发布时间 : 星期四 文章RC一阶电路的响应测试实验内容更新完毕开始阅读8c2877d46a0203d8ce2f0066f5335a8103d2667c
实验五 RC一阶电路的响应测试
一、实验目的
1. 测定RC一阶电路的零输入响应、零状态响应及全响应。 2. 掌握有关微分电路和积分电路的概念。 3. 学会时间常数τ的测定方法。 4. 进一步学会用示波器观测波形。
二、原理说明
图所示的矩形脉冲电压波ui可以看成是按照一定规律定时接通和关断的直流电压源U。若将此电压ui加在RC串联电路上（见图），则会产生一系列的电容连续充电和放电的动态过程，在ui的上升沿为电容的充电过程，而在ui的下降沿为电容的放电过程。它们与矩形脉冲电压ui的脉冲宽度tw及RC串联电路的时间常数τ有十分密切的关系。当tw不变时，适当选取不同的参数，改变时间常数τ，会使电路特性发生质的变化。
图 矩形脉冲电压波形 图 RC串联电路图
1. RC一阶电路的零状态响应
所有储能元件初始值为0的电路对于激励的响应称为零状态响应。电路的微分方程为：RCuC=Um，其解为uC(t)=Um(1?e) (t≥0)，式中，τ＝RC为该电路的时间常数。 2. RC一阶电路的零输入响应
电路在无激励情况下，由储能元件的初始状态引起的响应称为零输入响应。电路达到稳态后，电容器经R放电，此时的电路响应为零输入响应。电路的微分方程为：RCUme 。
RC一阶电路的零输入响应和零状态响应分别按指数规律衰减和增长（如图所示），其变化的快慢决定于电路的时间常数τ。 3. 时间常数τ的测定方法
方法一：在已知电路参数的条件下，时间常数可以直接由公式计算得出，τ＝RC。
方法二：对充电曲线（零状态响应），电容的端电压达到最大值的1?e（约）倍时所需要的时间即是时间常数τ。如图（a）所示，用示波器观测响应波形，取上升曲线中波形幅值的倍处所对应的时间轴的刻度，计算出电路的时间常数：
τ=扫描时间×OP 其中，扫描时间是示波器上X轴扫描速度开关“t/div”的大小。OP是X轴上O、P两点之间占有的格数。而对放电曲线（零输入响应），时间常数是电容的端电压下降到初值的e，即约倍时所需要的时间，如图(b)所示。
(a) 零状态响应 (b) 零输入响应
图 时间常数τ的测定
1
1
?
t
τduCdt
+
?
tτduCdt
+uC=0，其解为uC(t)=
方法三：利用时间常数的几何意义求解。在图中，取电容电压uc的曲线上任意一点A，通过A点作切线AC，则图中的次切距
????=
????????(??)
==??=?? 1?????? ?????????|??=???0??????0??????0
??
?0??0???? 即在时间坐标上次切距的长度等于时间常数τ。这说明曲线上任一点，如果以该点的斜率为固定变化率衰减，经过τ时间为0。
图 时间常数τ的几何意义
4. 微分电路和积分电路
一个简单的RC串联电路，在方波序列脉冲的重复激励下，当满足τ=RC?时（T为方波脉冲的
2T
重复周期），且由R两端的电压作为响应输出，这就是一个微分电路，如图（a）所示。此时电路的输出信号电压与输入信号电压的微分成正比。利用微分电路可以将方波转变成尖脉冲，如图（a）。 (a) 微分电路 (b) 积分电路
图 微分、积分电路示意图
若由 C两端的电压作为响应输出，如图 (b)所示，当电路的参数满足τ=RC?2条件时，即称为积分电路。此时电路的输出信号电压与输入信号电压的积分成正比。利用积分电路可以将方波转变成三角波，如图（b）。从输入输出波形来看，上述两个电路均起着波形变换的作用，请在实验过程仔细观察与记录。
（a） (b) 图 微积分电路激励、响应波形示意图
T
三、实验设备
函1台 直1台 双1台
踪
示
波
流
电
路
实
验
数
信
号
发
生
器
箱
器
四、实验内容
1. 将信号发生器输出电压置零，按照图连接电路，通过两根同轴电缆线将激励源ui和响应uc的信号分别连至示波器的两个输入口YA和YB，调节信号发生器输出波形为方波，频率f=1kHZ，峰峰值UP-P=3V，分别选取R＝10KΩ，C＝5600pF和R＝10KΩ，C＝6800pF两组参数，在示波器的屏幕上观察激励与响应的变化规律，并用方格纸按1:1 的比例描绘波形。
图 实验电路图
2. 在步骤1的基础上，令R＝10KΩ，C＝μF，观察并描绘响应的波形。
3. 关闭信号源。从电路板上重新选取R＝10KΩ，C＝5600pF，将图中的R、C调换位置后连接电
