实验五 一阶RC串联电路的测试改09.docx
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实验五一阶RC串联电路的测试改09
实验五一阶RC串联电路的测试
一、实验目的:
1、学会脉冲源参数的设置方法
2、学会使用仿真分析功能对电路进行瞬态分析
3、通过实验进一步了解RC一阶电路的动态特性
二.预习要求
1.复习一阶RC串联电路动态特性的有关知识
2.了解零输入响应与零状态响应的有关知识
3.了解RC串联电路换路后电容电压、电阻电压、电容电流、电阻电流的变化规律。
三、实验原理
1、RC电路的零输入响应
仅仅是由动态元件的初始条件引起的的响应,称为零输入响应。
换路前电路如图(a)所示,开关原来连接在1端,电路达到稳态,此时电容电压等于U0。
在t=0时开关迅速由1端转换到2端,得到换路后的电路,如图(b)所示。
换路后,电路的初始条件:
uc(0+)=uc(0-)=U0
当达到新的稳态时:
uc(∞)=0
电路的时间常数:
=RC
由三要素法,可求得图(b)电路的零输入响应为:
从上面式子可知,各电压电流变化的快慢取决于时间常数=RC。
下图为零输入响应的波形;
图2RC电路零输入响应的波形曲线
2、 RC电路的零状态响应
零状态响应:
初始状态为零,仅仅由独立电源(称为激励或输入)引起的响应,称为零状态响应。
换路前电路如图(a)所示,此时电容电压uC(0-)=0。
假设在t=0时开关闭合,则RC串联电路与直流电压源连接,电压源通过电阻对电容充电。
换路后电路的初始条件:
uC(0+)=uC(0-)=0
电路达到新的稳态时:
uc(∞)=US
电路的时间常数:
=RC
由三要素法可求得电路的零状态响应为:
响应波形如下图所示:
从上图可见,电容电压由零开始以指数规律上升到US,经过一个时间常数变化到(1-0.368)US=0.632US,经过(4~5)时间后电容电压实际上达到US。
电容电流则从初始值US/R以指数规律衰减到零。
零状态响应变化的快慢也取决于时间常数=RC。
当时间常数越大,充电过程就越长。
四、实验内容:
1、零输入响应的测试
(1)按图5所示连接电路,脉冲源的参数按图6所示设置。
图5图6
选择仿真分析的瞬态分析命令,按图7所示设置参数。
图7
按确定按钮后,据作出了该电路的瞬态分析曲线,如图8所示。
图8
看懂该图形,说明哪一条曲线是表示电容电压随时间变化的曲线,根据图中电容电压随时间变化的曲线,测出t=0+(ms)和t=5(ms)时的电容电压值并填入表1中。
表1
t=0+(ms)时
t=5(ms)时
uC(t)/V
根据图5的RC值,求出电路时间常数,
写出t≥0ms后,电容的电压响应uC(t)。
对电容电压曲线进行分析。
说明电容上的电压从什么时刻开始按什么规律变化,是充电还是放电?
(2)对曲线进行如下减法运算:
y1–y2=y1,得到图9曲线。
图9
执行运算菜单中的统一刻度命令,得到图10波形。
图10
看懂该图形,找出电阻R1随时间变化的电压波形,分析该电压波形的变化规律,说明该电压波形为什么会随时间按图中所示规律变化。
测出t=0+(ms)和t=5(ms)时的电阻电压值并填入表2中。
表2
t=0+(ms)时
t=5(ms)时
uR1(t)/V
写出t≥0ms时,电阻的电压响应uR1(t)。
(3)执行运算菜单中的“改物理量名”命令,分别将图中两条曲线的物理量改为uc、ur,如图11所示。
图11
(4)执行运算菜单中的微分函数命令,在图形下方的对话框中输入y2,y2,表示对y2微分后将微分结果储存在Y2,按确定后,再执行运算菜单中的乘法运算命令,在对话框中输入y2×0.000001=y2,将y2由电容的电压曲线变换成电容的电流曲线。
图12
(5)执行运算菜单中的除法运算命令,在图形下方的对话框中输入y1/1000=y1,按确定后,将y1由电阻的电压曲线变换成电阻的电流曲线。
(6)执行运算菜单中的“改物理量名”命令,分别将图中两条曲线的物理量改为ic、ir,执行运算菜单中的“更换单位名”命令,分别将图中两条坐标轴旁边的单位名称改为A。
如图12所示。
看懂图中曲线,测出t=0+(ms)和t=5(ms)时的电阻电流值和电容电流值并填入表3中。
表3
t=0+(ms)时
t=5(ms)时
iC(t)/A
iR1(t)/A
写出t≥0ms后电阻R1的电流响应iR1(t)和电容的电流响应iC(t),说明t≥1ms后,iR1(t)和iC(t)按什么规律如何变化。
2、RC电路零状态响应的测试
根据图5电路,将脉冲信号源按图13所示参数设置。
图13
按造实验内容1的步骤,对该电路进行相同的测试与运算,
(1)作出电阻R1和电容的电压波形,测出t=0+(ms)和t=5(ms)时的电阻电压值和电容电压值并填入表4中。
表4
t=0+(ms)时
t=5(ms)时
uR1(t)/V
uC1(t)/V
写出t≥0ms后,电阻R1的电压响应uR1(t)和电容的电压响应uC1(t)。
说明t在0~5ms这段时间内,电阻R1的电压是如何变化的?
