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1、28实验五实验五 一阶一阶 RCRC 串联电路的测试串联电路的测试一、实验目的：一、实验目的：1 1、学会脉冲源参数的设置方法、学会脉冲源参数的设置方法2 2、学会使用仿真分析功能对电路进行瞬态分析、学会使用仿真分析功能对电路进行瞬态分析3 3、通过实验进一步了解、通过实验进一步了解 RCRC 一阶电路的动态特性一阶电路的动态特性二二. .预习要求预习要求 1.1.复习一阶复习一阶 RCRC 串联电路动态特性的有关知识串联电路动态特性的有关知识2.2.了解零输入响应与零状态响应的有关知识了解零输入响应与零状态响应的有关知识3 3了解了解 RCRC 串联电路换路后电容电压、电阻电压、电容电流、电
2、阻电流的串联电路换路后电容电压、电阻电压、电容电流、电阻电流的变化规律。变化规律。三、实验原理三、实验原理1 1、RC 电路的零输入响应电路的零输入响应仅仅是由动态元件的初始条件引起的的响应，称为零输入响应。仅仅是由动态元件的初始条件引起的的响应，称为零输入响应。换路前电路如图换路前电路如图( (a)a)所示，开关原来连接在所示，开关原来连接在 1 1 端，电路达到稳态，此时电容端，电路达到稳态，此时电容电压等于电压等于 U0。在在t t=0=0 时开关迅速由时开关迅速由 1 1 端转换到端转换到 2 2 端，得到换路后的电路，如图端，得到换路后的电路，如图( (b)b)所示。所示。图图 12
3、9换路后，换路后， 电路的初始条件：电路的初始条件： u c(0+)uc(0) U0当达到新的稳态时当达到新的稳态时： ： u c()0电路的时间常数：电路的时间常数： RC由三要素法，可求得由三要素法，可求得图图 ( (b)b)电路的零输入响应为电路的零输入响应为： ：从上面式子可知，各电压电流变化的快慢取决于时间常数从上面式子可知，各电压电流变化的快慢取决于时间常数 =RC。 。下图为下图为零零输入响应的波形输入响应的波形; ;2、 、 RC 电路的零状态响应电路的零状态响应零状态响应：初始状态为零，仅仅由独立电源零状态响应：初始状态为零，仅仅由独立电源( (称为激励或输入称为激励或输入)
4、 )引起的响引起的响应，称为零状态响应。应，称为零状态响应。换路前换路前电路如图电路如图 (a)所示，此时所示，此时电容电压电容电压 uC(0)=0。 。假设在假设在 t=0 时开关闭合，时开关闭合，则则 RC 串联电路与直流电压源连接，电压源通过电阻对电容充电串联电路与直流电压源连接，电压源通过电阻对电容充电。 。图图2 RC电电路零路零输输入响入响应应的波形曲的波形曲线线 0( )(0)t RC cu tU et0( )(0)t RC RutU et0( )(0)t CRC cduUi tCetdtR 0( )( )(0)t RC RCUititetR 30换路后电路的初始条件：换路后电路
5、的初始条件： uC(0+)= uC(0-)=0电路达到新的稳态时：电路达到新的稳态时： u c()US电路的时间常数：电路的时间常数： RC由三要素法可求得电路的零状态响应为由三要素法可求得电路的零状态响应为： ：响应波形如下图所示：响应波形如下图所示：)e1 ()(SCRCt UtuCSS RCd( )( )ee(0)dtt RCuUUititCttRRRS( )( )et RC RutRitU图图4 RC电路的零状态响应曲线电路的零状态响应曲线uC(t)iC(t)t0 的的电电路路图图 331从上图可见，电容电压由零开始以指数规律上升到从上图可见，电容电压由零开始以指数规律上升到 US，
