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1、1二阶电路的动态响应一、实验目的1、深刻理解和掌握零输入响应、零状态响应和完全响应；2、深刻理解欠阻尼、临界、过阻尼的意义3、研究电路元件参数对二阶电路动态响应的影响4、掌握用 multisim 软件绘制电路原理图5、掌握 Multisim 软件中的 Transient Analysis 等 SPICE 仿真分析方法6、掌握用 multisim 软件中的函数发生器、示波器和波特图仪 Bode polotter的使用方法二、实验原理用二阶微分方程描述的动态电路称为二阶电路。图所示的线性 RLC 串联电路是一个典型的二阶电路。定义：衰减系数（阻尼系数） LR2自由振荡角频率（固有频率） C10（1
2、）零输入响应动态电路在没有外施激励时，由动态元件的初始储能引起的响应，称为零输入响应。 ，响应是非振荡性的，称为过CLR2阻尼情况。响应曲线如图所示 ，响应临界振荡，称为临界阻L2尼情况。响应曲线如 ，响应是振荡性的，称为欠阻尼情况。响应曲线如图CLR2uL tm U0 J2U0 二阶电路的欠阻尼过程 当 R时，响应是等幅振荡性的，称为无阻尼情况。响应曲线如图t 二阶电路的无阻尼过程其中衰减振荡角频率 ， 220d LRC1darctn（2）零状态响应动态电路的初始储能为零，由外施激励引起的电路响应，称为零输入响应。三、实验内容1、Multisim 仿真（1）从元器件库中选择可变电阻、电感、电
3、容，创建如下电路图：L110mHC122nFIC=5VV110 V R12kKey=A50%S1Key = Space1 302 4J3（2）设置 L=10mH C=11nF，电容初始电压为 5V，电源电压为 10V。利用Transient Analysis 观测电容两端的电压。（3） 、用 multisim 瞬态分析仿真零输入响应（改变电阻参数欠阻尼、临界、过阻尼三种情况） ；在同一张图中画出三条曲线，标出相应阻值；由公式： ，经计算得临界阻尼 R=1348 欧CLR2(红色欠阻尼 R=200 绿色临界阻尼 R=1348 蓝色过阻尼 R=2k)（4） 、用 multisim 瞬态分析仿真完全
4、响应（改变电阻参数欠阻尼、临界、过阻尼三种情况） ；在同一张图中画出三条曲线，标出相应阻值；(红色欠阻尼 R=200 绿色临界阻尼 R=1348 蓝色过阻尼 R=2k)（5）用 multisim 中函数发生器、示波器和波特图仪 Bode polotter 创建如下图所示电路，观测各种响应。函数信号发生器设置:方波，频率 1kHz，幅度5V，偏置 0V。创建电路图如下：J4L110mHC122nFIC=0VR12kKey=A 50%4XFG1XSC1A BExt Trig+_ + _301信号在欠阻尼、临界阻尼、过阻尼三种状态下的响应如下：(红色欠阻尼 R=200 绿色临界阻尼 R=1348 蓝
5、色过阻尼 R=2k)2、在电路板上焊接如下图所示电路R1100 R21kKey=A50%C147nFL110mHXFG11 2 3043、调节可变电阻器 R2 之值，观察二阶电路的零状态响应由过阻尼过渡到临界阻尼，最后过渡到欠阻尼的变化过渡过程，分别定性的描绘J5记录响应的典型变化波形分别记录如下：欠阻尼波形 R=150：临界阻尼 R=915.7：过阻尼波形 R=1062：J64、调节 R2 使示波器荧光屏上呈现稳定的欠阻尼响应波形，定量测定此时电路的衰减常数 和振荡频率 ，按表记录所测数据。d欠阻尼波形图：欠阻尼相应的波形数据：J7波形 R L C 振荡周期 Td 第一波峰峰值 h1 第二波
6、峰峰值 h2150 10mH 47.7nf 136s 23.3V 5.6V理论值 测量值衰减震荡角频率 45786.9 46176.5（见表格上方图）衰减系数 7500 99446四、实验总结通过此次实验对以下几个方面有了深刻体会：1、对 Multisim 软件中函数发生器、示波器和波特图仪的使用方法及Transient Analysis 等仿真分析方法有了更深了解；2、深刻理解和掌握了零输入响应、零状态响应及全响应3、深刻理解欠阻尼、临界、过阻尼的意义4、初步对实验内容与实际问题结合有了认识。应用实验内容解释定时功能等；5、对二阶电路的一些特性有了了解，例如：随着输入信号的频率升高，输出信号
7、稳定所需时间越来越短，一阶 RC 电路的时间常数越大传输速率越小，在同样误差允许范围内 R 越大信号传输速率越低 R 越小信号传输速率越高。五、实验思考题1如果矩形脉冲的频率提高（如 2KH） ，对所观察的波形是否有影响。答：矩形脉冲的频率提高对波形并无影响。2当 RLC 电路处于过阻尼情况时，若再增加回路的电阻 R，对过渡过程有何影响，当电路处于欠阻情况时，若再减小回路的电阻 R，对过渡过程又有何影响？为什么？在什么情况下电路达到稳态的时间最短？答：无论在过阻尼还是欠阻尼状态下，回路电阻的增加都使过渡过程延长；电路处于临界阻尼状态时，达到稳态的时间最短。3在欠阻尼过渡过程中，电路中能量的转化情况。答： 为电路电流第一次达到最大的时间在 0t 时，电感吸收能量，电容释放能量；在 t- 时，电感释放能量，电容释放能量；-t 时，电感释放能量，电容吸收能量。 J
