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文本内容:
仿真实验1RC电路的过渡过程测量
一、实验目的
1、观察RC电路的充放电特性曲线,了解RC电路由恒定电压源激励的充放电过程和零输入的放电过程
2、学习并掌握EWB软件中虚拟示波器的使用和测量方法
二、原理及说明
1、充电过程当电路中含有电容元件或电感元件时,如果电路中发生换路,例如电路的开关切换、电路的结构或元件参数发生改变等,则电路进入过渡过程一阶RC电路的充电过程是直流电源经电阻R向C充电,就是RC电路对直流激励的零状态响应对于图1所示的一阶电路,当t=0时开关K由位置2转到位置1,由方程初始值Uc0-=0可以得出电容和电流随时间变化的规律RC充电时,电容两端的电压按照指数规律上升,零状态响应是电路激励的线性函数其中τ=RC,具有时间的量纲,称为时间常数,它是反映电路过渡过程快慢程度的物理量τ越大,暂态响应所待续的时间越长即过渡过程时间越长反之,τ越小,过渡过程的时间越短
2、放电过程RC电路的放电过程是电容器的初始电压经电阻R放电,此时电路在无激励情况下,由储能元件的初始状态引起的响应,即为零输入响应在图1中,让开关K于位置1,使初始值Uc0-=US,再将开关K转到位置2电容放电由方程,可以得出电容器上的电压和电流随时间变化的规律
三、实验内容
1、RC电路充电过程1在EWB软件的元器件库中,选择直流电压源、接地符号以及所需的电阻、电容、双掷开关等,电容C=μF一位同学学号最后两位,电阻R=KΩ另一位同学学号最后两位按照图2接线,并从仪器库中选择示波器XSC接在电容器的两端2启动仿真运行开关,手动控制电路中的开关切换,开关置于1点,电源通过电阻对电容充电观测电容的电压变化,移动示波器显示面板上的指针位置,记录电容在不同时间下的电容电压,填在表1中表1RC电路充电充电时间t2s注(近似τ值)0τ2τ3τ4τ5τ测量值UcV理论值UcV
2、RC电路放电过程将电容充电至10V电压,手动控制电路中的开关切换,将开关K置于3点,电容通过电阻放电观测方法同上,数据记在表2中表2RC电路放电放电时间t2s注(近似τ值)0τ2τ3τ4τ5τ测量值UcV理论值UcV
3、RC电路时间常数的影响按图2接线,按下面4种情况选取不同的R、C值,用示波器观察uct波形的变化,电路充电和放电的快慢情况,并将其描绘下来1电容C=μF一位同学学号最后两位/100,电阻R=KΩ另一位同学学号最后两位2电容C=μF一位同学学号最后两位*100,电阻R=KΩ另一位同学学号最后两位3电容C=μF一位同学学号最后两位,电阻R=KΩ另一位同学学号最后两位*1004电容C=μF一位同学学号最后两位,电阻R=KΩ另一位同学学号最后两位/100
四、思考与报告要求
1、绘制出电容充电及放电过程,并做出必要的说明
2、RC充电电路和放电电路中电容电压变化规律的数学表达式是什么?并与仿真实验结果进行比较
3、时间常数的计算公式是什么,其值大小对一阶电路过渡过程的影响如何?仿真实验2正弦激励下RC电路的过渡过程
一、实验目的
1、研究RC电路在正弦交流激励情况下,响应的基本规律和特点
二、原理及说明
1、正弦交流波激励下的响应图1RC电路在正弦交流激励情况下的响应设输入到RC电路的正弦电压为uS=USmcost+,t0,为初相角,电路方程为设电容的初始电压为U0,即uC0–=U0微分方程的解由稳态响应和瞬态响应构成瞬态响应,求解得到稳态响应全响应其中,K=U0-Ucmcosu,,
三、实验内容1按图2接线,在EWB软件的电源库中选取交流电压源,参数设置幅值为2V,频率为50Hz,初相角为0°C=
0.01μF,R=1KΩ用示波器观察uct波形的变化情况,并将其描绘下来图22R、C不改变,按下面3种情况选取交流电压源不同的参数
①幅值为2V,频率为50Hz,初相角为-180°~+180°,间隔30°;
②频率为50Hz,初相角为0°,幅值范围是1-10V,间隔2V;
③幅值为2V,初相角为0°,频率为0~1KHz,间隔200Hz用示波器观察uct波形的变化情况,并将其描绘下来
