一阶动态响应(电路分析)
一阶动态电路分析
一阶动态电路分析在一阶动态电路分析中，通常需要考虑以下几个步骤：1.确定电路拓扑结构：首先需要确定电路中的元件和它们的连接方式，以建立电路的拓扑结构。
2.建立电路微分方程：根据电路中的元件和连接方式，可以通过基尔霍夫定律、欧姆定律等来建立电路的微分方程。
对于电容和电感元件，可以利用其电压和电流的关系（即电压-电流特性）得到微分方程。
- 对于电容元件，根据电容的定义（Q=C*dV/dt），可以得到微分方程：C*dV/dt = I，其中C为电容值，V为电容的电压，t为时间，I为电流。
- 对于电感元件，根据电感的定义（V=L*di/dt），可以得到微分方程：L*di/dt = V，其中L为电感值，i为电感的电流，t为时间，V为电压。
3.求解微分方程：根据所建立的微分方程，可以通过分离变量、积分等方法对方程进行求解。
求解过程中需要考虑初始条件，即在其中一时刻电容的电压或电感的电流的初始值。
4.分析电路响应：根据微分方程的解，可以得到电路中电容的电压或电感的电流随时间的变化曲线。
根据这些曲线可以分析电路的稳定状态、暂态响应和频率响应。
在分析电路响应时，可以根据不同的输入信号类型进行分类，常见的输入信号包括：-直流输入：当输入信号为直流信号时，可以将微分方程简化为代数方程进行求解。
此时电路响应主要包括稳态响应和过渡过程。
-正弦输入：当输入信号为正弦信号时，可以利用拉普拉斯变换将微分方程转换为代数方程。
通过求解代数方程和对频率的分析，可以得到电路的频率响应。
-脉冲输入：当输入信号为脉冲信号时，可以将微分方程进行离散化，转化为差分方程进行求解。
此时电路响应主要包括脉冲响应和响应序列的叠加。
总结来说，一阶动态电路分析是通过建立微分方程，求解微分方程，分析电路响应的一种方法。
通过这种方法，可以了解电路的稳定状态、暂态响应和频率响应等特性。
同时，对于不同类型的输入信号，还可以通过不同的数学工具和方法进行求解和分析。
这种分析方法可以广泛应用于电子电路、控制系统等领域的研究和应用中。
一阶动态电路的全响应及三要素法
1 2
高阶动态电路的全响应研究
本文主要研究了一阶动态电路的全响应，未来可 以将研究扩展到高阶动态电路，探讨其全响应的 特点和求解方法。
复杂电路系统的分析方法研究
针对更复杂的电路系统，需要研究更为有效的分 析方法，以提高电路分析的准确性和效率。
3
非线性电路的动态响应研究
在实际应用中，非线性电路的动态响应也是一个 重要的问题，未来可以开展相关的研究工作。
结果讨论与误差分析
结果讨论
根据求解出的全响应表达式，分析电 路在不同时间点的响应情况，讨论电 路的工作特性。
误差来源
分析在求解过程中可能出现的误差来 源，如元件参数的测量误差、计算误 差等。
误差影响
讨论误差对求解结果的影响程度，以 及如何通过改进测量方法、提高计算 精度等方式来减小误差。
实际应用中的考虑
在实际应用中，还需要考虑其他因素 对电路响应的影响，如环境温度、电 磁干扰等。
05 实验验证与仿真模拟
实验方案设计
设计思路
基于一阶动态电路的基本原理，构建实验电路并确定测量参数。
电路搭建
选用合适的电阻、电容、电感等元件，搭建一阶动态电路。
测量方法
采用示波器、电压表、电流表等仪器，测量电路中的电压、电流 等参数。
03 三要素法原理及应用
三要素法基本概念
三要素法定义
一阶动态电路的全响应由初始值、 稳态值和时间常数三个要素决定，
通过求解这三个要素可快速得到 电路的全响应。
适用范围
适用于线性、时不变、一阶动态电 路的全响应分析。
优点
简化了电路分析过程，提高了求解 效率。
初始值、稳态值和时间常数求解方法
01
02
一阶动态电路响应研究实验报告
一阶动态电路响应的研究实验目的：1.学习函数信号发生器和示波器的使用方法。
2.研究一阶动态电路的方波响应。
实验仪器设备清单：1.示波器 1台2.函数信号发生器 1台3.数字万用表 1块4. 1kΩ电阻X1 ；10kΩ电阻 X1 ；100nf电容X1 ；面包板；导线若干。
实验原理：1.电容和电感的电压与电流的约束关系是通过导数和积分来表达的。
积分电路和微分电路时RC一阶电路中典型的电路。
一个简单的RC串联电路，在方波序列脉冲的重复激励下，由R两端的电压作为输出电压，则此时该电路为微分电路，其输出信号电压与输入电压信号成正比。
若在该电路中，由C两端的电压作为响应输出，则该电路为积分电路。
2.电路中在没有外加激励时，仅有t=0时刻的非零初始状态引起的响应成为零输入响应，其取决于初始状态和电路特性，这种响应随时间按指数规律衰减。
在零初始状态时仅有在t=0时刻施加于电路的激励所引起的响应成为零状态响应，其取决于外加激励和电路特性，这种响应是由零开始随时间按指数规律增长的。
线性动态电路的全响应为零输入响应和零状态响应之和。
实验电路图：实验内容：1.操作步骤、：(1).调节信号源，使信号源输出频率为1KHz，峰峰值为1.2VPP的方波信号。
(2).将示波器通道CH1与信号源的红色输出端相接，黑色端也相接，调示波器显示屏控制单位，使波形清晰，亮度适宜，位置居中。
(3).调CH1垂直控制单元，使其灵敏度为0.2V，即在示波器上显示出的方波的幅值在屏幕垂直方向上占6格。
