二階電路動態(tài)響應(yīng)實驗報告

1、二階電路動態(tài)的響應(yīng) 11微電子 黃躍 學(xué)號：1117426021一 實驗?zāi)康?.深刻理解和掌握零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)以及全響應(yīng)；2.深刻理解欠阻尼，臨界，過阻尼的意義；3.研究電路元件參數(shù)對二階電路動態(tài)響應(yīng)的影響；4.掌握Multisim軟件繪制電路原理圖；5.掌握Multisim軟件中的Transient Analysis等SPICE仿真分析方法；6.掌握Multisim軟件中的函數(shù)發(fā)生器，示波器的方使用法。二 實驗原理用二階微分方程描述的動態(tài)電路稱為二階電路。圖6.1所示的線性RLC串聯(lián)電路是一個典型的二階電路?？梢杂孟率龆A線性常系數(shù)微分方程來描述：（6-1）初始值為 求解該微分方程，可

2、以得到電容上的電壓uc(t)。再根據(jù)：可求得ic(t)，即回路電流iL(t)。 式（6-1）的特征方程為：特征值為：(6-2)定義：衰減系數(shù)（阻尼系數(shù)） 自由振蕩角頻率（固有頻率）由式6-2 可知，RLC串聯(lián)電路的響應(yīng)類型與元件參數(shù)有關(guān)。 零輸入響應(yīng)動態(tài)電路在沒有外施激勵時，由動態(tài)元件的初始儲能引起的響應(yīng)，稱為零輸入響應(yīng)。 電路如圖6.2所示，設(shè)電容已經(jīng)充電，其電壓為U0，電感的初始電流為0。(1) ，響應(yīng)是非振蕩性的，稱為過阻尼情況。電路響應(yīng)為： 響應(yīng)曲線如圖6.3所示。可以看出：uC(t)由兩個單調(diào)下降的指數(shù)函數(shù)組成，為非振蕩的過渡過程。整個放電過程中電流為正值， 且當(dāng)時，電流有極大值。（

3、2），響應(yīng)臨界振蕩，稱為臨界阻尼情況。電路響應(yīng)為 t0響應(yīng)曲線如圖6.4所示。圖6.4 二階電路的臨界阻尼過程(3) ，響應(yīng)是振蕩性的，稱為欠阻尼情況。 電路響應(yīng)為 t0 其中衰減振蕩角頻率 ， 響應(yīng)曲線如圖6.5所示。 圖6.5 二階電路的欠阻尼過程 圖6.6 二階電路的無阻尼過程（4）當(dāng)R時，響應(yīng)是等幅振蕩性的，稱為無阻尼情況。電路響應(yīng)為 響應(yīng)曲線如圖6.6所示。理想情況下，電壓、電流是一組相位互差90度的曲線，由于無能耗，所以為等幅振蕩。等幅振蕩角頻率即為自由振蕩角頻率，注：在無源網(wǎng)絡(luò)中，由于有導(dǎo)線、電感的直流電阻和電容器的介質(zhì)損耗存在，R不可能為零,故實驗中不可能出現(xiàn)等幅振蕩。零狀態(tài)響

4、應(yīng)動態(tài)電路的初始儲能為零，由外施激勵引起的電路響應(yīng)，稱為零輸入響應(yīng)。根據(jù)方程6-1，電路零狀態(tài)響應(yīng)的表達式為：與零輸入響應(yīng)相類似，電壓、電流的變化規(guī)律取決于電路結(jié)構(gòu)、電路參數(shù)，可以分為過阻尼、欠阻尼、臨界阻尼等三種充電過程。三、實驗設(shè)備與器件 1、低頻信號發(fā)生器一臺2.、交流毫伏表一臺3、雙蹤示波器 一臺4、萬用表一只 5、可變電阻6、電阻、電感、電容 (電阻100,電感10mH、4.7mH, 電容47nF)7、通用電路板一塊 四、 實驗方法1、為方便起見，可以方波信號作為電路的輸入信號。調(diào)節(jié)方波信號的周期，可以觀測到完整的響應(yīng)曲線，即可分別觀察零狀態(tài)響應(yīng)和零輸入響應(yīng)。2、響應(yīng)曲線的測量：回路

5、中的電阻可用一固定電阻R1與一可變電阻R2替代，調(diào)節(jié)可變電阻器的值，即可觀察到二階電路的零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)由過阻尼過渡到臨界阻尼，最后過渡到欠阻尼的變化過程。3、衰減振蕩角頻率和衰減系數(shù)的測定：以方波信號作為電路的輸入信號,使方波周期T,從示波器上觀察響應(yīng)欠阻尼響應(yīng)的波形如圖6.7所示，讀出振蕩周期Td。則 其中h1、h2分別是兩個連續(xù)波峰的峰值。 圖6.7 二階欠阻尼響應(yīng)的波形5、 實驗內(nèi)容1、用Multisim瞬態(tài)分析仿真完全響應(yīng)（欠阻尼、臨界、過阻尼三種情況）； Multisim仿真電路圖 零輸入響應(yīng)：紅色500歐姆 藍色1348歐姆 綠色2000歐姆全響應(yīng)：紅色 500歐姆 藍色1

6、348歐姆 綠色2000歐姆2、利用Multisim中的函數(shù)發(fā)生器、示波器創(chuàng)建短路，觀測各種響應(yīng)。在電路板上按圖焊接電路（R1=100 L=10mH C=47nF）調(diào)節(jié)可變電阻器R2的值，觀察二階電路的零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)又過阻尼過渡到臨界阻尼，最后過渡到欠阻尼的變化過程，分別定性的描繪、記錄典型變化波形，記錄所測數(shù)據(jù)和波形。欠阻尼：臨界阻尼：過阻尼：調(diào)節(jié)R2使示波器熒光屏上呈現(xiàn)穩(wěn)定的欠阻尼響應(yīng)波形，定量測定此時電路的衰減常數(shù)和振蕩頻率d。記錄所測數(shù)據(jù)。欠阻尼RLC振蕩周期Td第一波峰峰值h1第二波峰峰值h210010mH47nf142us1.55V685mV理論值測量值衰減振蕩角頻率d（rad/s）4.59*1044.42*104衰減系數(shù)5*1035.75*1035、對欠阻尼情況，在改變電阻R時，觀察衰減振蕩角頻率d和衰減系數(shù)對波形的影響。六、結(jié)論及分析通過仿真軟件的瞬態(tài)分析，直觀地了解了二階電路的動態(tài)響應(yīng)電路中的電