電路分析基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn) 課件 呂偉鋒 第3章 動(dòng)態(tài)電路及其響應(yīng)

一階動(dòng)態(tài)電路及其應(yīng)用課程：電路分析基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)（電路與電子線路實(shí)驗(yàn)1）

一階動(dòng)態(tài)電路及其應(yīng)用掌握一階動(dòng)態(tài)電路各類響應(yīng)的特點(diǎn)和規(guī)律。掌握用示波器觀察波形并測(cè)量一階動(dòng)態(tài)電路時(shí)間常數(shù)的方法。理解積分、微分電路的設(shè)計(jì)。會(huì)用集成電路555芯片結(jié)合一階動(dòng)態(tài)電路設(shè)計(jì)脈沖波。一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

一階動(dòng)態(tài)電路及其應(yīng)用二.實(shí)驗(yàn)儀器序號(hào)儀器名稱型號(hào)或規(guī)格主要功能1函數(shù)信號(hào)發(fā)生器

2雙蹤示波器

3數(shù)字萬用表

4電工電路實(shí)驗(yàn)臺(tái)SBL系列

5九孔方板及元器件

一階動(dòng)態(tài)電路及其應(yīng)用三.實(shí)驗(yàn)原理1.一階動(dòng)態(tài)電路充放電規(guī)律及應(yīng)用以一階RC電路為例，零狀態(tài)響應(yīng)時(shí)，電容電壓由零通過電阻充電到穩(wěn)態(tài)值，電容電壓變化過程可表示為

零輸入響應(yīng)時(shí)，電容電壓通過電阻放電到零，這一階段電容電壓的響應(yīng)可表示為

一階動(dòng)態(tài)電路及其應(yīng)用三.實(shí)驗(yàn)原理1.一階動(dòng)態(tài)電路充放電規(guī)律及應(yīng)用為便于用示波器觀測(cè)波形，直流電壓源變成可重復(fù)的方波信號(hào)。只要方波周期足夠長(zhǎng)，在其作用期間，電路的暫穩(wěn)態(tài)過程結(jié)束，則方波正脈寬引起零狀態(tài)響應(yīng)，負(fù)脈寬引起零輸入響應(yīng)。這樣即可實(shí)現(xiàn)對(duì)RC電路兩種響應(yīng)的觀察，如圖3.1.1所示。圖3.1.1

方波激勵(lì)下vc(t)和vR(t)波形

一階動(dòng)態(tài)電路及其應(yīng)用三.實(shí)驗(yàn)原理1.一階動(dòng)態(tài)電路充放電規(guī)律及應(yīng)用一階RC電路的響應(yīng)按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)或衰減，如圖3.1.2所示。電壓由0上升至Vs/2需時(shí)間Δt=0.69τ。因此用示波器測(cè)量動(dòng)態(tài)電路的時(shí)間常數(shù)τ，只要從示波器上讀出Δt，再利用Δt/0.69即可求得。圖3.1.2

一階RC電路電容的暫態(tài)響應(yīng)波形

一階動(dòng)態(tài)電路及其應(yīng)用三.實(shí)驗(yàn)原理1.一階動(dòng)態(tài)電路充放電規(guī)律及應(yīng)用RC電路在不同激勵(lì)條件下，且當(dāng)電路的元件參數(shù)和輸入信號(hào)的周期之間存在某種特定的關(guān)系時(shí)，可構(gòu)成簡(jiǎn)單的積分和微分電路，起到波形變換的作用。圖3.1.3

積分、微分電路及其響應(yīng)

一階動(dòng)態(tài)電路及其應(yīng)用三.實(shí)驗(yàn)原理2.基于集成芯片555定時(shí)器的應(yīng)用集成芯片555是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的集成定時(shí)器，可在4.5~16V工作。該定時(shí)器成本低，性能可靠，只需外接幾個(gè)電阻、電容，就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路功能。圖3.1.4

555引腳圖

一階動(dòng)態(tài)電路及其應(yīng)用三.實(shí)驗(yàn)原理2.基于集成芯片555定時(shí)器的應(yīng)用圖3.1.6(a)所示是一個(gè)多穩(wěn)態(tài)電路，此時(shí)555如同一個(gè)自動(dòng)電壓控制開關(guān)，其工作過程依次重復(fù)，使得輸出為脈沖波形。波形如圖3.1.6(b)所示。（a）（b）圖3.1.6

多諧振蕩器電路和波形暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間:t1=0.69(R1+R2)C;t2=0.69R2C脈沖周期:T=t1+t2占空比:D=t1/T

