一阶RC电路的暂态响应-实验报告.doc

学生序号6
实验报告

课程名称： 电路与模拟电子技术实验 指导老师： 张冶沁 成绩：__________________
实验名称： 一阶RC电路的暂态响应 实验类型： 电路实验 同组学生姓名：__________
一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填）
三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤
五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填）
七、讨论、心得

一、实验目的和要求
1、熟悉一阶RC电路的零状态响应、零输入响应和全响应。
2、研究一阶电路在阶跃激励和方波激励情况下，响应的基本规律和特点。
3、掌握积分电路和微分电路的基本概念。
4、研究一阶动态电路阶跃响应和冲激响应的关系
5、从响应曲线中求出RC电路时间常数τ 。

二、实验内容和原理
1、零输入响应：指输入为零，初始状态不为零所引起的电路响应。
2、零状态响应：指初始状态为零，而输入不为零所产生的电路响应。
3、完全响应：指输入与初始状态均不为零时所产生的电路响应。

三、主要仪器设备
1、信号源
2、DG08动态实验单元
3、示波器

四、操作方法和实验步骤
1、利用Multisim软件仿真，了解电路参数和响应波形之间的关系，并通过虚拟示波器的调节熟悉时域测量的基本操作。
2、实际操作实验。积分电路和微分电路的电路接法如下，其中电压源使用方波：

五、实验数据记录和处理
任务1：软件仿真
1.RC电路零输入响应、零状态响应仿真及时间常数的确定

上图是零输入响应电容的放电曲线，取第一个参考点为峰值点(4.369s, 5V)，计算得第二个参考点电压应为5×0.368=1.84V,调整黄色测量线至曲线上最接近的对应点，得横坐标4.421s，由图得τ=51.613ms

上图是零状态响应电容的充电曲线，任取第一个参考点为(5.186s, 1.007V),计算得第二个参考点电压应为1.007+0.632×(5-1.007)=3.580V，调整黄色测量线至曲线上最接近的对应点得横坐标5.237s，由图得τ=50.806ms

2.方波电路零输入响应、零状态响应仿真及时间常数的确定
由于操作读数方法和上面一样，以下仿真中均已调整好两条测量线的位置，因此虚拟仪表面板上显示的T2-T1直接可作为仿真测量的时间常数值，下面不再一一叙述读数过程。
时间常数为τ：

时间常数为0.1τ：

时间常数为0.5τ：

时间常数为2τ：

时间常数为10τ（无法用本实验方法从面板测得时间常数）：

微分电路输入、输出波形比较：

积分电路输入、输出波形比较：

3.同时观测阶跃和冲激响应电路的仿真

任务2：实际操作实验
1． 实验电路按照右图接线：
调整示波器参数，暂停画面，使得在一个屏幕内同时
显示出零状态响应（左部分）和零输入响应（右部分）曲
线如下：

图中已调整好两条测量线的位置，因此直接读出时间常数τ=1.2s（两图测量结果相同）
2.按下图接线，并按此配置电路元件参数：

在示波器上观察比较输入、输出波形得：（左为微分电路，右为积分电路）

3. 按右图接线，并利用示波器同时观察RC电路的阶跃响应和
冲激响应如下：

六、实验结果与分析
仿真部分因为是理想仪器，具有较高精度，故不作误差分析。
实际操作中，零状态响应和零输入响应测得τ=1.2s，理论值τ0=RC=1000×1×10-3=1s，两者比较接近，造成误差的原因主要是示波器测量功能的分度有限，测量线无法连续移动，只能取到离散的测量点，并未准确满足两个测量点的理论数量关系。
微分电路和积分电路的观测结果表明：当方波信号的周期T大于电路的时间常数τ时，电容充分充、放电速度快于方波变化的速度，因此能够实现方波到窄脉冲信号的转变，而且当τ比T小越多时，脉冲信号宽度越窄，形成了微分电路；当方波信号的周期T小于电路的时间常数τ时，电容在方波信号的一个周期内无法完成充分的充、放电，因此能实现方波到三角波的转变，而且τ比T大越多时，三角波线性越好，形成了积分电路。
上面3中的图片可以观察到，CH1（较窄波形）的是冲激响应曲线，CH2（较宽波形）是阶跃响应曲线，冲激响应的波形更接近于脉冲信号，阶跃响应的波形更接近于方波信号。

七、讨论、心得
本次实验很大部分在仿真软件中完成，而事先进行仿真，让我能在试验中更快地确定电路或示波器的各种参数应该如何调整，否则参数过多，很难逐一调整合适。通过观察各种电路结构的响应波形，我加深了对一阶RC电路对不同频率、不同类型信号的响应特性，也从直观上了解了微分电路和积分电路的工作原理和在不同参数下的实际工作情况。
在实际操作中，为了在示波器上捕捉到完整的图像，需要调整好扫描的频率和波形放大的倍数，否则不利于观察，另外出于美观考虑在实验时可以把某些波形进行了放大（如实际操作的任务3图的两个波形），虽然从两个频道的放大参数可以还原出实际情况，但这样的做法确实不利于直接展现两个波形的本质对比，所以在以后的实验中应该避免。