實(shí)驗(yàn)五-一階RC電路的過(guò)渡過(guò)程的multisim實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)五一階RC電路的過(guò)渡過(guò)程實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、研究RC串聯(lián)電路的過(guò)渡過(guò)程。2、研究元件參數(shù)的改變對(duì)電路過(guò)渡過(guò)程的影響。二、實(shí)驗(yàn)原理電路在一定條件下有一定的穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)條件改變，就要過(guò)渡到新的穩(wěn)定狀態(tài)。從一種穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一種新的穩(wěn)定狀態(tài)往往不能躍變，而是需要一定的過(guò)渡過(guò)程（時(shí)間）的，這個(gè)物理過(guò)程就稱(chēng)為電路的過(guò)渡過(guò)程。電路的過(guò)渡過(guò)程往往為時(shí)短暫，所以電路在過(guò)渡過(guò)程中的工作狀態(tài)成為暫態(tài)，因而過(guò)渡過(guò)程又稱(chēng)為暫態(tài)過(guò)程。1、RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)（電容C充電）在圖5-1(a)所示RC串聯(lián)電路，開(kāi)關(guān)S在未合上之前電容元件未充電，在t=0時(shí)將開(kāi)關(guān)S合上，電路既與一恒定電壓為U的電源接通，對(duì)電容元件開(kāi)始充電。此時(shí)電路的響應(yīng)叫零狀態(tài)響應(yīng)，也就是電容充電的過(guò)程。(a)(b)圖5-1RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)電路及uC、uR、i隨時(shí)間變化曲線根據(jù)基爾霍夫電壓定律，列出t0時(shí)電路的微分方程為(注：)電容元件兩端電壓為其隨時(shí)間的變化曲線如圖5－1(b)所示。電壓uc按指數(shù)規(guī)律隨時(shí)間增長(zhǎng)而趨于穩(wěn)定值。電路中的電流為電阻上的電壓為其隨時(shí)間的變化曲線如圖5－1(b)所示。2、RC電路的零輸入響應(yīng)（電容C放電）在圖5－2（a）所示,RC串聯(lián)電路。開(kāi)關(guān)S在位置2時(shí)電容已充電，電容上的電壓uC=U0，電路處于穩(wěn)定狀態(tài)。在t=0時(shí)將開(kāi)關(guān)從位置2轉(zhuǎn)換到位置1，使電路脫離電源，輸入信號(hào)為零。此時(shí)電容元件經(jīng)過(guò)電阻R開(kāi)始放電。此時(shí)電路的響應(yīng)叫零輸入響應(yīng)，也就是電容放電的過(guò)程。(a)(b)圖5－2RC電路的零輸入響應(yīng)電路及uC、uR、i隨時(shí)間變化曲線根據(jù)基爾霍夫電壓定律，列出t0時(shí)的電路微分方程為電容兩端電壓為其隨時(shí)間變化曲線如圖5-2(b)所示。它的初始值為U0，按指數(shù)規(guī)律衰減而趨于零。=RC式中=RC，叫時(shí)間常數(shù)，它所反映了電路過(guò)渡過(guò)程所用時(shí)間的長(zhǎng)短，越大過(guò)渡時(shí)間就越長(zhǎng)。電路中的電流為電阻上電壓為其隨時(shí)間變化曲線如圖5-2(b)所示。3、時(shí)間常數(shù)τ在RC串聯(lián)電路中，τ為電路的時(shí)間常數(shù)。在電路的零狀態(tài)（電容充電）響應(yīng)上升到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所需要時(shí)間為一個(gè)時(shí)間常數(shù)τ，或者是電路零輸入（電容放電）響應(yīng)衰減到初始值的36.8%所需要時(shí)間[2]。雖然真正電路到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時(shí)間為無(wú)限大，但通常認(rèn)為經(jīng)過(guò)（3-5）τ的時(shí)間，過(guò)度過(guò)程就基本結(jié)束，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟脈沖信號(hào)源測(cè)量部分即成功完成。3、實(shí)驗(yàn)步驟打開(kāi)multisim軟件，選中主菜單View選項(xiàng)中的Showgrid，使得繪圖區(qū)域中出現(xiàn)均勻的網(wǎng)格線，并將繪圖尺寸調(diào)節(jié)到最佳。在PlaceSources元器件庫(kù)中調(diào)出1個(gè)Ground（接地點(diǎn)）和1個(gè)Clock（時(shí)鐘源）器件，從PlaceBasic元器件庫(kù)中調(diào)出1個(gè)Resistor（電阻）和1個(gè)Capacitor（電容）器件，最后從Instruments元器件庫(kù)中調(diào)出Oscilloscope（示波器）器件，按圖5-5所示排列好。