华电(保定)动态电路响应的研究 电路实验报告

实验报告
实验课程：电路实验(2)
实验名称：动态电路响应的研究
学生姓名：
同组人：
指导教师：冯文宏
实验时间：
成绩：
电工实验中心
一、实验目的
1.了解并学会示波器和信号发生器的使用。

2．测定RC一阶电路的零输入响应、零状态响应及完全响应。

3.学习电路时间常数的测量方法。

4.掌握有关微分电路和积分电路的概念。

5.进一步学会用示波器观测波形。

6.测试二阶动态电路的零输入响应和零状态响应，了解电路元件参数对响应的影响。

7.观察、分析二阶电路响应的三种状态轨迹及其特点，以加深对二阶电路的认识
与理解。

二、实验方案设计
a.RC一阶电路
实验方案：
1. 动态网络的过渡过程是十分短暂的单次变化过程。

要用普通示波器观察过
渡过程和测量有关的参数，就必须使这种单次变化的过程重复出现。

为此，
我们利用信号发生器输出的方波来模拟阶跃激励信号，即利用方波输出的上
升沿作为零状态响应的正阶跃激励信号；利用方波的下降沿作为零输入响应
的负阶跃激励信号。

只要选择方波的重复周期远大于电路的时间常数τ，那
么电路在这样的方波序列脉冲信号的激励下，它的响应就和直流电接通与断
开的过渡过程是基本相同的。

2. 微分电路和积分电路是RC 一阶电路中较典
型的电路，它对电路元件参数和输入信号的周期有着特定的要求。

一个简单
的 RC 串联电路，在方波序列脉冲的重复激励下，当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。

实验电路： 波形：正方波
（微分电路） （积分电路） 元件参数：R=10K Ω，由于各个电路中C 参数各不同，故在下面的<四>中标出。

实验仪器和设备:函数信号发生器(1个）,双踪示波器(1个）,动态电路实验板（1个） b. 二阶动态电路
实验方案：一个二阶电路在方波正、负阶跃信号的激励下，可获得零状态与零输入响应，其响应的变化轨迹决定于电路的固有频率。

当调节电路的元件参数值，使电路的固有频率分别为负实数、共轭复数及虚数时，可获得单调地衰减、衰减振荡和等幅振荡的响应。

在实验中可获得过阻尼，欠阻尼和临界阻尼这三种响应图形。

本实验对GCL 并联电路进行研究。

实验电路：
元件参数：R1=10 K Ω C=0.01μF L=10mH R 2为10 K Ω范围的可调电位器
实验仪器和设备:函数信号发生器(1个),双踪示波器（1个）,动态电路实验板（1个）
三、实验内容和步骤
a.RC一阶电路
1.从电路板上选R=10kΩ，C=6800pF按电路图所示电路连接，脉冲信号发生器
输出的Um=3V，f=1kHz的方波电压信号，并通过同轴电缆线将激励信号Ui和Uc的信号分别连接至示波器的两个输入口Ya和Yb。

观察示波器屏幕上激励与响应的变化规律，算出时间常数τ；少量地改变电容值或电阻值，定性地观察对响应的影响，记录观察到的现象。

2. 令R = 10KΩ，C = 0.1μF ，观察并描绘响应的波形，继续增大C 之值，
定性地观察对响应的影响。

3. 令C = 0.01μF ， R = 100Ω，组成如图6-2(a)所示的微分电路。

在同样
的方波激励信号（U V m = 3 ， f = 1KHZ ）作用下，观测并描绘激励与响应的波形。

增减R 之值，定性地观察对响应的影响，并作记录。

b. 二阶动态电路
利用动态电路板中的元件与开关的配合作用，组成GCL并联电路。

令R1=10KΩ, L=10m H, C=0.01uF, R2为10 KΩ可调电阻，令脉冲信号发生器的输出为Um=1V, f=1KHz的方波脉冲，通过同轴电缆接至上图的激励端，同时用同轴电缆将激励端和响应输出接至双踪示波器的YA和YB两个输入口。

