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1、实验六实验六 RCRC 一阶电路的响应测试一阶电路的响应测试一、实验目的一、实验目的1. 测定 RC 一阶电路的零输入响应、零状态响应及完 全响应。2. 学习电路时间常数的测量方法。3. 掌握有关微分电路和积分电路的概念。4. 进一步学会用虚拟示波器观测波形。 二、原理说明二、原理说明1. 动态网络的过渡过程是十分短暂的单次变化过程。 要用普通示波器观察过渡过程和测量有关的参数，就必须 使这种单次变化的过程重复出现。为此，我们利用信号发 生器输出的方波来模拟阶跃激励信号，即利用方波输出的 上升沿作为零状态响应的正阶跃激励信号；利用方波的下 降沿作为零输入响应的负阶跃激励信号。只要选择方波的 重
2、复周期远大于电路的时间常数 ，那么电路在这样的方 波序列脉冲信号的激励下，它的响应就和直流电接通与断 开的过渡过程是基本相同的。2.图 6-1（b）所示的 RC 一阶电路的零输入响应和零 状态响应分别按指数规律衰减和增长，其变化的快慢决定 于电路的时间常数 。3. 时间常数 的测定方法用示波器测量零输入响应的波形如图 6-1(a)所示。 根据一阶微分方程的求解得知ucUme-t/RCUme-t/。 当 t 时，Uc()0.368Um。此时所对应的时间就等于 。亦可用零状态响应波形增加到 0.632 Um所对应的时间 测得，如图 6-1(c)所示。(a) 零输入响应 (b) RC 一阶电路 (c
3、) 零状态响应图 6-14. 微分电路和积分电路是 RC 一阶电路中较典型的电路，它对电路元件参数和输入信号的周期有着特定的要求。一个简单的 RC 串联电路， 在方波序列脉冲的重复激励下， 当满足 RCT/2icRccuuuiu T(a) 微分电路 (b) 积分电路图 6-2若将图 6-2(a)中的 R 与 C 位置调换一下，如图 6-2(b)所示，由 C 两端的电压作为响应输出。当电路的参数满足RC条件时，即称为积分电路。因为此时电路的输2T出信号电压与输入信号电压的积分成正比。利用积分电路可以将方波转变成三角波。 从输入输出波形来看，上述两个电路均起着波形变换的 作用，请在实验过程仔细观察
4、与记录。 三、实验设备三、实验设备 序 号名 称型号与规格数 量备注1脉冲信号发 生器12虚拟示波器1 3动态电路实 验板1HE-14四、实验内容四、实验内容 实验线路板采用 HE-14 实验挂箱的“一阶、二阶动态 电路” ，如图 6-3 所示，请认清 R、C 元件的布局及其标称值，各开关的通断位置等等。 1. 从电路板上选 R10K，C6800pF 组成如图 6- 2(b)所示的 RC 充放电电路。ui为脉冲信号发生器输出的 Um3V、f1KHz 的方波电压信号，并通过两根同轴电缆 线，将激励源ui和响应uc的信号分别连至虚拟示波器接口 箱的两个输入口 CH1 和 CH2。这时可在示波器的屏
5、幕上观 察到激励与响应的变化规律，请测算出时间常数 ，并用 方格纸按 1:1 的比例描绘波形。少量地改变电容值或电阻值，定性地观察对响应的影 响，记录观察到的现象。2. 令 R10K，C0.01F，观察并描绘响应的波形。 继续增大 C 之值，定性地观察对响应的影响。 3. 令 C0.01F，R100，组成 如图 6-2(a)所示的微分电路。在同样的方 波激励信号（Um3V，f1KHz）作用下， 观测并描绘激励与响应的波形。 增减 R 之值，定性地观察对响应的影响， 并作记录。当 R 增至 1M 时，输入输出波 形有何本质上的区别？图 6-3 动态电路、选频电路实验板 实验注意事项实验注意事项1
6、. 调节电子仪器各旋钮时，动作不要过快、过猛。实验前，需熟悉虚拟示波器的使用。 2. 信号源的接地端与虚拟示波器接口箱的接地端要连 在一起（称共地） ， 以防外界干扰而影响测量的准确性。五、实验结果分析五、实验结果分析0.01u1000p30K10K1001K10K1M1000p6800p0.01u0.1u10K10mH4.7mH0.1u步骤一对应的虚拟示波器的图像如上图所示步骤一对应的虚拟示波器的图像如上图所示 利用游标测算得时间常数利用游标测算得时间常数 =57*10-6.与计算得到的时间常与计算得到的时间常 数数 =RC=68*10-6相比，误差不大，分析其主要原因来源相比，误差不大，分
