實(shí)驗(yàn)五-一階電路的時(shí)域響應(yīng)(共6頁(yè)).doc

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1、實(shí)驗(yàn)五一階電路的時(shí)域響應(yīng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．學(xué)會(huì)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字式雙蹤示波器的使用方法，學(xué)會(huì)用示波器測(cè)繪波形。2．學(xué)習(xí)用示波器觀察和分析一階電路的零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)。3．驗(yàn)證時(shí)間常數(shù)對(duì)過渡過程的影響，并掌握其測(cè)量方法。4．了解RC電路的實(shí)際應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)述1、一階電路的零輸入響應(yīng)電路在無激勵(lì)情況下，由儲(chǔ)能元件的初始狀態(tài)引起的響應(yīng)稱為零輸入響應(yīng)。在圖5.1中，當(dāng)時(shí)開關(guān)置于位置a，。當(dāng)時(shí)將開關(guān)轉(zhuǎn)到位置b，電容上的初始電壓通過放電，稱為一階電路的零輸入響應(yīng)。圖5.1　一階電路由方程　　初始值可以得出在過渡過程中，電路中響應(yīng)隨時(shí)間變化規(guī)

2、律如下：式中，為時(shí)間常數(shù)，其物理意義為電容電壓值由初始值衰減到穩(wěn)態(tài)值的（即）處所需的時(shí)間。電容電壓變化曲線如圖5.2所示。24圖5.2　一階電路的零輸入響應(yīng)2、一階電路的零狀態(tài)響應(yīng)儲(chǔ)能元件初始值為零的電路對(duì)外加激勵(lì)的響應(yīng)稱為零狀態(tài)響應(yīng)。一階電路如圖5.1所示，當(dāng)時(shí)開關(guān)置于位置b，。當(dāng)時(shí)將開關(guān)轉(zhuǎn)到位置a，電路通過電阻向電容充電，稱為一階電路零狀態(tài)響應(yīng)。由方程初始值可以得出在響應(yīng)時(shí)間中（即過渡過程），電路中響應(yīng)隨時(shí)間變化規(guī)律如下：式中，為時(shí)間常數(shù)，其物理意義為電容電壓值由初始值上升到穩(wěn)態(tài)值的（即）處所需的時(shí)間。電容電壓變化曲線如圖5.3所示。

3、圖5.3　一階電路的零狀態(tài)響應(yīng)243、一階電路的全響應(yīng)電路在輸入激勵(lì)和初始狀態(tài)共同作用下引起的響應(yīng)稱為全響應(yīng)。對(duì)應(yīng)圖5.1所示電路，若電容兩端已有初始電壓，當(dāng)時(shí)開關(guān)合向a，則描述電路的微分方程為：初始值為：可以得出全響應(yīng)　　　上式表明：（1）全響應(yīng)是零狀態(tài)和零輸入分量之和，它體現(xiàn)了現(xiàn)行電路的可加性。（2）全響應(yīng)也可以看成是自由分量和強(qiáng)制分量之和，自由分量的起始值與初始狀態(tài)和輸入有關(guān)，而隨時(shí)間變化的規(guī)律僅僅取決于電路的、參數(shù)。強(qiáng)制分量則僅與激勵(lì)有關(guān)。當(dāng)時(shí)，自由分量趨于零，過渡過程結(jié)束，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。若，則響應(yīng)曲線如圖5.4所示。圖5.4　一

