浙江大學(xué)實驗報告：一階RC電路的瞬態(tài)響應(yīng)過程實驗研究

1、三墩職業(yè)技術(shù)學(xué)院實驗報告;課程名稱：電子電路設(shè)計實驗指導(dǎo)老師：成績：*：實驗名稱：一階RC電路的瞬態(tài)響應(yīng)過程實驗研究實驗類型：探究類同組學(xué)生姓名：:一、實驗?zāi)康亩?、實驗任?wù)與要求.，三、實驗方案設(shè)計與實驗參數(shù)計算（3.1總體設(shè)計、3.2各功能電路設(shè)計與計算、3.3完整的:實驗電路）?四、主要儀器設(shè)備五、實驗步驟與過程:六、實驗調(diào)試、實驗數(shù)據(jù)記錄七、實驗結(jié)果和分析處理:八、討論、心得.:一、實驗?zāi)康某?1、熟悉一階RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)、零輸入響應(yīng)過程。,i2、研究一階RC電路在零輸入、階躍激勵情況下，響應(yīng)的基本規(guī)律和特點。.:3、學(xué)習(xí)用示波器觀察分析RC電路的響應(yīng)。:4、從響應(yīng)曲線中求RC電路的

2、時間常數(shù)。.飛.;.二、實驗理論基礎(chǔ)1、一階RC電路的零輸入響應(yīng)（放電過程）訂零輸入響應(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)，即電路初始狀態(tài)不為線一二零，輸入為零所引起的電路響應(yīng)。*J（實際上是電容器C的初始電壓經(jīng)電阻R放電過程。）*，hjSfl'J_q,2.aK（r=0）_R_：圖9圖1路.:在圖1中，先讓開關(guān)K合于位置a,使電容C的初始電壓值uc（CL）yo,再將開.*1關(guān)K轉(zhuǎn)到位置b。41.I電容器開始放電，放電方程是*.心¥.：,due、：uc+Re/=o（t*可以得出電容器上的電壓和電流隨時間變化的規(guī)律:'u(O)eUJUc(t)=UC(Oj

3、e=Uoe(tM)ic(t)=-=一一T(t50)一RR式中T=RC為時間常數(shù)，其物理意義uc(t)是衰減到1/e(36.8%)Uc(O)所需要的時間，反映了電路過渡過程的快慢程度。T越大，暫態(tài)響應(yīng)所持續(xù)的時間越長，即過渡過程的時間越長；反之，T越小,過渡過程的時間越短。時間常數(shù)可以通過相應(yīng)的衰減曲線來反Uc(t)應(yīng)，如圖2。由于經(jīng)過5T時間后，已經(jīng)衰減到初態(tài)的1%以下，可以認為經(jīng)過5T時間，電容已經(jīng)放電完畢。圖9&21零輸入響應(yīng)由口二時間常數(shù)2、一階RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)(充電過程)所謂零狀態(tài)響應(yīng)是指初始狀態(tài)為零，而輸入不為零所產(chǎn)生的電路響應(yīng)。一階RC電路在階躍信號激勵下的零狀態(tài)響應(yīng)實

4、際上就是直流電源經(jīng)電阻R向C充電的過程。在圖1所示的一階電路中，先讓開關(guān)K合于位置b,當(dāng)t=0時，將開關(guān)K轉(zhuǎn)到位置a。uc+RC-dtre=Us(t>0)電容器開始充電，充電方程為dt初始值Uc(0)=0可以得出電壓和電流隨時間變化的規(guī)律：uceRCi-Use(ti0)ic(t)-seRcs0)''''RR式中t=RC為時間常數(shù)，其物理意義是由初始值上升至穩(wěn)態(tài)值與初始值差值的63.2%處所需要的時間。同樣可以從響應(yīng)曲線中求出t,如圖3O圖9a3 一階RC電路摩零狀態(tài)響應(yīng)曲線3.方波響應(yīng)當(dāng)方波信號激勵加到RC兩端時，在電路的時間常數(shù)遠小于方波周期時，可以視為

