電路分析實驗箱--RC一階電路的動態過程研究實驗
一、實驗目的
1、測定RC一階電路的零輸入響應、零狀態響應及完全響應。
2、學習電路時間常數的測量方法。
3、掌握有關微分電路和積分電路的概念。
4、進一步學會用示波器觀測波形。
二、實驗原理
1、動態網絡的過渡過程是十分短暫的單次變化過程。對時間常數τ較大的電路，可用慢掃描長余輝示波器觀察光點移動的軌跡。而要用普通的示波器觀察過渡過程和測量有關的參數，就必須使這次單次變化的過程重復出現。為此，我們利用信號發生器輸出的方波來模擬階躍激勵信號，即利用方波輸出的上升沿作為零狀態響應的正階躍激勵信號；利用方波的下降沿作為零輸入響應的負階躍激勵信號。只要選擇方波的重復周期大于電路的時間常數τ，那么電路在這樣的方波序列脈沖信號的激勵下，其響應就和直流電接通與斷開的過渡過程是基本相同的。
2、圖8-1所示的RC一階電路的零輸入響應與零狀態響應分別按指數規律衰減與增長，其變化的快慢決定于電路的時間常數τ。
圖 8-1
3、時間常數τ的測定方法：
用示波器測量零輸入響應的波形如圖8-1(a)所示。根據一階微分方程的求解得知
。當t=τ時，U
C(τ)=0.368U
m。此時所對應的時間就等于τ。亦可用零狀態響應波形增加到0.632U
m所對應的時間測得，如圖8-1(c)所示。
4、微分電路和積分電路是RC一階電路中較典型的電路，它對電路元件參數和輸入信號的周期有著特定的要求。
一個簡單的RC串聯電路，在方波序列脈沖的重復激勵下，當滿足τ=RC<<T/2時（T為方波脈沖的重復周期），且由R兩端的電壓作為響應輸出，則該電路就是一個微分電路。因為此時電路的輸出信號電壓與輸入信號電壓的微分成正比。如圖8-2（a）。利用微分電路可以將方波轉變成沖激脈沖。
圖8-2
若將圖8-2(a)中的R與C位置調換一下，如圖8-2(b)所示，由C兩端的電壓作為響應輸出，且當電路的參數滿足τ=RC >>T/2，則該RC電路稱為積分電路。因為此時電路的輸出信號電壓與輸入信號電壓的積分成正比。利用積分電路可以將方波轉變成三角波。
從輸入輸出波形來看，上述兩個電路均起著波形變換的作用，請在實驗過程中仔細觀察和記錄。
三、實驗設備
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序號 |
名 稱 |
型號與規格 |
數量 |
備注 |
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1 |
脈沖信號發生器 |
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1 |
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2 |
雙蹤示波器 |
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1 |
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四、實驗內容
實驗線路板的結構如圖8-3所示。
圖8-3 動態電路、選頻電路實驗電路
1、在一階電路單元上選擇R、C元件，令R1=10KΩ，C=3300PF，
組成如圖8-1(b)所示的RC充放電電路。U
S為脈沖信號發生器輸出的Um=3V，f=1KHz的方波電壓信號，并通過兩根同軸電纜線，將激勵源U
S和響應U
C的信號分別連至示波器的兩個輸入口YA和YB，這時可在示波器的屏幕上觀察到激勵與響應的變化規律，測算出時間常數τ，并用方格紙按1:1的比例描繪波形。
少量改變電容值或電阻值，定性觀察對響應的影響，記錄觀察到的現象。
2、令R=10KΩ，C=0.1µF，組成如圖8-2(a)所示的微分電路。在同樣的方波激勵信號（Um=3V，f=1KHz）作用下，觀測并描繪激勵與響應的波形。
增減R之值，定性地觀察對響應的影響，并作記錄。當R增至1MΩ時，輸入輸出波形有何本質上的區別？
五、實驗注意事項
1、調節電子儀器各旋鈕時，動作不要過快、過猛。實驗前，需熟讀雙蹤示波器的使用說明書。特別是觀察雙蹤時，要特別注意相應開關、旋鈕的操作與調節。
2、信號源的接地端與示波器的接地端要連在一起（稱共地），以防外界干擾而影響測量的準確性。
3、示波器的輝度不應過亮，尤其是光點長期停留在熒光屏上不動時，應將輝度調暗，以延長示波管的使用壽命。
六、預習思考題
1、什么樣的電信號可作為RC一階電路零輸入響應、零狀態響應和全響應的激勵源？
2、已知RC一階電路R=10KΩ，C=0.1µF，試計算時間常數τ，并根據τ值的物理意義，擬定測量τ的方案。
3、何謂積分電路和微分電路，它們必須具有什么條件？它們在方波序列脈沖的激勵下，其輸出信號波形的變化規律如何？這兩種電路有何功用？
4、預習要求：熟讀儀器使用說明，回答上述問題，準備方格紙。
七、實驗報告
1、根據實驗觀測結果，在方格紙上繪出RC一階電路充放電時U
C的變化曲線，由曲線測得τ值，并與參數值的計算結果作比較，分析誤差原因。
2、根據實驗觀測結果，歸納、總結積分電路和微分電路的形成條件，闡明波形變換的特征。
