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1、 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5.1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5.2），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，会使电路特
2、性发生质的变化。图5.1 矩形脉冲电压波形图5.2 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：RCduCdt+uC=Um，其解为uCt=Um1-e-t (t0)，式中，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：RCduCdt+uC=0，其解为uCt=Ume-t 。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5.3所示），其变化的快慢决定于电路
3、的时间常数。3. 时间常数的测定方法方法一：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，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1-1e（约0.632）倍时所需要的时间即是时间常数。如图5.3（a）所示，用示波器观测响应波形，取上升曲线中波形幅值的0.632倍处所对应的时间轴的刻度，计算出电路的时间常数：=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1e，即约0.368倍时所需要的时间，如图5.3(b)所示。(a) 零状态响应 (
4、b) 零输入响应图5.3 时间常数的测定方法三：利用时间常数的几何意义求解。在图5.4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BC=ABtan =uCt-duCdtt=t0=U0e-t01U0e-t0=即在时间坐标上次切距的长度等于时间常数。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，经过时间为0。图5.4 时间常数的几何意义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=RCT2时（T为方波脉冲的重复周期），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5.5（a）所示。此时电路的输出信号电压与输入信号电压
5、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5.6（a）。(a) 微分电路 (b) 积分电路图5.5 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5.5 (b)所示，当电路的参数满足=RCT2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5.6（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5.6 微积分电路激励、响应波形示意图三、实验设备函数信号发生器1台直流电路实验箱1台双踪示波器 1台四、实验内容1.将信号发生器输出电压置零，按照图5.7连接电
6、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R10K，C5600pF和R10K，C6800pF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5.7 实验电路图2. 在步骤1的基础上，令R10K，C0.1F，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R10K，C5600pF，将图5.7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
7、者方法三，计算出三种电路的时间常数，将的计算值、测量值记录在表5.1中。表5.1 时间常数的计算组别R/kC/F/cm（测量值）/cm（计算值）1零状态零输入响应电路2微分电路3积分电路五、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.
8、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=10K、C5600pF测量的时间常数与实验内容3中测量的时间常数值进行对比，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、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
9、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POWER键，仪表电源接通；弹起黄色POWER键，仪表电源关闭。3. 数据保持开关：按下蓝色HOLD键，液晶显示屏上保持显示当前测量数据，并在屏幕左上方显示H标记；弹起该按键则退出数据保持模式。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、直流电流A、电阻等。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
10、量电压、电阻时使用红黑2表笔接入，红色表笔接入V接口；测量小电流（200mA）时红色接线柱接入uAmA接口；测量大电流时红色接线柱接入A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
11、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023V，输出电流01.5A。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，
12、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，指示灯仍无法跳到稳压状态，说明外部电路可能短路，应断电检查，请勿
