求： a)將方波轉(zhuǎn)換為正弦波； b)轉(zhuǎn)換過程衰減足夠小。、設(shè)計方案采用RC電路，分兩步實現(xiàn)波形轉(zhuǎn)換：1. RC積分電路，先將給定方波轉(zhuǎn)換為三角波；2. RC低通濾波電路，再將三角波

6、轉(zhuǎn)換為正弦波；3* 兩級電路間的隔離(三種方法)。、方案說明 采用Multisim軟件進(jìn)行電路設(shè)計仿真； 實驗箱上搭建硬件電路進(jìn)行實測； 若仿真與實測波形參數(shù)差異較大，查找原因并重新設(shè)計及測試五、實驗過程原始記錄（數(shù)據(jù)、圖表、計算等）六、實驗結(jié)果及分析1.改變電源電壓的幅值，是否會改變過渡過程的快慢，為什么？ 不會,只和值有關(guān) 三要素法求出電容的電壓關(guān)系是: Uc = (uc0-uc()e(-t/)+uc() 顯然是一個指數(shù)的關(guān)系 變化的的快慢是由值決定的2. 積分電路、微分電路和耦合電路在方波激勵下的輸出波形是怎樣的？它們應(yīng)滿足什么條件？ 其實積分點路和微分電路就是利用時間常數(shù)t=RC來控制

7、輸出的，一般積分電路中，RC電路的時間常數(shù)t遠(yuǎn)大于脈沖寬度，其輸出信號電壓與輸入信號電壓的積分成正比，故為積分電路， 微分電路中要求t=RC時間常數(shù)遠(yuǎn)小于脈沖寬度。通過改變電容的充放電的時間使得輸入的矩形脈沖信號變成尖脈沖。 微分電路能夠取出輸出信號中突變的成分，即取出輸入信號中的高頻成分，去掉低頻成分。而積分電路與之正好相反 積分電路：在上升沿沒到來之前，輸出為0V，當(dāng)輸入脈沖出現(xiàn)后，輸入信號電壓通過電阻對電容充電，由于時間常數(shù)比較大，所以在C上電壓上升比較緩慢，按指數(shù)規(guī)律上升，由于時間常數(shù)大于脈沖寬度，所以對電容充電不久輸入脈沖就跳變?yōu)?，對電容充電結(jié)束。同理，在低電平階段，電容因為充電時間很