實(shí)驗(yàn)　一階電路暫態(tài)過(guò)程的研究

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康莫?/p>

1、研究ＲＣ一階電路的零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)和全響應(yīng)的規(guī)律和特點(diǎn)；

2、學(xué)習(xí)一階電路時(shí)間常數(shù)的測(cè)量方法，了解電路參數(shù)對(duì)時(shí)間常數(shù)的影響；

3、掌握微分電路和積分電路的基本概念。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1、GDS-1072-U數(shù)字示波器

2、AFG

2025函數(shù)信號(hào)發(fā)生器

（方波輸出）

3、EEL-52組件（含電阻、電容）

三、實(shí)驗(yàn)原理

1、ＲＣ一階電路的零狀態(tài)響應(yīng)

ＲＣ一階電路如圖11-1所示，開(kāi)關(guān)S在‘1’的位置，ｕC＝0，處于零狀態(tài)，當(dāng)開(kāi)關(guān)S合向‘2’的位置時(shí)，電源通過(guò)R向電容C充電，ｕC（ｔ）稱(chēng)為零狀態(tài)響應(yīng)。

變化曲線(xiàn)如圖11-2所示，當(dāng)ｕC上升到所需要的時(shí)間稱(chēng)為時(shí)間常數(shù)。

2、ＲＣ一階電路的零輸入響應(yīng)

在圖11-1中，開(kāi)關(guān)S在‘2’的位置電路電源通過(guò)R向電容C充電穩(wěn)定后，再合向‘1’的位置時(shí)，電容C通過(guò)R放電，ｕC（ｔ）稱(chēng)為零輸入響應(yīng)。

輸出變化曲線(xiàn)如圖11-3所示，當(dāng)ｕC下降到所需要的時(shí)間稱(chēng)為時(shí)間常數(shù)。

3、測(cè)量ＲＣ一階電路時(shí)間常數(shù)

圖11－1電路的上述暫態(tài)過(guò)程很難觀察，為了用普通示波器觀察電路的暫態(tài)過(guò)程，需采用圖11－4所示的周期性方波ｕS作為電路的激勵(lì)信號(hào)，方波信號(hào)的周期為T(mén)，只要滿(mǎn)足，便可在普通示波器的熒光屏上形成穩(wěn)定的響應(yīng)波形。

電阻R、電容C串聯(lián)與方波發(fā)生器的輸出端連接，用雙蹤示波器觀察電容電壓ｕC，便可觀察到穩(wěn)定的指數(shù)曲線(xiàn)，如圖11-5所示，在熒光屏上測(cè)得電容電壓最大值：

取，與指數(shù)曲線(xiàn)交點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)間ｔ軸的ｘ點(diǎn)，則根據(jù)時(shí)間ｔ軸比例尺（掃描時(shí)間），該電路的時(shí)間常數(shù)。

4、微分電路和積分電路

在方波信號(hào)ｕS作用在電阻R、電容C串聯(lián)電路中，當(dāng)滿(mǎn)足電路時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于方波周期T的條件時(shí)，電阻兩端（輸出）的電壓ｕR與方波輸入信號(hào)ｕS呈微分關(guān)系，該電路稱(chēng)為微分電路。當(dāng)滿(mǎn)足電路時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于方波周期T的條件時(shí)，電容C兩端（輸出）的電壓ｕC與方波輸入信號(hào)ｕS呈積分關(guān)系，該電路稱(chēng)為積分電路。

微分電路和積分電路的輸出、輸入關(guān)系如圖11－6

（ａ）、（ｂ）所示。

四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)電路如圖11-7所示，圖中電阻R、電容C從

EEL-51D組件上選?。ㄕ?qǐng)看懂線(xiàn)路板的走線(xiàn)，認(rèn)清激勵(lì)

