RC一階電路的響應(yīng)測試實驗內(nèi)容

1、實驗五 RC一階電路的響應(yīng)測試一、實驗?zāi)康?1. 測定RC一階電路的零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)及全響應(yīng)。 2. 掌握有關(guān)微分電路和積分電路的概念。 3. 學(xué)會時間常數(shù)的測定方法。 4. 進一步學(xué)會用示波器觀測波形。二、原理說明圖5.1所示的矩形脈沖電壓波ui可以看成是按照一定規(guī)律定時接通和關(guān)斷的直流電壓源U。若將此電壓ui加在RC串聯(lián)電路上（見圖5.2），則會產(chǎn)生一系列的電容連續(xù)充電和放電的動態(tài)過程，在ui的上升沿為電容的充電過程，而在ui的下降沿為電容的放電過程。它們與矩形脈沖電壓ui的脈沖寬度tw及RC串聯(lián)電路的時間常數(shù)有十分密切的關(guān)系。當(dāng)tw不變時，適當(dāng)選取不同的參數(shù)，改變時間常數(shù)，會使電路

2、特性發(fā)生質(zhì)的變化。 圖5.1 矩形脈沖電壓波形 圖5.2 RC串聯(lián)電路圖 1. RC一階電路的零狀態(tài)響應(yīng) 所有儲能元件初始值為0的電路對于激勵的響應(yīng)稱為零狀態(tài)響應(yīng)。電路的微分方程為：RCduCdt+uC=Um，其解為uCt=Um1-e-t (t0)，式中，RC為該電路的時間常數(shù)。 2. RC一階電路的零輸入響應(yīng) 電路在無激勵情況下，由儲能元件的初始狀態(tài)引起的響應(yīng)稱為零輸入響應(yīng)。電路達到穩(wěn)態(tài)后，電容器經(jīng)R放電，此時的電路響應(yīng)為零輸入響應(yīng)。電路的微分方程為：RCduCdt+uC=0，其解為uCt=Ume-t 。RC一階電路的零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)分別按指數(shù)規(guī)律衰減和增長（如圖5.3所示），其變化的

3、快慢決定于電路的時間常數(shù)。 3. 時間常數(shù)的測定方法 方法一：在已知電路參數(shù)的條件下，時間常數(shù)可以直接由公式計算得出，RC。 方法二：對充電曲線（零狀態(tài)響應(yīng)），電容的端電壓達到最大值的1-1e（約0.632）倍時所需要的時間即是時間常數(shù)。如圖5.3（a）所示，用示波器觀測響應(yīng)波形，取上升曲線中波形幅值的0.632倍處所對應(yīng)的時間軸的刻度，計算出電路的時間常數(shù)：=掃描時間×OP 其中，掃描時間是示波器上X軸掃描速度開關(guān)“t/div”的大小。OP是X軸上O、P兩點之間占有的格數(shù)。而對放電曲線（零輸入響應(yīng)），時間常數(shù)是電容的端電壓下降到初值的1e，即約0.368倍時所需要的時間，如圖5.3

4、(b)所示。(a) 零狀態(tài)響應(yīng) (b) 零輸入響應(yīng)圖5.3 時間常數(shù)的測定 方法三：利用時間常數(shù)的幾何意義求解。在圖5.4中，取電容電壓uc的曲線上任意一點A，通過A點作切線AC，則圖中的次切距BC=ABtan =uCt-duCdtt=t0=U0e-t01U0e-t0= 即在時間坐標(biāo)上次切距的長度等于時間常數(shù)。這說明曲線上任一點，如果以該點的斜率為固定變化率衰減，經(jīng)過時間為0。圖5.4 時間常數(shù)的幾何意義 4. 微分電路和積分電路 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=RCT2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，這就是一個微分電路，如圖5.5（a）

5、所示。此時電路的輸出信號電壓與輸入信號電壓的微分成正比。利用微分電路可以將方波轉(zhuǎn)變成尖脈沖，如圖5.6（a）。 (a) 微分電路 (b) 積分電路圖5.5 微分、積分電路示意圖 若由 C兩端的電壓作為響應(yīng)輸出，如圖5.5 (b)所示，當(dāng)電路的參數(shù)滿足=RCT2條件時，即稱為積分電路。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，如圖5.6（b）。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，請在實驗過程仔細觀察與記錄。 （a） (b)圖5.6 微積分電路激勵、響應(yīng)波形示意圖三、實驗設(shè)備 函數(shù)信號發(fā)生器 1臺 直流電路實驗箱 1臺 雙蹤示波器 1臺

