实验六 一阶RL电路的过渡过程实验

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实验六一阶RL电路的过渡过程实验

一、实验目的

1、研究RL串联电路的过渡过程。

2、研究元件参数的改变对电路过渡过程的影响。

二、实验原理

在电路中，在一定条件下有一定的稳定状态，当条件改变，就要过渡到新的稳定状态。从一种稳定状态转到另一种新的稳定状态往往不能跃变，而是需要一定的过渡过程（时间）的，这个物理过程就称为电路的过渡过程。电路的过渡过程往往为时短暂，所以电路在过渡过程中的工作状态成为暂态，因而过渡过程又称为暂态过程。

1、RL电路的零状态响应（电感L储存能量）

图6-1 (a) 是RL串联电路。在t = 0时将开关S合上，电路既与一恒定电压为U的电压接通。

根据克希荷夫电压定律，列出t≥0时电路的微分方程为

i R + = U

(a) (b) (c)

图6-1RL电路的零状态响应电路及、、随时间变化曲线电路中的电流为

电阻上电压为

电感上的电压为

其随时间的变化曲线如图6-1（b）、(c)所示。

2、RL电路的零输入响应（电感L释放能量）

在图6-2(a) 所示RL串联电路，开关S是合在位置2上，电感元件中通有电流。在t = 0时将开关从位置2合到位置1，使电路脱离电源，RL电路被短路。此时电路为零输入响应。

(a) (b) (c)

图6-2RL电路的零输入响应电路及、、随时间变化曲线根据克希荷夫电压定律，列出t≥0时电路的微分方程为

电路中的电流为

其随时间的变化曲线如图6-2 (b) 所示。它的初始值为I 0，按指数规律衰减而趋于零。

式中τ叫做时间常数，它反映了电路过渡过程时间的长短。

电路中电阻上电压为

电路中电感上电压为

其随时间的变化曲线如图6-2（c）所示。

3、时间常数τ

在RL串联电路中，τ为电路的时间常数。在电路的电路零状态响应上升到稳态值的63.2%所需要时间为一个时间常数τ，或者是零输入响应减到初始值的36.8%所需要时间。虽然真正电路到达稳定状态所需要的时间为无限大，但通常认为经过（3—5）τ的时间，过度过程就基本结束，电路进入稳态。

三、实验内容及步骤

1、脉冲信号源

在实际实验中，采用全数控函数信号发生器的矩形波形做为实验信号电源，由它产生一个固定频率的矩形波，模拟阶跃信号。在矩形波的前沿相当于接通直流电源，电容器通过电阻充电。矩形波后沿相当于电路短路，电容器通过电阻放电。矩形波周期性重复出现，电路就不断的进行充电、放电。

在EWB 仿真实验中，选用Sources 元器件库里的时钟源（Clock ）作为脉冲信号源，它可以产生用户设定的固定频率矩形波，起到实际实验中实验信号电源的作用。

在时钟源元器件属性（Clock Properties ）对话框中，Value/Frequency 选项可改变时钟源发出方波的频率，Value/Duty cycle 选项可改变时钟源发出方波的占空比，Value/Voltage 选项可改变时钟源发出方波的电压幅值。

2、 示波器操作的简单介绍

图6-3（a ）示波器图标 图6-3（b ）示波器面板

从Instruments 元器件库中可调出示波器（Oscilloscope ），其图标如上图6-3（a ）所示，该示波器是双通道的，其上的4个接线端分别是接地、触发、A 通道和B 通道。若被测电路已经接地，那么示波器可以不再接地。但在实际应用中常利用示波器的接地点以便于观测，例如：欲测电路中a 、c 两点间的电压波形和b 、c 两点间的电压波形（a 、b 、c 并非被测电路的接地点），则可将A 通道和B 通道分别接到被测电路的a 、b 两点上，示波器的接地点接到被测电路的c 点上，则仿真后在示波器面板上观测到的A 通道显示的波形即是被测电路a 、c 两点之间的电压波形，B 通道显示的波形即b 、c 两点间的电压波形，欲测任务也就完成了。