电容的电压又是如何变化的?
(2)作出电阻R1和电容的电流波形,测出t=0+(ms)和t=5(ms)时的电阻电流值和电容电流值并填入表5中。
表5
t=0+(ms)时
t=5(ms)时
iC(t)/A
iR1(t)/A
写出t≥1ms时,电阻R1的电流响应iR1(t)和电容的电流响应iC(t),说明t在0~5ms这段时间内,电阻R1的电流是如何变化的?
电容的电流又是如何变化的?
五、实验报告要求
1.写出实验目的
2.简述实验原理
3.列出实验内容.画出实验电路图5、整理实验数据,对实验结果进行分析讨论。
1)对RC电路零输入响应,作出电容与电阻R1的电压响应曲线,电容与电阻R1的电流响应曲线,根据实验内容填写表1、表2、表3,写出响应uR1(t)、uC1(t)、iR1(t)和iC(t)的表达式。
根据所作出的曲线和给定的时间范围说明uR1(t)、uC1(t)、iR1(t)和iC(t)随时间变化的规律。
2)RC电路零状态响应,作出电容与电阻R1的电压响应曲线,电容与电阻R1的电流的响应曲线,根据实验内容填写表4、表5,写出响应uR1(t)、uC1(t)、iR1(t)和iC(t)的表达式。
按给定的时间范围和所作出的曲线说明uR1(t)、uC1(t)、iR1(t)和iC(t)随时间变化的规律。
六、附录
(1)PUL梯形脉冲波模型
图15图16
以F0、F1、F2、……、F10依次表示各参数(F0是直流分析时该源起作用的值)。
图15各参数的说明:
F0直流电压值——F0,是直流分析时该源起作用的值。
脉冲底值(或顶值)——F1,如图16所示,若其为负值,表示脉冲低电平电压值;若其为正值,表示脉冲高电平电压值。
脉冲顶值(或底值)——F2,如图16所示,若其为负值,表示脉冲低电平电压值;若其为正值,表示脉冲高电平电压值。
脉冲延迟时间——F3,从t=0到脉冲开始上升时的时间间隔,如图16所示。
脉冲前沿时间——F4,对图16是指波形从脉冲底上升到脉冲顶所用的时间。
脉冲持续时间——F5,指脉冲宽度,对图16是指保持在高电平的时间。
脉冲后延时间——F6,对图16是指波形从脉冲顶下降到脉冲底所用的时间。
脉冲重复周期——F7,(=前沿+宽度+后沿+脉冲间隔)如图16所示。
(若F7=0,则表示只有单个脉冲,而不是周期性重复的脉冲序列)
脉冲幅度随机变化度——F8(缺省值为0,表不变化;可指定小于等于1的数)
电平噪声干扰度——F9(缺省值为0,表无干扰;可指定小于1的数)(与F1相关)
电平噪声干扰度——F10(缺省值为0,表无干扰;可指定小于1的数)(与F2相关)
(2)瞬态分析(TR分析工作波形分析)
此命令用于分析电路对波形的响应。
做TR分析时,需要指定的参数是:
终止时间,时间步数、观测节点号
必须指定要看结果的节点号,可以答入1至6个节点号。
输出为每个节点的电压值。
做TR分析时,指定参数要仔细考虑,做分析时的时间步长(终止时间除以时间步数)越小,计算会仔细些,但计算步数多,计算时间就多。
一般情况下,看几个周期的波形就够了,而一个正弦波取30个时间点得到的曲线已足够圆滑。
时间步长要由输入信号中频率最高的成分做决定,如电路中用到脉冲时钟源时,要保证每个脉冲起作用。