(4).调CH2水平控制单元，使其水平扫描速率为0.2ms，表示屏幕水平方向每格为0.2ms。
(5).按照实验原理的电路图接线，将1K电阻和10nf电容串联，将信号源输出线的红色夹子，示波器CH1的红色夹子连电阻的一端，电容的另一端与信号源，示波器的黑色夹子连在一起，接着将CH2的输入探极红色夹子接在电容的非接地端，黑色夹子接在电容的接地端。
(6).打开信号源开关，示波器CH1，CH2通道开关，观察示波器并记录其波形。
实验九实验报告(二)--一阶动态电路的响应测试
实验九 ：一阶动态电路的响应测试（二）一、实验目的：1、 观测RC 一阶电路的方波响应；2、 通过对一阶电路方波响应的测量，练习示波器的读数；二、实验内容：1、研究RC 电路的方波响应。
选择T/RC 分别为10、5、1时，电路参数： R=1K Ω，C=0.1µF 。
2、观测积分电路的Ui(t)和Uc(t)的波形，记录频率对波形的影响，从波形图上测量时间常数。
积分电路的输入信号是方波，Vpp=5V 。
3、观察微分电路的Ui(t)和U R (t)的波形，记录频率对波形的影响。
微分电路的输入信号也是方波，Vp-p=1V 。
三、实验环境：面包板一个，导线若干，电阻一个（1k Ω），DS1052E 示波器一台，电解电容一个（0.1μF ），EE1641C 型函数信号发生器一台。
四、实验原理：1． 方波激励：•电路图：•方波波形：（调整方波电压范围在0~5V ） 2. 积分电路：一个简单的RC 串联电路，在方波脉冲的重复激励下，当满足τ=RC>>T/2时（T 为方波脉冲的重复周期），且由C 两端的电压作为响应输出，则该电路就是一个积分电路。
此时电路的输出信号电压与输入信号电压的积分成正比。
•电路图：（以f=1000Hz 为例）C1100nF•仿真波形：（以f=1000Hz为例）3. 微分电路：一个简单的RC串联电路，在方波脉冲的重复激励下，当满足τ=RC<<T/2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，则该电路就是一个微分电路。
因此此时电路的输出信号电压与输入信号电压的微分成正比。
•电路图：（以f=1000Hz为例）•仿真波形：（以f=1000Hz为例）五、实验数据：1.时间常数的计算：6-4；•U i(t)和U c(t)的波形及波形数据：①③3.微分电路：•U i(t)和U R(t)的波形及波形数据：①②③④六、数据分析总结：1.注意事项：（1）将方波波形底端定为基准，使方波激励电压范围在0~5V之间；（2）微分电路图中，若以积分电路的电路只改变示波器的通道连接，要注意不要将电容短路；（3）函数信号发生器的频率调节要结合档位，不换档位可能调不到所要的频率。
一阶动态电路的全响应
一阶动态电路的全响应好嘞，今天我们来聊聊一阶动态电路的全响应。
说到这，大家可能会觉得有点复杂，不过别担心，我会用轻松的方式给你讲明白的。
想象一下，你在家里喝茶，偶尔抬头看看窗外，看到那微风吹过的树叶，忽然想起了电路。
听起来是不是有点奇怪？但电路其实就像生活中的很多事情，有时候一阵风吹来，你的反应会慢半拍，这就跟一阶动态电路一样。
一阶动态电路是什么呢？简单说，就是那种反应不那么迅速的电路。
就像你在思考一件事情时，脑子里可能会卡壳。
电流流动的速度不是瞬间就能达到，而是有个逐渐适应的过程。
就像你早上醒来，不是一下子就能进入状态，得喝杯咖啡，等一等才行。
电路也是，输入信号来了，输出信号得等一等，慢慢才能反应过来。
这种反应过程就叫全响应。
我们来想象一下，一个简单的电路。
假设有个电阻和电容，电压信号突然加上去。
这时候，电容就像个小水库，水库里的水不能一下子装满，得一点点来，慢慢充水。
这个过程就是电容充电的过程，电流逐渐增大，电压也渐渐上升。
你可以把它想象成一个人慢慢适应新环境，刚到一个派对，开始有点紧张，慢慢就能放开来，跟大家聊得热火朝天。
然后啊，电路的全响应不仅仅是充电，放电也是一回事。
电容充好电了，假如这个电源突然断了，电容里的电就像气球里的空气，开始慢慢漏出去。
这时候，电压又会渐渐下降，直到完全放空。
这种变化其实在生活中也很常见，比如你跟朋友聊天，聊得正嗨，结果突然有人打断了，你可能一时没反应过来，脑子里还在回味刚才的话题。
说到这里，可能会有人问，全响应有什么用呢？嘿，这可大有用处了。
你想啊，很多电子设备都需要控制信号的变化速率。
比如说在音响里，如果信号变化太快，可能会造成声音失真，就像是你跟朋友聊天，他话说得太快，你根本跟不上。
反过来，如果反应太慢，又会造成滞后，影响使用体验。
我们再说说这个电路的时间常数。
这个时间常数就像你给电路加个标签，告诉它“嘿，反应时间差不多是多久”。
时间常数越大，反应越慢；越小，反应越快。
动态电路响应实验报告
一、实验目的1. 了解动态电路的基本原理和特性；2. 掌握一阶动态电路的响应规律；3. 熟练使用示波器、信号发生器等实验仪器；4. 提高实验操作能力和数据处理能力。
二、实验原理动态电路是指电路中含有电容或电感元件的电路。
在动态电路中，电容和电感元件的电压与电流之间的关系可以用导数和积分来描述。
一阶动态电路的响应规律主要由时间常数决定，时间常数τ = RC或τ = L/R，其中R为电阻，C为电容，L为电感。