與響應(yīng)端口所在的位置；認(rèn)清Ｒ、Ｃ元件的布局及其標(biāo)稱(chēng)值；各開(kāi)關(guān)的通斷位置等），用雙蹤示波器觀察電路激勵(lì)（方波）信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)。ｕS為方波輸出信號(hào)，調(diào)節(jié)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出，從示波器上觀察，使方波的峰－峰值和頻率為：ＶP

P＝2Ｖ，f=1ｋHz。

1、ＲＣ一階電路的充、放電過(guò)程

（1）測(cè)量時(shí)間常數(shù)τ

選擇EEL-52組件上的Ｒ、Ｃ元件，令Ｒ=3KΩ，Ｃ＝0.01μＦ，用示波器觀察激勵(lì)ｕS與響應(yīng)ｕC的變化規(guī)律，測(cè)量并記錄時(shí)間常數(shù)τ。

（2）觀察時(shí)間常數(shù)τ（即電路參數(shù)R、C）對(duì)暫態(tài)過(guò)程的影響

令Ｒ＝5kΩ，Ｃ=0.02μＦ，通過(guò)雙蹤示波器觀察并描繪電路激勵(lì)和響應(yīng)的波形，繼續(xù)增大Ｃ（取0.02μＦ～0.１μＦ）或增大R（取10kΩ），定性觀察對(duì)響應(yīng)波形的影響。

2、微分電路和積分電路

（1）積分電路

選擇EEL-51D組件上的Ｒ、Ｃ元件組成如圖11-8電路，令Ｒ＝10KΩ，Ｃ＝0.１μF，用雙蹤示波器觀察激勵(lì)ｕS與響應(yīng)ｕC的變化規(guī)律并繪出曲線(xiàn)圖。

（2）微分電路

將圖11-8實(shí)驗(yàn)電路中的Ｒ、Ｃ元件位置互換，組成如圖11-9電路，令Ｒ＝600Ω，Ｃ＝0.0１μF，用雙蹤示波器觀察激勵(lì)ｕS與響應(yīng)ｕR的變化規(guī)律并繪出曲線(xiàn)圖。

圖11-8

積分電路示意圖

圖11-9

微分電路示意圖

五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

1、調(diào)節(jié)電子儀器各旋鈕時(shí)，動(dòng)作不要過(guò)猛。實(shí)驗(yàn)前，尚需熟讀雙蹤示波器的使用說(shuō)明，特別是觀察雙蹤時(shí)，要特別注意開(kāi)關(guān)，旋鈕的操作與調(diào)節(jié)。

2、信號(hào)源的接地端與示波器的接地端是連在一起的（稱(chēng)共地），以防外界干擾而影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。但由于他們內(nèi)部已經(jīng)“共地”，使用時(shí)要特別注意因共地使被測(cè)電路造成短路。

六、預(yù)習(xí)與思考題

1、用示波器觀察ＲＣ一階電路零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)時(shí)，為什么激勵(lì)必須是方波信號(hào)？

2、已知ＲＣ一階電路的Ｒ＝10KΩ，Ｃ＝0.01μF，試計(jì)算時(shí)間常數(shù)τ，并根據(jù)τ值的物理意義，擬定測(cè)量τ的方案。

3、在ＲＣ一階電路中，當(dāng)Ｒ、Ｃ的大小變化時(shí)，對(duì)電路的響應(yīng)有何影響？

4、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?lì)下，其輸出信號(hào)波形的變化規(guī)律如何？這兩種電路有何功能？

七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求

1、根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1（1）觀測(cè)結(jié)果，繪出ＲＣ—階電路充、放電時(shí)ＵC與激勵(lì)信號(hào)對(duì)應(yīng)的變化曲線(xiàn)，由曲線(xiàn)測(cè)得τ值，并與參數(shù)值的理論計(jì)算結(jié)果作比較，分析誤差原因。

2、根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2觀測(cè)結(jié)果，繪出積分電路、微分電路輸出信號(hào)與輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)的波形。

3、回答思考題。