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1、实验五 一阶RC电路的过渡过程实验、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）图5-1 RC电路的零状态响应电路及o(b)在图5-1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，
2、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。Uc、Ur、i随时间变化曲线根据基尔霍夫电压定律， 列出t ,0时电路的微分方程为(注:i事q必故i嘿）电容元件两端电压为-t：RC I其随时间的变化曲线如图电路中的电流为51 （b）所示。电压Uc按指数规律随时间增长而趋于稳定值。dueU -yC 上= TdtR电阻上的电压为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52 （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 = U 0,电路处于稳定状态。在 t = 0时
3、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52 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 t0时的电路微分方程为RC 牛 十 % 二。dt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U0,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。电路中的电流为电阻上电压为tyR = fR = -uoe 1其随时间变化曲线如图 5-2 （b）所示。3、时间常数
4、r在RC串联电路中，。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）。的时间，过度过程就基本结束，电路进入稳态。三、实验容及步骤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
5、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。2、示波器操作的简单介绍图5-3 (a)示波器图标图5-3 (b)示波器面板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/Duty cycle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。|指针 1、 2处读数差指针 2处读数示波器的读数为峰值从Instruments元
6、器件库中可调出示波器( Oscilloscope),其MSC上席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
7、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：11)时基(Time Base )设置围：0.10nsls/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1/31/5较为合适。(2) X 轴初始位置(X-Position )设置围：-5.005.00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
8、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 screen方式，要继续观察下一屏，可单击工作界面右上角的“Resume”框
9、，或按F9键。(4)电压灵敏度(Volts per Division )设置围：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(Y Position )设置围：-3.003.00该设置可改变Y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0.00时，Y轴
10、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的Y轴起始点的位置，可使两通道上的波形便于观察和比较。(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(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，将显示信号流分量和直流分量之和。当置于
11、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 ）触发边沿（Trigger Edge）可单击上升沿触发按钮；若要首先显示负斜率波若要首先显示正斜率波形或上升信号 形或下降信号，可单击下降沿触发按钮。触发电平（Trigger Level ）设置围：-3.003.00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）。触发信号（Trigger）触发：由通道A或B的信号来触发示波器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
12、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
13、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，屏幕显不将被自动刷新。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 Time Step ）来提高波形的精度。图5-5 RC过渡过程EWB仿真实验电路图图5-4 RC过渡过程电路图如图5-4所示，在本实验中，当信号源发出的方波由低电平向高电平跳变时，电路发生零状态响应，通过示波器可以观测到Ur、Uc的波形；当信号源发
14、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R、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(1)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Instrum
15、ents元器件库中调出 Oscilloscope (示波器)器件，按图 5-5所示排列好。(3)双击Clock (时钟源)器件，得到其对应的元器件属性( Clock Properties)对话框，在 Value/Frequency里修改信号源发出方波的频率，本实验频率选择默认的1000Hz ;在Value/Duty cycle里修改方波的占空比，本实验选择默认的50%;在Value/Voltage里修改方波电压的幅值，本实验选择 2V。(3)改变电阻R的阻值为300Q,电容C的容量为0.1 F。(4)将示波器的接地点接到被测电路R、C之间，将A通道接到信号源与电阻R之间，并通过双击连线改变连线的颜色为红色，将 B通道接到电容C的负端即被测电路的接地点 上，同时改变连线的颜色为绿色。(颜色可自选，但尽量使A, B两通道连线颜色区分开)。这样连线后，A通道显示的是Ur波形，B通道显示的是(-Uc)的波形。(5)将电路中其他器件亦通过连线连接起来。(6)检查电路有无错误。(7)对该绘图文件进行保存，注意文件的扩展名(.sm10)要保留。(8)