13、继续加大输出电流）。然后根据实验需求调节电压和电流旋钮。输出恒定电流时，先将电压调节旋钮顺时针旋转至最大，设置一个保护电压，使指示灯跳到稳流状态（注意，如指示灯不能跳到稳流状态，说明外部电路可能开路，应检查），然后根据实验需求调节电流旋钮。3. 通道3为固定5V输出电压，请勿接错。4. 液晶屏幕上显示的电压电流为参考值，精度不高，准确数值以万用表测量数据为准。SG1639P 功率函数信号发生器函数信号发生器是一种可以提供精密信号源的仪器，也常称为波形发生器，最基本的应用就是通过函数信号发生器产生正弦波、方波、锯齿波、脉冲形、三角波等具有一定周期性的时间函数波形来供用户作为电压输出或者功率输出等
14、。一、SG1639P 功率函数信号发生器面板及操作说明1. 面板上的常用部件包括：红色的电源开关POWER，频率细调旋钮、频率显示屏、频率X围按钮、波形按钮、输出电压调节旋钮、功率输出接口，电压输出接口。2. 一般用法：调节电压旋钮置零，接通电源，按下电源开关POWER键，选择波形按钮（如方波），选择合理的频率X围按钮（如1K），使用频率细调旋钮得到准确频率（频率显示器显示，注意单位），最后调节输出电压调节旋钮得到所需信号电压。二、使用注意事项1. 函数信号发生器功率输出端子严禁短路，避免烧毁仪器。2. 信号发生器的输出电压指的是带负载时的电压，并且更改一次频率都需要调整一次输出电压，所以实验
15、时需先接电路，选波形，调节频率，最后调节电压。调节信号发生器输出频率时，应先选择频率X围，再进行频率细调。3. 函数信号发生器为精密仪器，不宜长时间通电，实验测量完毕后请及时关闭电源。SDS5032E数字示波器一、SDS5032E数字示波器面板及操作说明1. 面板上的常用部件包括：电源开关、显示屏、电压档位调节旋钮、垂直位置调节旋钮、时间档位、自动设置、运行控制、CH1通道信号输入、CH2 通道信号输入、探头补偿信号等。2. 一般用法：接通电源，按下“电源开关”，将被测信号通过信号线接入CH1/CH2通道，按下“自动设置”键，一段时间后，示波器会自动设置合适的水平和垂直档位，得到测量波形。然后
16、根据观察需要用户自行调节水平和垂直档位（垂直位置旋钮、电压档位旋钮、水平位置旋钮、时间档位旋钮），在显示屏上可以读出波形的电压、频率等参数。二、使用注意事项1. 使用示波器先要进行自查，将信号线的红黑夹子，接入探头补偿信号的2个端子处，其中黑色夹子接下方的接地标识，然后按下自动设置后看波形是否为频率为1KHz，幅值为5V的方波信号，如果不是请及时联系老师检修。2. 示波器信号输入的2通道是共地，即CH1信号线和Ch2信号线的黑色夹子在示波器内部被短路在一起，因此在使用中CH1信号线和Ch2信号线的黑色夹子必须接在一起。SG2171C型交流毫伏表晶体管交流毫伏表，具有测量交流电压、电平测试、监视
17、输出等三大功能。交流测量X围是100nV300V、5Hz2MHz，共分1、3、10、30、100、300mV，1、3、10、30、100、300V共12档；电平dB刻度X围是-60+50dB。比万用表测量精度要高，测量频率X围大。一、SG2171C型晶体管交流毫伏表面板及操作说明SG2171C型晶体管交流毫伏表主要有读数表盘、调零旋钮、电源开关、量程指示灯、量程切换旋钮、信号输入等常用部件。1. 开机前的准备工作：将通道输入端测试探头上的红、黑色鳄鱼夹短接；将量程开关选最高量程（300V）。2. 操作步骤：接通220V电源，按下电源开关，电源指示灯亮，仪器立刻工作。为了保证仪器稳定性，需预热1
18、0秒钟后使用，开机后10秒钟内指针无规则摆动属正常；将输入测试探头上的红、黑鳄鱼夹断开后与被测电路并联（红鳄鱼夹接被测电路的正端，黑鳄鱼夹接地端），观察表头指针在刻度盘上所指的位置，若指针在起始点位置基本没动，说明被测电路中的电压甚小，且毫伏表量程选得过高，此时用递减法由高量程向低量程变换，直到表头指针指到满刻度的2/3左右即可；准确读数。表头刻度盘上共刻有四条刻度。第一条刻度和第二条刻度为测量交流电压有效值的专用刻度，第三条和第四条为测量分贝值的刻度。当量程开关分别选1mV、10mV、100mV、1V、10V、100V档时，就从第一条刻度读数；当量程开关分别选3mV、30mV、300mV、3
19、V、30V、300V时，应从第二条刻度读数（逢1就从第一条刻度读数，逢3从第二刻度读数）。例如：将量程开关置“1V”档，就从第一条刻度读数。若指针指的数字是在第一条刻度的“0.7”处，其实际测量值为0.7V；若量程开关置“3V”档，就从第二条刻度读数。若指针指在第二条刻度的“2”处，其实际测量值为2V。以上举例说明，当量程开关选在哪个档位，比如，1V档位，此时毫伏表可以测量外电路中电压的X围是01V，满刻度的最大值也就是1V。当用该仪表去测量外电路中的电平值时，就从第三、四条刻度读数，读数方法是，量程数加上指针指示值，等于实际测量值。二、使用注意事项1. 仪器在通电之前，一定要将输入电缆的红黑
20、鳄鱼夹相互短接。防止仪器在通电时因外界干扰信号通过输入电缆进入电路放大后，再进入表头将表针打弯。2. 当不知被测电路中电压值大小时，必须首先将毫伏表的量程开关置最高量程，然后根据表针所指的X围，采用递减法合理选档。3. 若要测量高电压，输入端黑色鳄鱼夹必须接在“地”端。4. 测量前应短路调零。打开电源开关，将测试线（也称开路电缆）的红黑夹子夹在一起，将量程旋钮旋到1mv量程，指针应指在零位（有的毫伏表可通过面板上的调零电位器进行调零，凡面板无调零电位器的，内部设置的调零电位器已调好）。若指针不指在零位，应检查测试线是否断路或接触不良，应更换测试线。5. 交流毫伏表灵敏度较高，打开电源后，在较低
21、量程时由于干扰信号（感应信号）的作用，指针会发生偏转，称为自起现象。所以在不测试信号时应将量程旋钮旋到较高量程档，以防打弯指针。6. 交流毫伏表接入被测电路时，其地端（黑夹子）应始终接在电路的地上（成为公共接地），以防干扰。7. 交流毫伏表表盘刻度分为01和03两种刻度，量程旋钮切换量程分为逢一量程（1mv、10mv、0.1v）和逢三量程（3mv、30mv、0.3v），凡逢一的量程直接在01刻度线上读取数据，凡逢三的量程直接在03刻度线上读取数据，单位为该量程的单位，无需换算。8. 使用前应先检查量程旋钮与量程标记是否一致，若错位会产生读数错误。9. 交流毫伏表只能用来测量正弦交流信号的有效值，若测量非正弦交流信号要经过换算。10. 在有些场合不可用万用表的交流电压档代替交流毫伏表测量交流电压（万用表只能测量50Hz附近频率交流电压）。10 / 10
