基于RC元件的几种常见电路形式分析.pdf

中国新技术新产品2024 NO.2（下）-52-工 业 技 术在雷达维修过程中，信号电路故障是较常见的现象之一。一般情况下，可通过测量信号电路有无波形来压缩故障。但随着装备使用年限的增长，信号幅度、宽度等指标都会发生变化，进而造成电路故障。因此仅依靠有无波形来判断电路好坏已无法满足当前装备维修需求。作为装备维修人员，必须掌握信号电路的工作原理，了解信号异常的根本原因，才能准确解决疑难问题。本文列举了 3 种R、C 为主要元件的信号电路，包括尖脉冲产生电路、信号传输电路和锯齿波产生电路，为解决信号电路故障提供参考。1 尖脉冲产生电路RC 微分电路脉冲是雷达各系统同步、协调工作的基础。日常保障过程中出现的发射机高压不自保、跟踪时压不住茅草等故障，很大程度上是由脉冲信号不正常引起的。因此了解脉冲产生电路的实现原理，有利于快速解决此类问题。RC 微分电路是尖脉冲产生电路的基本形式，如图 1 所示。该电路的电容器 C 和电阻器 R 为串联连接方式，输入信号 Vi由电容器 C 的一端接入，输出信号 Vo值等同于电阻器 R 两端的电压值。当电路的时间常数（=RC）远小于输入方波宽度 tw，该电路即为经典的 RC 微分电路1。图 1 RC 微分电路图ViVoRC在电阻器 R 的两端获得正负交替的尖锐脉冲，并且尖锐脉冲的翻转时刻发生在控制方波的上升沿和下降沿，时间常数 与方波宽度 tw的比值越大，正负尖锐脉冲的间距越大。如图 2 所示。1.1 原理性分析当 t=t1时，Vi从 0 变为 Vm，由于电容器两端的电压不能突变（类似于短路，VC=0），因此电阻器 R 两端电压等于输入电压 Vi，即 VO=Vi=Vm。当电容器 C 快速充电时，输出电压呈指数下降，VO=Vi-VC=Vm-VC，在大约 3（=RC）后，VC=Vm，VO=0，值越小，充电越快，输出正脉冲越窄2。电容器原本充有左正、右负电压 Vm，当 t=t2时，Vi 从Vm变为 0，相当于输入短路，电容器开始通过电阻器 R 快速放电，其放电回路为电容器 C 的左端电阻器 R 的下端电阻器 R 的上端电容器 C 的右端。此时电阻器 R 的电压为下正、上负，因此输出信号 VO为负脉冲，其峰值为-Vm，宽度大约为 32。当控制方波的宽度 tw（510）时，即保证电容器 C有充分的时间完成充电或放电过程，其输出端即可得到正负交替的尖锐脉冲2。如果将输入信号 Vi按傅里叶级数展开，再经过微分运算，其结果就是输出信号 VO的数学表达式，即 VO RC（dVi/dt）。因此，微分电路常用于复杂波形的分离和分频器。可简单理解为由于输出波形 VO和输入波形 Vi微分运算的结果一致，因此，其输出波形实际上是截取了输入波形的变化部分1。1.2 实例分析由于电容本身的充、放电现象，基本的微分电路能够同时产生正、负 2 种尖脉冲信号，但在实际应用中，一般只会用到一种脉冲。下面以正脉冲电路为例分析，电路如图 3 所示。通常情况下，这类电路的电容和二极管的故障发生率远高于电阻，容易引发的故障现象见表 1。2 信号传输电路RC 耦合电路一般情况下，触发信号要经过多级放大、整形和滤波基于RC元件的几种常见电路形式分析宋林涛卢煜龙张新锋徐超（中国人民解放军六三八八九部队，河南 孟州 454750）摘 要：本文主要针对日常雷达检修中信号电路波形易失真的现状，介绍了3种常用 RC 电路形式在雷达中的具体运用，分析了造成波形失真的主要诱因，列举了几种由电容器或电阻器损坏或参数变化导致的故障现象，给出了不同现象下应重点排查的方向，可为快速、高效解决此类电路故障提供参考。关键词：RC 微分电路；RC 耦合电路；RC 积分电路中图分类号：TN402文献标志码：A图 2 RC 微分电路输出波形图ViVoVRt1t2ttVmVm-Vm中国新技术新产品2024 NO.2（下）-53-工 业 技 术才能激励末端负载电路，而各级放大器间的良好匹配需要信号传输电路来完成。RC 耦合电路是最常见的电路形式之一。图 1 中，如果电路时间常数 远大于方波宽度 tw时，该电路将变为一个 RC 耦合电路。输出波形 VO与输入波形Vi基本一致。如图 4 所示。图 4 RC 耦合电路波形图Vit1t2t3ttVmVm-VmVo2.1 原理性分析当 t=t1时，即第一个方波的开始时刻。输入信号 Vi从0 变为 Vm。由于电容器两端电压有不能突变的特性，即VC=0，电阻器 R 两端电压等于输入电压 Vi，即 VO=Vi=Vm。因为 tw，电容器 C 充电缓慢，输出信号 VO=Vi-VC，VO缓慢下降。当 t=t2时，即第一个方波的结束时刻。输入信号 Vi从Vm变为 0，相当于输入端被短路，电容器上已经有一个左正、右负的充电电压，其值为 VC=（Vi/）tw，并通过电阻器 R 缓慢放电。当 t=t3时，即第二个方波的开始时刻。由于电路的时间常数 远大于控制方波宽度 tw，因此电容器 C 没有足够的时间完成放电，因此电容器 C 上保存了一定量的电荷。此时电阻器 R 上的输出电压值略小于峰值电压 Vm，输出电压 VO的实际值为 Vm-Vc。