7、析其主要原因来源 于仪器误差和人的生理误差。于仪器误差和人的生理误差。步骤二对应的虚拟示波器的图像如上图所示步骤二对应的虚拟示波器的图像如上图所示 电路参数满足 T/2 的条件，则成为积分电路。由于这种电路电容器充放电 进行得很慢，因此电阻 R 上的电压 ur(t)近似等于输入电压 ui(t)，其输出电压 uo(t)为： 上式表明，输出电压 uo(t)与输入电压 ui(t)近似地成积分关系 此时电路将方波转变成了三角波。此时电路将方波转变成了三角波。步骤三对应的虚拟示波器的图像如上图所示步骤三对应的虚拟示波器的图像如上图所示 取 RC 串联电路中的电阻两端为输出端，并选择适当的电路参数使时间常
8、数 T/2。由于电容器的充放电进行得很快，因此电容器 C 上的电压 uc(t)接近 等于输入电压 ui(t)，这时输出电压为：上式表明，输出电压 uo(t)与输入电压 ui(t)近似地成积分关系。 逐渐增大 R 值，CH2 的改变如下当当 R 增至增至 1M 时，输入与输出图像几乎完全一样，但分 析可得输入与输出有本质差别。输入波表示的是 Ui 的电压， 是 Ui 两端的电压之差，而 UR 此时相当于断路，去输入电 压为 UR 一端的电势。思考题思考题1. 什么样的电信号可作为 RC 一阶电路零输入响应、 零状态响应和完全响应的激励信号？只要选择方波的重复只要选择方波的重复 周期远大于电路的时
9、间常数周期远大于电路的时间常数 ，那么电路在这样的方波序，那么电路在这样的方波序 列脉冲信号的激励下，它的响应就和直流电接通与断开的列脉冲信号的激励下，它的响应就和直流电接通与断开的 过渡过程是基本相同的。方波输出的上升沿作为零状态响过渡过程是基本相同的。方波输出的上升沿作为零状态响 应的正阶跃激励信号；利用方波的下降沿作为零输入响应应的正阶跃激励信号；利用方波的下降沿作为零输入响应 的负阶跃激励信号。的负阶跃激励信号。 2. 已知 RC 一阶电路 R10K，C0.01F，试计算时间常数 ，并根据 值的物理意义， 拟定测量 的方案。=RC=10-4s。RC 电路的时间常数的物理意义是电容的电压
10、减小到原来的 1/e需要的时间。测量方法就是用 RC 一阶电路的电路图，加入输入信号，将输出信号的波形画出来，再根据下降的波形，找到 U=0.368Um的那点，再对应到横坐标的时间，就是时间常数了。3. 何谓积分电路和微分电路，它们必须具备什么条件？ 它们在方波序列脉冲的激励下，其输出信号波形的变化规 律如何？这两种电路有何功用？ 微分电路 可把矩形波转换为尖脉冲波，此电路的输出 波形只反映输入波形的突变部分，即只有输入波形发生突 变的瞬间才有输出。而对恒定部分则没有输出。输出的尖 脉冲波形的宽度与 R*C 有关（即电路的时间常数） ，R*C 越 小，尖脉冲波形越尖，反之则宽。积分电路可将矩形
11、脉冲 波转换为锯齿波或三角波，还可将锯齿波转换为抛物波。 电路原理很简单，都是基于电容的冲放电原理。 输出信号与输入信号的微分成正比的电路称为微分电路，输出信 号与输入信号的积分成正比的电路称为积分电路。积分和微分电路 是利用电容的充电特性实现的，基本上由一个电容和一个电阻组成， 积分和微分电路的特性由电阻和电容的特性决定（RC 时间常数） ， 时间常数越大，波形变化所需的时间越长。积分电路用一个电阻串联在信号输入端，给电容充放电。在方波上 升沿，电容通过电阻充电，电容两端的电压缓慢上升。在方波下降 沿，电容通过电阻放电，电容两端的电压缓慢下降。积分电路使输 出的波形边沿变得有些圆滑。积分电路可以用来做延迟或整形电路。微分电路用是一个电容串联在信号输入端，通过一个电阻充放电。 在方波上升沿，电容输出端的电压随输入信号上升，然后通过电阻 充电，电容输出端电压缓慢下降，形成一个正的尖脉冲。在输入方 波下降沿，电容输出端的电压随输入信号下降，然后通过电阻放电， 电容输出端电压缓慢上升，形成一个负的尖脉冲。微分电路可以用 来做倍频或整形电路。
