階電路的仿真實(shí)驗(yàn)（Word）

1、仿真實(shí)驗(yàn)1 RC電路的過渡過程測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、觀察RC電路的充放電特性曲線，了解RC電路由恒定電壓源激勵(lì)的充放電過程和零輸入的放電過程。2、學(xué)習(xí)并掌握EWB軟件中虛擬示波器的使用和測(cè)量方法。二、原理及說明1、充電過程當(dāng)電路中含有電容元件或電感元件時(shí)，如果電路中發(fā)生換路，例如電路的開關(guān)切換、電路的結(jié)構(gòu)或元件參數(shù)發(fā)生改變等，則電路進(jìn)入過渡過程。一階RC電路的充電過程是直流電源經(jīng)電阻R向C充電，就是RC電路對(duì)直流激勵(lì)的零狀態(tài)響應(yīng)。對(duì)于圖1所示的一階電路，當(dāng)t=0時(shí)開關(guān)K由位置2轉(zhuǎn)到位置1，由方程： 初始值：Uc(0-)=0可以得出電容和電流隨時(shí)間變化的規(guī)律： RC充電時(shí)，電容兩端的電壓按照指數(shù)規(guī)

2、律上升，零狀態(tài)響應(yīng)是電路激勵(lì)的線性函數(shù)。其中=RC，具有時(shí)間的量綱，稱為時(shí)間常數(shù)，它是反映電路過渡過程快慢程度的物理量。越大，暫態(tài)響應(yīng)所待續(xù)的時(shí)間越長即過渡過程時(shí)間越長。反之，越小，過渡過程的時(shí)間越短。2、放電過程RC電路的放電過程是電容器的初始電壓經(jīng)電阻R放電，此時(shí)電路在無激勵(lì)情況下，由儲(chǔ)能元件的初始狀態(tài)引起的響應(yīng)，即為零輸入響應(yīng)。在圖1中，讓開關(guān)K于位置1，使初始值Uc(0-)=US，再將開關(guān)K轉(zhuǎn)到位置2。電容放電由方程， 可以得出電容器上的電壓和電流隨時(shí)間變化的規(guī)律：1 / 11 三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、RC電路充電過程(1)在EWB軟件的元器件庫中，選擇直流電壓源、接地符號(hào)以及所需的電阻、電容

3、、雙擲開關(guān)等，電容C= F (一位同學(xué)學(xué)號(hào)最后兩位)，電阻R= K(另一位同學(xué)學(xué)號(hào)最后兩位)。按照?qǐng)D2接線，并從儀器庫中選擇示波器XSC接在電容器的兩端。(2)啟動(dòng)仿真運(yùn)行開關(guān)，手動(dòng)控制電路中的開關(guān)切換，開關(guān)置于1點(diǎn)，電源通過電阻對(duì)電容充電。觀測(cè)電容的電壓變化，移動(dòng)示波器顯示面板上的指針位置，記錄電容在不同時(shí)間下的電容電壓，填在表1中。 表1 RC電路充電充電時(shí)間t2(s)注：（近似值）02345測(cè)量值Uc(V)理論值Uc(V)2、RC電路放電過程將電容充電至10V電壓，手動(dòng)控制電路中的開關(guān)切換，將開關(guān)K置于3點(diǎn)，電容通過電阻放電。觀測(cè)方法同上，數(shù)據(jù)記在表2中。 表2 RC電路放電放電時(shí)間t2

4、(s)注：（近似值）02345測(cè)量值Uc(V)理論值Uc(V)3、RC電路時(shí)間常數(shù)的影響按圖2接線，按下面4種情況選取不同的R、C值，用示波器觀察uc(t)波形的變化，電路充電和放電的快慢情況，并將其描繪下來。 (1)電容C= F (一位同學(xué)學(xué)號(hào)最后兩位/100)，電阻R= K(另一位同學(xué)學(xué)號(hào)最后兩位)(2)電容C= F (一位同學(xué)學(xué)號(hào)最后兩位*100)，電阻R= K(另一位同學(xué)學(xué)號(hào)最后兩位)(3)電容C= F (一位同學(xué)學(xué)號(hào)最后兩位)，電阻R= K(另一位同學(xué)學(xué)號(hào)最后兩位*100)(4)電容C= F (一位同學(xué)學(xué)號(hào)最后兩位)，電阻R= K(另一位同學(xué)學(xué)號(hào)最后兩位/100) 四、思考與報(bào)告要求

