一阶电路响应仿真

四、一阶电路的响应仿真

1、实验目的1.1、测定RC一阶电路的零输入响应、零状态响应及全响应; 1.2、学习建立EWB(或Proteus)的仿真测试电路，学习虚 拟仪器的使用，了解动态图表分析方法； 1.3、学习测量一阶电路时间常数与全响应电压的方法，掌握 典型微分电路和积分电路； *1.4、熟悉信号发生器调整与数字示波器常用测量法的使用。

2、电路原理与测量方法一阶电路：仅含一个储能元件，且由一阶微分方程描述的 线性电路，称为线性一阶电路。 求解一阶电路的三要素： 1)初始值；2)稳态值 ；3)时间常数τ 。长江大学 龙从玉 1

2.2、一阶电路的零输入、零状态响应及时间常数的测量 方波激励的RC一阶电路(如图-1a)的零输入响应、零 状态响应。分别按指数规律衰减(增长), 其变化的快慢 决于电路的时间常数。在(τ <<T/2)时， t 设激励电压us = u 则电容上的响应电压: uC ue RC一阶电路的响应波形如图-1b。时间常数 τ =RC,测量方法如图-1b: R C u us零状态响应 零输入响应

uc①uc=0.632us 确定τ的交点。

uS方波 Us:10V 1khz

uc=0.368us

0

τ

图- 1 一阶电路a

②由交点时间 座标确定τ 值!长江大学 龙从玉

τ

t2

图- 1一阶电路的响应 b

2.3、积分电路uS方波 Us:4V 1khz

当τ >T/2, uc响应输出为 全响应，初始电压uco 。 测量响应初始电压uoc与三角波电压ucpp 。

RC

u

uS uc ucpp uco

uC

图-2 积分电路图

0

t因UR与ui同相 位，所以用取样 电阻的电压代表 电流波形相位。

2.4、微分电路C uS方波 Us:4V 1khz

(当τ <<T/2,且uR作为响应输出) uS u RuR (i)

uR0

t

图- 3 微分电路图长江大学 龙从玉 3

3、一阶电路的响应仿真电路仿真软件版本：EWB5.12. 3.1、创建一阶电路响应的EWB仿真电路步骤 1)根据要求建立RC一阶电路响应的EWB测试电路，调用相应 虚拟信号源与示波器，接入测试电路。 2)在EWB中调整虚拟信号源输出方波信号；用虚拟示波器光 标法测量一阶电路的输入与输出信号电压。测量零输入与零状 态响应的时间常数τ 。 3)用EWB的图表分析法测量一阶电路响应的上述各参数： ①打开EWB的分析菜单：调用电路Transient动态分析可直接 测量计算一阶电路的时间常数与输出电压值。 ②使用Proteus的图表分析菜单：建立电路模拟分析图表，同 样可计算一阶电路的时间常数τ与输出电压值。长江大学 龙从玉 4

★ EWB使用简介电 源 基 本

EWB主菜单工具菜单指 示 仪 器

元件与仪器菜单

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2014-5-3

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3.2、创建一阶电路EWB电路示范(观察响应波形，测量时间常数)1)从基本元件库取电容与电阻，再分别(

对元件双击左键)在对话框中修改 元件参数为：C=0.1uf,电阻R=1K; 2 )从仪器库调用信号发生器，使输出f=http://doc.guandang.net =10V激励方波信号： 3 )从仪器库调用示波器，对示波器双击左键，用YA测量us;用YB测量uc, 用DC耦合输入。设Y轴基准2V/格、X轴基准0.2mS/格。示波器

游标1 游标2

信号源

波形 选择

游标1 测量值

游标2-1 时间增量 电压增量

频率 电压

X轴 时间基准 水平调节

YA 电压基准 垂直调节

YB6

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3.3、一阶电路响应的EWB时域分析例题：

时域分析对话框

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3.4、一阶电路响应的Proteus仿真示范 交互式仿真实验步骤： 1)创建在Proteus ISIS仿真电路； ①从元件库调用电路元件； 例1.一阶电路响应的实时仿真 (基本元件参数可以修改) ②将元件联接组成待测电路。 图-5 一阶电路响应测试电路 2)从调试工具库中调用 可调电阻R 仪器(信号源、示波器) 组成实时仿真测量电路。 10kA B8%

虚拟函数信号源+

C D

3)根据实验要求在 主窗口按下实时仿真 键，进行实时仿真。

虚拟示波器

电容CAM FM

0.1u

*4)有些电路参数也可从从调试工具库 中调用测试探针直接测试。长江大学 龙从玉 8

3.5、一阶电路响应图表分析ui 脉冲信号源ui

R110k90%

TD=0 TR=1u TF=1u PW=50% FREQ=1000 V1=0 V2=10

零输入零状态时间常数 f=1K,VL=0,VH=5V R=1K,C=0.1uF

图表分析步骤： 积分电路分析 1)点击绘图主菜单(或图表工具 图标) f=1K,VL=0,VH=5V 2)点击列表窗口的模拟图表分析 R=5.1K,C=0.1uF 选项 C1 3)在原理图窗口拉出模拟图表分 0.1u 析框。 4)先在电路图中的测量点添加测 量探针； 5)再将该测量探针添加到模拟图 表分析框； 6)点击图表中的编辑对话窗口， 设定分析开始时间与结束时间。 7)点击图表仿真运行图标。得到 分析图表。 8)运用图表中的光标测量相应的 电压与时间。9

uoc

R5.1

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4、实验内容与实验步骤4.1、RC一阶电路的响应的观测 激励方波信号us=10v (Um=5V)、f=0.5khz 使用器件::C=0.1uf, 调节电阻R分别为1K、5K、10K。 观察电路的输入输出信号波形us和uc ,将实验中测量的一 阶电路的数据与观察到相应的波形记录在表-1中。表-1 观测一阶电路的响应波形记录表电路参数 C/uf0.1

激励信号/方波 电压/V10

R/k1.

频率/k0.5

响应 电压uc

响应 波形

说明零输入/ 零状态积分电路

0.1

5.

10

0.5

uc

0.1

1.

10

0.5长江大学 龙从玉

uR

微分电路10

4.2、测量RC一阶电路的时间常数 在RC电路中取R=1K,C=0.1uf;信号源输出f=0.5KHz、 电压幅度Um=5V(upp=10V)的方波激励，测量此RC电路的 时间常数τ。(如图5-13、5-14、5-15、5-16)。 4.3、观测积分电路

波形 将RC电路的参数改为：R=0.51K、C=1uf,观测相应的电 压波形uc。 (如图5-17其中0.51电阻应为0.51K!图5-18)。 4.4、在RC电路上串联取样电阻r=10Ω后接地，观测积分电路 输出电压波形与电流波形(如图5-21、5-22)。 *4.5、观测微分电路波形 在RC电路中取R=0.51K,C=0.1uf,接成电阻输出形式，测 量输出电压uR (如图5-19、5-20)。

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5、实验要求与注意事项5.1、信号源的接地端与示波器的接地端要连在一起(称共 地),以防外界干扰而影响测量的准确性。 5.2、调节示波器时，要注意触发开关和电平调节旋钮的配合 使用，以使显示的波形稳定。

6、实验报告要求6.1、根据实验观测结果，在同一坐标平面上绘出实验内容1 中的uc和ur(i)的波形，以便比较。 6.2、 根据实验观测结果，在同一坐标平面上绘出实验内容2 中uc和ur(i) 的波形，以便比较。 6.3、根据实验观测结果，归纳、总结积分电路和微分电路的 形成条件，阐明波形变换的特征。

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