电路分析实验箱--RC一阶电路的动态过程研究实验

一、实验目的
1、测定RC一阶电路的零输入响应、零状态响应及完全响应。
2、学习电路时间常数的测量方法。
3、掌握有关微分电路和积分电路的概念。
4、进一步学会用示波器观测波形。
 
二、实验原理
1、动态网络的过渡过程是十分短暂的单次变化过程。对时间常数τ较大的电路，可用慢扫描长余辉示波器观察光点移动的轨迹。而要用普通的示波器观察过渡过程和测量有关的参数，就必须使这次单次变化的过程重复出现。为此，我们利用信号发生器输出的方波来模拟阶跃激励信号，即利用方波输出的上升沿作为零状态响应的正阶跃激励信号；利用方波的下降沿作为零输入响应的负阶跃激励信号。只要选择方波的重复周期大于电路的时间常数τ，那么电路在这样的方波序列脉冲信号的激励下，其响应就和直流电接通与断开的过渡过程是基本相同的。
2、图8-1所示的RC一阶电路的零输入响应与零状态响应分别按指数规律衰减与增长，其变化的快慢决定于电路的时间常数τ。

图 8-1
3、时间常数τ的测定方法：
用示波器测量零输入响应的波形如图8-1(a)所示。根据一阶微分方程的求解得知。当t=τ时，U_C(τ)=0.368U_m。此时所对应的时间就等于τ。亦可用零状态响应波形增加到0.632U_m所对应的时间测得，如图8-1(c)所示。
4、微分电路和积分电路是RC一阶电路中较典型的电路，它对电路元件参数和输入信号的周期有着特定的要求。
一个简单的RC串联电路，在方波序列脉冲的重复激励下，当满足τ=RC<<T/2时（T为方波脉冲的重复周期），且由R两端的电压作为响应输出，则该电路就是一个微分电路。因为此时电路的输出信号电压与输入信号电压的微分成正比。如图8-2（a）。利用微分电路可以将方波转变成冲激脉冲。

图8-2
若将图8-2(a)中的R与C位置调换一下，如图8-2(b)所示，由C两端的电压作为响应输出，且当电路的参数满足τ=RC >>T/2，则该RC电路称为积分电路。因为此时电路的输出信号电压与输入信号电压的积分成正比。利用积分电路可以将方波转变成三角波。
从输入输出波形来看，上述两个电路均起着波形变换的作用，请在实验过程中仔细观察和记录。
 
三、实验设备

序号	名   称	型号与规格	数量	备注
1	脉冲信号发生器		1
2	双踪示波器		1

四、实验内容
实验线路板的结构如图8-3所示。

图8-3 动态电路、选频电路实验电路
 
1、在一阶电路单元上选择R、C元件，令R1=10KΩ，C=3300PF，
组成如图8-1(b)所示的RC充放电电路。U_S为脉冲信号发生器输出的Um=3V，f=1KHz的方波电压信号，并通过两根同轴电缆线，将激励源U_S和响应U_C的信号分别连至示波器的两个输入口YA和YB，这时可在示波器的屏幕上观察到激励与响应的变化规律，测算出时间常数τ，并用方格纸按1:1的比例描绘波形。
少量改变电容值或电阻值，定性观察对响应的影响，记录观察到的现象。
2、令R=10KΩ，C=0.1µF，组成如图8-2(a)所示的微分电路。在同样的方波激励信号（Um=3V，f=1KHz）作用下，观测并描绘激励与响应的波形。
增减R之值，定性地观察对响应的影响，并作记录。当R增至1MΩ时，输入输出波形有何本质上的区别？

五、实验注意事项
1、调节电子仪器各旋钮时，动作不要过快、过猛。实验前，需熟读双踪示波器的使用说明书。特别是观察双踪时，要特别注意相应开关、旋钮的操作与调节。
2、信号源的接地端与示波器的接地端要连在一起（称共地），以防外界干扰而影响测量的准确性。
3、示波器的辉度不应过亮，尤其是光点长期停留在荧光屏上不动时，应将辉度调暗，以延长示波管的使用寿命。
 
六、预习思考题
1、什么样的电信号可作为RC一阶电路零输入响应、零状态响应和全响应的激励源？
2、已知RC一阶电路R=10KΩ，C=0.1µF，试计算时间常数τ，并根据τ值的物理意义，拟定测量τ的方案。
3、何谓积分电路和微分电路，它们必须具有什么条件？它们在方波序列脉冲的激励下，其输出信号波形的变化规律如何？这两种电路有何功用？
4、预习要求：熟读仪器使用说明，回答上述问题，准备方格纸。
 
七、实验报告
1、根据实验观测结果，在方格纸上绘出RC一阶电路充放电时U_C的变化曲线，由曲线测得τ值，并与参数值的计算结果作比较，分析误差原因。
2、根据实验观测结果，归纳、总结积分电路和微分电路的形成条件，阐明波形变换的特征。