一阶动态响应(电路分析)

2016-5-7电路分析仿真大作业仿真实验二：一阶动态电路响应仿真实验学号：15041405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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。)(tui)(tuott2/TT2/3T00T2TT22/3T2/TSUSU（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（52/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)(tui和)(tuo的波形如图1（b）所示。在)2/0(Tt，的零状态响应过程中，由于T，故在2/Tt时，电路已经达到稳定状态，即电容电压SoUtu)(。由零状态响应方程)1()(/tSoeUtu可知，当2/)(SoUtu时，计算可得69.01t。如能读出1t的值，则能测出该电路的时间常数。2、RC积分电路由RC组成的积分电路如图2（a）所示，激励)(tui为方波信号如图2（b）所示，输出电压)(tuo取自电容两端。该电路的时间常数2TRC（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RtuRtutiiR)()()(，因而dttuRCdttiCtutuico)(1)(1)()(，所以输出电压近似地与输入电压的积分成正比。)(tuo)(tuiRC积分电路)(aiuEE0t'E0out'E输入激励信号)(b积分电路响应波形)(c图13、RC微分电路由RC组成的微分电路如图3（a）所示，激励)(tui为方波信号如图3（b）所示，输出电压)(tuo取自电阻两端。该电路的时间常数2TRC，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dttduRCdttduRCtRitutuiCRo)()()()()(，所以输出电压近似地与输入电压的微分成正比。)(tuoRC微分电路)(a)(tuiouE2tE20微分电路响应波形)c(iuEE0t输入激励信号)(b图3三、仿真实验内容1、在图1（a）中，已知nFCkR1010、。在multisim仿真软件中连接电路，并由函数信号发生器输出HzfVVpp10005000.4，的方波信号。利用双踪示波器同时观察)(tui和)(tuo的波形，并在示波器上测量值，并与理论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)(tui为VVpp0.4、kHzf1的方波。在双踪示波器中同时观察)(tui和)(tuo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)(tui为VVpp0.4、kHzf1的方波。在双踪示波器中同时观察)(tui和)(tuo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，使得响应波形)(tuC在2/T时间内无法达到稳态值，故不能通过实验方法测量值。但在积分电路的响应波形中包含了时间常数的信息，应用什么方法测量值？答：由RC组成的积分电路如图2（a）所示，激励)(tui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2TRC（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RtuRtutiiR)()()(，因而dttuRCdttiCtutuico)(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=RC4、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：τT，τ很大，则i充电速度越来越慢)(0tu=)(utR=)(tRi≈dttuLRi)(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