5、零狀態(tài)響應(yīng)和零輸入響應(yīng)的多次過程。方波的前沿相當(dāng)于給電路一個階躍輸入，其響應(yīng)就是零狀態(tài)響應(yīng)；方波的后沿相當(dāng)于在電容具有初始值uc（O）時,把電源用短路置換，電路響應(yīng)轉(zhuǎn)換成零輸入響應(yīng)。當(dāng)方波的1/2周期小于電路的時間常數(shù)時，方波前后沿對應(yīng)的是瞬態(tài)過程訂的其中一小部分。由于方波是周期信號，可以用普通示波器顯示出穩(wěn)定的響應(yīng)圖形，便于觀察和作定量分析。：三、實驗儀器設(shè)備aW12V電實驗電路板、示波器（電路圖如圖所示）、直流穩(wěn)壓源（為電路板提供壓）測試信號產(chǎn)生部分實驗測試部分P.7四、實驗任務(wù)與步驟1 .用示波器觀察RC電路的零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)，描繪響應(yīng)曲線，求出電路的時間常數(shù)。2 .更換電路中電阻

6、、電容的大小，重新測量電路的各種響應(yīng)，分別求出每次測量的時間常數(shù)。3 .理論計算電路的時間常數(shù)，并與實驗測量值比較。五、實驗操作要點4 、明確實驗?zāi)康?、實驗要求與實驗原理。5 、根據(jù)示波器的顯示，描繪出各種RC電路的響應(yīng)波形，加以比較。6 、進行測量誤差分析。六、實驗數(shù)據(jù)記錄表1、不同接入條件、電路狀態(tài)下響應(yīng)波形圖、幅度及時間電路狀態(tài)接入電路R/Q接入電容C/pF波形圖周期內(nèi)電路響應(yīng)幅度U/v響應(yīng)時間t/ms零輸入響應(yīng)（放電）4300世1031、frI10.960.220-430022廿1*r*Titv14.600.524零狀態(tài)響應(yīng)（充電）750101041.一I11.280.38491001

7、0X104I45.040.544七、實驗結(jié)果與處理上述四組實驗中，兩組在方波的一個周期內(nèi)響應(yīng)完全，可根據(jù)完全響應(yīng)t時t=5T來得到T;兩組在一個周期內(nèi)未響應(yīng)完全，可根據(jù)11=11S（1餐）來得至UT。理論計算T=RCo表2、最終數(shù)據(jù)處理結(jié)果電路狀態(tài)接入電路R/Q接入電容C/pF理論計算T/US實際測量T/PS誤差零輸入響應(yīng)（放電）430010x10343Q44.0430022x104946、962.8零狀態(tài)響應(yīng)（充電）75010x10476.8k2.40%9100io1104910918.80.97%可以看到，最終測量計算出的時間常數(shù)T,基本符合理論計算結(jié)果。八、討論、心得（1）實驗心得本次實

8、驗測量了在接入不同電阻電容情況下的RC電路時間常數(shù)，分析了瞬態(tài)過程中電路響應(yīng)，也練習(xí)了示波器的操作。在實驗中，需要注意如何判斷電路以達到完全響應(yīng)，也就是用示波器的刻度線與曲線水平部分重合，找到曲線與直線的切點，該點表示RC電路剛達到完全響應(yīng)。測量出起始到完全響應(yīng)的時間即可計算時間常數(shù)。（2）誤差分析本實驗主要誤差來自于讀數(shù)的誤差。因為示波器的圖像有一定寬度，實際上是很難準(zhǔn)確判斷剛好達到完全響應(yīng)的時刻點的，只能大致估計，所以會造成誤差。另外，直流穩(wěn)壓源所提供的電壓不一定始終保持12V,儀器誤差也會影響最終的計算結(jié)果。(3)思考題1、什么是零輸入響應(yīng)，零狀態(tài)響應(yīng)?J答：12零輸入響應(yīng)：電路在無激勵

9、情況下，由儲能元件的初始狀態(tài)引起的響應(yīng)。(即電+<J路初始狀態(tài)不為零，輸入為零所引起的電路響應(yīng))(放電過程)4V;零狀態(tài)響應(yīng)：初始狀態(tài)為零，而輸入不為零所產(chǎn)生的電路響應(yīng)。(充電過程)+；2、在用示波器觀察RC電路響應(yīng)時如何才能使示波器的掃描與電路激勵同步？.答：«A.：將觸頭與測試點勾住，架子夾住接地點，轉(zhuǎn)動示波器上的TIME/DIV旋鈕，使得*:示波器上的圖像從雜亂無章到穩(wěn)定不變，即掃描與激勵同步。+尸；：:3、什么是時間常數(shù)？它在電路中起什么作用？4答：0、，霾時間常數(shù)是指一個物理量從最大值衰減到最大值的1/e所需要的時間。在RC電訂路零輸入響應(yīng)中，電容電壓Uc總是由初始值Uc(O)按指數(shù)衰減到零，則電容電壓線Uc從Uc(O)衰減到1/eUc(0)的時間即為時