6、四、實驗內(nèi)容 1. 將信號發(fā)生器輸出電壓置零，按照圖5.7連接電路，通過兩根同軸電纜線將激勵源ui和響應(yīng)uc的信號分別連至示波器的兩個輸入口YA和YB，調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出波形為方波，頻率f=1kHZ，峰峰值UP-P=3V，分別選取R10K，C5600pF和R10K，C6800pF兩組參數(shù)，在示波器的屏幕上觀察激勵與響應(yīng)的變化規(guī)律，并用方格紙按1:1 的比例描繪波形。圖5.7 實驗電路圖 2. 在步驟1的基礎(chǔ)上，令R10K，C0.1F，觀察并描繪響應(yīng)的波形。 3. 關(guān)閉信號源。從電路板上重新選取R10K，C5600pF，將圖5.7中的R、C調(diào)換位置后連接電路，接通信號發(fā)生器，在同樣的方波激勵信號

7、下，在示波器上觀測并描繪激勵ui和響應(yīng)uR的波形。 4. 利用方法二或者方法三，計算出三種電路的時間常數(shù)，將的計算值、測量值記錄在表5.1中。表5.1 時間常數(shù)的計算組別R/kC/F/cm（測量值）/cm（計算值）1零狀態(tài)零輸入響應(yīng)電路2微分電路3積分電路五、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。用示波器觀察波形時，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

8、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)和完全響應(yīng)的激勵信號？2. 何謂積分電路和微分電路，它們必須具備什么條件？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？七、數(shù)據(jù)處理和分析 1. 根據(jù)實驗觀測結(jié)果，在方格紙上按照1：1比例繪出RC一階電路充放電時激勵與響應(yīng)信號的波形。 2. 完成三種電路時間常數(shù)值的計算，并與理論計算結(jié)果作比較，分析誤差原因。 3. 將實驗內(nèi)容1中R=10K、C5600pF測量的時間常數(shù)與實驗內(nèi)容3中測量的時間常數(shù)值進行對比，并得出結(jié)論。 4. 根據(jù)實驗觀測結(jié)果，說明輸出波形與時間常數(shù)、輸入信號的脈沖寬度tw及響應(yīng)端的關(guān)系。儀器儀

9、表簡介UT39A型數(shù)字式萬用表萬用表又稱為多用表，用來測量直流電流、直流電壓、交流電流、交流電壓、電阻等電氣參數(shù)。數(shù)字式萬用表由于讀取數(shù)據(jù)容易、準確、輸入阻抗大、功能多等優(yōu)點，使用越來越普遍。一、UT39A型數(shù)字萬用表主要部件及功能1. 液晶顯示屏：顯示所測量的電氣參數(shù)。2. 電源開關(guān)：按下黃色"POWER"鍵，儀表電源接通；彈起黃色"POWER"鍵，儀表電源關(guān)閉。3. 數(shù)據(jù)保持開關(guān)：按下藍色"HOLD"鍵，液晶顯示屏上保持顯示當(dāng)前測量數(shù)據(jù)，并在屏幕左上方顯示"H"標(biāo)記；彈起該按鍵則退出數(shù)據(jù)保持模式。4. 功能選擇

10、開關(guān)：選擇萬用表的測量模式及量程，比如交流電壓V、交流電流A、直流電壓V、直流電流A、電阻等。5. 輸入插孔：根據(jù)功能選擇開關(guān)，將表筆插入對應(yīng)的輸入孔。黑色表筆總是接入"COM"接口；測量電壓、電阻時使用紅黑2表筆接入，紅色表筆接入"V"接口；測量小電流（200mA）時紅色接線柱接入"uAmA"接口；測量大電流時紅色接線柱接入"A"接口。6. 測量電阻、電壓時，使用一紅一黑的表筆測量；測量電流時必須使用電流檢查插座。二、使用注意事項1. 在表筆連接被測電路之前，一定要嚴格檢查所選檔位及量程與測量對象是否相符，因為錯

11、誤的檔位及量程有時不僅得不到測量結(jié)果，甚至?xí)p壞萬用表，初學(xué)者要格外注意。（特別是要測量電壓，卻使用電流檔位和接線柱，極易損壞儀表）2. 測量時，盡量用一只手握住兩只表筆，手指不要觸及表筆的金屬部分和被測器件。3. 測量中若需要轉(zhuǎn)換量程，必須在表筆離開電路后才能進行，否則容易損壞儀表。4. 測量時常會遇到多種電氣參數(shù)，每次測量前要注意根據(jù)測量參數(shù)種類把功能選擇開關(guān)轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的檔位和量程，這是初學(xué)者最容易忽略的環(huán)節(jié)。5. 測量電阻時，必須把電阻脫離電路，不帶電情況下測量，否則會出現(xiàn)測量數(shù)據(jù)不準甚至損壞萬用表。SG1732型直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源為低壓直流電工實驗提供恒壓源（理想電壓源）

