一階電路暫態(tài)響應(yīng)的研究

一階電路暫態(tài)響應(yīng)的研究實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)思考題

實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．掌握有關(guān)微分電路和積分電路的概念及測(cè)試方法。2．研究電路參數(shù)改變對(duì)暫態(tài)過程的影響。3．測(cè)定一階RC電路的零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)及全響應(yīng)。4．學(xué)習(xí)用示波器測(cè)量一階電路時(shí)間常數(shù)的方法及觀察暫態(tài)過程的信號(hào)波形。1．一階電路及其過渡過程電路響應(yīng)的變化規(guī)律不隨時(shí)間變化時(shí)（例如直流穩(wěn)態(tài)時(shí)響應(yīng)為恒定值，正弦穩(wěn)態(tài)時(shí)響應(yīng)為與激勵(lì)同頻率的正弦量）稱為穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)含有儲(chǔ)能元件（電感或電容）的電路中發(fā)生輸入狀態(tài)變化、電路結(jié)構(gòu)變化或電路參數(shù)變化（通常稱為換路）時(shí)，電路響應(yīng)的穩(wěn)定狀態(tài)將被破壞，經(jīng)過一段時(shí)間后達(dá)到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，我們把電路從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的變化過程稱為電路的暫態(tài)過程。電路暫態(tài)過程的產(chǎn)生是由于電路中的儲(chǔ)能元件所儲(chǔ)存的能量在換路的瞬間不能發(fā)生突變，從而使電容兩端的電壓和流過電感的電流也不能發(fā)生突變（即換路定律）。實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理含有儲(chǔ)能元件的電路稱為動(dòng)態(tài)電路。當(dāng)動(dòng)態(tài)電路的特性可以用一階微分方程描述時(shí)，稱該電路為一階電路。由于電路的暫態(tài)過程是十分短暫的單次過程，用一般的雙蹤示波器觀察電路的暫態(tài)過程和測(cè)量有關(guān)的參數(shù)，必須使這種單次變化過程重復(fù)出現(xiàn)。為此，我們利用信號(hào)發(fā)生器輸出的方波來模擬階躍激勵(lì)信號(hào)，只要選擇方波的重復(fù)周期遠(yuǎn)大于被測(cè)電路的時(shí)間常數(shù)，電路在這樣方波序列脈沖信號(hào)的激勵(lì)下，它的作用和直流電源接通與斷開的過渡過程是相同的。2．零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)和全響應(yīng)電路的過渡過程分為零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)和全響應(yīng)三種情況。對(duì)于一階RC電路，若響應(yīng)為電容電壓UC，則其變化規(guī)律為式中，為電容初始電壓，為電路外加直流電壓激勵(lì)，稱為時(shí)間常數(shù)。實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理（1）當(dāng)US=0時(shí)，有UC(t)=UC(0+)e-t/

這就是外加輸入電壓為零時(shí)，僅由電容初始電壓（初始儲(chǔ)能）引起的響應(yīng)，稱為零輸入響應(yīng)，其按指數(shù)規(guī)律單調(diào)衰減。（2）當(dāng)UC(0+)

=0，即電容初始儲(chǔ)能為零時(shí)有UC(t)=Us(1-e-t/)。這就是僅由外加激勵(lì)引起的零狀態(tài)響應(yīng)。（3）當(dāng)UC(0+)和US均不為零時(shí)，對(duì)應(yīng)的響應(yīng)就是全響應(yīng)。全響應(yīng)可以看作是零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)的疊加，這也是線性電路疊加性的體現(xiàn)。3．時(shí)間常數(shù)及其測(cè)量實(shí)驗(yàn)原理

(a)RC一階電路

(b)充電曲線上的測(cè)量(c)放電曲線上的測(cè)量圖1RC一階電路、時(shí)間常數(shù)的測(cè)量4．微分電路和積分電路

(a)微分電路(b)積分電路

圖2微分電路和積分電路實(shí)驗(yàn)原理序號(hào)名稱型號(hào)與規(guī)格數(shù)量備注1函數(shù)信號(hào)發(fā)生器12雙蹤示波器13動(dòng)態(tài)電路實(shí)驗(yàn)板1DGJ-03實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備函數(shù)信號(hào)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)設(shè)備雙蹤示波器實(shí)驗(yàn)設(shè)備動(dòng)態(tài)電路實(shí)驗(yàn)板實(shí)驗(yàn)內(nèi)容圖3動(dòng)態(tài)電路、選頻電路實(shí)驗(yàn)板1．從電路板上選R＝10KΩ，C＝6800pF組成如圖1(a)所示的充放電電路。US為脈沖信號(hào)發(fā)生器輸出的E＝3V、f＝1KHz的方波電壓信號(hào)，并通過兩根同軸電纜線，將激勵(lì)源US和響應(yīng)UC的信號(hào)分別連至示波器的兩個(gè)輸入端口CH1和CH2。這時(shí)可在示波器的屏幕上觀察到激勵(lì)與響應(yīng)的變化規(guī)律，測(cè)算出時(shí)間常數(shù)，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(duì)響應(yīng)的影響，記錄觀察到的現(xiàn)象。2．令R＝10KΩ，C＝0.1μF，觀察并描繪響應(yīng)的波形，繼續(xù)增大C值，定性地觀察對(duì)響應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容3．選擇R、C元件組成如圖2(a)所示的微分電路，令C=0.01μF，R=100Ω在同樣的方波激勵(lì)信號(hào)（E＝3V，f＝1KHz）作用下，觀測(cè)并描繪激勵(lì)與響應(yīng)的波形。增減R之值，定性地觀察對(duì)響應(yīng)的影響，并作記錄。當(dāng)R增至1MΩ時(shí)，輸入輸出波形有何本質(zhì)上的區(qū)別？4．選擇R、C元件組成如圖2(b)所示的積分電路，R、C參數(shù)自己選定，在同樣的方波激勵(lì)信號(hào)（E＝3V，f＝1KHz）作用下，觀察并描繪激勵(lì)與響應(yīng)的波形。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．什么樣的電信號(hào)可作為一階RC電路零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)和完全響應(yīng)的激勵(lì)源？2．何謂積分電路和微分電路，它們必須具備什么條件？它們?cè)诜讲ㄐ蛄忻}沖的激勵(lì)下，其輸出信號(hào)波形的變化規(guī)律如何？這兩種電路有何功用？

3．如果要用示波器觀察一階RC電路中電阻電壓的波形，應(yīng)如何接線。實(shí)驗(yàn)思考題1．調(diào)節(jié)電子儀器各旋鈕時(shí)，動(dòng)作不要過快、過猛。實(shí)驗(yàn)前，需熟讀雙蹤示波器的使用說明書。觀察雙蹤時(shí)，要特別注意相應(yīng)開關(guān)、旋鈕的操作與