1、實驗五一階RC電路的過渡過程實驗一、實驗目的1、研究RC串聯電路的過渡過程。2、研究元件參數的改變對電路過渡過程的影響。二、實驗原理電路在一定條件下有一定的穩定狀態，當條件改變，就要過渡到新的穩定狀態。從一種穩定狀態轉到另一種新的穩定狀態往往不能躍變，而是需要一定的過渡過程（時間）的，這個物理過程就稱為電路的過渡過程。電路的過渡過程往往為時短暫，所以電路在過渡過程中的工作狀態成為暫態，因而過渡過程又稱為暫態過程。1、RC電路的零狀態響應（電容C充電）在圖5-1所示RC串聯電路，開關S在未合上之前電容元件未充電，在t=0時將開關S合上，電路既與一恒定電壓為U的電源接通，對電容元件開始充電。此時電

2、路的響應叫零狀態響應，也就是電容充電的過程。(a)(b)(a)圖5-1RC電路的零狀態響應電路及uC、uR、i隨時間變化曲線根據基爾霍夫電壓定律，列出t0時電路的微分方程為dt（注:務dt（注:務q二-Cdutc）電容元件兩端電壓為uc=u(1-eEC=ui-e1)其隨時間的變化曲線如圖5-1(b)所示。電壓uc按指數規律隨時間增長而趨于穩定值。電路中的電流為電阻上的電壓為Ur=R=US其隨時間的變化曲線如圖5-1(b)所示。2、RC電路的零輸入響應(電容C放電)在圖5-2(3)所示，RC串聯電路。開關S在位置2時電容已充電，電容上的電壓uC=U0,電路處于穩定狀態。在t=0時將開關從位置2轉

3、換到位置1,使電路脫離電源，輸入信號為零。此時電容元件經過電阻R開始放電。此時電路的響應叫零輸入響應，也就是電容放電的過程。(a)(b)圖5-2RC電路的零輸入響應電路及uC、uR、i隨時間變化曲線*根據基爾霍夫電壓定律，列出t30時的電路微分方程為艮C華+%=D電容兩端電壓為%=UoeRi二UoeT其隨時間變化曲線如圖5-2（6所示。它的初始值為U0,按指數規律衰減而趨于零。t=RC式中t=RC，叫時間常數，它所反映了電路過渡過程所用時間的長短，t越大過渡時間就越長。電路中的電流為一如二一上L電阻上電壓為其隨時間變化曲線如圖5-2（6所示。3、時間常數十在RC串聯電路中，t為電路的時間常數。

4、在電路的零狀態（電容充電）響應上升到穩態值的63.2%所需要時間為一個時間常數1，或者是電路零輸入（電容放電）響應衰減到初始值的36.8%所需要時間2。雖然真正電路到達穩定狀態所需要的時間為無限大，但通常認為經過（3-5）t的時間，過度過程就基本結束，電路進入穩態。三、實驗內容及步驟1、脈沖信號源在實際實驗中，采用全數控函數信號發生器的矩形波形做為實驗信號電源，由它產生一個固定頻率的矩形波，模擬階躍信號。在矩形波的前沿相當于接通直流電源，電容器通過電阻充電。矩形波后沿相當于電路短路，電容器通過電阻放電。矩形波周期性重復出現，電路就不斷的進行充電、放電。在仿真實驗中，選用PlaceSources

5、元器件庫里的時鐘源(Clock)作為脈沖信號源，它可以產生用戶設定的固定頻率矩形波，起到實際實驗中實驗信號電源的作用。在時鐘源元器件屬性(ClockProperties)對話框中，Value/Frequency選項可改變接地A通道B通道圖5-3)示波器圖標圖5-3(5)示波器面板指針1、2處讀數差指針2處讀數示波器的讀數為峰值指針1處讀數n-TII從Instruments元器，憎恢可調出示波器gcilop背景顏色所示，該示波器是雙通道的，其上的4個接線端分別是接地、【保存A通道和B通道。若被測電路已經接地，那么示波器可以不再接地,但在實際應用中常利用示波器的接地點以便于觀測。例如：欲測電路中a

6、、c兩點間的電壓波形和b、c兩點間的電壓波形（a、b、c并非被測電路的接地點），則可將A通道和B通道分別接到被測電路的a、b兩點上，示波器的接地點接到被測電路的c點上，則仿真后在示波器面板上觀測到的A通道顯示的波形即是被測電路a、c兩點之間的電壓波形，B通道顯示的波形即b、c兩點間的電壓波形，欲測任務也就完成了。鼠標雙擊示波器圖標后得到示波器的面板如上圖5-3（5）所示，各標識含義已在圖中標明。當點擊“Expand”（面板展開）后，即可看到如圖5-3（c）所示的示波器展開面板。該擴展面板與原面板上可設置的主要參數有：（1）時基（TimeBase）設置范圍：0.10nsls/Div（每個格子）時