12、或恒流源（理想電流源）。輸出電壓023V，輸出電流01.5A。一、SG1732型直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源主要部件及功能1. 4個顯示屏幕，分別為：通道1電流顯示屏，通道1電壓顯示屏，通道2電流顯示屏，通道2電壓顯示屏。2. 4個調(diào)節(jié)旋鈕，分別為：通道1電流調(diào)節(jié)旋鈕，通道1電壓調(diào)節(jié)旋鈕，通道2電流調(diào)節(jié)旋鈕，通道2電壓調(diào)節(jié)旋鈕。3. 穩(wěn)壓、溫流指示燈。4. 3組通道輸出，2組可調(diào)穩(wěn)壓穩(wěn)流電源輸出，1組固定5V恒壓源輸出。5. 電源開關(guān)。二、使用注意事項1. 通道1(2)為恒壓源或恒流源，由穩(wěn)壓穩(wěn)流指示燈決定，當(dāng)指示燈亮在穩(wěn)壓處，此時該通道為恒壓源，反之則為恒流源。2. 由于本儀器功率較大，為防止線路接錯通

13、電后造成損失，在連接電路前，應(yīng)將電壓、電流調(diào)節(jié)旋鈕逆時針旋轉(zhuǎn)至零。接線完畢后，打開電源開關(guān)，輸出恒定電壓時，需先將電流調(diào)節(jié)旋鈕順時針旋轉(zhuǎn)一個較小角度，防止輸出電流過大，使指示燈跳到穩(wěn)壓狀態(tài)（注意：如果旋轉(zhuǎn)30度后，指示燈仍無法跳到穩(wěn)壓狀態(tài)，說明外部電路可能短路，應(yīng)斷電檢查，請勿繼續(xù)加大輸出電流）。然后根據(jù)實驗需求調(diào)節(jié)電壓和電流旋鈕。輸出恒定電流時，先將電壓調(diào)節(jié)旋鈕順時針旋轉(zhuǎn)至最大，設(shè)置一個保護電壓，使指示燈跳到穩(wěn)流狀態(tài)（注意，如指示燈不能跳到穩(wěn)流狀態(tài)，說明外部電路可能開路，應(yīng)檢查），然后根據(jù)實驗需求調(diào)節(jié)電流旋鈕。3. 通道3為固定5V輸出電壓，請勿接錯。4. 液晶屏幕上顯示的電壓電流為參考值，

14、精度不高，準確數(shù)值以萬用表測量數(shù)據(jù)為準。SG1639P 功率函數(shù)信號發(fā)生器函數(shù)信號發(fā)生器是一種可以提供精密信號源的儀器，也常稱為波形發(fā)生器，最基本的應(yīng)用就是通過函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦波、方波、鋸齒波、脈沖形、三角波等具有一定周期性的時間函數(shù)波形來供用戶作為電壓輸出或者功率輸出等。一、SG1639P 功率函數(shù)信號發(fā)生器面板及操作說明1. 面板上的常用部件包括：紅色的電源開關(guān)"POWER"，頻率細調(diào)旋鈕、頻率顯示屏、頻率范圍按鈕、波形按鈕、輸出電壓調(diào)節(jié)旋鈕、功率輸出接口，電壓輸出接口。2. 一般用法：調(diào)節(jié)電壓旋鈕置零，接通電源，按下電源開關(guān)"POWER"鍵，

15、選擇波形按鈕（如方波），選擇合理的頻率范圍按鈕（如1K），使用頻率細調(diào)旋鈕得到準確頻率（頻率顯示器顯示，注意單位），最后調(diào)節(jié)輸出電壓調(diào)節(jié)旋鈕得到所需信號電壓。二、使用注意事項1. 函數(shù)信號發(fā)生器功率輸出端子嚴禁短路，避免燒毀儀器。2. 信號發(fā)生器的輸出電壓指的是帶負載時的電壓，并且更改一次頻率都需要調(diào)整一次輸出電壓，所以實驗時需先接電路，選波形，調(diào)節(jié)頻率，最后調(diào)節(jié)電壓。調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出頻率時，應(yīng)先選擇頻率范圍，再進行頻率細調(diào)。3. 函數(shù)信號發(fā)生器為精密儀器，不宜長時間通電，實驗測量完畢后請及時關(guān)閉電源。SDS5032E數(shù)字示波器一、SDS5032E數(shù)字示波器面板及操作說明1. 面板上的常用部