一階動(dòng)態(tài)電路及其應(yīng)用四.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1.一階RC電路暫態(tài)響應(yīng)的觀察及τ值的測(cè)量(1)按圖3.1.2(a)連接電路，圖中Vs為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器提供的方波信號(hào)vs(t)，輸出信號(hào)vo(t)=vc用示波器觀察并測(cè)量。(2)將函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)通過同軸電纜線接入實(shí)驗(yàn)電路的輸入端和示波器的CH1通道。(3)將電路輸出接入示波器CH2通道。注意輸入、輸出的接地端保持“共地”。

一階動(dòng)態(tài)電路及其應(yīng)用四.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1.一階RC電路暫態(tài)響應(yīng)的觀察及τ值的測(cè)量(4)輸入耦合方式開關(guān)置于“DC”檔，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器使之輸出Vp-p=4V，f=500~1000Hz的方波，觀察并記錄CH1和CH2通道信號(hào)的波形。(5)保持輸入信號(hào)不變，改變R和C的參數(shù)，觀察輸出響應(yīng)波形。了解時(shí)間常數(shù)改變對(duì)電路響應(yīng)的影響。

一階動(dòng)態(tài)電路及其應(yīng)用四.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟2.積分電路和微分電路的觀測(cè)(1)根據(jù)積分電路和微分電路的形成條件，保持原方波信號(hào)，選擇合適的R、C元件，組成如圖3.1.3(a)、(b)所示的積分電路和微分電路。觀測(cè)并描繪在此激勵(lì)信號(hào)作用下響應(yīng)vo的波形。(2)在不改變信號(hào)激勵(lì)頻率和積分電路條件的情況下，改變R或C的值，觀測(cè)并描繪響應(yīng)的波形，記錄相關(guān)元件參數(shù)。

一階動(dòng)態(tài)電路及其應(yīng)用四.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟3.一階RL電路響應(yīng)的研究一階RL電路與一階RC電路具有對(duì)偶關(guān)系，仿照一階RC電路的研究，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)一階RL電路的觀測(cè)及時(shí)間常數(shù)測(cè)量，研究電路參數(shù)對(duì)響應(yīng)的影響，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)RL積分和微分電路。

一階動(dòng)態(tài)電路及其應(yīng)用四.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟4.555多諧振蕩實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)用555定時(shí)器設(shè)計(jì)一個(gè)符合要求的脈沖波，通過實(shí)際測(cè)量驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)論。(1)頻率為300Hz、450Hz、660Hz、850Hz或1500Hz其中之一。(2)頻率為1kHz，占空比為3/5、2/3、3/4、4/5、0.9其中之一。(3)只改變一個(gè)元件，使頻率從300Hz至30KHz粗調(diào)，但占空比不變。(4)只改變一個(gè)元件，使頻率從4kHz至10kHz變化，同時(shí)占空比從0.6至0.9變化；或頻率從2kHz至5kHz變化，同時(shí)占空比也從0.6至0.9變化。

一階動(dòng)態(tài)電路及其應(yīng)用五.實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1.輸入輸出信號(hào)須共地，同軸電纜線信號(hào)端和接地端不能調(diào)換。2.電阻電容元件要選取合適，使輸出不要太小或太大，否則會(huì)增加信號(hào)觀測(cè)難度。

一階動(dòng)態(tài)電路及其應(yīng)用六.實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)思考題1.怎樣的電信號(hào)同時(shí)可作為一階動(dòng)態(tài)電路零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)和完全響應(yīng)的激勵(lì)信號(hào)？2.試推導(dǎo)原理中測(cè)量時(shí)間常數(shù)τ的計(jì)算過程。3.了解555芯片的工作原理并設(shè)計(jì)元器件參數(shù)。

一階動(dòng)態(tài)電路及其應(yīng)用七.實(shí)驗(yàn)總結(jié)題根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果，歸納、總結(jié)積分、微分電路的形成條件，說明波形變換的特征。若將一階RC電路改為一階RL電路，對(duì)于方波激勵(lì)，分析電路的響應(yīng)波形。根據(jù)555多諧振蕩實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)、波形給出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。寫出實(shí)驗(yàn)總結(jié)、收獲或體會(huì)。二階動(dòng)態(tài)電路響應(yīng)及觀測(cè)課程：電路分析基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)（電路與電子線路實(shí)驗(yàn)1）