1.调节可变电阻器R2之值，观察二阶电路的零输入响应和零状态响应由过阻尼
过渡到临界阻尼，最后过渡到欠阻尼的变化过渡过程，分别定性地描绘、记录响应的典型变化波形。

2.用万能表分别测出3中状态下R2的具体值。

四、实验数据记录
a.RC一阶电路
说明:R=10KΩ C=6800pF（微分电路） R=10KΩ C=0.01uF微分电路）
说明:R=10KΩ C=0.1uF （微分电路） R=10KΩ C=6800F（积分电路）
说明:R=10KΩ C=0.01uF （积分电路） R=10KΩ C=0.1uF（积分电路）b. 二阶动态电路
过阻尼状态临界阻尼状态
用万能表测出R2=188Ω R2=443Ω
欠阻尼状态
用万能表测出R 2=2112Ω
五、实验数据或波形分析
a. RC 一阶电路 （注：每个图中每一格为200us ；以第一个波形为例作分析）
到0.632Us 时，τ=0.35·200us=7.0x10-5 s
理论值：τ1=RC 1=10k ·6800pF=6.8x10-5 s
波形分析：此为微分电路，电压值开始很快上升，然后缓慢上升，逐渐向Us 靠拢。

当Uc=0.632Us 时，既t=τ，所对应的时间为时间常数τ。

（满足τ<T/2的条件）
到0.368Us时，τ=0.53·200us=1.06x10-4 s
理论值：τ1=RC1=10k·0.01uF=1.0x10-4
s
波形分析：此为积分电路，电压值开始很快下降，然后缓慢下降，逐渐接近于0.
当Uc=0.368Us时，既t=τ，所对应的时间为时间常数τ。

（其中满足τ>T/2的条件）
当R=10KΩ C=0.1uF此时的Ur已经出现尖脉冲的特点。

此时也满足τ>T/2的条件，为积分电路。

b.二阶动态电路
根据公式R临界
=
R
= 10000
19
Ω=526.3Ω
R实测临界=443Ω
相对误差y=|R临界- R实测临界|/ R实测临界*100%=83.3/443=18.8%
绝对误差x=1.188约等于1，故实测结果与理论值相差不大，符合客观理论。

六、实验结论
a.RC一阶电路
误差分析： 1.在确定0.632位置时，存在着人为估读，而估读存在着一些误差。

2. 实验所测数据数量不足，有着偶然误差。

3.实验元件如电阻电容的重复使用值可能改变，存在着系统误差。

4.信号发生器的信号电压和频率可能不稳定，有些误差。

5.示波器的精度不是很高，使得测量数据有误差。

6.由于O.632等点的位置都是人为目测所确定的，故存在较大的误差。

b. 二阶动态电路
误差分析：1.在确定临界状态时，是人为估计目测其状态的，在刚刚由过阻尼过渡到欠阻尼的那一瞬间，所确定电路电位计的值。

2.万用表的读数可能存在着系统误差，即万用表本身读数加存在着误差。

3. 实验元件可能存在着系统误差。

七、解答思考题以及实验收获与体会
RC一阶电路思考题解答
1.
Uc的变化曲线
到0.632Us时，τ=0.35·200us=7.0x10-5 s
理论值τ1=RC1=10k·6800pF=6.8x10-5
s
误差原因：1.在确定0.632位置时，存在着人为估读，而估读存在着一些误差。