指针1处读数

指针2处读数

指针1、2处读数差

面板恢复

背景颜色ASC Ⅱ保存示波器的读数为峰值

图6-3（c

）示波器展开面板

鼠标双击示波器图标后得到示波器的面板如上图6-3（

b ）所示，各标识含义已在图中标明。当点击“Expand ”（面板展开）后，即可看到如图6-3（

c ）所示的示波器展开面板。该扩展面板与原面板上可设置的主要参数有：

时基控制面板展开触发控制X 轴偏置Y 轴偏置外触发输入

自动触发Y 轴输入方式

（1）时基（Time Base）

设置范围：0.10ns～ls/Div

时基设置用于调整示波器横坐标或X轴的数值。为了获得易观察的波形，时基的调整应与输入信号的频率成反比，即输入信号频率越高，时基就应越小，一般取输入信号频率的1/3～1/5较为合适。

（2）X轴初始位置（X-Position）

设置范围：-5.00～5.00

该项设置可改变信号在X轴上的初始位置。当该值为0时，信号将从屏幕的左边缘开始显示，正值从起始点往右移，负值反之。

（3）工作方式（Axes Y/T，A/B，B/A）

Y/T工作方式用于显示以时间（T）为横坐标的波形；A/B和B/A工作方式用于显示频率和相位差，如李沙育（Lissajous）图形，相当于真实示波器上的X-Y或拉Y工作方式。也可用于显示磁滞环（Hysteresis Loop）。当处于A/B工作方式时，波形在X轴上的数值取决于通道B的电压灵敏度（V/Div）的设置（B/A工作方式时反之）。若要仔细分析所显示的波形，应在仪器分析选项中选中“每屏暂停”（Pause after each screen）方式，要继续观察下一屏，可单击工作界面右上角的“Resume”框，或按F9键。

（4）电压灵敏度（V olts per Division）

设置范围：0.01mV/Div～5kV/Div

该设置决定了纵坐标的比例尺，当然，若在A/B或B/A工作方式时也可以决定横坐标的比例尺。为了使波形便于观察，电压灵敏度应调整为合适的数值。例如，当输入一个3V 的交流（AC）信号时，若电压灵敏度设定为1V/Div，则该信号的峰值显示在示波器屏幕的顶端。电压灵敏度的设定值增大，波形将减小；设定值减小，波形的顶部将被削去。（5）纵坐标起始位置（Y Position）

设置范围：-3.00～3.00

该设置可改变Y轴起始点的位置，相当于给信号迭加了一个直流电平。当该值设为0.00时，Y轴的起始点位于原点，该值为 1.00时，则表示将Y轴的起始点向上移一格（oneDivision），其表示的电压值则取决于该通道电压灵敏度的设置。改变通道A和通道B 的Y轴起始点的位置，可使两通道上的波形便于观察和比较。

（6）输入耦合（Input Coupling）

可设置类型：AC，0，DC

当置于AC耦合方式时，仅显示信号中的交流分量。AC耦合是通过在示波器的输入探头中串联电容（内置）的方式来实现的，像在真实的示波器上使用AC耦合方式一样，波形在前几个周期的显示可能是不正确的，等到计算出其直流分量并将其去除后，波形就会正确地显示。当置于DC耦合方式时，将显示信号中交流分量和直流分量之和。当置于0时，相当于将输入信号旁路，此时屏幕上会显示一条水平基准线（触发方式须选择AUTO）。（7）触发（Trigger）

①触发边沿（Trigger Edge）

若要首先显示正斜率波形或上升信号，可单击上升沿触发按钮；若要首先显示负斜率波形或下降信号，可单击下降沿触发按钮。②触发电平（Trigger Level）

设置范围：-3.00～3.00

触发电平是示波器纵坐标上的一点，它与被显示波形一定要有相交点，否则屏幕上将没有波形显示（触发信号为AUTO时除外）。

③触发信号（Trigger）

内触发：由通道A或B的信号来触发示波器内部的锯齿波扫描电路。