5、1、繪制出電容充電及放電過程，并做出必要的說明。2、RC充電電路和放電電路中電容電壓變化規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式是什么？并與仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。3、時(shí)間常數(shù)的計(jì)算公式是什么，其值大小對(duì)一階電路過渡過程的影響如何？ 仿真實(shí)驗(yàn)2 正弦激勵(lì)下RC電路的過渡過程一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、研究RC電路在正弦交流激勵(lì)情況下，響應(yīng)的基本規(guī)律和特點(diǎn)。二、原理及說明1、正弦交流波激勵(lì)下的響應(yīng) 圖1 RC電路在正弦交流激勵(lì)情況下的響應(yīng)設(shè)輸入到RC電路的正弦電壓為uS = USmcos(wt + y)，t>0，為初相角，電路方程為：設(shè)電容的初始電壓為U0，即uC(0) = U0 , 微分方程的解由穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)構(gòu)成。瞬態(tài)

6、響應(yīng)：，求解得到：穩(wěn)態(tài)響應(yīng)：全響應(yīng)：其中，K=U0- Ucm cos ju，。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 (1) 按圖2接線，在EWB軟件的電源庫中選取交流電壓源，參數(shù)設(shè)置：幅值為2V，頻率為50Hz，初相角為0°。C=0.01F，R= 1K。用示波器觀察uc(t)波形的變化情況，并將其描繪下來。 圖2(2)R、C不改變，按下面3種情況選取交流電壓源不同的參數(shù)。幅值為2V，頻率為50Hz，初相角為-180°+180°，間隔30°；頻率為50Hz，初相角為0°，幅值范圍是1-10V，間隔2V；幅值為2V，初相角為0°，頻率為01KHz，間隔200Hz

7、。用示波器觀察uc(t)波形的變化情況，并將其描繪下來。四、思考與報(bào)告要求1、給出仿真電路和仿真結(jié)果。2、繪制各種激勵(lì)下的響應(yīng)，并做出必要的說明。3、正弦波三個(gè)參數(shù)（振幅、角頻率和初相位）對(duì)一階電路過渡過程的影響如何？仿真實(shí)驗(yàn)3 方波激勵(lì)下RC電路的過渡過程一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、研究RC電路在方波激勵(lì)下，響應(yīng)的基本規(guī)律和特點(diǎn)。2、學(xué)習(xí)基本微分電路和積分電路的結(jié)構(gòu)特征，掌握其波形變換作用。二、原理及說明1、方波激勵(lì)下的響應(yīng)對(duì)于RC電路的方波響應(yīng)，在電路的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于方波周期時(shí)，可以視為零狀態(tài)響應(yīng)和零輸入響應(yīng)的多次過程。方波的前沿相當(dāng)于給電路一個(gè)階躍輸入，其響應(yīng)就是零狀態(tài)響應(yīng)，方波的后沿相當(dāng)于在電容具

8、有初始值uc(0-)時(shí)把電源用短路置換，電路響應(yīng)轉(zhuǎn)換成零輸入響應(yīng)。由于方波是周期信號(hào)，可以用普通示波器顯示出穩(wěn)定的圖形，以便于定量分析。本實(shí)驗(yàn)采用的方波信號(hào)的頻率為1000Hz。為了用示波器觀察電路的暫態(tài)過程，需采用圖1所示的周期性方波uS作為電路的激勵(lì)信號(hào)，方波信號(hào)的周期為T，只要滿足T³10，便可在示波器的熒光屏上形成穩(wěn)定的響應(yīng)波形。 圖1 圖2電阻R、電容C串聯(lián)與方波發(fā)生器的輸出端連接，用示波器觀察電容電壓uC，便可觀察到穩(wěn)定的指數(shù)曲線，如圖2所示，在熒光屏上測(cè)得電容電壓最大值 取，與指數(shù)曲線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)間軸的點(diǎn)，則根據(jù)時(shí)間軸比例尺（掃描時(shí)間t/cm ），該電路的時(shí)間常數(shù)。2、微