一阶动态电路的响应分为三种：零输入响应、零状态响应和完全响应。
零输入响应是指在没有外加激励的情况下，仅由电路的初始状态引起的响应；零状态响应是指在外加激励作用下，电路的初始状态为零时的响应；完全响应是零输入响应和零状态响应的和。
三、实验仪器与设备1. 示波器 1台；2. 信号发生器 1台；3. 函数信号发生器 1台；4. 电阻（R1K、R10K、R100K）各1个；5. 电容（C10uF、C100nF）各1个；6. 面包板 1个；7. 导线若干；8. 5V电源 1个。
四、实验内容与步骤1. 零输入响应实验（1）搭建RC电路，电阻R取100KΩ，电容C取10uF；（2）打开电源，使电容充电至5V；（3）断开电源，观察电容电压随时间的变化，并记录数据；（4）重复实验多次，确保数据的准确性。
2. 零状态响应实验（1）搭建RC电路，电阻R取100KΩ，电容C取10uF；（2）打开电源，使电容放电；（3）观察电容电压随时间的变化，并记录数据；（4）重复实验多次，确保数据的准确性。
3. 完全响应实验（1）搭建RC电路，电阻R取100KΩ，电容C取10uF；（2）打开电源，使电容充电至5V，然后断开电源；（3）观察电容电压随时间的变化，并记录数据；（4）重复实验多次，确保数据的准确性。
4. 方波激励实验（1）搭建RC电路，电阻R取100KΩ，电容C取10uF；（2）使用函数信号发生器输出频率为1kHz，峰峰值为5V的方波信号；（3）观察电容电压随时间的变化，并记录数据；（4）重复实验多次，确保数据的准确性。
电路分析基础一阶动态电路的时域分析
动态电路 的过渡过程
电路的零输入、 零状态分析法
一阶电路响应 的三要素分析法
6.1
一阶电路的三要素分析法
(t=0)
1.过渡过程的的概念
US (t=t1)
R C
uc
-
+
换路：电路结构或参数发生突然变化。
稳态：在指定条件下电路中的电压、电流已 达到稳定值。 暂态：电路换路后从一种稳态到另一种稳态 的过渡过程。
6
iL
6 1H
1 F -
10 uC ( ) 5 55 5V
6 i L ( ) 6 66 3 mA
(3) 时间常数 的计算
对于一阶RC电路
R0C
L 对于一阶RL电路 R0
注意：
对于较复杂的一阶电路， R0为换路后的电路 除去电源和储能元件后，在储能元件两端所求得的 无源二端网络的等效电阻。
uC ( t 0 ) uC ( t 0 ) i L ( t 0 ) i L ( t 0 ) uC (0 ) uC (0 ) i L (0 ) i L (0 )
换路时刻，iC和uL为有限值，uC和iL在该处连续，不可跃变。
除过uC和iL，电路中其他的u、i可以在换路前后发生跃变。
t=0 S R1
+
R1
R3
C
-
U
R2
R2
R3 R0
R0
+
R0 ( R1 // R2 ) R3 R0C
C R0的计算类似于应用戴维 南定理解题时计算电路等效 电阻的方法。即从储能元件 两端看进去的等效电阻。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
-
U0
一阶动态电路的全响应及三要素法
iL（∞）= 0
（3）求时间常数τ
R 20 (10 10) 10 k 20 10 10
L 10 3 10 7 s
R 10 103
根据三要素法，可写出电感电流的解析式为
iL（t）= 0 +（10×10-3–0）e107=t 10 e mA 107t
i
L
()
US R2
10 20
05A
1
L R2
2 20
0 1s
根据三要素公式得到
iL（t）= 0.5（1 - ）e1A0t （0.1s≥t要素法，先求t = 0.1 s时刻的初始值。根 据前一段时间范围内电感电流的表达式可以求出在t = 0.1 s时刻前一瞬间的电感电流
2 10 20
0 0667 s
根据三要素公式得到：
t 01
iL (t) iL (0 1 ) e 2 0 316 e15(t01) A （t≥0.1 s）
电感电流iL（t）的波形曲 线如右图所示。在t=0时， 它从零开始，以时间常数 τ1=0.1 s确定的指数规律增 加到最大值0.316A后，就 以时间常数τ2=0.0667s确 定的指数规律衰减到零。
【例14-3】
下图（a）所示电路原处于稳定状态。t = 0时开关 闭合，求t ≥0的电容电压uC（t）和电流i（t）。
解：（1）计算初始值uC（0+）
开关闭合前，图（a）电路已经稳定，电容相当于 开路，电流源电流全部流入4Ω电阻中，此时电容电 压与电阻电压相同，可求得
uC（0+）= uC（0 -）= 4Ω×2 A = 8V
t ln iL (0 ) iL () 0 005 ln 0 75 1 5 0 002 s
电路原理5.3.3一阶电路的动态响应 - 一阶电路的动态响应2
解的构成：
dt
y = y' + y''
对应的齐次方程的通解
非齐次方程的特解
方法一：从数学方程形式求解
（1）先求对应齐次方程的通解y’’
dy + py = 0 dt
-t
y'' = Ae
动态电路的时域分析
（2）求非齐次方程的特解y’——待定系数法
a.形如
dy dt
+
py
=
K
（K为常数——直流）
则设 y' = （常数），代入非齐次方程，求得y’。
b.形如
dy + py = Kt dt
