RC一階電路的響應測試--試驗分析報告

1、RC 階電路的響應測試-實驗 報告作者:日期:實驗六 RC階電路的響應測試一、實驗目的1. 測定RC 一階電路的零輸入響應、零狀態(tài)響應及完全響應。2. 學習電路時間常數(shù)的測量方法。3. 掌握有關微分電路和積分電路的概念。4. 進一步學會用虛擬示波器觀測波形。二、原理說明1. 動態(tài)網(wǎng)絡的過渡過程是十分短暫的單次變化過程。要用普通示波器觀察過渡過程和測量有關的參數(shù)，就必須使這 種單次變化的過程重復出現(xiàn)。為此，我們利用信號發(fā)生器輸出的方波來模擬階躍激勵信號，即利用方波輸出的上升沿作 為零狀態(tài)響應的正階躍激勵信號；利用方波的下降沿作為零 輸入響應的負階躍激勵信號。只要選擇方波的重復周期遠大 于電路的時

2、間常數(shù)T，那么電路在這樣的方波序列脈沖信號 的激勵下，它的響應就和直流電接通與斷開的過渡過程是基 本相同的。2. 圖6-1 (b)所示的RC 一階電路的零輸入響應和零狀 態(tài)響應分別按指數(shù)規(guī)律衰減和增長，其變化的快慢決定于電 路的時間常數(shù)t。3. 時間常數(shù)T的測定方法用示波器測量零輸入響應的波形如圖6-1(a)所示。根據(jù)一階微分方程的求解得知Uc= U me-t/RC = U me-t/T。當t= t時，Uc( t ) = 0.368U m。此時所對應的時間就等于t。亦可用零狀態(tài)響應波形增加到0.632 Um所對應的時間測得，如圖6-1(c)所示。.T1 .'uttr °qI零

3、輸入響應(b) RC 一階電路(c)零狀態(tài)響應9圖6-14. 微分電路和積分電路是 RC階電路中較典型的電路， 它對電路元件參數(shù)和輸入信號的周期有著特定的要求。一個 簡單的RC串聯(lián)電路，在方波序列脈沖的重復激勵下，當滿足t = RCvv T時(T為方波脈沖的重復周期)，且由R兩2端的電壓作為響應輸出，這就是一個微分電路。因為此時 電路的輸出信號電壓與輸入信號電壓的微分成正比。如圖6-2(a)所示。利用微分電路可以將方波轉變成尖脈沖。L_H i R c<<T/2U R卡To1RaUiR p>T/2(b)積分電路圖6-2若將圖6-2(a)中的R與C位置調(diào)換一下，如圖 6-2(b)

4、所 示，由C兩端的電壓作為響應輸出。 當電路的參數(shù)滿足T = RC>> T條件時，即稱為積分電路。因為此時電路的輸出信號2電壓與輸入信號電壓的積分成正比。利用積分電路可以將方波轉變成三角波。從輸入輸出波形來看，上述兩個電路均起著波形變換的 作用，請在實驗過程仔細觀察與記錄。三、實驗設備序 號名 稱型號與規(guī)格數(shù)量備注1脈沖信號發(fā) 生器12虛擬示波器13動態(tài)電路實 驗板1HE-14四、實驗內(nèi)容實驗線路板采用 HE-14實驗掛箱的“一階、二階動態(tài)電 路”如圖6-3所示，請認清R、C元件的布局及其標稱值， 各開關的通斷位置等等。1. 從電路板上選 R= 10K Q,C = 6800pF組成

5、如圖6-2(b)所示的RC充放電電路。Uj為脈沖信號發(fā)生器輸出的Um =3V、f = 1KHz的方波電壓信號，并通過兩根同軸電纜線，將 激勵源Uj和響應Uc的信號分別連至虛擬示波器接口箱的兩 個輸入口 CH1和CH2。這時可在示波器的屏幕上觀察到激 勵與響應的變化規(guī)律，請測算出時間常數(shù)t,并用方格紙按1:1的比例描繪波形。少量地改變電容值或電阻值，定性地觀察對響應的影 響，記錄觀察到的現(xiàn)象。2. 令R= 10K Q , C= 0.01卩F,觀察并描繪響應的波形。 繼續(xù)增大C之值，定性地觀察對響應的影響。3. 令 C= 0.01 卩 F, R = 100Q ,組成如圖6-2(a)所示的微分電路。