7、基設置用于調整示波器橫坐標或X軸的數值。為了獲得易觀察的波形，時基的調整應與輸入信號的頻率成反比，即輸入信號頻率越高，時基就應越小，一般取輸入信號頻率的1/31/5較為合適。（2）X軸初始位置（X-Position）設置范圍：-5.005.00該項設置可改變信號在X軸上的初始位置。當該值為0時，信號將從屏幕的左邊緣開始顯示，正值從起始點往右移，負值反之。（3）工作方式（AxesY/T，A/B，B/A）Y/T工作方式用于顯示以時間（T）為橫坐標的波形；A/B和B/A工作方式用于顯示頻率和相位差，如李薩茹（Lissajous）圖形，相當于真實示波器上的X-Y或拉Y工作方式。也可用于顯示磁滯環（Hy

8、steresisLoop為當處于A/B工作方式時，波形在X軸上的數值取決于通道B的電壓靈敏度(V/Div)的設置(B/A工作方式時反之)。若要仔細分析所顯示的波形，應在儀器分析選項中選中“每屏暫停”(Pauseaftereachscreen)方式，要繼續觀察下一屏，可單擊工作界面右上角的“Resume”框，或按F9鍵。(4)電壓靈敏度(VoltsperDivision)設置范圍：0.01mV/Div5kV/Div該設置決定了縱坐標的比例尺，當然，若在A/B或B/A工作方式時也可以決定橫坐標的比例尺。為了使波形便于觀察，電壓靈敏度應調整為合適的數值。例如，當輸入一個3V的交流(AC)信號時，若電

9、壓靈敏度設定為1V/Div，則該信號的峰值顯示在示波器屏幕的頂端。電壓靈敏度的設定值增大，波形將減小；設定值減小，波形的頂部將被削去。(5)縱坐標起始位置(YPosition)設置范圍：-3.003.00該設置可改變Y軸起始點的位置，相當于給信號迭加了一個直流電平。當該值設為0.00時，Y軸的起始點位于原點，該值為1.00時，則表示將丫軸的起始點向上移一格(oneDivision),其表示的電壓值則取決于該通道電壓靈敏度的設置。改變通道A和通道B的Y軸起始點的位置，可使兩通道上的波形便于觀察和比較。(6)輸入耦合(InputCoupling)可設置類型：AC,0,DC當置于AC耦合方式時，僅顯

10、示信號中的交流分量。AC耦合是通過在示波器的輸入探頭中串聯電容(內置)的方式來實現的，像在真實的示波器上使用AC耦合方式一樣，波形在前幾個周期的顯示可能是不正確的，等到計算出其直流分量并將其去除后，波形就會正確地顯示。當置于DC耦合方式時，將顯示信號中交流分量和直流分量之和。當置于0時，相當于將輸入信號旁路，此時屏幕上會顯示一條水平基準線(觸發方式須選擇AUTO)（7）觸發（Trigger）觸發邊沿（TriggerEdge）若要首先顯示正斜率波形或上升信號，可單擊上升沿觸發按鈕；若要首先顯示負斜率波形或下降信號，可單擊下降沿觸發按鈕。觸發電平（TriggerLevel）設置范圍：-3.003.

11、00觸發電平是示波器縱坐標上的一點，它與被顯示波形一定要有相交點，否則屏幕上將沒有波形顯示（觸發信號為AUTO時除外）。觸發信號（Trigger）內觸發：由通道A或B的信號來觸發示波器內部的鋸齒波掃描電路。外觸發：由示波器面板上的外觸發輸入口（位于接地端下方）輸入一個觸發信號。如果需要顯示掃描基線，則應選擇AUTO觸發方式。（8）面板擴大（Expand）按下面板上的Expand按鈕可將示波器的屏幕擴大。若要記錄波形的準確數值，可將游標1（通道A）或游標2（通道B）拖到所需的位置，時間和電壓的具體測量數值將顯示在屏幕下面的方框里。根據需要還可將波形保存（所有文件名為*.SCP），用于以后的分析。

12、Reverse鍵用來選擇屏幕底色，按下Reduce鍵可恢復原狀態。雙通道示波器用于顯示電信號大小和頻率的變化，也可用于兩個波形的比較。當電路被激活后，若將示波器的探頭移到別的測試點時不需要重新激活該電路，屏幕上的顯示將被自動刷新為新測試點的波形。為了便于清楚地觀察波形，建議將連接到通道A和通道B的導線設置為不同的顏色。無論是在仿真過程中還是仿真結束后都可以改變示波器的設置，屏幕顯示將被自動刷新。若示波器的設置或分析選項改變后，需要提供更多的數據（如降低示波器的掃描速率等），則波形可能會出現突變或不均勻的現象，這時需將電路重新激活一次，以便獲得更多的數據。也可通過增加仿真時間步長（Simulat

