北京理工大學電工和電子技術(shù)實驗RC電路仿真實驗.doc

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實驗1.3 RC電路的暫態(tài)過程 1．實驗?zāi)康? （1）學習一階RC電路的零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)和全響應(yīng)。 （2）學習EDA軟件Multisim13的使用。 2．實驗預(yù)習要求 （1）計算圖1.3.1 ~ 1.3.3中，電容電壓在t = τ時的uC (τ)及電路時間常數(shù)τ的理論值。 （2）掌握微分電路和積分電路的條件。 （3）預(yù)習附錄E中Multisim13軟件的使用。 3. 實驗設(shè)備及裝置型號 裝有仿真軟件Multisim10.0以上的計算機。 序號 名稱 元件庫路徑與名稱 參數(shù)設(shè)置 1 直流電壓源 Sources/POWER_SOURCES/DC_POWER 10V 4V 2 脈沖電壓源 （幅度4V， 頻率400Hz） Sources/SIGNAL_VOLTAGE_SOURCES/PULSE_VOLTAGE Iniatial Value -2V Pulsed Value 2V Period 1.35ms Pulse Width 0.625ms 3 電源地 Sources/POWER_SOURCES/GROUND 4 電解電容33μF Basic/CAP_ELECTROLICT/33uF-POL 無需設(shè)定 5 電阻 Basic/BASIC_VIRTUAL/RESISTOR_VIRTUAL 按需設(shè)定 6 單刀單擲開關(guān) Basic/SWITCH/SPST 7 單刀雙擲開關(guān) Basic/SWITCH/SPDT 8 電容 Basic/BASIC_VIRTUAL/CAPCITOR_VIRTUAL 按需設(shè)定 4. 實驗內(nèi)容及要求 （1）測繪RC電路的響應(yīng)曲線 零輸入響應(yīng) 按圖1.3.1接線。其中R = 10kΩ，C = 33μF，US = 10V。在仿真開始前，使單刀單擲開關(guān)S閉合（想一想為什么？），然后開始仿真計時。計時時間請觀察Multisim程序界面下部的程序運行狀態(tài)指示。電壓測量用測量儀器工具欄中的黃色探針，該探針在仿真運行按鈕處于運行時有效。將測量結(jié)果記入表1.3.1中。 + + S uC US - 圖1.3.1 C 3300mF R + - l 閉合開關(guān)S，使電容器C上電壓的初始值為10V。 l 打開開關(guān)S，電容C開始放電過程。 將電阻換為R = 5.6kW，C不變，測量uC (t ) 對應(yīng)的時間，記入表1.3.2中。 注：只要求測量uC (t ) 一個點，不需要測量完整的曲線。 表1.3.1 uC (V) 9 8 7 6 5 uC (t ) =3.68 3 2 1 t (s) 0.034463 0.073446 0.117514 0.168362 0.228814 0.329839 0.397363 0.531073 0.760829 表1.3.2 電路參數(shù) R = 10kW，C = 33mF R = 5.6kW，C = 33mF 時間常數(shù) t (s) 理論值 0.33 理論值 0.1848 實測值 0.329839 實測值 0.184516 （2）測繪RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)曲線 按圖1.3.2接線，其中R = 10kW，C = 33mF，US = 10V。 閉合開關(guān)S，將電容器放電，使電容器兩端初始電壓為零。 斷開S，使電容器充電，按表1.3.3要求進行計時，并記入表1.3.3中。 表1.3.3 uC (V) 1 2 3 4 5 uC (t ) =6.32 7 8 9 t (s) 0.034652 0.073446 0.117514 0.168738 0.228814 0.329839 0.397363 0.532957 0.760829 t (s) 理論值 0.33 實測值 0.329839 + + S uC US - 圖1.3.2 C 3300mF R + - + + S uC US1 - 圖1.3.3 C 3300mF R + - 2 1 + US2 - （3）測繪RC電路的全響應(yīng)曲線 按圖1.3.3接線，圖中US1 = 4V，US2 = 10V，R = 10kW，電容器改為C = 2200mF，US1、US2由直流穩(wěn)壓電源的兩路輸出分別提供。先將開關(guān)S置于“1”，使電容器充電至US2值，然后再將S置于“2”，按表1.3.4的要求進行計時，并記入表1.3.4中。 表1.3.4 uC (V) 9 8 7 uC (t ) =6.21 5 4.4 t 理論值 t 實測值 t (s) 0.060264 0.133710 0.229755 0.329839 0.593220 0.894539 0.33 0.329839 （4）觀察在矩形脈沖激勵下，RC電路的時間常數(shù)對輸出波形的影響。 利用Multisim軟件提供的元件和測量儀器，按照表1.3.5的要求，連接電路，選擇參數(shù)，加入輸入信號，進行仿真運行。觀察RC電路的輸入和輸出波形，并記入表1.3.5中。 a) 按圖1.3.4連接RC串聯(lián)電路，從電阻兩端取輸出電壓。 b) 加入矩形脈沖作為輸入信號ui，其頻率f = 400Hz、幅度為4V。 按表1.3.5的要求，當選取不同的電路參數(shù)時，用示波器觀察、描繪ui和uo的波形，并記入表1.3.5中。 c) 按圖1.3.5連接RC串聯(lián)電路，從電容兩端取輸出電壓，重復(fù)實驗步驟b)。 表1.3.5 項目 參 數(shù) 電路及波形 參 數(shù) 電路及波形 電 路 圖 從電阻兩端取輸出電壓 從電容兩端取輸出電壓 輸 入 矩形脈沖 f = 400Hz Uom = 4V 矩形脈沖 f = 400Hz Uom = 4V 輸 出 R = 510W C = 0.22mF R = 1kW C = 0.22mF R = 1kW C = 0.47mF R = 2kW C = 0.33mF R = 1kW C = 33mF R = 10kW C = 0.33mF 圖1.3.5 - ui uo R C + + - 圖1.3.4 - ui uo R C + + - 5. 實驗總結(jié)要求 （1）根據(jù)表1.3.1、1.3.3、1.3.4數(shù)據(jù)用坐標紙畫出RC電路響應(yīng)的三條曲線，并分析時間常數(shù)t 的實測值和理論值有差別的原因。 （2）分析RC電路在矩形脈沖激勵下，電路結(jié)構(gòu)和電路參數(shù)對輸出波形的影響，并由實驗結(jié)果總結(jié)積分電路、微分電路的條件。 元件性能與參數(shù)誤差：設(shè)計時的理論值是以理想元器件為基礎(chǔ)的，而實際器件不可能做到理想性能與參數(shù)。 測量儀器產(chǎn)生的誤差：測量儀器在采樣與處理到顯示的過程中都會產(chǎn)生誤差，特別是對數(shù)據(jù)的采樣，多高頻率的數(shù)據(jù)據(jù)采樣率都避免不了誤差。 （2）RC越大，Uc越接近輸入波形，Ur越趨于平緩。 積分電路：t = RC >> 2 T ( T為方波脈沖的重復(fù)周期) 微分電路：t = RC << 2 T ( T為方波脈沖的重復(fù)周期)