9、分電路和積分電路在方波信號(hào)uS作用在電阻R、電容C串聯(lián)電路中，當(dāng)滿足電路時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于方波周期T的條件時(shí)，電阻兩端（輸出）的電壓uR與方波輸入信號(hào)uS呈微分關(guān)系，該電路稱為微分電路。當(dāng)滿足電路時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于方波周期T的條件時(shí)，電容C兩端（輸出）的電壓uC與方波輸入信號(hào)uS呈積分關(guān)系，該電路稱為積分電路。微分電路和積分電路的輸出、輸入關(guān)系如圖3(a)、(b)所示。圖3 微分電路和積分電路三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(1) 按圖4接線，調(diào)整信號(hào)發(fā)生器，使之產(chǎn)生1KHz、VP-P=2V的穩(wěn)定方波。圖4(2) 按下面4種情況選取不同的R、C值。 C=1000 PF，R= 10 K；C=1000 PF，R=100

10、K； C=0.01F，R= 1 K； C=0.01F，R=100 K。計(jì)算時(shí)間常數(shù)與方波脈寬的關(guān)系，用示波器觀察電容電壓uc(t)波形的變化情況，并將其描繪下來。(3) 重復(fù)上述過程，用示波器觀察電阻電壓uR(t)波形的變化情況，并將其描繪下來。四、思考與報(bào)告要求1、給出仿真電路和仿真結(jié)果。2、繪制方波激勵(lì)下的響應(yīng)，并做出必要的說明。3、時(shí)間常數(shù)的大小對(duì)一階電路過渡過程的影響如何？4、構(gòu)成微分電路和積分電路的條件是什么？仿真實(shí)驗(yàn)4 二階電路響應(yīng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、觀測(cè)二階電路零狀態(tài)響應(yīng)的基本規(guī)律和特點(diǎn)。2、分析電路參數(shù)對(duì)二階電路響應(yīng)的影響。3、觀察零狀態(tài)響應(yīng)，學(xué)習(xí)判定電路動(dòng)態(tài)過程的性質(zhì)。二、實(shí)驗(yàn)原

11、理與說明1、二階電路的響應(yīng)線性網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)含有電感L、又含有電容C時(shí)，稱為二階電路，如圖1所示。根據(jù)基爾霍夫定律，電路中電壓、電流，可用二階微分方程表達(dá)： 為便于分析并解答，現(xiàn)以電容C對(duì)R、L放電為例，具體分析圖2所示電路，其對(duì)應(yīng)的二階微分方程為: 設(shè)初始值為：uc(0+)=uc(0-)=U0, ,I(0+)=I(0-)=0,上式微分方程的解為 式中A，B是由初始條件決定的常數(shù)，P1，P2是微分方程的特征方程的根，且有:令： （稱衰減系數(shù)） （稱固有振蕩角頻率） （d稱振蕩角頻率）則 ： 顯然，電路的響應(yīng)與電路參數(shù)有關(guān)，當(dāng)電路參數(shù)為不同值時(shí)，電路的響應(yīng)可能出現(xiàn)以下情況：(1) 當(dāng)R>2時(shí)，稱為非振蕩（過阻尼）放電過程。其響應(yīng)為 (2) 當(dāng)R=2時(shí)，稱為臨界（臨界阻尼）狀態(tài)，其響應(yīng)為 (3) 當(dāng)R<2時(shí)，稱為衰減振蕩（欠阻尼）放電過程。其響應(yīng)為： (4) 當(dāng)R=0時(shí)，稱為等幅振蕩（無阻尼）過程。其響應(yīng)為 三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、在EWB軟件中建立如圖1所示電路， c選1000PF電容，L為25mH ，R為10K。電壓源選2V。電容兩端接入示波器。2、觀察R、L、C串聯(lián)電路響應(yīng)