13、ionTimeStep）來提高波形的精度。R的數據。也可通過增加仿真時間步長（SimulationTimeStep）來提高波形的精度。R300Ohm圖5-4RC過渡過程電路圖圖5-5RC過渡過程EWB仿真實驗電路圖如圖5-4所示，在本實驗中，當信號源發出的方波由低電平向高電平跳變時，電路發生零狀態響應，通過示波器可以觀測到UR、UC的波形；當信號源發出的方波由高電平向低電平跳變時，電路發生零輸入響應，同樣可通過示波器觀測UR、UC的波形。若觀測到的兩組波形符合R、C零狀態、零輸入響應的理論波形（可與前述實驗原理部分對照），則該實驗測量部分即成功完成。3、實驗步驟打開multisim軟件，選中主

14、菜單View選項中的Showgrid，使得繪圖區域中出現均勻的網格線，并將繪圖尺寸調節到最佳。在PlaceSources元器件庫中調出1個Ground（接地點）和1個Clock（時鐘源）器件，從PlaceBasic元器件庫中調出1個Resistor（電阻）和1個Capacitor（電容）器件，最后從Instruments元器件庫中調出Oscilloscope（示波器）器件，按圖5-5所示排列好。雙擊Clock(時鐘源)器件，得到其對應的元器件屬性(ClockProperties)對話框，在Value/Frequency里修改信號源發出方波的頻率，本實驗頻率選擇默認的1000Hz；在Value/

15、Dutycycle里修改方波的占空比，本實驗選擇默認的50%;在Value/Voltage里修改方波電壓的幅值，本實驗選擇2V。改變電阻R的阻值為3000，電容C的容量為0.1pF。(4)將示波器的接地點接到被測電路R、C之間，將A通道接到信號源與電阻R之間，并通過雙擊連線改變連線的顏色為紅色，將B通道接到電容C的負端即被測電路的接地點上，同時改變連線的顏色為綠色。(顏色可自選，但盡量使A,B兩通道連線顏色區分開)。這樣連線后，A通道顯示的是UR波形，B通道顯示的是(-UC)的波形。將電路中其他器件亦通過連線連接起來。檢查電路有無錯誤。(7)對該繪圖文件進行保存，注意文件的擴展名(.sm10)

16、要保留。(8)按下multisim界面右上方按紐“1”對該保存過的繪圖文件進行仿真。(9)按下multisim界面右上方按紐“0”停止仿真，雙擊示波器圖標，在示波器的展開面板上觀測A,B通道顯示的波形，將UR、UC的波形曲線通過坐標紙記錄下來(見“實驗報告”)。(10)將電阻R的阻值重新設定為8000,然后按實驗步驟(5)(10)重新做一遍并記錄波形曲線。(11)實驗完成后，將保存好的繪圖文件另存到教師指定的位置，并結合實驗數據完成實驗報告的撰寫。四、注意事項1、每個電路中均必須接有接地點，且與電路可靠連接（即接地點與電路的連接處有黑色的結點出現）。2、改變電阻的阻值時，需要在Resistor

17、（電阻）器件的元器件屬性（ResistorProperties）對話框中選擇Value/Resistance（R）選項，在其后的框中填寫阻值，前一框為數值框，后一框為數量級框，填寫時注意兩個框的不同。3、繪制好的實驗電路必須經認真檢查后方可進行仿真。若仿真出錯或者實驗結果明顯偏離實際值，請停止仿真后仔細檢查電路是否連線正確、接地點連接是否有誤等情況，排除誤點后再進行仿真，直到仿真正確、觀測得到理想的波形。4、若按圖5-中示波器的連線方法，則在B通道上觀測到的是（-UC）的波形，要求記錄在坐標紙上的是UC的波形，故需將觀測到的（-UC）的波形通過關于橫軸對稱的方式轉換成UC的波形，然后再記錄。此

18、點需特別注意。5、文件保存時擴展名為“.ewb”。關閉文件或EWB軟件后想再次打開保存后的文件時，必須打開EWB軟件后通過主菜單File/open選項或者工具欄中的“打開”快捷鍵來實現。五、實驗拓展示波器的接法有很多種，本實驗采用的是其中一種。請同學思考示波器的其他接入被測電路的方法，也可觀測到UR、UC的波形。可提出多種解決方案。六、預習要求1、認真復習電路的暫態分析理論內容。2、理解實驗目的、明確實驗內容及步驟。七、思考題1、在RC串聯電路中，電容充電上升到穩態值的多少所需要時間為一個時間常數T?2、在RC串聯電路中，電容放電衰減到初始值的多少所需要時間為一個時間常數T？3、通常認為電路從暫態到達穩定狀態所需要多少時間?八、實驗報告1、寫出實驗名稱、實驗目的、實驗內容及步驟。2、用坐標紙繪制所觀察到的Ur、U的波形圖（只畫一個周期）:RC解:800QXSC1先300解:800QXSC1先300歐姆后800歐姆圖-零狀態響應電路圖（電容器充電過程