一階電路和二階電路的動態(tài)響應(yīng)

1、一階電路和二階電路的動態(tài)響應(yīng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握一階電路的動態(tài)響應(yīng)特性測試方法2、掌握Multisim 軟件中函數(shù)發(fā)生器、示波器和波特圖儀的使用方法3、深刻理解和掌握零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)及完全響應(yīng)4、深刻理解欠阻尼、臨界、過阻尼的意義5、研究電路元件參數(shù)對二階電路動態(tài)響應(yīng)的影響6、掌握Multisim 軟件中的Transient Analysis 等仿真分析方法 二、實(shí)驗(yàn)原理1、一階電路的動態(tài)響應(yīng)電路的全響應(yīng):u c (t=U 0e -t/RC +U s (1-e -t/RC (t>=0 (1零輸入響應(yīng) u c (t=U 0e -t/RC (t>=0輸出波形單調(diào)下降。當(dāng)t=RC

2、時(shí), u c (=U 0/e=0.368U 0,成為該電路的時(shí)間常數(shù)。 (2零狀態(tài)響應(yīng) u c (t=U s (1-e -t/RC u(t電容電壓由零逐漸上升到U s ,電路時(shí)間常數(shù)=RC 決定上升的快慢。 2、用二階微分方程描述的動態(tài)電路稱為二階電路。圖所示的線性RLC 串聯(lián)電路是一個(gè)典型的二階電路。 定義:衰減系數(shù)(阻尼系數(shù)LR2= 自由振蕩角頻率(固有頻率LC10= (1零輸入響應(yīng)動態(tài)電路在沒有外施激勵時(shí),由動態(tài)元件的初始儲能引起的響應(yīng),稱為零輸入響應(yīng)。u Lt mU 0 CLR 2>,響應(yīng)是非振蕩性的,稱為過阻尼情況。響應(yīng)曲線如圖所示 CL R 2= ,響應(yīng)臨界振蕩,稱為臨界阻尼

3、情況。響應(yīng)曲線如CL R 2<,響應(yīng)是振蕩性的,稱為欠阻尼情況。響應(yīng)曲線如圖U 0二階電路的欠阻尼過程當(dāng)R =0時(shí),響應(yīng)是等幅振蕩性的,稱為無阻尼情況。響應(yīng)曲線如圖t二階電路的無阻尼過程 其中衰減振蕩角頻率222d2LRLC1-=-=,darctan=(2零狀態(tài)響應(yīng)動態(tài)電路的初始儲能為零,由外施激勵引起的電路響應(yīng),稱為零輸入響應(yīng)。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、用multisim研究一階電路的動態(tài)響應(yīng) (2初始條件如圖所示,t=0電路閉合,分別仿真出電容上電壓(從零時(shí)刻開始的波形,說明各屬于什么響應(yīng)?三種情況下分別測量電容電壓達(dá)到3v所用的時(shí)間。 屬于零狀態(tài)響應(yīng)到3V所用時(shí)間為91.8071u 屬于零輸

4、入響應(yīng)到3V所用時(shí)間為51.3782u 屬于全響應(yīng)到3V所用時(shí)間為40.8529u(3 寫出三種情況下電容電壓隨時(shí)間的函數(shù)表達(dá)式,并分別計(jì)算出電容電壓為3V時(shí)的時(shí)間。Uc=5*(1-e(-t*108 電壓為3V所用時(shí)間為:91.6291usUc=5*e(-t*108 電壓為3V所用時(shí)間為:51.0862usUc=5-3*e(-t*108 電壓為3V所用時(shí)間為:40.5466us (4 根據(jù)(2(3的結(jié)果,解釋RC電路如何實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能、上電低電平復(fù)位功能、上電高電平復(fù)位功能?實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能:由(2(3知,對于一個(gè)確定電路,電容電壓確定,達(dá)到此電壓的時(shí)間也就確定。因此要實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能,只要達(dá)到此時(shí)間所

