1、實驗五 RC一階電路的響應測試一、實驗目的 1. 測定RC一階電路的零輸入響應、零狀態響應及全響應。 2. 掌握有關微分電路和積分電路的概念。 3. 學會時間常數的測定方法。 4. 進一步學會用示波器觀測波形。二、原理說明圖5.1所示的矩形脈沖電壓波ui可以看成是按照一定規律定時接通和關斷的直流電壓源U。若將此電壓ui加在RC串聯電路上（見圖5.2），則會產生一系列的電容連續充電和放電的動態過程，在ui的上升沿為電容的充電過程，而在ui的下降沿為電容的放電過程。它們與矩形脈沖電壓ui的脈沖寬度tw及RC串聯電路的時間常數有十分密切的關系。當tw不變時，適當選取不同的參數，改變時間常數，會使電路

2、特性發生質的變化。 圖5.1 矩形脈沖電壓波形 圖5.2 RC串聯電路圖 1. RC一階電路的零狀態響應 所有儲能元件初始值為0的電路對于激勵的響應稱為零狀態響應。電路的微分方程為：RCduCdt+uC=Um，其解為uCt=Um1-e-t (t0)，式中，RC為該電路的時間常數。 2. RC一階電路的零輸入響應 電路在無激勵情況下，由儲能元件的初始狀態引起的響應稱為零輸入響應。電路達到穩態后，電容器經R放電，此時的電路響應為零輸入響應。電路的微分方程為：RCduCdt+uC=0，其解為uCt=Ume-t 。RC一階電路的零輸入響應和零狀態響應分別按指數規律衰減和增長（如圖5.3所示），其變化的

3、快慢決定于電路的時間常數。 3. 時間常數的測定方法 方法一：在已知電路參數的條件下，時間常數可以直接由公式計算得出，RC。 方法二：對充電曲線（零狀態響應），電容的端電壓達到最大值的1-1e（約0.632）倍時所需要的時間即是時間常數。如圖5.3（a）所示，用示波器觀測響應波形，取上升曲線中波形幅值的0.632倍處所對應的時間軸的刻度，計算出電路的時間常數：=掃描時間×OP 其中，掃描時間是示波器上X軸掃描速度開關“t/div”的大小。OP是X軸上O、P兩點之間占有的格數。而對放電曲線（零輸入響應），時間常數是電容的端電壓下降到初值的1e，即約0.368倍時所需要的時間，如圖5.3

4、(b)所示。(a) 零狀態響應 (b) 零輸入響應圖5.3 時間常數的測定 方法三：利用時間常數的幾何意義求解。在圖5.4中，取電容電壓uc的曲線上任意一點A，通過A點作切線AC，則圖中的次切距BC=ABtan =uCt-duCdtt=t0=U0e-t01U0e-t0= 即在時間坐標上次切距的長度等于時間常數。這說明曲線上任一點，如果以該點的斜率為固定變化率衰減，經過時間為0。圖5.4 時間常數的幾何意義 4. 微分電路和積分電路 一個簡單的RC串聯電路，在方波序列脈沖的重復激勵下，當滿足=RCT2時（T為方波脈沖的重復周期），且由R兩端的電壓作為響應輸出，這就是一個微分電路，如圖5.5（a）

5、所示。此時電路的輸出信號電壓與輸入信號電壓的微分成正比。利用微分電路可以將方波轉變成尖脈沖，如圖5.6（a）。 (a) 微分電路 (b) 積分電路圖5.5 微分、積分電路示意圖 若由 C兩端的電壓作為響應輸出，如圖5.5 (b)所示，當電路的參數滿足=RCT2條件時，即稱為積分電路。此時電路的輸出信號電壓與輸入信號電壓的積分成正比。利用積分電路可以將方波轉變成三角波，如圖5.6（b）。從輸入輸出波形來看，上述兩個電路均起著波形變換的作用，請在實驗過程仔細觀察與記錄。 （a） (b)圖5.6 微積分電路激勵、響應波形示意圖三、實驗設備 函數信號發生器 1臺 直流電路實驗箱 1臺 雙蹤示波器 1臺

