Transcript 6. 动态电路

普通高等教育“十一五”国家级规划教材
第6章
动态电路
1.实训目的
通过实训，加深对动态电路的理解，掌握一阶电路
动态响应的实验方法，初步掌握二阶电路动态响应的实
验研究方法。
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2.实训内容
1)微分电路与积分电路的实验研究（基本技能性实训）。
2)一阶电路动态响应的实验研究（基本技能性实训）。
3)二阶电路动态响应的实验研究（设计性实训）。
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6.1
微分电路与积分电路的实验研究
6.1.1 实训目的
1）加深对微分电路与积分电路的理解。
2）熟悉微分电路与积分电路动态响应的特性。
3）掌握微分电路与积分电路的实验研究方法。
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6.1.2 实训原理
微分电路和积分电路是电容器充放电现象的一种应用。
在一定条件下，RC电路既可以构成微分电路，也可以构成积
分电路。
将RC电路的电阻端作为输出端，在电路参数满足T >>τ
时，便构成了微分电路，如图6-1所示。由于τ值远小于脉
宽T值，电容的充放电时间极短，所以电阻两端输出电压为
正负尖峰波形，如图6-2所示。
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微分电路波形
图6-1 微分电路
图6-2 微分电路输入、输出波形
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积分电路波形
将RC电路的电容端作为输出端，在电路参数满足τ>>T
时，便构成了积分电路，如图6-3和图6-4所示。
图6-3 积分电路
图6-4 积分电路输入、输出波形
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6.1.4 实训内容与步骤
1.微分电路实验
RC 串 联 微 分 电 路 如 图 6 - 5 所 示 。 电 路 参 数 ： R＝
1KΩ/3W，C1＝0.1μF，C2＝0.01μF，信号发生器＝ 5V/
方波。
电阻R两端电压作为输出端，信号发生器分别输出
100HZ、1KHZ、5KHZ、10KHZ和20KHZ等方波信号，用示波器
观察输入和输出电压波形，并将测试数据填入表6-2中。
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微分实验电路
图6-5
微分实验电路
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2. 积分电路实验
RC串联积分实验电路如图6-6所示。电路参数与操
作步骤同微分电路。电容C两端作为输出端，调节信号发
生器分别输出100HZ、1KHZ、5KHZ、10KHZ和20KHZ等方波
信号，用示波器观察输入和输出电压的波形，并将测试
数据填入表6-3中。
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积分实验电路
图6-6
积分实验电路
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6.1.6
注意事项
1）用示波器观察信号发生器产生的方波，防止失真。
2）示波器的探头与电路连接时，接地点不能接错，否则
信号将被短路。
3）信号发生器、示波器和电路的地端应连接在一起，即
共地，以防止干扰。
4）用示波器观察UC和IC波形时，由于信号幅值相差较大，
要缓慢调节Y轴的灵敏度，使波形清晰可测。
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• 6-1 实训项目完
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6.2
一阶电路动态响应的实验研究
6.2.1 实训目的
1）加深对一阶电路动态响应的理解。
2）熟悉一阶电路零状态响应和零输入响应的特性。
3）掌握一阶电路动态响应的实验研究方法。
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6.2.2 实训原理
1. 零状态响应
储能元件的初始值为零，仅由激励引起的响应叫做零
状态响应，如图6-7所示。这是一个RC串联电路，电容C的
初始值为零，电路处于稳定状态。在t＝0时刻，开关S由2
转到1时，电源Us经R向C充电。
图6-7
一阶RC电路动态响应电路
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2.零输入响应
当电路中激励为零，仅由储能元件的初始状态引起的
响应称为零输入响应。在图6-7所示电路中，开关S置1时，
电路已达稳态。在t＝0时刻，将开关S由1转到2，电容C经
电阻R放电。
图6-7
一阶RC电路动态响应原理图
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3. 全响应
由电路的非零初始状态和外加输入共同激励下，产生
的响应为全响应，如图6-8所示。在t＝0时刻，将开关S闭
合，此时，电路的响应就是全响应。
图6-8
一阶RC全响应电路
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6.2.4 实训内容与步骤
1. 零状态响应实验
电路如图6-10所示。电路参数：直流电源Us＝10V，R1＝
2KΩ，R2＝300Ω，电解电容C＝1000μF，S为转换开关。
图6-10 一阶RC电路动态响应实验电路
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操作步骤