5、對應(yīng)的電容電壓值,時(shí)間也就達(dá)到了。對于需要的定的時(shí)間t,帶入實(shí)驗(yàn)電路所對應(yīng)的電容電壓公式,求出對應(yīng)的電容電壓值,當(dāng)電路中電容電壓達(dá)到此值時(shí),此時(shí)時(shí)間一定是預(yù)定時(shí)間t。實(shí)現(xiàn)上電低電平復(fù)位功能:上電低電平復(fù)位功能是因?yàn)閯偵想姇r(shí)電容可以視為短路,復(fù)位腳為低,然后電容逐漸充電,一段時(shí)間后電容上端為高,這就符合了復(fù)位引腳的需要,實(shí)現(xiàn)了上電低電平復(fù)位。實(shí)現(xiàn)上電高電平復(fù)位功能:上電高電平復(fù)位功能是因?yàn)橥娝查g電容可以當(dāng)作短路,所以RST腳為高電平。隨著電容充電,穩(wěn)定后VCC的電壓實(shí)際上是加在電容上的。電容下極板也就是RST腳最終為0V。這樣RST持續(xù)一段時(shí)間高電平后最終穩(wěn)定在低電平,高電平持續(xù)時(shí)間由RC時(shí)間

6、常數(shù)決定。(5在圖1(a的輸入端加占空比為50%、幅度為5v、頻率分別為0.5k、1k、2k、5k的方波信號,分別仿真輸出端的波形,并在同一圖中畫出輸入方波和四種輸出波形。說明隨著輸入信號的頻率升高,輸出信號有何變化?根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,定性說明一階RC電路的時(shí)間常數(shù)與傳輸速率的關(guān)系。輸入0.5K 輸入1K 輸入2K 輸入5K 隨著輸入信號的頻率升高,輸出信號穩(wěn)定所需時(shí)間越來越短,輸出信號的幅度值越來越小。一階RC電路的時(shí)間常數(shù)越大傳輸速率越小。2、用Multisim研究二階電路的動態(tài)特性(1實(shí)驗(yàn)電路 (2初始條件、電感及電容的值如圖所示,t=0電路閉合。計(jì)算臨界阻尼時(shí)的R值。并分別仿真R1=R/3

7、、R和3R三種情況下電容上的電壓,在同一張圖上畫出輸入及三種情況的輸出響應(yīng)曲線。說明各屬于什么響應(yīng)(欠阻尼、臨界及過阻尼。經(jīng)計(jì)算得臨界阻尼R=632.46歐 R/3欠阻尼狀態(tài) R臨界阻尼狀態(tài) 3R過阻尼狀態(tài)(3從(2的仿真曲線上分別測量出電容上的電壓相對誤差小于1%所需要的時(shí)間。定性說明哪種響應(yīng)輸出最先穩(wěn)定?哪種響應(yīng)輸出穩(wěn)定最慢? 由圖知所需時(shí)間為460.1266微秒 由圖知所需時(shí)間為205.6658微秒由圖知所需時(shí)間為 854.0146 微秒 臨界阻尼狀態(tài)響應(yīng)最先穩(wěn)定 過阻尼狀態(tài)響應(yīng)的最后穩(wěn)定 （4）輸入頻率為 500Hz、占空比為 50%、振幅為 10V 的時(shí)鐘信號，仿 真電阻 R1=R/

8、3、R 和 3R 三種情況下電容上的輸出電壓波形（3 個(gè)周 期） ，在同一張圖中畫出輸入信號和輸出信號三條曲線，根據(jù)仿真曲 線，說明在同樣的誤差范圍，哪種電路傳輸?shù)男盘査俾首罡?？哪種電 路傳輸?shù)男盘査俾首畹停?由仿真可知， 在同樣誤差允許范圍內(nèi) R 越大信號傳輸速率越低 R 越小 信號傳輸速率越高 四、實(shí)驗(yàn)總結(jié) 通過此次實(shí)驗(yàn)對以下幾個(gè)方面有了深刻體會： 1、對 Multisim 軟件中函數(shù)發(fā)生器、示波器和波特圖儀的使用方法及 Transient Analysis 等仿真分析方法有了更深了解； 2、深刻理解和掌握了零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)及全響應(yīng) 3、深刻理解欠阻尼、臨界、過阻尼的意義 4、初步對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)際問題結(jié)合有了認(rèn)識