在这种情况下，与第一个输出方波峰值相比，第二个输出方波峰值略微向下移动，并且与前一个方波峰值相比，后面的方波峰值略向下移动。直至输出波形的正半周与负半周面积相等时，达到一个稳定状态。也即在这种稳定状态下，电容器的充电量和放电量在一个周期内是相等的，输出波形稳定，不再发生移位现象。此时电容器上的平均电压等于输入信号中电压的直流分量，相当于隔离了输入信号的直流分量，只传输输入信号的交流分量，即电路耦合2。2.2 实例分析耦合电路和微分电路在电路形式上是一致的，方波周期 tw与 RC 电路时间常数 的关系是两者的主要区别，可以分为如下 3 种类型，波形如图 5 所示3。表 1 正脉冲产生电路元件故障现象表故障元件具体现象故障元件具体现象C断路无信号输出D断路输出正负尖脉冲C短路输出波形与输入波形相同R短路无脉冲信号输出C漏电脉冲幅度变小R断路无脉冲信号输出，实际电路中也可能输出幅度很小的脉冲信号D击穿无脉冲信号输出图 3 正脉冲产生电路图VoViCDR图 5 与 tw关系比较图ViVoVotwtwtwVot1t2ttttVmVmVmVm-Vm-Vm-Vm中国新技术新产品2024 NO.2（下）-54-工 业 技 术类型一：方波宽度 tw远小于时间常数 时，电容器 C 会有非常缓慢的充放电过程，电路的输出波形近似于理想方波，是一种较理想的耦合电路。类型二：方波宽度 tw等于时间常数 时，电容器 C 会有一定时长的充放电过程，电路的输出波形峰值会有一定的上升或者下降，与理想方波相差较大。类型三：方波宽度 tw远大于时间常数 时，电容器 C 会快速完成充放电过程，因此电路的输出波形呈上下尖锐脉冲形状，是一种较理想的微分电路。3 锯齿波产生电路RC 积分电路锯齿波信号主要用于雷达显示器，如果显示器没有扫描线或者扫描线不够长，可能是由锯齿波电路故障引起的。锯齿波信号的产生采用了 RC 积分电路的原理。如图 6 所示，电路的电阻器 R 和电容器 C 为串联连接方式，输入信号 Vi由电阻器 R 的一端接入，通过电容器 C 的两端输出信号VO。当RC电路输入方波宽度tw远小于时间常数 时，电路就是一种经典的积分电路。在电容器 C 两端可以得到锯齿波状的输出电压，电压波形如图 7 所示。3.1 原理性分析当 t=t1时，Vi从 0 变为 Vm。因为电容器两端电压不能突变（VC=0），所以电阻器 R 两端电压值等于输入电压 Vi，即VO=VC=0。当 t1tt2时，即控制方波存续期间，电容器 C 开始充电，其两端电压 VC逐步上升，VO=VC=Vi-VR。因为时间常数 远大于方波宽度 tw，所以电容器 C 上会有一个时间较长的充电过程，VC上升极小，电容器 C 两端电压 VC远小于电阻器 R 两端的电压 VR。因此 Vi=VR+VC VR=iR=Vm，i Vm/R，输出电压 VO=VC=1/C idt 1/C Vm/Rdt=Vm/RCt。由此可见输出信号 VO（VC）与输入信号 Vi（Vm）的积分成正比。当 t=t2时，Vi从 Vm变为 0。这种情形类似于输入端短路，电容器 C 上已有上正、下负的充电电压通过电阻器 R 放电，其放电回路为电容器 C 的上端电阻器 R 的右端电阻器 R 的左端电容器 C 的下端，输出电压 VO即电容器 C两端的电压 VC呈指数下降。这时，输出信号 VO即为锯齿波，并与三角波非常相似。实现该电路的必要条件是时间常数 远大于方波宽度 tw，以此保证在方波持续时间内，电容器 C 只能缓慢充电。在电容器 C 两端电压 VC达到信号峰值 Vm前，控制方波结束，此时电容器 C 开始放电，时间常数 越大，锯齿波就越接近三角波2。3.2 实例分析对于此类积分电路的故障检测，可以采用测量输出端直流电压的方法，也可以采用测量输出端波形的方法。其中电压测量法最好使用数字式万用表，对输出信号影响较小。如果电路没有输出电压，在输入信号电压正常的情况下，可直接用万用表欧姆档检查电阻 R 是否断路，电容 C是否短路。如果测量的输出电压不是直流电压，而是数字显示不断变化，说明电容 C 断路。波形测量法的具体现象分析见表 2。表 2 RC 积分电路元件故障现象表故障元件具体现象故障元件具体现象C短路无信号输出C漏电输出锯齿波幅度明显变小C断路输出波形与输入波形相同R断路无信号输出4 结语本文对 RC 电路的几种常用形式进行了分析，总结了电路故障的具体现象和可能原因，对雷达信号电路维修有一定的指导借鉴作用。当然，本文列举的是最基本的电路形式，实际应用中电路样式会更复杂，辅助电路会更完善，需要保障人员进行具体分析。另外，RC 电路的应用十分广泛，除了本文介绍的 3 种常见电路形式外，还有很多应用，例如滤波旁路作用、脉冲分压作用等，都需要进一步学习、研究。参考文献1 福田务，栗原丰，向坂荣夫.电子电路 M.北京：科学出版社，2009.2 王恒山.RC 电路及其应用 M.北京：人民邮电出版社，1985.3 胡斌，胡松编.电子工程师必备 关键技能速成宝典 M.北京：人民邮电出版社，2013.图 6 RC 积分电路图图 7 RC 积分电路输出波形图RCViViVmVm（Vc）ttt1t2VmVo