则设 y' = t + ，代入非齐次方程，求得y’。
c.形如 dy + py = Ksint （交流）
dt
则设 y' = sint + cost ，代入非齐次方程，求得y’。
（或者 y' = Am sin(t + ) ）
动态电路的时域分析
方法二：从电路的角度分析 y = y' + y''
i2 (t )
=
-
R1
+
R R2
+
R3
i(t)
=
-2e-t A
动态电路的时域分析
二、一阶电路的零状态响应 1、零状态响应：电路在储能元件零初始条件下(电容电压
值uC和电感电流值iL为零），而由外施激励引 起的电路响应。
2、RC电路的零状态响应
S(t = 0) R iC(t)
+ US
2
1
+
uR C
5.3.4一阶电路的动态响应 - 一阶电路的动态响应3一阶电路的三要素法1
R2 u2(t) L i1(t) -
动态电路的时域分析
解：t<0时电路已处于稳态，iL(0- ) 0。
因此，换路后所求响应为零状态响应。求得稳态时的
电感电流：
iL()
R1
US R2 R3
R2 R3
R2 R2 R3
0.5 A
换路后，从电感两端看进去的戴维宁等效电阻为
Req
R3 R1 // R2
换路后，电路中有激励。
注意：由于输入不为零，所以电路方程仍为非齐次微分
方程，分析求解过程与零状态输入一样，所不同的是电 路的初始状态不为零，即初始条件不同，因而确定的积 分常数A也不同。
动态电路的时域分析
引例： S(t=0) R
i
US
+ uR – C
解：
+
uC
RC
duC dt
uC
US
– （非齐次微分方程）
uC (0-)=U0 （不为零）
解答为：uC =uC' uC'' 特解 : uC' = US
-t
通解: uC = Ae τ
-t
全解： uC = US + Ae τ
其中 = RC
由初始值来确定A: uC (0+)=A+US=U0 A=U0 – US
动态电路的时域分析
所以:
稳态解
暂态解
-t
uC uC uC US (U0 - US )e τ t 0
励下的全响应。
一般步骤:
1. 利用换路定则以及KCL、KVL求出y(0+) ; 2. 在换路后的稳态电路中求出稳态分量y() ; 3. 利用戴维宁定理计算RC或RL串联电路的时间常数τ。
一阶动态电路的三要素法
感谢您的观看
THANKS
应，并了解电路的性能。
03 三要素法可以帮助我们更好地理解和设计一阶动 态电路。
04 三要素法在一阶动态电路 中的应用
电容电压的计算
总结词
通过三要素法，可以计算出电容电压 的初始值、稳态值和时间常数。
详细描述
在三要素法中，电容电压的初始值可 以通过初始条件计算得出，稳态值则 根据换路定律确定，而时间常数是电 路中电容器充放电的时间。
研究不足与展望
虽然三要素法在分析一阶动态电路方面取得了显著成果，但仍存在一些局限性，例如对于高阶动态电 路的分析仍需进一步研究。
目前对于三要素法的理论研究相对成熟，但在实际应用方面仍需加强，特效率。
未来研究可以探索将三要素法与其他电路分析方法相结合，以拓展其应用范围和提高分析精度，同时也 可以研究如何将三要素法应用于其他领域，如控制系统、信号处理等。
实例二：简单RL电路的响应分析
总结词
RL电路的响应分析
详细描述
RL电路由一个电阻R和一个电感L组成，其 响应也可以通过三要素法进行计算。根据三 要素法，RL电路的响应由初始值、时间常数
和稳态值三个要素决定。初始值是电感在 t=0时的电流或电压值，时间常数是RL的乘 积，稳态值是当时间趋于无穷大时的电流或
背景
在电子工程和电路分析领域，一阶动态电路是常见的基本电路之一。了解一阶动态电路的响应特性对于电子设备 和系统的设计、分析和优化具有重要意义。三要素法作为一种有效的分析方法，广泛应用于一阶动态电路的分析 和设计中。
研究目的和意义
研究目的
通过研究一阶动态电路的三要素法，旨在深入理解一阶动态电路的响应特性，掌握三要 素法的应用技巧，提高分析和解决实际电路问题的能力。
一阶动态电路响应实验报告
一阶动态电路响应实验报告一阶动态电路响应实验报告引言：动态电路是电子学中的基础实验之一，通过对电路中的电流和电压的变化进行观察和分析，可以更好地理解电路的特性和响应。
本实验旨在研究一阶动态电路的响应特性，通过实验数据的分析，探索电路中的电流和电压的变化规律。
实验目的：1. 研究一阶动态电路的响应特性。
2. 掌握实验仪器的使用方法，如示波器、信号发生器等。
3. 学习数据采集和分析的方法。
实验原理：一阶动态电路是由电容和电阻组成的简单电路，其特点是电流和电压的变化具有指数衰减的趋势。
当电路中的电容充电或放电时，电流和电压的变化可以用指数函数来描述。
实验步骤：1. 搭建一阶动态电路实验电路，包括电容、电阻和信号发生器。
2. 将示波器连接到电路中，用于观察电流和电压的变化。
3. 设置信号发生器的频率和振幅，观察电路中电流和电压的响应。
4. 记录实验数据，包括电流和电压的变化情况。
5. 对实验数据进行分析，绘制电流和电压的变化曲线。
实验结果与分析：根据实验数据，我们可以得到一阶动态电路中电流和电压的变化曲线。
通过观察和分析曲线，我们可以得出以下结论：1. 在电容充电时，电流和电压的变化呈指数衰减的趋势，随着时间的增加，电流和电压逐渐趋于稳定。