2.实验元件如电阻电容的重复使用值可能改变，存在着系统误差。

3.信号发生器的信号电压和频率可能不稳定，有些误差。

4.示波器的精度不是很高，使得测量数据有误差。

5.由于O.632等点的位置都是人为目测所确定的，故存在较大的误差。

2.根据实验观测结果，归纳、总结积分和微分电路的形成条件，阐明波形变换的特征。

首先激励必须是方波信号
微分电路形成条件：τ=RC <<T/2（其中T为方波脉冲的重复周期）
积分电路形成条件：τ=RC >>T/2（其中T为方波脉冲的重复周期）
微分电路波形变换特征：当R不变时，若C变大，τ也变大，波形上升地更缓慢
积分电路波形变换特征：当R不变时，若C变大，τ也变大，波形下降地更缓慢
利用微分电路可以将方波转变成波形是三角形；利用积分电路可以将方波转变成不连续的脉冲波形。

二阶动态电路思考题解答
临界阻尼状态过阻尼状态
欠阻尼状态
2. 测算欠阻尼振荡曲线上的α与ωd。

4τ=(7.2格/5格)*100us
故τ=3.6*10-5 s
α=1/τ=27777.8 rad/s
又2*3.14*ωd=(3.8格/5格)*100us
故ωd =1.21*10-5rad/s
3. 归纳、总结电路元件参数的改变对响应变化趋势的影响。

把R2由很小的阻值开始，示波器显示的图像先是过阻尼图像，即曲线一到y最高处后就向着中间的轴靠拢并且下降地较慢，最后接近于0不变化了；当把R2逐渐调大，曲线向中间轴靠拢的速度变快，但还是最后接近于0不变化，同时峰值变高；继续把R2逐渐调大，当到把R2 调大曲线有小部分冒出，调小曲线最后接近于0时，那个状态是临界阻尼状态，这个时候曲线回到平衡位置所用的时间最短；当继续把R2逐渐调大，曲线出现不止一个峰，并且与t轴的交点变多，第一个峰值也变高，此时是欠阻尼状态了，调大R2，曲线往着t轴延伸，高于t轴部分变长了。

实验收获与体会
本次实验我们学会了如何用示波器来辅助电路实验中值的测量，描绘出了微分电路和积分电路的波形，通过连接GLC电路，我们在示波器上成功地看到了过阻尼、临界阻尼、欠阻尼三种状态的波形，并且用万用表读出了各状态下电阻的数值，这些使得书本上抽象的知识在现实中有了一次深刻的展现，这不仅使我们对课本上的知识有了一次更加深刻的理解，而且训练了我们的动手能力，激发了我们热情，使我们对以后的电路学习有个更多的兴趣。

实验进行阶段采用的是两人合作的形式，实验进行中，我们分工明确，一人负责连接电路和读取数据，另一人负责指挥和记录数据，这让我们意识到，要想实验顺利进行，必须两人同时认真而负责的完成自己的工作，这再一次训练了我们的团队合作的精神与分工协作的能力。

我们测完自己的数据后，还帮助旁边的电力英同学，帮助他们连接电路与调试示波器，这让我们体会到帮助他人，分享经验的快乐。

实验数据处理阶段我们第一次尝试使用计算机整理、编写实验报告。

花了快2天的时间来完成此次报告，熟悉了word的使用，很多不会的功能请教了同学使我受益匪浅：1.数字的上标与下标通过字体的设置来修改；2.公式的编辑需要用microsoft 公式3.0或者如mathtype6.0等相关公式编辑软件；3.可以用Visio画电路图，而不是用画板之类的软件来画图，这样画出的图既可以方便修改又可以方便快捷地画出。

原本是打算用PSPICE仿真模拟，由于时间的不足，没有成功运行，打算下次尝试使用该软件。

这些对我们两人来说是一次大胆的尝试，我们也从中收获颇丰，并体会到计算机给我们带来的高效与便捷，希望这些能力在我们以后的路子中会发挥些作用。

另外，在二阶动态电路实验中，由于课前位置坐着比较后，未看清L是15mH,而采用10mH,与其他组人的数据有部分不同，请老师关注下。

以后实验课前我们会更认真地听讲，争取实验做得既满足要求又更有效率。

总的来说，本次实验我们基本完成了实验要求，达到了实验目的，对电路基本理论有了更加深刻的理解，同时也感谢老师的辛勤指导。