实验五--一阶RC电路的过渡过程的multisim 实验实验五 一阶RC电路的过渡过程实验一、 实验目的1、 研究RC串联电路的过渡过程2、 研究元件参数的改变对电路过渡过程的影响二、 实验原理电路在一定条件下有一定的稳定状态，当条 件改变，就要过渡到新的稳定状态从一种稳定 状态转到另一种新的稳定状态往往不能跃变，而 是需要一定的过渡过程（时间）的，这个物理过 程就称为电路的过渡过程电路的过渡过程往往 为时短暂，所以电路在过渡过程中的工作状态成 为暂态，因而过渡过程又称为暂态过程1、RC电路的零状态响应（电容 C充电）在图5-1 （a）所示RC串联电路，开关S在未合 上之前电容元件未充电，在t =0时将开关S合 上，电路既与一恒定电压为U的电源接通，对 电容元件开始充电此时电路的响应叫 零状态响 应，也就是电容充电的过程b)(a)图5-1 RC电路的零状态响应电路及 UC、 UR、 |随时间变化曲线根据基尔霍夫’电压定律，列出t 0时电 路的微分方程为(注电容元件两端电压为i dr，q CUc，故i C罟)c?% = U(i - e 肮打其随时间的变化曲线如图5— 1 (b)所示电压u c按指数规律随时间增长而趋于稳定值。
电路中的电流为luc U电阻上的电压为Ur = fR = US T其随时间的变化曲线如图5— 1 (b)所示2、RC电路的零输入响应(电容 C放电)在图5 — 2 (a)所示,RC串联电路开关S在位置2时电容已充电，电容上的电压UC= Uo,电路处于稳定状态在t = 0时将开关 从位置2转换到位置1,使电路脱离电源，输入 信号为零此时电容元件经过电阻 R开始放电 此时电路的响应叫 零输入响应，也就是电容放电 的过程a)(b)图5- 2 RC电路的零输入响应电路及 uc、ur、i 随时间变化曲线根据基尔霍’夫电压定律，列出t 0时 的电路微分方程为RC 学 + % = 0dt电容两端电压为其随时间变化曲线如图5-2 (b)所示它的初始值 为U按指数规律衰减而趋于零RC式中=RC ,叫时间常数，它所反映了电路过渡 过程所用时间的长短， 越大过渡时间就越长丄= tR = -Uoe 1电路中的电流为电阻上电压为其随时间变化曲线如图5-2 (b)所示3、时间常数T在RC串联电路中，t为电路的时间常数 在电路的零状态(电容充电)响应上升到稳态值 的63.2%所需要时间为一个时间常数 t或者是 电路零输入(电容放电)响应衰减到初始值的 36.8%所需要时间［2］。
虽然真正电路到达稳定状 态所需要的时间为无限大，但通常认为经过(3-5) t的时间，过度过程就基本结束，电路进 入稳态三、实验内容及步骤1、脉冲信号源在实际实验中，采用全数控函数信号发生器 的矩形波形做为实验信号电源，由它产生一个固 定频率的矩形波，模拟阶跃信号在矩形波的前 沿相当于接通直流电源，电容器通过电阻充电矩形波后沿相当于电路短路，电容器通过电阻放 电矩形波周期性重复出现，电路就不断的进行 充电、放电在仿真实验中，选用 Place Sources元器件库 里的时钟源(Clock )作为脉冲信号源，它可以 产生用户设定的固定频率矩形波，起到实际实验 中实验信号电源的作用外触发输入时基控制面板展开触发控制自动触发Y轴输入方式1 Dj i.jllLiiLUJJ-Y轴偏置在时钟源元器件属性(Clock Properties )对 话框中，Value/Frequency选项可改变时钟源发出方波的频率，Value/Dutycycle选项可改变时钟源发出方波的占空比，Value/Voltage选项可 改变时钟源发出方波的电压幅值2、示波器操作的简单介绍接地、A通道#图5-3 (a) 示波器图标图5-3 (b)示波器面板指针2处读数差指针 2处读数示波器的读数为峰值指针 1处读数背景颜色面板恢复asc n保存asc n保存图5-3 ( c)示波器展开面板从Instruments元器件库中可调出示波器(Oscilloscope),其图标如上图5-3 (a)所示， 该示波器是双通道的，其上的4个接线端分别是 接地、触发、A通道和B通道。
若被测电路已经 接地，那么示波器可以不再接地，但在实际应用 中常利用示波器的接地点以便于观测例如：欲 测电路中a、c两点间的电压波形和b、c两点间 的电压波形(a、b、c并非被测电路的接地点)， 则可将A通道和B通道分别接到被测电路的a、b两点上，示波器的接地点接到被测电路的 c点 上，则仿真后在示波器面板上观测到的 A通道 显示的波形即是被测电路a、c两点之间的电压 波形，B通道显示的波形即b、c两点间的电压 波形，欲测任务也就完成了鼠标双击示波器图标后得到示波器的面板 如上图5-3(b)所示，各标识含义已在图中标明 当点击“ Expand ”(面板展开)后，即可看到如 图5-3(c)所示的示波器展开面板该扩展面板 与原面板上可设置的主要参数有：(1)时基(Time Base)设置范围：0.10ns〜ls/Div(每个格子)时基设置用于调整示波器横坐标或 X轴的数值为了获得易观察的波形，时基的调整应与 输入信号的频率成反比，即输入信号频率越高， 时基就应越小，一般取输入信号频率的 1/3〜1/5较为合适2) X 轴初始位置(X-Position )设置范围：-5.00〜5.00该项设置可改变信号在X轴上的初始位置。