二階動(dòng)態(tài)電路響應(yīng)及觀測(cè)觀測(cè)二階動(dòng)態(tài)電路響應(yīng)的特點(diǎn)和規(guī)律了解二階動(dòng)態(tài)電路元件參數(shù)對(duì)響應(yīng)的影響鞏固和加強(qiáng)電子測(cè)量?jī)x器的使用能力一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

二階動(dòng)態(tài)電路響應(yīng)及觀測(cè)二.實(shí)驗(yàn)儀器序號(hào)儀器名稱型號(hào)或規(guī)格主要功能及特點(diǎn)1雙蹤示波器

2功率函數(shù)信號(hào)發(fā)生器

3九孔方板及元件

二階動(dòng)態(tài)電路響應(yīng)及觀測(cè)三.實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)電路中含有兩個(gè)獨(dú)立的儲(chǔ)能元件時(shí)就構(gòu)成二階動(dòng)態(tài)電路。圖3.2.1所示為二階RLC串聯(lián)電路。圖3.2.1

二階RLC串聯(lián)電路

二階動(dòng)態(tài)電路響應(yīng)及觀測(cè)三.實(shí)驗(yàn)原理以零輸入響應(yīng)為例，此時(shí)電路方程為特征根：衰減系數(shù)：諧振角頻率：s1、s2決定了零輸入響應(yīng)的形式。根據(jù)R、L、C元件參數(shù)的不同，電路可能會(huì)出現(xiàn)過阻尼、臨界阻尼、欠阻尼三種情況。

二階動(dòng)態(tài)電路響應(yīng)及觀測(cè)三.實(shí)驗(yàn)原理1.過阻尼當(dāng)

，即

時(shí)為過阻尼情況，這時(shí)s1、s2為兩不相等的負(fù)實(shí)根，其解形式為

。此時(shí)電路響應(yīng)是非振蕩衰減的。2.臨界阻尼當(dāng)

，即

時(shí)為臨界阻尼情況，這時(shí)s1=s2=-α為相等負(fù)實(shí)根，其解形式為

。

此時(shí)電路響應(yīng)也是非振蕩衰減的，但是這種過程是振蕩和非振蕩的分界線。

二階動(dòng)態(tài)電路響應(yīng)及觀測(cè)三.實(shí)驗(yàn)原理3.欠阻尼當(dāng)

，即

時(shí)為欠阻尼情況，這時(shí)s1、s2為一對(duì)共軛復(fù)數(shù)，其解形式為

，其中

。此時(shí)的響應(yīng)是衰減振蕩，如圖3.2.2所示。

圖3.2.2

二階動(dòng)態(tài)電路欠阻尼振蕩波形

二階動(dòng)態(tài)電路響應(yīng)及觀測(cè)四.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1.觀測(cè)三種狀態(tài)電路響應(yīng)(基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)）(1)按圖3.2.3所示連接電路和儀器，將圖中的vc信號(hào)送入示波器的CH1通道，vR信號(hào)送入示波器的CH2通道。圖3.2.3

實(shí)驗(yàn)電路和參數(shù)

二階動(dòng)態(tài)電路響應(yīng)及觀測(cè)四.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1.觀測(cè)三種狀態(tài)電路響應(yīng)(基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn))(2)在電路的vin處輸入VP-P=2V，f=1kHz的方波作為電路的激勵(lì)，調(diào)節(jié)電位器的阻值，使電路處于過阻尼狀態(tài)，觀測(cè)并繪制vc、vR(IL)的波形圖。(3)改變電位器的阻值，使電路處于臨界阻尼狀態(tài)，觀測(cè)并繪制vc、vR(IL)的波形圖。(4)繼續(xù)改變電位器的阻值，使電路處于欠阻尼狀態(tài)。觀測(cè)并繪制vc、vR(IL)的波形圖。

二階動(dòng)態(tài)電路響應(yīng)及觀測(cè)四.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟2.測(cè)振蕩角頻率

的值(基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn))在欠阻尼時(shí)，從示波器上測(cè)得

的值，并將其與實(shí)際計(jì)算進(jìn)行比較。3.狀態(tài)軌跡的顯示和觀測(cè)(提高要求）將示波器X-Y開關(guān)打開，觀測(cè)并記錄狀態(tài)變量vc、IL(vR)形成的軌跡。

二階動(dòng)態(tài)電路響應(yīng)及觀測(cè)五.實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1.為了使瞬態(tài)過程周期性重復(fù)出現(xiàn)便于示波器觀察，可用階躍信號(hào)代替方波激勵(lì)。2.觀測(cè)vc信號(hào)的同軸電纜的兩個(gè)夾子，分別接v