2. 在电容放电时，电流和电压的变化也呈指数衰减的趋势，但是其衰减速度比充电时要快。
3. 电容的充电和放电时间常数与电阻和电容的数值有关，可以通过实验数据计算得出。
实验结论：通过本次实验，我们研究了一阶动态电路的响应特性，了解了电容充电和放电过程中电流和电压的变化规律。
实验结果表明，一阶动态电路中的电流和电压变化可以用指数函数来描述，而电容的充放电时间常数与电阻和电容的数值有关。
实验总结：本次实验通过实际操作和数据分析，深入理解了一阶动态电路的响应特性。
同时，我们也掌握了实验仪器的使用方法，如示波器和信号发生器。
通过实验的过程，我们不仅加深了对电路特性的理解，还培养了数据采集和分析的能力。
一阶电路的动态响应
3.60
3.68
3.76
4
0.16
UR/V
18.2
0.48
-9.04
-10.4
3.36
时间常数/s
9.85*10-5
表2
R=218.5、C=0.1μF、f=2kHZ
T/s
0μ
-82μ
-176μ
-242μ
-330μ
Uc/v
-17.6
16.0
19.6
20
-16.8
Us/v
3.04
3.68
3.92
一阶电路的动态响应
一、实验原理
含一个储能元件，并可以用一阶微分方程入为一个阶跃电压Usε(t)（ε(t)为单位阶跃函数），电容电压的初始值为uc(0+)=U0，则电路的全响应为
解得：
五、零输入响应
当Us=0，电容的初始电压Uc(0+)=Uo时，电路的响应称为零输入响应。
-15.92
-16
-16.64
20.16
时间常数/s
2.185*10-6
五、数据分析
4、根据表1数据显示，方波周期长短较于充放电时间刚好，即近视相等，显示波形图与结果图1、仿真图1结果相吻合。
5、根据表2、3数据显示，方波周期相比较于充电时间过长，充电过程很快，与结果图2、仿真图3所示结果吻合。
6、仿真图2显示为方波周期过短，充电过程还没充完就开始放电。
二实验方法1在multisim中搭建电路一阶电路的动态响应2选用虚拟示波器观测输入波形方波信号和输出波形电容电压信号3选择合适的扫描速度能够得到合适充放电波形图为充电时间刚刚好的图1一阶电路的动态响应图为充电时间过短的情况图24在虚拟示波器中读出在一个时间常数时的电容电压值与时间常数三multisim仿真结果仿真图1一阶电路的动态响应仿真图2仿真图3四实验数据82176242330ucv1523212814432usv360368376016urv182048904104336时间常数82176242330ucv17616019620168一阶电路的动态响应usv304368392016urv206412321568161696时间常数s218510582176242330ucv1682020820820usv304408408416016urv198415921616642016时间常数s218510五数据分析1根据表1数据显示方波周期长短较于充放电时间刚好即近视相等显示波形图与结果图1仿真图1结果相吻合
一阶动态电路分析
第3章电路的暂态分析【教学提示】暂态过程是电路的一种特殊过程，持续时间一般极为短暂，但在实际工作中却极为重要。
本章介绍了电路暂态过程分析的有关概念和定律，重点分析了RC和RL一阶线性电路的暂态过程，由RC电路的暂态过程归纳出了一阶电路暂态分析的三要素法。
最后讨论了RC的实际应用电路一-积分和微分电路。
【教学要求】了解一阶电路的暂态、稳态、激励、响应等的基本概念理解电路的换路定律和时间常数的物理意义了解用经典法分析RC电路、RL电路的方法掌握一阶电路暂态分析的三要素法了解微分电路和积分电路的构成及其必须具备的条件3.1暂态分析的基本概念暂态分析的有关概念是分析暂态过程的基础，理解这些概念能更好地理解电路的暂态过程。
1•稳态在前面几章的讨论中，电路中的电压或电流，都是某一稳定值或某一稳定的时间函数，这种状态称为电路的稳定状态，简称稳态( steady state)。
2•换路当电路中的工作条件发生变化时，如电路在接通、断开、改接、元件参数等发生突变时，都会引起电路工作状态的改变，就有可能过渡到另一种稳定状态。
把上述引起电路工作状态发生变化的情况称为电路的换路(switching circuit )。
3•暂态换路后，电路由原来的稳定状态转变到另一个稳定状态。
这种转换不是瞬间完成的，而是有一个过渡过程，电路在过渡过程中所处的状态称为暂态( transient state)。
4•激励激励(excitation )又称输入，是指从电源输入的信号。
激励按类型不同可以分为直流激励、阶跃信号激励、冲击信号激励以及正弦激励。
5•响应电路在在内部储能或者外部激励的作用下，产生的电压和电流统称为响应。
按照产生响应原因的不同，响应又可以分为：(1)零输入响应(zero input response):零输入响应就是电路在无外部激励时，只是由内部储能元件中初始储能而引起的响应。
(2)零状态响应(zero state respo ns©:零状态响应就是电路换路时储能元件在初始储能为零的情况下，由外部激励所引起的响应。
第5章 一阶动态电路分析
从而解出特征根为
则通解
1 p RC
6
uC Ae
t RC
３式
将初始条件uc(0+)=R0IS代入3式，求出积分常数A为