四、思考与报告要求
1、给出仿真电路和仿真结果
2、绘制各种激励下的响应,并做出必要的说明
3、正弦波三个参数(振幅、角频率和初相位)对一阶电路过渡过程的影响如何?仿真实验3方波激励下RC电路的过渡过程
一、实验目的
1、研究RC电路在方波激励下,响应的基本规律和特点
2、学习基本微分电路和积分电路的结构特征,掌握其波形变换作用
二、原理及说明
1、方波激励下的响应对于RC电路的方波响应,在电路的时间常数远小于方波周期时,可以视为零状态响应和零输入响应的多次过程方波的前沿相当于给电路一个阶跃输入,其响应就是零状态响应,方波的后沿相当于在电容具有初始值uc0-时把电源用短路置换,电路响应转换成零输入响应由于方波是周期信号,可以用普通示波器显示出稳定的图形,以便于定量分析本实验采用的方波信号的频率为1000Hz为了用示波器观察电路的暂态过程,需采用图1所示的周期性方波uS作为电路的激励信号,方波信号的周期为T,只要满足T10τ,便可在示波器的荧光屏上形成稳定的响应波形图16-4图16-5图1图2电阻R、电容C串联与方波发生器的输出端连接,用示波器观察电容电压uC,便可观察到稳定的指数曲线,如图2所示,在荧光屏上测得电容电压最大值取,与指数曲线交点对应时间t轴的x点,则根据时间t轴比例尺(扫描时间t/cm),该电路的时间常数
2、微分电路和积分电路在方波信号uS作用在电阻R、电容C串联电路中,当满足电路时间常数τ远远小于方波周期T的条件时,电阻两端(输出)的电压uR与方波输入信号uS呈微分关系,该电路称为微分电路当满足电路时间常数τ远远大于方波周期T的条件时,电容C两端(输出)的电压uC与方波输入信号uS呈积分关系,该电路称为积分电路微分电路和积分电路的输出、输入关系如图3a、b所示图3微分电路和积分电路
三、实验内容1按图4接线,调整信号发生器,使之产生1KHz、VP-P=2V的稳定方波图42按下面4种情况选取不同的R、C值
①C=1000PF,R=10KΩ;
②C=1000PF,R=100KΩ;
③C=
0.01μF,R=1KΩ;
④C=
0.01μF,R=100KΩ计算时间常数与方波脉宽的关系,用示波器观察电容电压uct波形的变化情况,并将其描绘下来3重复上述过程,用示波器观察电阻电压uRt波形的变化情况,并将其描绘下来
四、思考与报告要求
1、给出仿真电路和仿真结果
2、绘制方波激励下的响应,并做出必要的说明
3、时间常数的大小对一阶电路过渡过程的影响如何?
4、构成微分电路和积分电路的条件是什么?仿真实验4二阶电路响应
一、实验目的
1、观测二阶电路零状态响应的基本规律和特点
2、分析电路参数对二阶电路响应的影响
3、观察零状态响应,学习判定电路动态过程的性质
二、实验原理与说明
1、二阶电路的响应线性网络中,当含有电感L、又含有电容C时,称为二阶电路,如图1所示根据基尔霍夫定律,电路中电压、电流,可用二阶微分方程表达为便于分析并解答,现以电容C对R、L放电为例,具体分析图2所示电路,其对应的二阶微分方程为:设初始值为uc0+=uc0-=U0I0+=I0-=0上式微分方程的解为式中A,B是由初始条件决定的常数,P1,P2是微分方程的特征方程的根,且有:令(称衰减系数)(称固有振荡角频率)(ωd称振荡角频率)则显然,电路的响应与电路参数有关,当电路参数为不同值时,电路的响应可能出现以下情况1当R2时,称为非振荡(过阻尼)放电过程其响应为2当R=2时,称为临界(临界阻尼)状态,其响应为3当R2时,称为衰减振荡(欠阻尼)放电过程其响应为4当R=0时,称为等幅振荡(无阻尼)过程其响应为
三、实验内容
1、在EWB软件中建立如图1所示电路,c选1000PF电容,L为25mH,R为10KΩ电压源选2V电容两端接入示波器
2、观察R、L、C串联电路响应,观测电路响应波形
3、调整电阻R值,分别将R设置为0KΩ,5KΩ和50KΩ,记录不同参数时,观察uct几种状态并记录波形
四、思考与报告要求
1、给出仿真电路和仿真结果,记录不同参数时二阶电路响应波形
2、总结二阶电路零状态响应的特点及其参数对电路响应的影响。