6、四、實驗內容 1. 將信號發生器輸出電壓置零，按照圖5.7連接電路，通過兩根同軸電纜線將激勵源ui和響應uc的信號分別連至示波器的兩個輸入口YA和YB，調節信號發生器輸出波形為方波，頻率f=1kHZ，峰峰值UP-P=3V，分別選取R10K，C5600pF和R10K，C6800pF兩組參數，在示波器的屏幕上觀察激勵與響應的變化規律，并用方格紙按1:1 的比例描繪波形。圖5.7 實驗電路圖 2. 在步驟1的基礎上，令R10K，C0.1F，觀察并描繪響應的波形。 3. 關閉信號源。從電路板上重新選取R10K，C5600pF，將圖5.7中的R、C調換位置后連接電路，接通信號發生器，在同樣的方波激勵信號

7、下，在示波器上觀測并描繪激勵ui和響應uR的波形。 4. 利用方法二或者方法三，計算出三種電路的時間常數，將的計算值、測量值記錄在表5.1中。表5.1 時間常數的計算組別R/kC/F/cm（測量值）/cm（計算值）1零狀態零輸入響應電路2微分電路3積分電路五、實驗注意事項 1. 調節電子儀器各旋鈕時，動作不要過快過猛。用示波器觀察波形時，要特別注意相應開關、旋鈕的操作與調節。 2. 信號源的接地端與示波器的接地端要連在一起（稱共地）， 以防外界干擾而影響測量的準確性。 3. 示波器的輝度不應過亮，尤其是光點長期停留在熒光屏上不動時，應將輝度調暗，以延長示波管的使用壽命。六、預習思考題1. 什么

8、樣的電信號可作為RC一階電路零輸入響應、零狀態響應和完全響應的激勵信號？2. 何謂積分電路和微分電路，它們必須具備什么條件？它們在方波序列脈沖的激勵下，其輸出信號波形的變化規律如何？這兩種電路有何功用？七、數據處理和分析 1. 根據實驗觀測結果，在方格紙上按照1：1比例繪出RC一階電路充放電時激勵與響應信號的波形。 2. 完成三種電路時間常數值的計算，并與理論計算結果作比較，分析誤差原因。 3. 將實驗內容1中R=10K、C5600pF測量的時間常數與實驗內容3中測量的時間常數值進行對比，并得出結論。 4. 根據實驗觀測結果，說明輸出波形與時間常數、輸入信號的脈沖寬度tw及響應端的關系。儀器儀

9、表簡介UT39A型數字式萬用表萬用表又稱為多用表，用來測量直流電流、直流電壓、交流電流、交流電壓、電阻等電氣參數。數字式萬用表由于讀取數據容易、準確、輸入阻抗大、功能多等優點，使用越來越普遍。一、UT39A型數字萬用表主要部件及功能1. 液晶顯示屏：顯示所測量的電氣參數。2. 電源開關：按下黃色"POWER"鍵，儀表電源接通；彈起黃色"POWER"鍵，儀表電源關閉。3. 數據保持開關：按下藍色"HOLD"鍵，液晶顯示屏上保持顯示當前測量數據，并在屏幕左上方顯示"H"標記；彈起該按鍵則退出數據保持模式。4. 功能選擇

10、開關：選擇萬用表的測量模式及量程，比如交流電壓V、交流電流A、直流電壓V、直流電流A、電阻等。5. 輸入插孔：根據功能選擇開關，將表筆插入對應的輸入孔。黑色表筆總是接入"COM"接口；測量電壓、電阻時使用紅黑2表筆接入，紅色表筆接入"V"接口；測量小電流（200mA）時紅色接線柱接入"uAmA"接口；測量大電流時紅色接線柱接入"A"接口。6. 測量電阻、電壓時，使用一紅一黑的表筆測量；測量電流時必須使用電流檢查插座。二、使用注意事項1. 在表筆連接被測電路之前，一定要嚴格檢查所選檔位及量程與測量對象是否相符，因為錯

