4.5 一阶RC电路的暂态过程分析.pdf

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1、4.54.5 一阶一阶 RCRC 电路的暂态过程分析电路的暂态过程分析一、实验目的一、实验目的1学习用示波器观察和分析 RC 电路的响应。2了解一阶 RC 电路时间常数对过渡过程的影响，掌握用示波器测量时间常数。3进一步了解一阶微分电路、积分电路和耦合电路的特性。二、实验原理二、实验原理1一阶 RC 电路的全响应=零状态响应+零输入响应。当一阶 RC 电路的输入为方波信号时，一阶 RC 电路的响应可视为零状态响应和零输入响应的多次重复过程。在方波作用期间，电路的响应为零输入响应，即为电容的充电过程；在方波不作用期间，电路的响应为零输入响应，即为电容的放电过程。方波如图 4.5.1 所示。图 4

2、.5.1方波电压波形图 4.5.4测常数和积分电路接线2微分电路如图 4.5.2 所示电路，将 RC 串联电路的电阻电压作为输出 U0，且满足 tw的条件，则该电路就构成了微分电路。此时，输出电压U0近似地与输入电压Ui呈微分关系。UORCduidt图 4.5.2微分电路和耦合电路接线图4.5.3微分电路波形微分电路的输出波形为正负相同的尖脉冲。其输入、输出电压波形的对应关系如图 4.5.3 所示。在数字电路中，经常用微分来将矩形脉冲波形变换成尖脉冲作为触发信号。3积分电路积分电路与微分电路的区别是：积分电路取 RC 串联电路的电容电压作为输出 U0，如图 4.5.4 所不电路，且时间常数满

3、tw。此时只要取 RC tw，则输出电压 U0近似地与输入电压 Ui成积分关系，即U1u dORCit积分电路的输出波形为锯齿波。当电路处于稳态时，其波形对应关系如图 3.5.5 所示。注意：Ui的幅度值很小，实验中观察该波形时要调小示波器 Y 轴档位。图 4.5.5积分电路波形图 4.5.6耦合电路波形4耦合电路RC微分电路只有在满足时间常数 RC tw的条件下，才能在输出端获得尖脉冲。如果时间常数 RC tw，则输出波形已不再是尖脉冲，而是非常接近输出电压 Ui的波形，这就是 RC 耦合电路，而不再是微分电路。这里电容 C 称为耦合电容，常应用在多级交流放大电路中做级间耦合，起沟通交流、隔

4、断直流的作用。其波形对应关系如图 4.5.6 所示。注意比较输入、输出电压波形的区别。三、实验主要仪器设备三、实验主要仪器设备1模拟/数字电路实验箱1 个2示波器1 台3.晶体管毫伏表1 块四、实验内容及步骤四、实验内容及步骤1调节函数信号发生器，使输出方波Ui的峰值电压U=4.5V，周期 T=5ms，即频率f=200Hz。将此方波电压 Ui从示波器 Y 轴输入（开关置于DC 档），观察并校准该波形后描述下来。2按图4.5.4 组成串联电路，取 R=1K，C=0.47uf,并按图 3.5.7 接线。注意信号发生器的金属屏蔽线（既地线）必须与示波器的屏蔽线相连接。计算这个 RC 充放电电路的时间

5、常数，并用 UC的波形在示波器上测定电路的时间常数，具体做法如下：调节示波器，使屏幕上呈现出一个稳定的指数曲线，如图 4.5.8 所示。取波形幅值的 63.2%处所对应的时间轴的刻度就可测出电路的时间常数：=“扫描时间（ms/cm）op(cm)。图 4.5.7仪器与实验板的连接图 3.5.8 时间常数曲线其中，扫描时间是示波器上 X 轴扫描速度开关“t/div”的指示值。OP 是示波器上的读出该度（div），参见图 4.5.8 波形。注意读数时要把“t/div”开关的“微调”置于“校准”位置上。将时间常数 的计算值、测量值和波形记录在表 4.5.1 中。表 4.5.1 测量数据计算值测量值波形

6、Op(cm)R（K）C（F）扫描时间（ms/cm）=3微分电路 按图 4.5.2 接好线路，选取 R=0.5K，C=0.47F，则输出 U0应为尖脉冲，记录波形于表 4.5.2 中。C 不变，将 R 改为 5K，观察 对微分电路的影响，并将波形记录于表 4.5.2 中。4积分电路按图 4.5.4 接好线路，R=10K，C=0.47F，使 tw，则输出 U0应为锯齿波，记录波形于表 4.5.2 中。C 不变，将 R 改为 1 K，观察 对积分电路的影响，并将波形记录于表 4.5.2 中。表 4.5.2 测量数据电路性质微分电路积分电路组别R=0.5KC=0.47FR=5KC=0.47FR=10K

7、C=0.47FR=1KC=0.47F波形图的计算值五、注意事项五、注意事项1根据 RC 电路充放电曲线的变化规律，取测试点时，应在曲线变化率大的地方多取几点，以便准确地描绘曲线。2注意充电电压不应超过电容器的额定值。六、实验报告要求六、实验报告要求1写出 RC 充电电路上电容电压的动态过程的时间函数表达式，并据此说明为什么实验中到电容电压波形幅值的0.632 倍处对应的时间轴刻度就是该电路的时间常数？2根据实验结果说明构成微分电路和积分电路条件。3将实验中观测到的微分电路、积分电路和耦合电路的波形集中按相同比例对应画出。4分析图 4.5.2、图4.5.4 的 Ui为方波时，当电路的时间常数不同时，对输出波形的影响。七、思考与问答七、思考与问答1什么是电路的时间常数，其物理意义是什么？2什么是微分电路和微分电路，它们必须具备什么条件？它们在方波信号的激励下，其输出信号波形的变化规律如何？