RC一階電路的響應測試-實驗的報告

...wd......wd......wd...實驗六RC一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，就必須使這種單次變化的過程重復出現。為此，我們利用信號發(fā)生器輸出的方波來模擬階躍鼓勵信號，即利用方波輸出的上升沿作為零狀態(tài)響應的正階躍鼓勵信號；利用方波的下降沿作為零輸入響應的負階躍鼓勵信號。只要選擇方波的重復周期遠大于電路的時間常數τ，那么電路在這樣的方波序列脈沖信號的鼓勵下，它的響應就和直流電接通與斷開的過渡過程是基本一樣的。2.圖6-1〔b〕所示的RC一階電路的零輸入響應和零狀態(tài)響應分別按指數規(guī)律衰減和增長，其變化的快慢決定于電路的時間常數τ。3.時間常數τ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。根據一階微分方程的求解得知uc＝Ume-t/RC＝Ume-t/τ。當t＝τ時，Uc(τ)＝0.368Um。此時所對應的時間就等于τ。亦可用零狀態(tài)響應波形增加到0.632Um所對應的時間測得，如圖6-1(c)所示。(a)零輸入響應(b)RC一階電路(c)零狀態(tài)響應圖6-14.微分電路和積分電路是RC一階電路中較典型的電路，它對電路元件參數和輸入信號的周期有著特定的要求。一個簡單的RC串聯電路，在方波序列脈沖的重復鼓勵下，當滿足τ＝RC<<時〔T為方波脈沖的重復周期〕，且由R兩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。(a)微分電路(b)積分電路圖6-2假設將圖6-2(a)中的R與C位置調換一下，如圖6-2(b)所示，由C兩端的電壓作為響應輸出。當電路的參數滿足τ＝RC>>條件時，即稱為積分電路。因為此時電路的輸出信號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＝10KΩ，C＝6800pF組成如圖6-2(b)所示的RC充放電電路。ui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，將鼓勵源ui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鼓勵與響應的變化規(guī)律，請測算出時間常數τ，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，記錄觀察到的現象。2.令R＝10KΩ，C＝0.01μF，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＝0.01μF，R＝100Ω，組成如圖6-2(a)所示的微分電路。在同樣的方波鼓勵信號〔Um＝3V，f＝1KHz〕作用下，觀測并描繪鼓勵與響應的波形。增減R之值，定性地觀察對響應的影響，并作記錄。當R增至1MΩ時，輸入輸出波形有何本質上的區(qū)別圖6-3動態(tài)電路、選頻電路實驗板實驗本卷須知1.調節(jié)電子儀器各旋鈕時，動作不要過快、過猛。實驗前，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τ=57*10-6.與計算得到的時間常數τ=RC=68*10-6相比，誤差不大，分析其主要原因來源于儀器誤差和人的生理誤差。步驟二對應的虛擬示波器的圖像如上圖所示電路參數滿足τ>>T/2的條件，那么成為積分電路。由于這種電路電容器充放電進展得很慢，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：上式說明，輸出電壓uo(t)與輸入電壓ui(t)近似地成積分關系此時電路將方波轉變成了三角波。步驟三對應的虛擬示波器的圖像如上圖所示取RC串聯電路中的電阻兩端為輸出端，并選擇適當的電路參數使時間常數τ<<T/2。由于電容器的充放電進展得很快，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：上式說明，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的改變如下當R增至1MΩ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差異。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一階電路零輸入響應、零狀態(tài)響應和完全響應的鼓勵信號只要選擇方波的重復周期遠大于電路的時間常數τ，那么電路在這樣的方波序列脈沖信號的鼓勵下，它的響應就和直流電接通與斷開的過渡過程是基本一樣的。方波輸出的上升沿作為零狀態(tài)響應的正階躍鼓勵信號；利用方波的下降沿作為零輸入響應的負階躍鼓勵信號。2.RC一階電路R＝10KΩ，C＝0.01μF，試計算時間常數τ，并根據τ值的物理意義，擬定測量τ的方案。τ=RC=10-4s。RC電路的時間常數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，參加輸入信號，將輸出信號的波形畫出來，再根據下降的波形，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鼓勵下，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局部，即只有輸入波形發(fā)生突變的瞬間才有輸出。而對恒定局部那么沒有輸出。輸出的尖脈沖波形的寬度與R*C有關〔即電路的時間常數〕，R*C越小，尖脈沖波形越尖，反之那么寬。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〕，時間常數越大，波形變化所需的時間越長。

積分電路用一個電阻串聯在信號輸入端，給電容充放電。在方波上升沿