(3)雙擊Clock（時(shí)鐘源）器件，得到其對(duì)應(yīng)的元器件屬性（ClockProperties）對(duì)話(huà)框，在Value/Frequency里修改信號(hào)源發(fā)出方波的頻率，本實(shí)驗(yàn)頻率選擇默認(rèn)的1000Hz；在Value/Dutycycle里修改方波的占空比，本實(shí)驗(yàn)選擇默認(rèn)的50%；在Value/Voltage里修改方波電壓的幅值，本實(shí)驗(yàn)選擇2V。改變電阻R的阻值為300Ω，電容C的容量為0.1μF。將示波器的接地點(diǎn)接到被測(cè)電路R、C之間，將A通道接到信號(hào)源與電阻R之間，并通過(guò)雙擊連線改變連線的顏色為紅色，將B通道接到電容C的負(fù)端即被測(cè)電路的接地點(diǎn)上，同時(shí)改變連線的顏色為綠色。（顏色可自選，但盡量使A，B兩通道連線顏色區(qū)分開(kāi)）。這樣連線后，A通道顯示的是UR波形，B通道顯示的是（-UC）的波形。將電路中其他器件亦通過(guò)連線連接起來(lái)。檢查電路有無(wú)錯(cuò)誤。對(duì)該繪圖文件進(jìn)行保存，注意文件的擴(kuò)展名（.sm10）要保留。按下multisim界面右上方按紐“1”對(duì)該保存過(guò)的繪圖文件進(jìn)行仿真。按下multisim界面右上方按紐“0”停止仿真，雙擊示波器圖標(biāo)，在示波器的展開(kāi)面板上觀測(cè)A，B通道顯示的波形，將UR、UC的波形曲線通過(guò)坐標(biāo)紙記錄下來(lái)（見(jiàn)“實(shí)驗(yàn)報(bào)告”）。將電阻R的阻值重新設(shè)定為800Ω，然后按實(shí)驗(yàn)步驟（5）——（10）重新做一遍并記錄波形曲線。實(shí)驗(yàn)完成后，將保存好的繪圖文件另存到教師指定的位置，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫(xiě)。四、注意事項(xiàng)每個(gè)電路中均必須接有接地點(diǎn)，且與電路可靠連接（即接地點(diǎn)與電路的連接處有黑色的結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)）。改變電阻的阻值時(shí)，需要在Resistor（電阻）器件的元器件屬性（ResistorProperties）對(duì)話(huà)框中選擇Value/Resistance（R）選項(xiàng)，在其后的框中填寫(xiě)阻值，前一框?yàn)閿?shù)值框，后一框?yàn)閿?shù)量級(jí)框，填寫(xiě)時(shí)注意兩個(gè)框的不同。繪制好的實(shí)驗(yàn)電路必須經(jīng)認(rèn)真檢查后方可進(jìn)行仿真。若仿真出錯(cuò)或者實(shí)驗(yàn)結(jié)果明顯偏離實(shí)際值，請(qǐng)停止仿真后仔細(xì)檢查電路是否連線正確、接地點(diǎn)連接是否有誤等情況，排除誤點(diǎn)后再進(jìn)行仿真，直到仿真正確、觀測(cè)得到理想的波形。若按圖5-中示波器的連線方法，則在B通道上觀測(cè)到的是（-UC）的波形，要求記錄在坐標(biāo)紙上的是UC的波形，故需將觀測(cè)到的（-UC）的波形通過(guò)關(guān)于橫軸對(duì)稱(chēng)的方式轉(zhuǎn)換成UC的波形，然后再記錄。此點(diǎn)需特別注意。文件保存時(shí)擴(kuò)展名為“.ewb”。關(guān)閉文件或EWB軟件后想再次打開(kāi)保存后的文件時(shí)，必須打開(kāi)EWB軟件后通過(guò)主菜單File/open選項(xiàng)或者工具欄中的“打開(kāi)”快捷鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)。五、實(shí)驗(yàn)拓展示波器的接法有很多種，本實(shí)驗(yàn)采用的是其中一種。請(qǐng)同學(xué)思考示波器的其他接入被測(cè)電路的方法，也可觀測(cè)到UR、UC的波形?？商岢龆喾N解決方案。六、預(yù)習(xí)要求1、認(rèn)真復(fù)習(xí)電路的暫態(tài)分析理論內(nèi)容。2、理解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、明確實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟。七、思考題1、在RC串聯(lián)電路中，電容充電上升到穩(wěn)態(tài)值的多少所需要時(shí)間為一個(gè)時(shí)間常數(shù)τ？2、在RC串聯(lián)電路中，電容放電衰減到初始值的多少所需要時(shí)間為一個(gè)時(shí)間常數(shù)τ？3、通常認(rèn)為電路從暫態(tài)到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)所需要多少時(shí)間？八、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1、寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟。