實驗五-一階RC電路的過渡過程的multisim實驗

實驗五一階RC電路的過渡過程實驗一、實驗?zāi)康?、研究RC串聯(lián)電路的過渡過程。2、研究元件參數(shù)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(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)條件改變，就要過渡到新的穩(wěn)定狀態(tài)。從一種穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一種新的穩(wěn)定狀態(tài)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(tài)成為暫態(tài)，因而過渡過程又稱為暫態(tài)過程。1、RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)（電容C充電）在圖5-1(a)所示RC串聯(lián)電路，開關(guān)S在未合上之前電容元件未充電，在t=0時將開關(guān)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。此時電路的響應(yīng)叫零狀態(tài)響應(yīng)，也就是電容充電的過程。(a)(b)圖5-1RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)電路及uC、uR、i隨時間變化曲線根據(jù)基爾霍夫電壓定律，列出t0時電路的微分方程為(注：)電容元件兩端電壓為其隨時間的變化曲線如圖5－1(b)所示。電壓uc按指數(shù)規(guī)律隨時間增長而趨于穩(wěn)定值。電路中的電流為電阻上的電壓為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(yīng)（電容C放電）在圖5－2（a）所示,RC串聯(lián)電路。開關(guān)S在位置2時電容已充電，電容上的電壓uC=U0，電路處于穩(wěn)定狀態(tài)。在t=0時將開關(guān)從位置2轉(zhuǎn)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(jīng)過電阻R開始放電。此時電路的響應(yīng)叫零輸入響應(yīng)，也就是電容放電的過程。(a)(b)圖5－2RC電路的零輸入響應(yīng)電路及uC、uR、i隨時間變化曲線根據(jù)基爾霍夫電壓定律，列出t0時的電路微分方程為電容兩端電壓為其隨時間變化曲線如圖5-2(b)所示。它的初始值為U0，按指數(shù)規(guī)律衰減而趨于零。=RC式中=RC，叫時間常數(shù)，它所反映了電路過渡過程所用時間的長短，越大過渡時間就越長。電路中的電流為電阻上電壓為其隨時間變化曲線如圖5-2(b)所示。3、時間常數(shù)τ在RC串聯(lián)電路中，τ為電路的時間常數(shù)。在電路的零狀態(tài)（電容充電）響應(yīng)上升到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所需要時間為一個時間常數(shù)τ，或者是電路零輸入（電容放電）響應(yīng)衰減到初始值的36.8%所需要時間[2]。雖然真正電路到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時間為無限大，但通常認(rèn)為經(jīng)過（3-5）τ的時間，過度過程就基本結(jié)束，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。三、實驗內(nèi)容及步驟脈沖信號源測量部分即成功完成。3、實驗步驟打開multisim軟件，選中主菜單View選項中的Showgrid，使得繪圖區(qū)域中出現(xiàn)均勻的網(wǎng)格線，并將繪圖尺寸調(diào)節(jié)到最佳。在PlaceSources元器件庫中調(diào)出1個Ground（接地點）和1個Clock（時鐘源）器件，從PlaceBasic元器件庫中調(diào)出1個Resistor（電阻）和1個Capacitor（電容）器件，最后從Instruments元器件庫中調(diào)出Oscilloscope（示波器）器件，按圖5-5所示排列好。(3)雙擊Clock（時鐘源）器件，得到其對應(yīng)的元器件屬性（ClockProperties）對話框，在Value/Frequency里修改信號源發(fā)出方波的頻率，本實驗頻率選擇默認(rèn)的1000Hz；在Value/Dutycycle里修改方波的占空比，本實驗選擇默認(rèn)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300Ω，電容C的容量為0.1μF。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(fù)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(qū)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。對該繪圖文件進(jìn)行保存，注意文件的擴(kuò)展名（.sm10）要保留。按下multisim界面右上方按紐“1”對該保存過的繪圖文件進(jìn)行仿真。按下multisim界面右上方按紐“0”停止仿真，雙擊示波器圖標(biāo)，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(biāo)紙記錄下來（見“實驗報告”）。將電阻R的阻值重新設(shè)定為800Ω，然后按實驗步驟（5）——（10）重新做一遍并記錄波形曲線。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(jié)合實驗數(shù)據(jù)完成實驗報告的撰寫。四、注意事項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(jié)點出現(xiàn)）。改變電阻的阻值時，需要在Resistor（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(shù)值框，后一框為數(shù)量級框，填寫時注意兩個框的不同。繪制好的實驗電路必須經(jīng)認(rèn)真檢查后方可進(jìn)行仿真。若仿真出錯或者實驗結(jié)果明顯偏離實際值，請停止仿真后仔細(xì)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(jìn)行仿真，直到仿真正確、觀測得到理想的波形。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(biāo)紙上的是UC的波形，故需將觀測到的（-UC）的波形通過關(guān)于橫軸對稱的方式轉(zhuǎn)換成UC的波形，然后再記錄。此點需特別注意。文件保存時擴(kuò)展名為“.ewb”。關(guān)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(xiàn)。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(xué)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(yù)習(xí)要求1、認(rèn)真復(fù)習(xí)電路的暫態(tài)分析理論內(nèi)容。2、理解實驗?zāi)康?、明確實驗內(nèi)容及步驟。七、思考題1、在RC串聯(lián)電路中，電容充電上升到穩(wěn)態(tài)值的多少所需要時間為一個時間常數(shù)τ？2、在RC串聯(lián)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(shù)τ？3、通常認(rèn)為電路從暫態(tài)到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)所需要多少時間？八、實驗報告1、寫出實驗名稱、實驗?zāi)康摹嶒瀮?nèi)容及步驟。