11、誤的檔位及量程有時不僅得不到測量結果，甚至會損壞萬用表，初學者要格外注意。（特別是要測量電壓，卻使用電流檔位和接線柱，極易損壞儀表）2. 測量時，盡量用一只手握住兩只表筆，手指不要觸及表筆的金屬部分和被測器件。3. 測量中若需要轉換量程，必須在表筆離開電路后才能進行，否則容易損壞儀表。4. 測量時常會遇到多種電氣參數，每次測量前要注意根據測量參數種類把功能選擇開關轉換到相應的檔位和量程，這是初學者最容易忽略的環節。5. 測量電阻時，必須把電阻脫離電路，不帶電情況下測量，否則會出現測量數據不準甚至損壞萬用表。SG1732型直流穩壓穩流電源直流穩壓穩流電源為低壓直流電工實驗提供恒壓源（理想電壓源）

12、或恒流源（理想電流源）。輸出電壓023V，輸出電流01.5A。一、SG1732型直流穩壓穩流電源主要部件及功能1. 4個顯示屏幕，分別為：通道1電流顯示屏，通道1電壓顯示屏，通道2電流顯示屏，通道2電壓顯示屏。2. 4個調節旋鈕，分別為：通道1電流調節旋鈕，通道1電壓調節旋鈕，通道2電流調節旋鈕，通道2電壓調節旋鈕。3. 穩壓、溫流指示燈。4. 3組通道輸出，2組可調穩壓穩流電源輸出，1組固定5V恒壓源輸出。5. 電源開關。二、使用注意事項1. 通道1(2)為恒壓源或恒流源，由穩壓穩流指示燈決定，當指示燈亮在穩壓處，此時該通道為恒壓源，反之則為恒流源。2. 由于本儀器功率較大，為防止線路接錯通

13、電后造成損失，在連接電路前，應將電壓、電流調節旋鈕逆時針旋轉至零。接線完畢后，打開電源開關，輸出恒定電壓時，需先將電流調節旋鈕順時針旋轉一個較小角度，防止輸出電流過大，使指示燈跳到穩壓狀態（注意：如果旋轉30度后，指示燈仍無法跳到穩壓狀態，說明外部電路可能短路，應斷電檢查，請勿繼續加大輸出電流）。然后根據實驗需求調節電壓和電流旋鈕。輸出恒定電流時，先將電壓調節旋鈕順時針旋轉至最大，設置一個保護電壓，使指示燈跳到穩流狀態（注意，如指示燈不能跳到穩流狀態，說明外部電路可能開路，應檢查），然后根據實驗需求調節電流旋鈕。3. 通道3為固定5V輸出電壓，請勿接錯。4. 液晶屏幕上顯示的電壓電流為參考值，

14、精度不高，準確數值以萬用表測量數據為準。SG1639P 功率函數信號發生器函數信號發生器是一種可以提供精密信號源的儀器，也常稱為波形發生器，最基本的應用就是通過函數信號發生器產生正弦波、方波、鋸齒波、脈沖形、三角波等具有一定周期性的時間函數波形來供用戶作為電壓輸出或者功率輸出等。一、SG1639P 功率函數信號發生器面板及操作說明1. 面板上的常用部件包括：紅色的電源開關"POWER"，頻率細調旋鈕、頻率顯示屏、頻率范圍按鈕、波形按鈕、輸出電壓調節旋鈕、功率輸出接口，電壓輸出接口。2. 一般用法：調節電壓旋鈕置零，接通電源，按下電源開關"POWER"鍵，

15、選擇波形按鈕（如方波），選擇合理的頻率范圍按鈕（如1K），使用頻率細調旋鈕得到準確頻率（頻率顯示器顯示，注意單位），最后調節輸出電壓調節旋鈕得到所需信號電壓。二、使用注意事項1. 函數信號發生器功率輸出端子嚴禁短路，避免燒毀儀器。2. 信號發生器的輸出電壓指的是帶負載時的電壓，并且更改一次頻率都需要調整一次輸出電壓，所以實驗時需先接電路，選波形，調節頻率，最后調節電壓。調節信號發生器輸出頻率時，應先選擇頻率范圍，再進行頻率細調。3. 函數信號發生器為精密儀器，不宜長時間通電，實驗測量完畢后請及時關閉電源。SDS5032E數字示波器一、SDS5032E數字示波器面板及操作說明1. 面板上的常用部