uC (0 ) A R 0 I S
将 uc (0 ) 代入３式，得到满足初始值的微分 方程的通解为
安培 伏特
库仑 秒 库仑 / 秒
故称τ为时间常数, 这样４、５两式可分别写为
uC uC (0 )e
t
t≥0 t≥0
i i (0 )e
t
1 由于 p 为负，故uc和 i 均按指数规律衰减， RC
它们的最大值分别为初始值 uc(0+)=R0IS 及
R0 I S i (0 ) R
当t→∞时，uc和 i 衰减到零。
8
画出uc及i的波形如下图所示。
图 RC 电路零输入响应 电压电流波形图
9
由此可见，时间常数τ 是表示放电快慢 的物理量。时间常数越大，放电速度越慢； 反之，则放电越快。
定性地看，时间常数τ 与电阻R和电容C
的取值呈正比。当R增大时，放电电流减
小，电容放电时间增长；当C增大时，电
容电压相同的情况下存储的电荷量增大，
放电时间增长。
5.1.2 RL电路的零输入响应
10
一阶RL电路如图5-1-2(a)所示，t=0- 时开关S闭合，电 路已达稳态，电感L相当于短路，流过L的电流为I0。即 iL(0-)=I0，故电感储存了磁能。在t=0时开关S打开，所以 在t≥0时，电感L储存的磁能将通过电阻R放电，在电路中 产生电流和电压，如图5-1-2 (b)所示。由于t>0后，放电 回路中的电流及电压均是由电感L的初始储能产生的，所 以为零输入响应。
电路分析基础 课题四 一阶动态电路的分析
输入响应。
2.
−
一阶动态电路的零输入响应的一般表达式为：() = (0+) ，其中，为时间常数（单位：s），
(0+)为初始值。
3.
“零输出响应”特点：
➢ 换路后电源信号为0（零输入/激励）
➢ 储能元件的初始值≠0
➢ 储能元件的稳态值=0
问题四：
闪光灯在实际使用中，会频繁充电；同时实
iL I 0 e
R
t
L
I0e
t
稳态值= iL (∞) = 0
1
最大储能：wL = 2 LI02
（5）其它响应：
（c）响应曲线
uL uR RI 0 e
t
t
L
...RL电路时间常数
R
知识链接3.一阶零输入响应的表达式
1.
定义：在没有输入激励的情况下，仅由电路的初始状态（初始时刻的储能）所引起的响应，称为零
闪光灯的功能就是通过瞬间放电补光的过程。
知识链接 1.RC零输入响应电路分析
（a）换路前
（b）换路后
（1）换路前（0-时刻如图a）
（5）其它响应
Uc（0-）=U0≠0
uR uC U 0 e
（2）换路瞬间（0+时刻）
由换路定理：初始值Uc（0+）=Uc（0-）=U0≠0
1
最大储能：(0+) = 2 02
3.初始值的计算
【初始值求解步骤】
① 换路前的电路（t =0－）直流稳态下，电容相当于开路、电感相当于短路。
② 换路前的电路（t =0－）只求电感中电流iL(0－)或者电容中电压uC(0－)。
一阶动态电路响应实验报告 -回复
一阶动态电路响应实验报告-回复本个实验通过测试电路中的电压变化来研究一阶动态电路响应的特性。
在试验中，我们使用了一个RC 电路作为模型来研究电路中的电压变化，通过测量过渡过程中的电压变化和时间，进一步确定电路的时间常数和响应特性。
通过实验数据的分析，我们得出了电路的时间常数和阶跃响应曲线。
【关键词】一阶动态电路、响应特性、时间常数、阶跃响应曲线【实验目的】1. 了解一阶动态电路的基本原理和特性。
2. 掌握一阶动态电路的测试方法。
3. 通过实验验证一阶动态电路的时间常数和响应特性。
【实验原理】1. 一阶动态电路的基本原理一阶动态电路是一种简单的电路，它包含一个电阻和一个电容器。
电容器可以存储电能，电阻可让电容器内的电压平稳地释放。
该电路的特性是，当电路上有电压变化时，电容器内储存的电能会在一段时间内逐渐释放，直到电容器内的电荷完全消耗。
2. 一阶动态电路的响应特性一阶动态电路的响应特性可以通过两个参数来描述：时间常数和阶跃响应曲线。
时间常数是指电路中电容器放电至原电压的63.2% 所需的时间。
阶跃响应曲线则是电路输入突变信号时输出电压随时间的变化曲线。
【实验器材】示波器1 台、函数信号发生器1 台、电源1 台、电阻箱1 台、电容器1 台、万用表1 台【实验步骤】1. 按图1 连接RC 电路。
2. 将示波器和函数信号发生器分别接入电路。
3. 在函数信号发生器上设置一个方波信号，其幅度为5V，频率为1kHz。
4. 打开电源并调整函数信号发生器的幅度和频率，使得输入信号的幅度和频率符合实验要求。
5. 用示波器观察电路的输入和输出波形，并记录数据。
6. 分析数据，并绘制阶跃响应曲线。
7. 根据数据计算电路的时间常数，并与实验值进行比较。
【实验数据】时间(ms) 电压(V)0 0.000.2 0.400.4 1.000.6 2.800.8 3.801.0 4.00【数据分析】通过实验测量结果，我们可以得到该电路的阶跃响应曲线（如图2 所示）。
一阶动态电路分析
在低通滤波器中，随着频率的增加，输出信号的 幅度逐渐减小；而在高通滤波器中，随着频率的 增加，输出信号的幅度逐渐增加。
在一阶电路中，由于存在电容或电感元件，输出 信号与输入信号之间会存在一定的相位差。这种 相位差随着频率的变化而变化，形成了一阶电路 的相频特性。
一阶低通滤波器的截止频率决 定了信号通过的频率范围。
一阶高通滤波器