路，接通信号发生器，在同样的方波激励信号下，在示波器上观测并描绘激励ui和响应uR的波形。 4. 利用方法二或者方法三，计算出三种电路的时间常数，将τ的计算值、测量值记录在表中。
表 时间常数τ的计算
组别 1零状态零输入响应电路 2微分电路 3积分电路 R/kΩ C/μF τ/cm（测量值） τ/cm（计算值） 五、实验注意事项
1. 调节电子仪器各旋钮时，动作不要过快过猛。用示波器观察波形时，要特别注意相应开关、旋钮的操作与调节。
2. 信号源的接地端与示波器的接地端要连在一起（称共地）， 以防外界干扰而影响测量的准确性。
3. 示波器的辉度不应过亮，尤其是光点长期停留在荧光屏上不动时，应将辉度调暗，以延长示波管的使用寿命。
六、预习思考题
1. 什么样的电信号可作为RC一阶电路零输入响应、零状态响应和完全响应的激励信号 2. 何谓积分电路和微分电路，它们必须具备什么条件它们在方波序列脉冲的激励下，其输出信号波形的变化规律如何这两种电路有何功用
七、数据处理和分析
1. 根据实验观测结果，在方格纸上按照1：1比例绘出RC一阶电路充放电时激励与响应信号的波形。
2. 完成三种电路时间常数τ值的计算，并与理论计算结果作比较，分析误差原因。
3. 将实验内容1中R=10KΩ、C＝5600pF测量的时间常数与实验内容3中测量的时间常数τ值进行对比，并得出结论。
4. 根据实验观测结果，说明输出波形与时间常数τ、输入信号的脉冲宽度tw及响应端的关系。
仪器仪表简介
UT39A型数字式万用表
万用表又称为多用表，用来测量直流电流、直流电压、交流电流、交流电压、电阻等电气参数。数字式万用表由于读取数据容易、准确、输入阻抗大、功能多等优点，使用越来越普遍。 一、UT39A型数字万用表主要部件及功能
1. 液晶显示屏：显示所测量的电气参数。
2. 电源开关：按下黄色\键，仪表电源接通；弹起黄色\键，仪表电源关闭。
3. 数据保持开关：按下蓝色\键，液晶显示屏上保持显示当前测量数据，并在屏幕左上方?、4. 功能选择开关：选择万用表的测量模式及量程，比如交流电压V~、交流电流A~、直流电压V
显示\标记；弹起该按键则退出数据保持模式。
?、电阻Ω等。 直流电流A
5. 输入插孔：根据功能选择开关，将表笔插入对应的输入孔。黑色表笔总是接入\接口；
测量电压、电阻时使用红黑2表笔接入，红色表笔接入\Ω\接口；测量小电流（≤200mA）时红色接线柱接入\接口；测量大电流时红色接线柱接入\接口。
6. 测量电阻、电压时，使用一红一黑的表笔测量；测量电流时必须使用电流检查插座。
二、使用注意事项
1. 在表笔连接被测电路之前，一定要严格检查所选档位及量程与测量对象是否相符，因为错误
的档位及量程有时不仅得不到测量结果，甚至会损坏万用表，初学者要格外注意。（特别是要测量电压，却使用电流档位和接线柱，极易损坏仪表）
2. 测量时，尽量用一只手握住两只表笔，手指不要触及表笔的金属部分和被测器件。 3. 测量中若需要转换量程，必须在表笔离开电路后才能进行，否则容易损坏仪表。
4. 测量时常会遇到多种电气参数，每次测量前要注意根据测量参数种类把功能选择开关转换到
相应的档位和量程，这是初学者最容易忽略的环节。
5. 测量电阻时，必须把电阻脱离电路，不带电情况下测量，否则会出现测量数据不准甚至损坏
万用表。
SG1732型直流稳压稳流电源
直流稳压稳流电源为低压直流电工实验提供恒压源（理想电压源）或恒流源（理想电流源）。输出电压0~23V，输出电流0~。
一、SG1732型直流稳压稳流电源主要部件及功能
1. 4个显示屏幕，分别为：通道1电流显示屏，通道1电压显示屏，通道2电流显示屏，通道2
电压显示屏。
2. 4个调节旋钮，分别为：通道1电流调节旋钮，通道1电压调节旋钮，通道2电流调节旋钮，
通道2电压调节旋钮。
3. 稳压、温流指示灯。
4. 3组通道输出，2组可调稳压稳流电源输出，1组固定5V恒压源输出。 5. 电源开关。
二、使用注意事项
1. 通道1(2)为恒压源或恒流源，由稳压稳流指示灯决定，当指示灯亮在稳压处，此时该通道为恒
压源，反之则为恒流源。
2. 由于本仪器功率较大，为防止线路接错通电后造成损失，在连接电路前，应将电压、电流调
节旋钮逆时针旋转至零。接线完毕后，打开电源开关，输出恒定电压时，需先将电流调节旋钮顺时针旋转一个较小角度，防止输出电流过大，使指示灯跳到稳压状态（注意：如果旋转30度后，指示灯