16、件包括：電源開關(guān)、顯示屏、電壓檔位調(diào)節(jié)旋鈕、垂直位置調(diào)節(jié)旋鈕、時間檔位、自動設(shè)置、運行控制、CH1通道信號輸入、CH2 通道信號輸入、探頭補償信號等。2. 一般用法：接通電源，按下“電源開關(guān)”，將被測信號通過信號線接入CH1/CH2通道，按下“自動設(shè)置”鍵，一段時間后，示波器會自動設(shè)置合適的水平和垂直檔位，得到測量波形。然后根據(jù)觀察需要用戶自行調(diào)節(jié)水平和垂直檔位（垂直位置旋鈕、電壓檔位旋鈕、水平位置旋鈕、時間檔位旋鈕），在顯示屏上可以讀出波形的電壓、頻率等參數(shù)。二、使用注意事項1. 使用示波器先要進行自查，將信號線的紅黑夾子，接入探頭補償信號的2個端子處，其中黑色夾子接下方的接地標(biāo)識，然后按下

17、自動設(shè)置后看波形是否為頻率為1KHz，幅值為5V的方波信號，如果不是請及時聯(lián)系老師檢修。2. 示波器信號輸入的2通道是共地，即CH1信號線和Ch2信號線的黑色夾子在示波器內(nèi)部被短路在一起，因此在使用中CH1信號線和Ch2信號線的黑色夾子必須接在一起。SG2171C型交流毫伏表晶體管交流毫伏表，具有測量交流電壓、電平測試、監(jiān)視輸出等三大功能。交流測量范圍是100nV300V、5Hz2MHz，共分1、3、10、30、100、300mV，1、3、10、30、100、300V共12檔；電平dB刻度范圍是-60+50dB。比萬用表測量精度要高，測量頻率范圍大。一、SG2171C型晶體管交流毫伏表面板及操

18、作說明SG2171C型晶體管交流毫伏表主要有讀數(shù)表盤、調(diào)零旋鈕、電源開關(guān)、量程指示燈、量程切換旋鈕、信號輸入等常用部件。 1. 開機前的準備工作：將通道輸入端測試探頭上的紅、黑色鱷魚夾短接；將量程開關(guān)選最高量程（300V）。2. 操作步驟：接通220V電源，按下電源開關(guān)，電源指示燈亮，儀器立刻工作。為了保證儀器穩(wěn)定性，需預(yù)熱10秒鐘后使用，開機后10秒鐘內(nèi)指針無規(guī)則擺動屬正常；將輸入測試探頭上的紅、黑鱷魚夾斷開后與被測電路并聯(lián)（紅鱷魚夾接被測電路的正端，黑鱷魚夾接地端），觀察表頭指針在刻度盤上所指的位置，若指針在起始點位置基本沒動，說明被測電路中的電壓甚小，且毫伏表量程選得過高，此時用遞減法由

19、高量程向低量程變換，直到表頭指針指到滿刻度的2/3左右即可；準確讀數(shù)。表頭刻度盤上共刻有四條刻度。第一條刻度和第二條刻度為測量交流電壓有效值的專用刻度，第三條和第四條為測量分貝值的刻度。當(dāng)量程開關(guān)分別選1mV、10mV、100mV、1V、10V、100V檔時，就從第一條刻度讀數(shù)；當(dāng)量程開關(guān)分別選3mV、30mV、300mV、3V、30V、300V時，應(yīng)從第二條刻度讀數(shù)（逢1就從第一條刻度讀數(shù)，逢3從第二刻度讀數(shù)）。例如：將量程開關(guān)置“1V”檔，就從第一條刻度讀數(shù)。若指針指的數(shù)字是在第一條刻度的“0.7”處，其實際測量值為0.7V；若量程開關(guān)置“3V”檔，就從第二條刻度讀數(shù)。若指針指在第二條刻度的“2”處，其實際測量值為2V。以上舉例說明，當(dāng)量程開關(guān)選在哪個檔位，比如，1V檔位，此時毫伏表可以測量外電路中電壓的范圍是01V，滿刻度的最大值也就是1V。     當(dāng)用該儀表去測量外電路中的電平值時，就從第三、四條刻度讀數(shù)，讀數(shù)方法是，量程數(shù)加上指針指示值，等于實際測量值。二、使用注意事項1. 儀器在通電之前，一定要將輸入電纜的紅黑鱷魚夾相互短接。防止儀器在通電時因外界干擾信號通過輸入電纜進入電路放大后，再進入表頭將表針打彎。  2.