实验3 动态电路综合实验new.docVIP

实验三 动态电路综合实验 一、实验目的 1、实验研究RC一阶电路和RLC二阶电路的零输入响应、零状态响应和全响应的规律和特点。 2、掌握一阶电路时间常数、二阶电路衰减系数和振荡频率的测量方法，了解电路参数对时间常数的影响。 3、观察、分析二阶电路响应的三种变化曲线及其特点，加深对二阶电路响应的认识与理解。 二、实验原理 1、RC一阶电路的零状态响应 RC一阶电路如图3－1所示，开关S在‘1’的位置，ｕC＝0，处于零状态，当开关S合向‘2’的位置时，电源通过R向电容C充电，ｕC(t)称为零状态响应 变化曲线如图3－2所示，当ｕC上升到所需要的时间称为时间常数，。 2、RC一阶电路的零输入响应 在图3－1中，开关S在‘2’的位置电路稳定后，再合向‘1’的位置时，电容C通过R放电，ｕC(t)称为零输入响应，，变化曲线如图3－3所示，当uC下降到所需要的时间称为时间常数，。 3、测量RC一阶电路时间常数 图3－1电路的上述暂态过程很难观察，为了用普通示波器观察电路的暂态过程，需采用图3－4所示的周期性方波ｕS作为电路的激励信号，方波信号的周期为T，只要满足，便可在示波器的荧光屏上形成稳定的响应波形。 电阻R、电容C串联与方波发生器的输出端连接，用双踪示波器观察电容电压uC，便可观察到稳定的指数曲线，如图3－5所示，在荧光屏上测得电容电压最大值 取，与指数曲线交点对应时间t轴的x点，则根据时间t轴比例尺（扫描 时间），该电路的时间常数。 4、微分电路和积分电路 在方波信号uＳ作用在电阻R、电容C串联电路中，当满足电路时间常数远远小于方波周期T的条件时，电阻两端（输出）的电压uR与方波输入信号us呈微分关系，， 该电路称为微分电路。当满足电路时间常数远远大于方波周期T的条件时，电容C两端（输出）的电压uC与方波输入信号uＳ呈积分关系， ，该电路称为积分电路。 微分电路和积分电路的输出、输入关系如图3－6(a)、(b)所示。 5、二阶RLC串联电路的零状态响应 在图3－7所示R、L、C电路中，ｕC(0)＝0，在t＝0时开关S闭合，电压方程为： 这是一个二阶常系数非齐次微分方程，该电路称为二 阶电路，电源电压U为激励信号，电容两端电压uC为响应信号。根据微分方程理论，uc包含两个分量：暂态分量和稳态分量，即,具体解与电路参数R、L、C有关。 当满足时： 其中，衰减系数，衰减时间常数 振荡频率，振荡周期 变化曲线如图3－8(a)所示，uC的变化处在衰减振荡状态，由于电阻R比较小，又称为欠阻尼状态。 当满足时，uC的变化处在过阻尼状态，由于电阻R比较大，电路中的能量被电阻很快消耗掉，uc无法振荡，变化曲线如图3－8(b)所示。 当满足时，uc的变化处在临界阻尼状态，变化曲线如图3－8(c)所示。 6、二阶RLC串联电路的零输入响应 在图3－9电路中，开关S与‘1’端闭合，电路处于稳定状态，uc(0)＝U，在t＝0时开关S与‘2’闭合，输入激励为零，电压方程为： 这是一个二阶常系数齐次微分方程，根据微分方程理论，uc只包含暂态分量，稳态分量为零。和零状态响应一样，根据R与的大小关系，uc的变化规律分为衰减振荡（欠阻尼）、过阻尼和临界阻尼三种状态，它们的变化曲线与图3－7中的暂态分量类似,衰减系数、衰减时间常数、振荡频率与零状态响应完全一样。 本实验对R、C、L并联电路进行研究，激励采用方波脉冲，二阶电路在方波正、负阶跃信号的激励下，可获得零状态与零输入响应，响应的规律与R、L、C串联电路相同。测量ｕC衰减振荡的参数，如图3－8(a)所示，用示波器测出振荡周期T，便可计算出振荡频率，按照衰减轨迹曲线，测量－0.367A对应的时间，便可计算出衰减系数。 三、实验设备 1、双踪示波器，或NEEL-04A虚拟仪器接口单元； 2、函数信号发生器（方波输出），或NEEL-03A信号源模块； 3、MEEL-03 电工原理（三）模块、MEEL-05A 元件箱（一）模块。 四、实验内容 实验电路如图3－10所示，图中电阻R从MEEL-03 电工原理（三）模块上选取（请看懂线路板的走线，认清激励与响应端口所在的位置；电容C从MEEL-05A 元件箱（一）模块组件上选取×0.01μF/63V可调电容，认清R、C元件的布局及其标称值；各开关的通断位置等），用双踪示波器观察电路激励（方波）信号和响应信号。ｕS为方波输出信号，将信号源的‘波形选择’开关置方波信号位置上，将信号源的信号输出端与示波器探头连接，接通信号源电源，调节信号源的频率旋钮（包括‘频段选择’开关、频率粗调和频率细调旋钮），使输出信号的频率为1kHz（由频率计读出），调节输出信号的‘幅值调节’旋钮，使方波的峰－峰值Vp-p＝2V，固定信号源