電路分析實驗箱--RC一階電路的動態(tài)過程研究實驗

一、實驗?zāi)康?br /> 1、測定RC一階電路的零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)及完全響應(yīng)。
2、學(xué)習(xí)電路時間常數(shù)的測量方法。
3、掌握有關(guān)微分電路和積分電路的概念。
4、進(jìn)一步學(xué)會用示波器觀測波形。
 
二、實驗原理
1、動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的過渡過程是十分短暫的單次變化過程。對時間常數(shù)τ較大的電路，可用慢掃描長余輝示波器觀察光點移動的軌跡。而要用普通的示波器觀察過渡過程和測量有關(guān)的參數(shù)，就必須使這次單次變化的過程重復(fù)出現(xiàn)。為此，我們利用信號發(fā)生器輸出的方波來模擬階躍激勵信號，即利用方波輸出的上升沿作為零狀態(tài)響應(yīng)的正階躍激勵信號；利用方波的下降沿作為零輸入響應(yīng)的負(fù)階躍激勵信號。只要選擇方波的重復(fù)周期大于電路的時間常數(shù)τ，那么電路在這樣的方波序列脈沖信號的激勵下，其響應(yīng)就和直流電接通與斷開的過渡過程是基本相同的。
2、圖8-1所示的RC一階電路的零輸入響應(yīng)與零狀態(tài)響應(yīng)分別按指數(shù)規(guī)律衰減與增長，其變化的快慢決定于電路的時間常數(shù)τ。

圖 8-1
3、時間常數(shù)τ的測定方法：
用示波器測量零輸入響應(yīng)的波形如圖8-1(a)所示。根據(jù)一階微分方程的求解得知。當(dāng)t=τ時，U_C(τ)=0.368U_m。此時所對應(yīng)的時間就等于τ。亦可用零狀態(tài)響應(yīng)波形增加到0.632U_m所對應(yīng)的時間測得，如圖8-1(c)所示。
4、微分電路和積分電路是RC一階電路中較典型的電路，它對電路元件參數(shù)和輸入信號的周期有著特定的要求。
一個簡單的RC串聯(lián)電路，在方波序列脈沖的重復(fù)激勵下，當(dāng)滿足τ=RC<<T/2時（T為方波脈沖的重復(fù)周期），且由R兩端的電壓作為響應(yīng)輸出，則該電路就是一個微分電路。因為此時電路的輸出信號電壓與輸入信號電壓的微分成正比。如圖8-2（a）。利用微分電路可以將方波轉(zhuǎn)變成沖激脈沖。

圖8-2
若將圖8-2(a)中的R與C位置調(diào)換一下，如圖8-2(b)所示，由C兩端的電壓作為響應(yīng)輸出，且當(dāng)電路的參數(shù)滿足τ=RC >>T/2，則該RC電路稱為積分電路。因為此時電路的輸出信號電壓與輸入信號電壓的積分成正比。利用積分電路可以將方波轉(zhuǎn)變成三角波。
從輸入輸出波形來看，上述兩個電路均起著波形變換的作用，請在實驗過程中仔細(xì)觀察和記錄。
 
三、實驗設(shè)備

序號	名   稱	型號與規(guī)格	數(shù)量	備注
1	脈沖信號發(fā)生器		1
2	雙蹤示波器		1

四、實驗內(nèi)容
實驗線路板的結(jié)構(gòu)如圖8-3所示。

圖8-3 動態(tài)電路、選頻電路實驗電路
 
1、在一階電路單元上選擇R、C元件，令R1=10KΩ，C=3300PF，
組成如圖8-1(b)所示的RC充放電電路。U_S為脈沖信號發(fā)生器輸出的Um=3V，f=1KHz的方波電壓信號，并通過兩根同軸電纜線，將激勵源U_S和響應(yīng)U_C的信號分別連至示波器的兩個輸入口YA和YB，這時可在示波器的屏幕上觀察到激勵與響應(yīng)的變化規(guī)律，測算出時間常數(shù)τ，并用方格紙按1:1的比例描繪波形。
少量改變電容值或電阻值，定性觀察對響應(yīng)的影響，記錄觀察到的現(xiàn)象。
2、令R=10KΩ，C=0.1µF，組成如圖8-2(a)所示的微分電路。在同樣的方波激勵信號（Um=3V，f=1KHz）作用下，觀測并描繪激勵與響應(yīng)的波形。
增減R之值，定性地觀察對響應(yīng)的影響，并作記錄。當(dāng)R增至1MΩ時，輸入輸出波形有何本質(zhì)上的區(qū)別？

五、實驗注意事項
1、調(diào)節(jié)電子儀器各旋鈕時，動作不要過快、過猛。實驗前，需熟讀雙蹤示波器的使用說明書。特別是觀察雙蹤時，要特別注意相應(yīng)開關(guān)、旋鈕的操作與調(diào)節(jié)。
2、信號源的接地端與示波器的接地端要連在一起（稱共地），以防外界干擾而影響測量的準(zhǔn)確性。
3、示波器的輝度不應(yīng)過亮，尤其是光點長期停留在熒光屏上不動時，應(yīng)將輝度調(diào)暗，以延長示波管的使用壽命。
 
六、預(yù)習(xí)思考題
1、什么樣的電信號可作為RC一階電路零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)和全響應(yīng)的激勵源？
2、已知RC一階電路R=10KΩ，C=0.1µF，試計算時間常數(shù)τ，并根據(jù)τ值的物理意義，擬定測量τ的方案。
3、何謂積分電路和微分電路，它們必須具有什么條件？它們在方波序列脈沖的激勵下，其輸出信號波形的變化規(guī)律如何？這兩種電路有何功用？
4、預(yù)習(xí)要求：熟讀儀器使用說明，回答上述問題，準(zhǔn)備方格紙。
 
七、實驗報告
1、根據(jù)實驗觀測結(jié)果，在方格紙上繪出RC一階電路充放電時U_C的變化曲線，由曲線測得τ值，并與參數(shù)值的計算結(jié)果作比較，分析誤差原因。
2、根據(jù)實驗觀測結(jié)果，歸納、總結(jié)積分電路和微分電路的形成條件，闡明波形變換的特征。