1、實驗4:動態(tài)電路瞬態(tài)過程研究，1。4.1實驗?zāi)康模? .研究一階電路零狀態(tài)響應(yīng)和零輸入響應(yīng)的基本規(guī)律和特點，以及電路參數(shù)對響應(yīng)的影響。2.了解時間常數(shù)對響應(yīng)波形的影響。3.了解積分和微分電路的特性。4.掌握阻抗測量的特點和方法。2，4.2實驗原理，1。一階RC電路的時域響應(yīng)用一階微分方程描述的電路稱為一階動態(tài)電路。一階動態(tài)電路通常由一個(或幾個)電阻元件和一個動態(tài)元件(電容或電感)組成。一階動態(tài)電路時域分析的步驟是建立電路切換后的電路微分方程，并求出滿足初始條件的微分方程的解，即電路響應(yīng)。在圖4.1(a)所示的電路中，如果UC (0-)=0，當(dāng)t=0時，開關(guān)s從2變?yōu)?，并且DC電源通過r充電

2、到c。此時，電路的響應(yīng)是零狀態(tài)響應(yīng)。圖4.1一階RC電路和響應(yīng)曲線，4、其解為、t0、電路的微分方程為，其中=RC為電路的時間常數(shù)。圖4.1(b)顯示了、5和零狀態(tài)的響應(yīng)曲線。如果開關(guān)S位于位置1，電路已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，即UC=(0-)=Us；當(dāng)t=0時，開關(guān)S從1轉(zhuǎn)到2，電容通過R放電。此時的電路響應(yīng)是零輸入響應(yīng)，而uc=(0-)=uc (0)，圖4.1(c一階RC電路和響應(yīng)從圖中可以看出，無論是零狀態(tài)響應(yīng)還是零輸入響應(yīng)，其響應(yīng)曲線都按照指數(shù)規(guī)律變化，變化速度由時間常數(shù)決定，即電路瞬態(tài)過程的長度由。大，瞬態(tài)過程長；短暫的短暫過程。時間常數(shù)由電路參數(shù)決定，一階RC電路的時間常數(shù)等于RC，從而計算

3、出理論值。圖4.1一階RC電路和響應(yīng)曲線，8，如圖4.2所示，也可以從uc的變化曲線中得到。對于充電曲線，對應(yīng)于振幅上升到最終值的63.2的時間是1。對于放電曲線，當(dāng)振幅下降到初始值的36.8時，相應(yīng)的時間也是1?；蛘咧笖?shù)曲線的切線可以在起點處作出，該切線與穩(wěn)態(tài)坐標(biāo)線的交點與起點之間的時間坐標(biāo)差就是時間常數(shù)。根據(jù)上述兩種方法，可以在已知的指數(shù)曲線上近似確定時間常數(shù)的值。人們普遍認(rèn)為，35年后，過渡進(jìn)程往往會結(jié)束。圖4.2電容器充放電電壓曲線，9，為了在普通示波器上觀察這些響應(yīng)波形，有必要使這些波形周期性地變化。如何實現(xiàn)周期性變化？周期性方波(即方波序列)可用作激勵，描述如下。如圖4.3(a)所

4、示，RC串聯(lián)電路由方波激勵(如圖4.3(b)所示)。4.3方波激勵下的響應(yīng)波形，10。從t=0開始，電路完全連接到DC電源。如果T/2足夠大(T/24)，uC可以在0T/2響應(yīng)時間范圍內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定值USe，因此uC在0T/2范圍內(nèi)是零狀態(tài)響應(yīng)；從t=T/2，us=0，因為電源的內(nèi)部電阻非常小，電容c相當(dāng)于從初始電壓us放電到r，如果T/24，c上的電荷可以在T/2-T的時間范圍內(nèi)放電，這個時間范圍是零輸入響應(yīng)。第二個周期重復(fù)第一個周期，如圖4.3(c)所示。圖4.3方波激勵下的響應(yīng)波形，11。將該周期性變化的電壓發(fā)送到示波器的y軸輸入端，并適當(dāng)調(diào)整“時基”旋鈕，使周期性波形清晰地顯示在屏幕上，然