6、，经过一个时间常数经过一个时间常数变化到变化到(1-0.368)US=0.632US， ，经过经过(45) 时间后电容电压实际上达到时间后电容电压实际上达到 US。 。电容电流则从初始值电容电流则从初始值 US/R 以指数规律衰减到零。零状态响应变化的快慢也以指数规律衰减到零。零状态响应变化的快慢也取决于时间常数取决于时间常数 =RC。 。当时间常数当时间常数 越大，充电过程就越长。越大，充电过程就越长。四、实验内容：四、实验内容：1 1、零输入响应的测试、零输入响应的测试（1 1）按图）按图 5 5 所示连接电路，脉冲源的参数按图所示连接电路，脉冲源的参数按图 6 6 所示设置。所示设置。图
7、图 5 图图 6选择仿真分析的瞬态分析命令，按图选择仿真分析的瞬态分析命令，按图 7 7 所示设置参数。所示设置参数。32图图 7 7按确定按钮后，据作出了该电路的瞬态分析曲线，如图按确定按钮后，据作出了该电路的瞬态分析曲线，如图 8 8 所示。所示。图图 8 8 看懂该图形，说明哪一条曲线是表示电容电压随时间变化的曲线，根据图看懂该图形，说明哪一条曲线是表示电容电压随时间变化的曲线，根据图中电容电压随时间变化的曲线，测出中电容电压随时间变化的曲线，测出 t=0+(ms)和和 t=5(ms)时的电容电压值并填入时的电容电压值并填入表表 1 1 中中。 。表表 1t=0+(ms)时时t=5(ms
8、)时时uC(t)/V根据图根据图 5 5 的的 RC 值，求出电路时间常数值，求出电路时间常数 ， ，写出写出 t0ms 后后，电容的电压响应，电容的电压响应 uC(t)。 。对电容电压曲线进行分析。说明电容上的电压从什么时刻开始按什么规律对电容电压曲线进行分析。说明电容上的电压从什么时刻开始按什么规律33变化，是充电还是放电？变化，是充电还是放电？（2 2）对曲线进行如下减法运算）对曲线进行如下减法运算: y1 y2= y1， ，得到图得到图 9 9 曲线。曲线。图图 9执行运算菜单中的统一刻度命令，得到图执行运算菜单中的统一刻度命令，得到图 1010 波形。波形。图图 1010看懂该图形，
9、找出电阻看懂该图形，找出电阻 R1随时间变化的电压波形，分析该电压波形的变化随时间变化的电压波形，分析该电压波形的变化规律，说明该电压波形为什么会随时间按图中所示规律变化。规律，说明该电压波形为什么会随时间按图中所示规律变化。测出测出 t=0+(ms)和和 t=5(ms)时的电阻电压值并填入表时的电阻电压值并填入表 2 2 中。中。34表表 2t=0+(ms)时时t=5(ms)时时uR1(t)/V写出写出 t0ms 时，电阻的电压响应时，电阻的电压响应 uR1(t)。 。（3 3）执行运算菜单中的）执行运算菜单中的“改物理量名改物理量名”命令，命令，分别将图中两条曲线的物分别将图中两条曲线的物
10、理量改为理量改为 uc、ur，如图，如图 1111 所示。所示。图图 1111（4 4）执行运算菜单中的微分函数命令，在图形下方的对话框中输入执行运算菜单中的微分函数命令，在图形下方的对话框中输入 y y2,y2,表示对表示对 y2 微分后将微分结果储存在微分后将微分结果储存在 Y2，按确定后，再执行运算菜单中的乘法，按确定后，再执行运算菜单中的乘法运算命令，在对话框中输入运算命令，在对话框中输入 y20.000001y2， ，将将 y2 由电容的电压曲线变换成电由电容的电压曲线变换成电容的电流曲线。容的电流曲线。35图图 12（5 5）执行运算菜单中的除法运算命令，在图形下方的对话框中输入）
11、执行运算菜单中的除法运算命令，在图形下方的对话框中输入y1y1/1000=y1, 按确定后按确定后, , 将将 y1y1 由电阻的电压曲线变换成电阻的电流曲线。由电阻的电压曲线变换成电阻的电流曲线。（6 6）执行运算菜单中的）执行运算菜单中的“改物理量名改物理量名”命令，命令，分别将图中两条曲线的物理分别将图中两条曲线的物理量改为量改为 ic、ir，执行运算菜单中的执行运算菜单中的“更换单位名更换单位名”命令，命令，分别将图中两条坐标分别将图中两条坐标轴旁边的轴旁边的单位名称改为单位名称改为 A。 。如图如图 1212 所示所示。 。看懂图中曲线，测出看懂图中曲线，测出 t=0+(ms)和和