1）转换开关S首先置于2位，电容充分放电，使电容的
初始储能为零。
2）在t＝0时刻，开关由2转到1，电源Us经R向C充电，
电压表显示Uc开始增加，电容逐渐充电到10V，用秒表记
录时间，按照表6-5所列出Uc定值，逐点求出时间τ，并
将测试数据填入表6-5中。
3）此时，电路的响应为零状态响应，用双踪示波器观
察分析波形。
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2.零输入响应实验
实验电路如图6-10所示，电路参数不变。
图6-10 一阶RC电路动态响应实验电路
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操作步骤
1）开关S首先置于1位，使电容充分充电，C达到稳态，
电压表显示Uc=10V。
2）在t＝0时刻，开关由1转到2，电容C向R放电，电压
表显示Uc开始下降，用秒表记录时间，按照表6-6所列出
Uc定值，逐点求出时间τ，并将测试数据填入表6-6中。
3）此时，电路的响应为零输入响应，用双踪示波器观
察分析波形。
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6.2.6
注意事项
1）连接电解电容器时，要注意正负极性。如果极性接
反了，漏电流会大量增加，甚至会损坏电容器。
2）用示波器观察波形时，要根据被测信号幅值不同，
调节幅值开关的灵敏度，使波形清晰可测。
3）示波器的探头与实验电路连接时，接地点不能接错，
否则信号将被短路。
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*6.3
二阶电路动态响应的实验研究
（设计性实
训）
6.3.1 实训目的
1）加深对二阶电路动态响应的理解。
2）了解二阶电路动态响应的实验研究方法。
3）初步掌握设计性实训的思路和方法。
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6.3.2 实训原理
1）RLC串联电路，无论是零输入响应，或是零状态响
应，二阶电路动态过程的性质，
完全由特征方程
LCP  RCP  1  0
2
的特征根
R
R 2
1 2
2
2
P1,2  
 （ ）－（ ）  δ δ－ω
0
2L
2L
LC
来决定的。
式中
  R / 2L,ω0  1 LC
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L
C
1）如果R＞2
，则P1,2为两个不相等的负实根，
电路过渡过程的性质为过阻尼非震荡过程；
2）如果R＝2 L ，则P1,2为两个相等的负实根，电
C
路过渡过程的性质为临界阻尼过程；
3）如果R＜2 L ，则P1,2为一对共轭复数，电路过
C
渡过程的性质为欠阻尼振荡过程。
改变电路参数R、L或C，均可使电路发生上述三种不
同性质的过程。
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在电路发生振荡时，其振荡性质可分为三种情况：
1）衰减振荡：电路中电压或电流的振荡幅度按指数
规律逐渐减小，最后衰减到零；
2）等幅振荡：电路中电压或电流的振荡幅度保持不
变，相当于电路中电阻为零，振荡过程不消耗能量；
3）增幅振荡：此时电压或电流的振荡幅度按指数规
律逐渐增加，相当于电路中存在负值电阻，振荡过程中
逐渐得到能量补充。
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6.3.4 实训内容与步骤
RLC 串 联 二 阶 电 路 如 图 6 - 1 1 所 示 。 电 路 参 数 ： L＝
100mH，电位器R＝4.7KΩ，C＝0.1~1μF，信号发生器输
出电压=2V/50~100HZ/方波。
L为电感线圈，C为可变电容，R为可变电阻。改变电
容或电阻的参数可获得各种响应状态。信号发生器接地端
与示波器的接地端并联接地。
振荡电路中电流I，在电阻R上产生电压作为取样信号
电压加到示波器的Y输入端，即能观察到测量值的波形与
数值。
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实验电路
图6-11
RLC串联的二阶电路
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操作步骤
调节信号发生器的方波输出频率为50~100HZ，输出电
压2V固定不变，L为电感线圈，C选用0.2μf电容，R为可变
电阻4.7KΩ，在0~500Ω~2KΩ范围可调。用示波器观察分
析R＜2
L/C
L / C、R＝2
以及 R＞2
L / C 条件下的响应特性。
测定RLC电路非振荡临界响应时，必须仔细观察振荡
电流是否经过最大值后逐渐衰减至零，如果电流衰减中,
有变向至负值，再衰减为零，则说明还是振荡状态。
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6.3.6
注意事项
1）信号发生器产生的方波信号容易失真，要用示波器
观察波形，防止失真。
2）使用信号发生器时，要缓慢、准确地调好频率。
3）示波器的探头与电路连接时，接地点不能接错，否
则信号将被短路。
4）信号发生器、示波器和实验电路的地端应连在一起，
即共地，以防止干扰。
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6.3.7
设计报告要求
主要内容：
1）实训目的、基本原理和实训设计方案。
2）电路图、所需仪表、元器件和电路参数。
3）实验内容和操作步骤。
4）数据测量与分析。
5）设计总结。
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