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文档简介
实验五一阶RC电路的过渡过程实验一、实验目的1、研究RC串联电路的过渡过程。2、研究元件参数的改变对电路过渡过程的影响。二、实验原理电路在一定条件下有一定的稳定状态,当条件改变,就要过渡到新的稳定状态。从一种稳定状态转到另一种新的稳定状态往往不能跃变,而是需要一定的过渡过程(时间)的,这个物理过程就称为电路的过渡过程。电路的过渡过程往往为时短暂,所以电路在过渡过程中的工作状态成为暂态,因而过渡过程又称为暂态过程。1、RC电路的零状态响应(电容C充电)在图5-1(a)所示RC串联电路,开关S在未合上之前电容元件未充电,在t=0时将开关S合上,电路既与一恒定电压为U的电源接通,对电容元件开始充电。此时电路的响应叫零状态响应,也就是电容充电的过程。(a)(b)图5-1RC电路的零状态响应电路及uC、uR、i随时间变化曲线根据基尔霍夫电压定律,列出t0时电路的微分方程为(注:)电容元件两端电压为其随时间的变化曲线如图5-1(b)所示。电压uc按指数规律随时间增长而趋于稳定值。电路中的电流为电阻上的电压为其随时间的变化曲线如图5-1(b)所示。2、RC电路的零输入响应(电容C放电)在图5-2(a)所示,RC串联电路。开关S在位置2时电容已充电,电容上的电压uC=U0,电路处于稳定状态。在t=0时将开关从位置2转换到位置1,使电路脱离电源,输入信号为零。此时电容元件经过电阻R开始放电。此时电路的响应叫零输入响应,也就是电容放电的过程。(a)(b)图5-2RC电路的零输入响应电路及uC、uR、i随时间变化曲线根据基尔霍夫电压定律,列出t0时的电路微分方程为电容两端电压为其随时间变化曲线如图5-2(b)所示。它的初始值为U0,按指数规律衰减而趋于零。=RC式中=RC,叫时间常数,它所反映了电路过渡过程所用时间的长短,越大过渡时间就越长。电路中的电流为电阻上电压为其随时间变化曲线如图5-2(b)所示。3、时间常数τ在RC串联电路中,τ为电路的时间常数。在电路的零状态(电容充电)响应上升到稳态值的63.2%所需要时间为一个时间常数τ,或者是电路零输入(电容放电)响应衰减到初始值的36.8%所需要时间[2]。虽然真正电路到达稳定状态所需要的时间为无限大,但通常认为经过(3-5)τ的时间,过度过程就基本结束,电路进入稳态。三、实验内容及步骤脉冲信号源测量部分即成功完成。3、实验步骤打开multisim软件,选中主菜单View选项中的Showgrid,使得绘图区域中出现均匀的网格线,并将绘图尺寸调节到最佳。在PlaceSources元器件库中调出1个Ground(接地点)和1个Clock(时钟源)器件,从PlaceBasic元器件库中调出1个Resistor(电阻)和1个Capacitor(电容)器件,最后从Instruments元器件库中调出Oscilloscope(示波器)器件,按图5-5所示排列好。(3)双击Clock(时钟源)器件,得到其对应的元器件属性(ClockProperties)对话框,在Value/Frequency里修改信号源发出方波的频率,本实验频率选择默认的1000Hz;在Value/Dutycycle里修改方波的占空比,本实验选择默认的50%;在Value/Voltage里修改方波电压的幅值,本实验选择2V。改变电阻R的阻值为300Ω,电容C的容量为0.1μF。将示波器的接地点接到被测电路R、C之间,将A通道接到信号源与电阻R之间,并通过双击连线改变连线的颜色为红色,将B通道接到电容C的负端即被测电路的接地点上,同时改变连线的颜色为绿色。(颜色可自选,但尽量使A,B两通道连线颜色区分开)。这样连线后,A通道显示的是UR波形,B通道显示的是(-UC)的波形。将电路中其他器件亦通过连线连接起来。检查电路有无错误。对该绘图文件进行保存,注意文件的扩展名(.sm10)要保留。按下multisim界面右上方按纽“1”对该保存过的绘图文件进行仿真。按下multisim界面右上方按纽“0”停止仿真,双击示波器图标,在示波器的展开面板上观测A,B通道显示的波形,将UR、UC的波形曲线通过坐标纸记录下来(见“实验报告”)。将电阻R的阻值重新设定为800Ω,然后按实验步骤(5)——(10)重新做一遍并记录波形曲线。实验完成后,将保存好的绘图文件另存到教师指定的位置,并结合实验数据完成实验报告的撰写。四、注意事项每个电路中均必须接有接地点,且与电路可靠连接(即接地点与电路的连接处有黑色的结点出现)。改变电阻的阻值时,需要在Resistor(电阻)器件的元器件属性(ResistorProperties)对话框中选择Value/Resistance(R)选项,在其后的框中填写阻值,前一框为数值框,后一框为数量级框,填写时注意两个框的不同。绘制好的实验电路必须经认真检查后方可进行仿真。若仿真出错或者实验结果明显偏离实际值,请停止仿真后仔细检查电路是否连线正确、接地点连接是否有误等情况,排除误点后再进行仿真,直到仿真正确、观测得到理想的波形。若按图5-中示波器的连线方法,则在B通道上观测到的是(-UC)的波形,要求记录在坐标纸上的是UC的波形,故需将观测到的(-UC)的波形通过关于横轴对称的方式转换成UC的波形,然后再记录。此点需特别注意。文件保存时扩展名为“.ewb”。关闭文件或EWB软件后想再次打开保存后的文件时,必须打开EWB软件后通过主菜单File/open选项或者工具栏中的“打开”快捷键来实现。五、实验拓展示波器的接法有很多种,本实验采用的是其中一种。请同学思考示波器的其他接入被测电路的方法,也可观测到UR、UC的波形。可提出多种解决方案。六、预习要求1、认真复习电路的暂态分析理论内容。2、理解实验目的、明确实验内容及步骤。七、思考题1、在RC串联电路中,电容充电上升到稳态值的多少所需要时间为一个时间常数τ?2、在RC串联电路中,电容放电衰减到初始值的多少所需要时间为一个时间常数τ?3、通常认为电路从暂态到达稳定状态所需要多少时间?八、实验报告1、写出实验名称、实验目的、实验内容及步骤。
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