16、件包括：電源開關、顯示屏、電壓檔位調節旋鈕、垂直位置調節旋鈕、時間檔位、自動設置、運行控制、CH1通道信號輸入、CH2 通道信號輸入、探頭補償信號等。2. 一般用法：接通電源，按下“電源開關”，將被測信號通過信號線接入CH1/CH2通道，按下“自動設置”鍵，一段時間后，示波器會自動設置合適的水平和垂直檔位，得到測量波形。然后根據觀察需要用戶自行調節水平和垂直檔位（垂直位置旋鈕、電壓檔位旋鈕、水平位置旋鈕、時間檔位旋鈕），在顯示屏上可以讀出波形的電壓、頻率等參數。二、使用注意事項1. 使用示波器先要進行自查，將信號線的紅黑夾子，接入探頭補償信號的2個端子處，其中黑色夾子接下方的接地標識，然后按下

17、自動設置后看波形是否為頻率為1KHz，幅值為5V的方波信號，如果不是請及時聯系老師檢修。2. 示波器信號輸入的2通道是共地，即CH1信號線和Ch2信號線的黑色夾子在示波器內部被短路在一起，因此在使用中CH1信號線和Ch2信號線的黑色夾子必須接在一起。SG2171C型交流毫伏表晶體管交流毫伏表，具有測量交流電壓、電平測試、監視輸出等三大功能。交流測量范圍是100nV300V、5Hz2MHz，共分1、3、10、30、100、300mV，1、3、10、30、100、300V共12檔；電平dB刻度范圍是-60+50dB。比萬用表測量精度要高，測量頻率范圍大。一、SG2171C型晶體管交流毫伏表面板及操

18、作說明SG2171C型晶體管交流毫伏表主要有讀數表盤、調零旋鈕、電源開關、量程指示燈、量程切換旋鈕、信號輸入等常用部件。 1. 開機前的準備工作：將通道輸入端測試探頭上的紅、黑色鱷魚夾短接；將量程開關選最高量程（300V）。2. 操作步驟：接通220V電源，按下電源開關，電源指示燈亮，儀器立刻工作。為了保證儀器穩定性，需預熱10秒鐘后使用，開機后10秒鐘內指針無規則擺動屬正常；將輸入測試探頭上的紅、黑鱷魚夾斷開后與被測電路并聯（紅鱷魚夾接被測電路的正端，黑鱷魚夾接地端），觀察表頭指針在刻度盤上所指的位置，若指針在起始點位置基本沒動，說明被測電路中的電壓甚小，且毫伏表量程選得過高，此時用遞減法由

19、高量程向低量程變換，直到表頭指針指到滿刻度的2/3左右即可；準確讀數。表頭刻度盤上共刻有四條刻度。第一條刻度和第二條刻度為測量交流電壓有效值的專用刻度，第三條和第四條為測量分貝值的刻度。當量程開關分別選1mV、10mV、100mV、1V、10V、100V檔時，就從第一條刻度讀數；當量程開關分別選3mV、30mV、300mV、3V、30V、300V時，應從第二條刻度讀數（逢1就從第一條刻度讀數，逢3從第二刻度讀數）。例如：將量程開關置“1V”檔，就從第一條刻度讀數。若指針指的數字是在第一條刻度的“0.7”處，其實際測量值為0.7V；若量程開關置“3V”檔，就從第二條刻度讀數。若指針指在第二條刻度的“2”處，其實際測量值為2V。以上舉例說明，當量程開關選在哪個檔位，比如，1V檔位，此時毫伏表可以測量外電路中電壓的范圍是01V，滿刻度的最大值也就是1V。     當用該儀表去測量外電路中的電平值時，就從第三、四條刻度讀數，讀數方法是，量程數加上指針指示值，等于實際測量值。二、使用注意事項1. 儀器在通電之前，一定要將輸入電纜的紅黑鱷魚夾相互短接。防止儀器在通電時因外界干擾信號通過輸入電纜進入電路放大后，再進入表頭將表針打彎。  2.