5、后前半個周期是零狀態(tài)響應(yīng)，后半個周期是零輸入響應(yīng)。(使用示波器的另一個通道輸入us來識別零狀態(tài)和零輸入)。在線性系統(tǒng)中，零狀態(tài)響應(yīng)和零輸入響應(yīng)之和稱為系統(tǒng)的完全響應(yīng)。也就是說，全響應(yīng)=零狀態(tài)響應(yīng)和零輸入響應(yīng)。要觀察電流波形，將電阻R上的電壓ur發(fā)送到示波器。因為示波器只能輸入電壓，以及電阻上的電壓和電流12，2。積分電路和微分電路都是電容器充放電現(xiàn)象的應(yīng)用。圖4.4所示電路以電容電壓為輸出，us(t)為周期為t的方波信號。讓uc(0)=0，然后，圖4.4集成電路圖4.5集成電路也就是說，在方波激勵下，電容上的充電電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電阻上的電壓，因此，等式(4.1)可以改寫為，這表明如果uc(t)作為

6、輸出電壓， uc(t)大約與輸入電壓us(t)隨時間的積分成正比，因此在這種情況下，積分電路必須滿足要求，一般取10倍。 如果選擇了R和C，則取輸入信號的頻率。當(dāng)方波的頻率不變時，數(shù)值越大，三角波的線性越好，但其振幅也減小。當(dāng)該值變小時，波形的振幅將增加，但其線性將惡化。15，差分電路將RC電路的電阻電壓uR作為輸出，如圖4.6所示。然后、(4.3)，當(dāng)時間常數(shù)小時，即us(t)uc(t)。(2)，那么等式(4.3)可以重寫為、(4.4)、圖4.6差分電路圖，4.7差分電路波形，16。等式(4.4)表明，輸出電壓uR(t)與輸入電壓uS(t)的時間差大致成比例，因此在這種情況下，RC電路稱為差

7、分電路。差分電路的輸出波形是正負(fù)交替的銳脈沖，其輸入輸出波形如圖4.7所示。圖4.6差分電路圖4.7差分電路波形17差分電路必須滿足條件。如果選擇了R和C，則取輸入信號的頻率。當(dāng)輸入信號的頻率恒定時，值越小，脈沖越尖銳。3交流阻抗的測量原理和應(yīng)用方法，4.3實驗內(nèi)容，1。測量一階RC電路響應(yīng)和值的實驗電路如圖4.1所示，us(t)是信號發(fā)生器輸出的f=1khz、VPP=1v的方波信號。激勵源us(t)和響應(yīng)信號uc(t)分別通過兩根同軸電纜連接到示波器的兩個輸入端CH1和CH2。在示波器屏幕上觀察和測試激勵和響應(yīng)波形以及下列參數(shù)。18，R=10K，C=3300PF，R=10K，C=0.01F，

8、R=10K，C=0.1F。設(shè)計一階積分電路，使c=0.1f，R=10K，輸入方波的幅度UPP為2V。設(shè)計積分電路，確定輸入方波的頻率。用示波器觀察和測量輸入輸出電壓的波形和最大值。3.設(shè)計一階差分電路，使C=0.1F，R=10K，輸入方波的幅度UPP為3V。設(shè)計一個差分電路，確定輸入方波的頻率，用示波器觀察和測量輸入輸出電壓的波形和最大值。4.組件的交流阻抗測量。19，4.4實驗設(shè)備1。功能信號發(fā)生器2。雙蹤示波器3。電阻器和電容器。4.5預(yù)覽和報告要求，一次預(yù)覽1份。當(dāng)階躍信號作用于一階和二階電路時，了解電路中的電流和電壓變化。2.閱讀相關(guān)章節(jié)，復(fù)習(xí)函數(shù)信號發(fā)生器和示波器的使用。3.了解微分電路和積分電路的工作原理。20，2報告要求1。繪制任務(wù)2中的每條響應(yīng)曲線，并解釋其電路特性。2.根據(jù)實驗曲線，確定任務(wù)1中三種情況下