当该值为0时，信号将从屏幕的左边缘开始显 示，正值从起始点往右移，负值反之3) 工作方式(Axes Y/T，A/B，B/A)Y/T工作方式用于显示以时间(T)为横坐 标的波形；A/B和B/A工作方式用于显示频率和 相位差，如李萨茹(Lissajous)图形，相当于真 实示波器上的X-Y或拉Y工作方式也可用于 显示磁滞环(Hysteresis Loop )当处于A/B工 作方式时，波形在X轴上的数值取决于通道 B 的电压灵敏度(V/Div )的设置(B/A工作方式 时反之)若要仔细分析所显示的波形，应在仪 器分析选项中选中"每屏暂停"(Pause after each scree n)方式，要继续观察下一屏，可单击工作界面右上角的“ Resume”框，或按F9键(4)电压灵敏度(Volts per Division )设置范围：0.01mV/Div 〜5kV/Div该设置决定了纵坐标的比例尺，当然，若在 A/B或B/A工作方式时也可以决定横坐标的比例 尺为了使波形便于观察，电压灵敏度应调整为 合适的数值例如，当输入一个3V的交流(AC ) 信号时，若电压灵敏度设定为 1V/Div，则该信 号的峰值显示在示波器屏幕的顶端。
电压灵敏度 的设定值增大，波形将减小；设定值减小，波形 的顶部将被削去5)纵坐标起始位置(丫 Position )设置范围：-3.00〜3.00该设置可改变丫轴起始点的位置，相当于 给信号迭加了一个直流电平当该值设为 0.0C时，Y轴的起始点位于原点，该值为 1.00时，则表示将Y轴的起始点向上移一格(one Division )，其表示的电压值则取决于 该通道电压灵敏度的设置改变通道A和通道B 于观察和比较(6)输入耦合(Input Coupling ) 可设置类型：AC, 0, DC当置于AC耦合方式时，仅显示信号中的交 流分量AC耦合是通过在示波器的输入探头中 串联电容（内置）的方式来实现的，像在真实的 示波器上使用AC耦合方式一样，波形在前几个 周期的显示可能是不正确的，等到计算出其直流 分量并将其去除后，波形就会正确地显示当置 于DC耦合方式时，将显示信号中交流分量和直 流分量之和当置于0时，相当于将输入信号旁 路，此时屏幕上会显示一条水平基准线 （触发方 式须选择AUTO）7）触发（Trigger）① 触发边沿（Trigger Edge）若要首先显示正斜率波形或上升信号，可单 击上升沿触发按钮；若要首先显示负斜率波形或 下降信号，可单击下降沿触发按钮。
② 触发电平（Trigger Level ）设置范围：-3.00〜3.00触发电平是示波器纵坐标上的一点，它与被 显示波形一定要有相交点，否则屏幕上将没有波 形显示（触发信号为AUTO时除外）③ 触发信号（Trigger）内触发：由通道A或B的信号来触发示波 器内部的锯齿波扫描电路外触发：由示波器面板上的外触发输入口 （位于接地端下方）输入一个触发信号如果需 要显示扫描基线，则应选择AUTO触发方式 （8）面板扩大（Expand） 按下面板上的Expand按钮可将示波器的屏幕扩 大若要记录波形的准确数值，可将游标 1 （通 道A）或游标2 （通道B ）拖到所需的位置，时 间和电压的具体测量数值将显示在屏幕下面的 方框里根据需要还可将波形保存（所有文件名 为*.SCP），用于以后的分析Reverse键用来 选择屏幕底色，按下 Reduce键可恢复原状态双通道示波器用于显示电信号大小和频率 的变化，也可用于两个波形的比较当电路被激 活后，若将示波器的探头移到别的测试点时不需 要重新激活该电路，屏幕上的显示将被自动刷新 为新测试点的波形为了便于清楚地观察波形， 建议将连接到通道A和通道B的导线设置为不 同的颜色。
无论是在仿真过程中还是仿真结束后 都可以改变示波器的设置，屏幕显示将被自动刷若示波器的设置或分析选项改变后，需要提 供更多的数据（如降低示波器的扫描速率等）， 则波形可能会出现突变或不均匀的现象，这时需将电路重新激活一次，以便获得更多的数据也 可通过增加仿真时间步长（ Simulation TimeStep）来提高波形的精度R300 Ohm -^vw-+ \ U9CW 1000 HZI50%-I— C 一D I UFR脉冲信C号源图5-4 RC过渡过程电路图图5-5 RC过渡过程EWB仿真实验电路图#在本实验中，当信号源发出电路发生零状如图5-4所示， 的方波由低电平向高电平跳变时， 态响应，通过示波器可以观测到 Ur、Uc的波形; 当信号源发出的方波由高电平向低电平跳变时， 电路发生零输入响应，同样可通过示波器观测 Ur、Uc的波形若观测到的两组波形符合C零状态、零输入响应的理论波形（可与前述实 验原理部分对照），则该实验测量部分即成功完 成3、实验步骤⑴ 打开multisim软件，选中主菜单View选项 中的Show grid，使得绘图区域中出现均匀的 网格线，并将绘图尺寸调节到最佳。
2） 在Place Sources元器件库中调出 1个Ground （接地点）和1个Clock （时钟源）器 件，从 Place Basic元器件库中调出 1个Resistor （电阻）和 1 个 Capacitor （电容）器 件，最后从Instruments元器件库中调出 Oscilloscope （示波器）器件，按图5-5所示排 列好⑶ 双击Clock （时钟源）器件，得到其对应的 元器件属性（Clock。