一阶高通滤波器允许高频信号通过， 而阻止低频信号。
一阶高通滤波器的截止频率同样决定 了信号通过的频率范围，但与低通滤 波器相反。
其电路结构也由一个电阻和一个电容 组成，但连接方式与低通滤波器相反。
幅频特性和相频特性
幅频特性描述了一阶动态电路对不同频率信号的 幅度响应。
电阻的作用
电阻在电路中起到分压、 分流、限流等作用，是电 路中的重要元件。
电阻的种类
电阻按照材料、结构、功 率等可分为多种类型，如 碳膜电阻、金属膜电阻、 线绕电阻等。
电容
电容的定义
电容是电路中存储电荷的 元件，用符号"C"表示，单 位为法拉（F）。
电容的作用
电容在电路中起到滤波、 隔直、耦合等作用，常用 于电源电路、信号电路等。
复数域分析法
将电路中的元件参数和变量表示为复数形式，通过复数运算来分 析电路稳定性。
06 一阶动态电路的应用举例
RC电路的应用
延时电路
利用RC电路的充放电特性，可以实现延时功能， 如电子门铃、延时开关等。
滤波电路
RC电路可以构成低通、高通或带通滤波器，用于 滤除信号中的特定频率成分。
振荡电路
在某些条件下，RC电路可以产生振荡，用于产生 特定频率的信号。
一阶动态电路响应的研究
u/ V
⑵ 标坐标轴：画轴线、标箭头， 坐标轴名和单位。
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 t/ms
一阶RC电路的充放电波形图
电工与电子技术实验A -- RC一阶电路的研究
根据本实验要求，选择直角 坐标纸，坐标纸大小可参考 示波器屏幕大小。
u/ V
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 t/ms
一阶RC电路的充放电波形图
电工与电子技术实验A -- RC一阶电路的研究
初始电压值 对应时刻
⑵调示波器的光标。 读出初始值以及上升 到距初始值3格(即 63.2%4.8 格 ) 处 的 时
间差即为 值。
3格
初始电 压值
电工与电子技术实验A -- RC一阶电路的研究
描绘输出波形
⑴ 选择图纸：作图必须使用 坐标纸，坐标纸的大小要保 证图上的最小分格至少应与 实验数据中最后一位准确数 字相当。
速度旋钮TIME/DIV，使显示出的波形容 0.0
易观测，调好示波器旋钮后，作图时坐 -0.2
标标度可按照示波器屏幕的格线标度选
-0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 t/ms
取。示波器屏幕以方格作为长度单位，
精度为0.2格。注意绘制示波器显示的波 一阶RC电路的充放电波形图
一阶动态响应(电路分析)
姓名：王硕一、实验目的1、研究一阶动态电路的零输入响应、零状态响应及完全响应的特点和规律。
掌握测量一阶电路时间常数的方法。
2、理解积分和微分电路的概念，掌握积分、微分电路的设计和条件。
3、用multisim 仿真软件设计电路参数，并观察输入输出波形。
二、实验原理1、零输入响应和零状态响应波形的观察及时间常数τ的测量。
当电路无外加激励，仅有动态元件初始储能释放所引起的响应——零输入响应；当电路中动态元件的初始储能为零，仅有外加激励作用所产生的响应——零状态响应；在外加激励和动态元件的初始储能共同作用下，电路产生的响应——完全响应。
以一阶RC 动态电路为例，观察电路的零输入和零状态响应波形，其仿真电路如图1（a ）所示。
（a ） （b ）图1 一阶RC 动态电路方波信号作为电路的激励加在输入端，只要方波信号的周期足够长，在方波作用期间或方波间隙期间，电路的暂态响应过程基本结束（τ52/≥T ）。
故方波的正脉宽引起零状态响应，方波的负脉宽引起零输入响应，方波激励下的)(t u i 和)(t u o 的波形如图1（b ）所示。
在)2/0(T t ，∈的零状态响应过程中，由于T <<τ，故在2/T t =时，电路已经达到稳定状态，即电容电压S o U t u =)(。
由零状态响应方程可知，当2/)(S o U t u =时，计算可得τ69.01=t 。
如能读出1t 的值，则能测出该电路的时间常数τ。
2、RC 积分电路由RC 组成的积分电路如图2（a ）所示，激励)(t u i 为方波信号如图2（b ）所示，输出电压)(t u o 取自电容两端。
该电路的时间常数2T RC >>=τ（工程上称10倍以上关系为远远大于或远远小于关系。
），故电容的充放电速度缓慢，在方波的下一个下降沿（或上升沿）到来时，充放电均未达到稳态，输出波形如图2（c ）所示，为近似三角波，三角波的峰值E <<'E 。
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姓名：王硕
一、实验目的
1、研究一阶动态电路的零输入响应、零状态响应及完全响应的特点和规律。
掌握测量一阶电路时间常数的方法。
2、理解积分和微分电路的概念，掌握积分、微分电路的设计和条件。
3、用multisim 仿真软件设计电路参数，并观察输入输出波形。
二、实验原理
1、零输入响应和零状态响应波形的观察及时间常数τ的测量。
当电路无外加激励，仅有动态元件初始储能释放所引起的响应——零输入响应；当电路中动态元件的初始储能为零，仅有外加激励作用所产生的响应——零状态响应；在外加激励和动态元件的初始储能共同作用下，电路产生的响应——完全响应。