12、t=5(ms)时的电阻电流值和电容电流值并填时的电阻电流值和电容电流值并填入表入表 3 3 中。中。表表 3 3t=0+(ms)时时t=5(ms)时时iC(t)/Ai R1(t)/A写出写出 t0ms 后后电阻电阻 R1的电流响应的电流响应 iR1(t)和电容的电流响应和电容的电流响应 iC(t)， ，说说明明t1ms 后，后，iR1(t)和和 iC(t)按什么规律如何变化。按什么规律如何变化。2、 、RC 电路零状态响应的测试电路零状态响应的测试根据图根据图 5 5 电路，将脉冲信号源按图电路，将脉冲信号源按图 1 13 所示参数设置。所示参数设置。36图 13按造实验内容按造实验内容 1
13、1 的步骤，对该电路进行相同的测试与运算，的步骤，对该电路进行相同的测试与运算，(1)(1)作出电阻作出电阻R1和电容的电压波形，测出和电容的电压波形，测出 t=0+(ms)和和 t=5(ms)时的电阻电压值和电容电压值时的电阻电压值和电容电压值并填入表并填入表 4 4 中。中。表表 4 4t=0+(ms)时时t=5(ms)时时uR1(t)/VuC1(t)/V写出写出 t0ms 后后，电阻，电阻 R1的电压响应的电压响应 uR1(t)和电容的电压响和电容的电压响应应 uC1(t)。 。说明说明 t 在在 0 05ms5ms 这段时间内，电阻这段时间内，电阻 R1的电压是如何变化的？电容的电压的
14、电压是如何变化的？电容的电压又是如何变化的？又是如何变化的？(2)作出电阻作出电阻 R1和电容的电流波形，测出和电容的电流波形，测出 t=0+(ms)和和 t=5(ms)时的电阻电时的电阻电流值和电容电流值并填入表流值和电容电流值并填入表 5 5 中。中。表表 5t=0+(ms)时时t=5(ms)时时iC(t)/Ai R1(t)/A写出写出 t1ms 时，电阻时，电阻 R1的电流响应的电流响应 iR1(t)和电容的电流响应和电容的电流响应 iC(t)， ，说明说明 t 在在05ms 这段时间内，电阻这段时间内，电阻 R1的电流是如何变化的？电容的电流又是如何变的电流是如何变化的？电容的电流又是
15、如何变化的？化的？五、实验报告要求五、实验报告要求1 1写出实验目的写出实验目的2 2简述实验原理简述实验原理3 3列出实验内容画出实验电路图列出实验内容画出实验电路图 5 5、整理实验数据，对实验结果进行分、整理实验数据，对实验结果进行分析讨论。析讨论。1 1）对）对 RC 电路零输入响应，作出电容与电阻电路零输入响应，作出电容与电阻 R1的电压响应曲线，电容与电的电压响应曲线，电容与电阻阻 R1的电流响应曲线，根据实验内容填写表的电流响应曲线，根据实验内容填写表 1 1、表、表 2 2、表、表 3 3，写出响应，写出响应 uR1(t)、 、uC1(t)、 、iR1(t)和和 iC(t)的表达式的表达式。 。根据所作出的曲线和给定的时间范围说明根据所作出的曲线和给定的时间范围说明 uR1(t)、 、uC1(t)、 、iR1(t)和和 iC(t)随时间变化的规律。随时间变化的规律。372）RCRC 电路零状态响应，作出电容与电阻电路零状态响应，作出电容与电阻 R1的电压响应曲线，电容与电阻的电压响应曲线，电容与电阻R1的电流的响应曲线，根据实验内容填写表的电流的响应曲线，根据实验内容填写表 4 4、表、表 5 5，写出响应，写出响应 uR1(t)、 、uC1(t)、 、iR1(t)和和 iC(t) 的表达式的表达式。 。按给定的时间范围和所作出的曲