6、在同樣的方 波激勵信號(Um = 3V , f = 1KHz )作用下， 觀測并描繪激勵與響應的波形。圖 6-3增減R之值，定性地觀察對響應的影響， 并作記錄。當R增至1M Q時，輸入輸出波 形有何本質(zhì)上的區(qū)別？動態(tài)電路、選頻電路實驗板 實驗注意事項過猛。實驗1. 調(diào)節(jié)電子儀器各旋鈕時，動作不要過快、前，需熟悉虛擬示波器的使用。2. 信號源的接地端與虛擬示波器接口箱的接地端要連 在一起(稱共地),以防外界干擾而影響測量的準確性。五、實驗結果分析步驟一對應的虛擬示波器的圖像如上圖所示利用游標測算得時間常數(shù)t =57*10 -6與計算得到的時間常數(shù)t =RC=68*10 -6相比，誤差不大，分析其

7、主要原因來源于儀 器誤差和人的生理誤差。nEES90*5F"%W-1弭口0 I5V步驟二對應的虛擬示波器的圖像如上圖所示電路參數(shù)滿足t >>T/2的條件，則成為積分電路。由于這種電路電容器充放電進 行得很慢，因此電阻R上的電壓ur(t)近似等于輸入電壓ui(t)，其輸出電壓uo(t) 為：上式表明，輸出電壓uo(t)與輸入電壓ui(t)近似地成積分關系步驟三對應的虛擬示波器的圖像如上圖所示取RC串聯(lián)電路中的電阻兩端為輸出端，并選擇適當?shù)碾娐穮?shù)使時間常數(shù)tvvT/2。由于電容器的充放電進行得很快，因此電容器 C上的電壓uc(t)接近等于 輸入電壓ui(t)，這時輸出電壓為

8、：甘三和二RC 色"RC 如0fdidt上式表明，輸出電壓uo(t)與輸入電壓ui(t)近似地成積分關系。逐漸增大R值，CH2的改變?nèi)缦庐擱增至1M Q時，輸入與輸出圖像幾乎完全一樣，但分析 可得輸入與輸出有本質(zhì)差別。輸入波表示的是Ui的電壓，是Ui兩端的電壓之差，而UR此時相當于斷路，去輸入電壓 為UR 一端的電勢。思考題1.什么樣的電信號可作為 RC 階電路零輸入響應、零 狀態(tài)響應和完全響應的激勵信號？只要選擇方波的重復周期遠大于電路的時間常數(shù) t ,那么電路在這樣的方波序列脈 沖信號的激勵下，它的響應就和直流電接通與斷開的過渡過 程是基本相同的。方波輸出的上升沿作為零狀態(tài)響應的

9、正階 躍激勵信號；利用方波的下降沿作為零輸入響應的負階躍激 勵信號。2.已知RC 階電路R= 10KQ , C= 0.01卩F試 計算時間常數(shù)T ,并根據(jù)T值的物理意義，擬定 測量T的方案。T =RC=10s。RC電路的時間常數(shù) 的物理意義是電容的電壓減小到原來的1/e需要 的時間。測量方法就是用RC 一階電路的電路圖， 加入輸入信號，將輸出信號的波形畫出來，再根 據(jù)下降的波形，找到U=0.368Um的那點，再對 應到橫坐標的時間，就是時間常數(shù)了。3.何謂積分電路和微分電路，它們必須具備什么條件？ 它們在方波序列脈沖的激勵下，其輸出信號波形的變化規(guī)律 如何？這兩種電路有何功用？微分電路 可把矩

10、形波轉換為尖脈沖波，此電路的輸出 波 形只反映輸入波形的突變部分，即只有輸入波形發(fā)生突變的 瞬間才有輸出。而對恒定部分則沒有輸出。輸出的尖脈沖波形的寬度與R*C有關（即電路的 時間常數(shù)），R*C越小，尖 脈沖波形越尖，反之則寬。 積分電路可將矩形脈沖波轉換為 鋸齒波或三角波，還可將鋸齒波轉換為拋物波。電路原理很簡單，都是基于 電容的沖放電原理。輸出信號與輸入信號的微分成正比的電路稱為微分電路，輸出信 號與輸入信號的積分成正比的電路稱為積分電路。 積分和微分電路是 利用電容的充電特性實現(xiàn)的，基本上由一個電容和一個電阻組成， 積 分和微分電路的特性由電阻和電容的特性決定 （RC時間常數(shù)），時間 常數(shù)越大，波形變化所需的時間越長。積分電路用一個電阻串聯(lián)在信號輸入端， 給電容充放電。在方波上升 沿，電容通過電阻充電，電容兩端的電壓緩慢上升。在方波下降沿， 電容通過電阻放電，電容兩端的電壓緩慢下降。積分電路使輸出的波 形邊沿變得有些圓滑。積分電路可以用來做延遲或整形電路