以一阶RC 动态电路为例，观察电路的零输入和零状态响应波形，其仿真电路如图1（a ）所示。
（a ） （b ）
图1 一阶RC 动态电路
方波信号作为电路的激励加在输入端，只要方波信号的周期足够长，在方波作用期间或方波间隙期间，电路的暂态响应过程基本结束（τ52/≥T ）。
故方波的正脉宽引起零状态响应，方波的负脉宽引起零输入响应，方波激励下的)(t u i 和)(t u o 的波形如图1（b ）所示。
在)2/0(T t ，∈的零状态响应过程中，由于T <<τ，故在2/T t =时，电路已经达到稳定状态，即电容电压S o U t u =)(。
由零状态响应方程
可知，当2/)(S o U t u =时，计算可得τ69.01=t 。
如能读出1t 的值，则能测出该电路的时间常数τ。
2、RC 积分电路
由RC 组成的积分电路如图2（a ）所示，激励)(t u i 为方波信号如图2（b ）所示，输出电压)(t u o 取自电容两端。
该电路的时间常数2
T RC >>=τ（工程上称10倍以上关系为远远大于或远远小于关系。
），故电容的充放电速度缓慢，在方波的下一个下降沿（或上升沿）到来时，充放电均未达到稳态，输出波形如图2（c ）所示，为近似三角波，三角波的峰值E <<'E 。
故R t u R t u t i i R )()()(≈=，因而⎰⎰
≈==dt t u RC dt t i C t u t u i c o )(1)(1)()(，所以输出电压近似地与输入电压的积分成正比。
图1
3、RC 微分电路
由RC 组成的微分电路如图3（a ）所示，激励)(t u i 为方波信号如图3（b ）所示，输出电压)(t u o 取自电阻两端。
该电路的时间常数2
T RC <<=τ，故电容的充放电速度非常快，
在方波的下一个下降沿（或上升沿）到来时，电容电压在很短的时间内已充放电完成，并早已达到稳态，输出波形如图3（c ）所示，为周期窄脉冲。
因而dt
t du RC dt t du RC t Ri t u t u i C R o )()()()()(≈===，所以输出电压近似地与输入电压的微分成正比。
图3
三、仿真实验内容
1、在图1（a ）中，已知nF C k R 1010=Ω=、。
在multisim 仿真软件中连接电路，并由函数信号发生器输出Hz f V V p p 10005000.4-==-，的方波信号。
利用双踪示波器同时观察)(t u i 和)(t u o 的波形，并在示波器上测量τ值，并与理论τ值进行比较。
2、根据积分电路形成条件，选择合适的R 、C 参数，组成如图2（a ）所示的积分电路，其中)(t u i 为V V p p 0.4=-、kHz f 1=的方波。
在双踪示波器中同时观察)(t u i 和)(t u o 的波形。
3、根据微分电路形成的条件，选择合适的R 、C 参数，组成如图3(a)所示的微分电路，其中)(t u i 为V V p p 0.4=-、kHz f 1=的方波。
在双踪示波器中同时观察)(t u i 和)(t u o 的波形。
四、思考题
1、什么样的电信号可以作为一阶RC 电路零输入响应、零状态响应和完全响应的激励信号？ 答： 阶跃信号可作为RC 一阶电路零输入响应激励源；脉冲信号可作为RC 一阶电路 零状态响应激励源；正弦信号可作为RC 一阶电路完全响应的激励源，
2、当电容具有初始值时，RC 电路在阶跃激励下是否会出现没有暂态的现象，为什么？ 答：要看电容电压的初始值大小及极性,只有在电容初始电压的极性、大小完全与突加激励相同的条件下,才不会出现过渡暂态变化。
3、在研究方波激励积分电路的响应时，由于T >>τ，使得响应波形)(t u C 在2/T 时间内无
法达到稳态值，故不能通过实验方法测量τ值。
但在积分电路的响应波形中包含了时间常数τ的信息，应用什么方法测量τ值？
答：由RC 组成的积分电路如图2（a ）所示，激励 )(t u i 为方波信号如图2（b ）所示，输
出电压 取自电容两端。
该电路的时间常数2T RC >>
=τ （工程上称10倍以上关系为远远大于或远远小于关系。
），故电容的充放电速度缓慢，在方波的下一个下降沿（或上升沿）到来时，充放电均未达到稳态，输出波形如图2（c ）所示，为近似三角波，三角波的峰值 。
故R t u R t u t i i R )()()(≈= ，因而⎰⎰≈==dt t u RC dt t i C t u t u i c o )(1
)(1)()( ，
所以输出电压近似地与输入电压的积分成正比。
答： R=τ/C;τ=RC
4、若将一阶RC 电路改为一阶RL 电路，对于方波激励，电路的响应波形又会怎样？
答：若将一阶R 搜索C 电路改为一阶RL 电路，对于方波激励，电路的响应波形又会怎样由三角波变成尖脉冲。
5、能否用RL 电路设计积分或微分电路，如果能，电路参数设计需满足什么条件？
答： 积分电路：τ>>T ，τ很大，则i 充电速度越来越慢)(0
t u = )(u t R = )(t Ri ≈⎰dt t u L R
i )( 因此输出信号电压近似于输入信号的电压的积分成正比，输入信号为方波信号时，输出信号电压为三角波信号。
附上电感仿真图。