RC串联电路的暂态和稳态过程(实验)

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1、实验S-2RC串联电路的暂态和稳态过程一、实验目的1.学习数字示波器的使用。2.观察RC电路电容的充放电特性曲线，测量半衰期T，并计算电容C。1/23.观测RC串联电路的相频特性。4.使用双轨迹法和李萨如图形法测定相位差。二、实验原理RC或RL串联电路中，电路中的电压和电流随电源作恒定的周期性变化,电路的这种状态称为稳态过程。然而这种具有储能元件（C或L）的电路在电路接通、断开，或电路的参数、结构、电源等发生改变时，电路从一个稳态经过一定时间过渡到另一新的稳态,这一过程称为暂态过程。描述暂态过程变化快慢

2、的特性参数常用时间常数或半衰期表示，由电路中各元件的量值和特性决定。通过对暂态过程的研究，有助于了解电子技术中常用到的耦合电路、积分电路、微分电路、隔直电路、延时电路等电路设计的原理，了解电路的暂态特性也有助于电路设计的合理化，避免电源在接通和断开的瞬间产生过大的电压或电流而造成电器设备和元器件的损坏现象的发生。交流电路中，电容和电感元件的阻抗会随着输入信号频率的变化而变化，则各元件上的电压及相位产生相对应的变化，这称作电路的频率特性，也称为稳态特性。电流、电压的幅值与频率的关系称为幅频特性；各元件上的

3、电压和信号电压之间的相位差与频率的关系称为相频特性。通过对交流电路稳态特性的研究，有助于掌握电子线路总对频率的分析方法，利用RC串联电路的相频特性，还可进行移相电路和RC滤波电路的设计。本实验着重研究RC串联电路的暂态和稳态特性，熟悉与掌握如何利用将数字示波器进行交流电路的测试与分析。1．数字示波器随着电子技术的发展，数字示波器凭借着数字技术和软件技术大大扩展了模拟示波器对信号测试与分析的能力，具有波形触发、存储、显示、测量、波形数1

4、同济大学物理实验中心据分析处理等独特优点，其使用日益普及。示波器是采

5、用数据采集，A/D转换，软件编程等一系列的技术综合制造而成的高性能示波器。数字示波器一般由电压放大和衰减电路、采样电路、触发与控制电路、存储电路、显示与输出电路等部分组成，如图1所示。图1数字示波器的原理框图数字示波器与模拟示波器最大的差异在于显示信号的成像方式不同。模拟示波器将输入信号电压加载与示波管偏转极板，由电子束轰击屏幕的发光物质产生光点，光点随信号电压周期性变化而产生的连续变化的轨迹，则显示出信号的波形。模拟示波器无法使显示画面“固定”，必须使用触发使每次的波形“重叠”，方可显示稳定的波形；同

6、时也无法自动执行波形测量，只能通过显示屏上的网格线进行手动测量，这样也会因估读而引起较大的测量误差。数字示波器将输入信号经过前置处理并通过模数转换器进行采样和数字转换，转换为数字信号。随后将这个数据存入存储器中。由触发器完成触发事件，时钟时基调整示波器的时间显示。在示波器显示信号之前，微处理器系统可以执行波形的重建，重建后的波形可以进行各种各样的参数测量、信号运算和分析等，并将最终的结果或原始的样点直接显示到屏幕上。测试的信号结果可以存放在存储器中，也可打印或通过网络或USB连接传输到计算机。高性能的数

7、字示波器还能通过软件提供的虚拟前面板在计算机上控制和监测示波器。数字示波器与模拟示波器相比有很多突出的优点：可以根据被测信号的特点自动确定和调整测试条件，真正实现自动测试；能够较容易地实现对高速、瞬态信号的实时捕获；在波形存储与运算方面有着明显的优势。2

8、同济大学物理实验中心大部分数字示波器的前面板都至少包括五个主要区域:显示区：显示信号波形以及有关控制与测量参数垂直控制区（VERTICAL）：通道信号输入接口与垂直灵敏度调整，波形垂直位置调整；水平控制区（HORIZONTAL）：调节扫描速度与波

9、形水平位置；触发控制区：调节触发电平，触发菜单选择。功能区：MEASURE测量；ACQUIRE采样；CURSOR光标；DISPLAY显示；SAVE存储；AUTOSET自动设置键；RUN/STOP启动/停止键2．RC串联电路的暂态特性RC串联电路如图2所示,当接通电源或断开电源的瞬间将形成电路充电或放电的瞬态变化过程。瞬态变化快慢是由电路内各元件量值和特性决定的,描述瞬态变化快慢的特性参数就是电路的时间常数τ和半衰期T1。RC串联电路充放2电过程按指数函数规律进行的。图2RC串联电路一般电路的过渡过程是短

10、暂的，普通示波器难以观测其波形。为了方便观测电路的过渡过程，可以采用方波电压作为激励源，使电路中的过渡过程得以重复出现。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。选择方波的重复周期远大于电路的时间常数τ（T1>5τ），那2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。只要合理地选取τ与T的