4、階電路的全響應(yīng)*4、電路的應(yīng)用（1）RC微分電路。如圖5.5（a）所示，在方波序列脈沖的重復(fù)激勵(lì)下，由R端作為輸出響應(yīng)，當(dāng)RC電路的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于0.5T，就成為微分電路。由于時(shí)間常數(shù)較小，電容的充放電過程非常短暫，導(dǎo)致輸出信號(hào)出現(xiàn)正負(fù)脈沖，且正負(fù)脈沖的幅度基本等于方波信號(hào)的幅度。因此，微分電路可以把方波脈沖轉(zhuǎn)換成尖脈沖，作為觸發(fā)信號(hào)。（2）RC耦合電路。當(dāng)圖5.5（a）中RC電路的時(shí)間常數(shù)24遠(yuǎn)大于T時(shí)，就成為耦合電路。由于時(shí)間常數(shù)很大，電容器的充放電幾乎不能發(fā)生，同時(shí)又因?yàn)殡娙蓦妷翰荒芡蛔?，輸出信?hào)的波形和幅度就和輸入信號(hào)幾乎完全一樣

5、，但此時(shí)輸出波形已經(jīng)除去了輸入信號(hào)的直流分量，變成了純交流形式。（a）　　　　　　　　　　　　　　　　　?。╞）圖5.5運(yùn)算放大器的電路符號(hào)及等效電路（3）RC積分電路。如圖5.5（b）所示，在方波序列脈沖的重復(fù)激勵(lì)下，由C端作為輸出響應(yīng)，當(dāng)RC電路的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于0.5T，就成為積分電路。積分電路的輸出電壓近似地正比于輸出電壓對(duì)時(shí)間的積分，當(dāng)輸入電壓為方波脈沖時(shí)，輸出電壓波形為三角波。三、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及元器件1．函數(shù)信號(hào)發(fā)生器2．?dāng)?shù)字雙蹤示波器3．?dāng)?shù)字萬用表4．電阻、電容元件四、預(yù)習(xí)及思考1．預(yù)習(xí)RC電路動(dòng)態(tài)響應(yīng)的基本概念。2．學(xué)習(xí)函數(shù)

6、信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字雙蹤示波器的使用方法，3．對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中的各項(xiàng)計(jì)算值進(jìn)行計(jì)算，預(yù)測(cè)示波器應(yīng)顯示的波形。4．一階RC電路中，滿足微分電路、積分電路的條件。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求1.按照?qǐng)D5.6接線，元件參數(shù)按照組合①接入元件，調(diào)節(jié)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，使其輸出頻率為1KHz、占空比為0.5、幅值為5V的方波信號(hào)，調(diào)節(jié)示波器，使屏幕上同時(shí)顯示方波和電容兩端電壓的穩(wěn)定波形，分別觀察并記錄、的波形、周期和峰峰值。24圖5.6　觀察并記錄2.按照?qǐng)D5.7接線，元件參數(shù)仍然按照組合①接入元件，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)維持不變，調(diào)節(jié)示波器，使屏幕上同時(shí)顯示方波和電阻兩

7、端電壓的穩(wěn)定波形，分別觀察并記錄、的波形、周期和峰峰值。圖5.7　觀察并記錄重復(fù)步驟1和步驟2，分別記錄組合②、組合③的、和。組合②，組合③，*3.輸入信號(hào)為頻率為200Hz，占空比為0.5、幅值為3V的方波，分別設(shè)計(jì)一個(gè)微分電路、積分電路和耦合電路。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室提供的元件參數(shù)值來選取。觀察并記錄各電路的、的波形。*4.測(cè)量RC時(shí)間常數(shù)選擇組合②，，按圖5.6接線，調(diào)節(jié)方波的頻率，使得半周期內(nèi)的響應(yīng)波形能夠進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。調(diào)節(jié)示波器使響應(yīng)波形顯示較理想，24如圖5.3所示，當(dāng)輸入為高電平時(shí)，電容器電壓隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律從0上升到，當(dāng)時(shí)，，用示波器測(cè)

8、量所需的時(shí)間即為該電路的時(shí)間常數(shù)，測(cè)量并記錄之。六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1．注意被測(cè)電路的輸入/輸出端、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字雙蹤示波器要共地。2．描繪波形時(shí)，輸入波形和輸出波形的相位和幅值要對(duì)應(yīng)。七、