二阶响应实验

二阶响应预习报告：1.根据实验电路元件的参数，计算出处于临界阻尼状态的R2之值：图3.5.9的临界阻尼为1.3484kΩ；图3.5.11的临界阻尼为922.53Ω。2.弄清利用示波器测得的响应曲线计算欠阻尼状态的衰减常数α和振荡频率ωd的理论依据：以方波信号实现零输入和零状态交替，利用示波器的功能测出h1和h2以及Td即可算出α和ωd。3.思考欠阻尼过渡过程中，电路中能量的转化过程：电阻在过程中始终消耗能量，而在电流达到极大值前电感在吸收电容释放的能量，之后一直在释放能量，而电容在其电压为正时一直在释放能量，以后一直吸收能量，周而复始能量在元件之间传递。4.了解Multisim的使用方法。实验报告：一、实验目的1.深刻理解和掌握零输入响应、零状态响应及完全响应。2.深刻理解欠阻尼、临界阻尼、过阻尼的意义。3.研究电路元件参数对二阶电路动态响应的影响。4.掌握用Multisim软件绘制电路原理图的方法。5.掌握Multisim软件中的transientanalysis等SPICE仿真分析方法。6.掌握Multisim软件中函数发生器、示波器和波特图仪器的使用方法。二、实验仪器与器件1.计算机一台。2.通用电路板一块。3.低频信号发生器一台。4.交流毫伏表一台。5.双踪示波器一台。6.万用表一台。7.可变电阻一只。8.电阻若干。9.电感、电容（电感10mH、4.7mH，电容22nF）若干。三、实验原理用二阶微分方程描述的动态电路称为二阶电路。图所示的线性RLC串联电路是一个典型的二阶电路。定义：衰减系数（阻尼系数）LR2自由振荡角频率（固有频率）LC10（1）零输入响应动态电路在没有外施激励时，由动态元件的初始储能引起的响应，称为零输入响应。①CLR2，响应是非振荡性的，称为过阻尼情况。uLtmU0响应曲线如图所示②CLR2，响应临界振荡，称为临界阻尼情况。响应曲线如图所示③CLR2，响应是振荡性的，称为欠阻尼情况。响应曲线如图所示U0二阶电路的欠阻尼过程④当R＝０时，响应是等幅振荡性的，称为无阻尼情况。响应曲线如图所示t二阶电路的无阻尼过程其中衰减振荡角频率2220d2LRLC1，darctan（2）零状态响应动态电路的初始储能为零，由外施激励引起的电路响应，称为零输入响应。四、实验内容1、用Multisim研究二阶电路的动态特性（1）从元器件中选择可变电阻、电容、电感，创建如图所示电路，（2）设置L=10mHC=22nF,电容初始电压为5V，电源电压为10V。利用瞬变分析观测零输入响应（改变电阻参数欠阻尼、临界、过阻尼三种情况）；在同一张图中画出三条曲线，标出相应阻值。下面是零输入的电流情况：下面是零输入的电容电压情况：（4）用Multisim瞬态分析仿真全响应（欠阻尼、临界、过阻尼三种情况）；在同一张图中画出三条曲线，标出相应阻值。V110VL110mHC122nFIC=5VR12k?Key=A50%S1Key=Space13240下面是全响应的电流情况：以下是全响应的电容电压情况：（5）利用Multisim中函数发生器、示波器和波特图仪创建如图电路观测各种响应。函数信号发生器设置：方波、频率1KHz、幅度5V、偏置5V2.在电路板上按图所示电路（R=100ΩL=10mLC=47nF）焊接实验电路。3.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度过程，分别定性地描绘、记录响应的典型变化波形，按表1记录所测数据和波形。表1零输入响应波形过阻尼R总=1600Ω临界阻尼R总=922.53Ω欠阻尼R总=100Ω零状态响应波形见图1见图2见图3图1（过阻尼）L210mHC222nFIC=0VR22kΩKey=A50%8XFG1XSC1ABExtTrig++__+_605信号发生器L110mHR1100ΩR21kΩC147nF图2（临界阻尼）图3（欠阻尼）4.调节R2使示波器荧光屏上呈现稳定的欠阻尼响应波形，定量测定此时电路的衰减常数和振荡频率。按表2记录所测数据：表2波形RLC振荡周期Td第一波峰峰值h1第二波峰峰值h2如下两张图149.1Ω10mH47nF140.0μs2.2V760mV理论值测量值衰减震荡角频率ωd46126.560444879.89505衰减系数α74557592.1014725.利用状态轨迹分析零输入和零状态响应：6.观察并描绘电路元件参数及电路初始值对状态轨迹的影响。由仿真可知，在同样误差允许范围内R越大信号传输速率越低R越小信号传输速率越高五、实验总结通过此次实验对以下几个方面有了深刻体会：1、对Multisim软件中函数发生器、示波器和波特图仪的使用方法及瞬变分析等仿真分析方法有了更深了解；2、深刻理解和掌握了零输入响应、零状态响应及全响应3、深刻理解欠阻尼、临界、过阻尼的意义4、初步对实验内容与实际问题结合有了认识。应用实验内容解释定时功能等；5、对二阶电路的一些特性有了了解，例如：随着输入信号的频率升高，输出信号稳定所需时间越来越短，一阶RC电路的时间常数越大传输速率越小，在同样误差允许范围内R越大信号传输速率越低R越小信号传输速率越高。