动态电路的暂态响应研究
∆ (∞) − (∞) −
( ) ( )
其中∆t = − , uC(∞)为电容电压的稳态值。本实验可以利用此式来测量时间常数。 注意,uC(∞)可以用 uC(t>5τ)近似代替,误差将不超过 1%。 6. 凡是可用二阶微分方程来描述的电路称为二阶电路。图 7 所示的线性 RLC 串联电路 是一个典型的二阶电路(图中 US 为直流电压源),它可以用下述线性二阶常系数微分方程来 描述 : LC
2 0 2
1 R2 LC 4 L2
设 I0=0,有
uc (t )
其中 tan
1
U 00
。
e t sin(t )
t0
(4)当 R=0 时, 响应是等幅振荡性的, 称为无阻尼情况, 等幅振荡角频率即为谐振角频率 0 。 设 I0=0,有, uc (t ) U 0 cos 0t ,t≥0 (5)当 R<0 时,响应是发散振荡性的,称为负阻尼情况。 8. 对于欠阻尼情况,衰减振荡角频率 和衰减系数 可以从响应波形中测量出来,例如: 在响应 i(t)的波形中(图 9), 可以利用示波器直接测出,对于 ,由于有
其中τ的定义同上。可见,全响应可以看成零状态响应和零输入响应的叠加,也可以分解为 强制分量与自由分量之和。当 t→∞时,自由分量趋于零,过渡过程结束,电路进入稳态。 同理,由响应曲线图 6 可得 τ= ln − − −
图 5 全响应电路图 5.以上三种响应τ的表达式可以统一表示为: τ= ln
图 6 全响应曲线
t≥0。其中τ的定义同上,同理,由响应曲线图 4 所示,可得: τ= − ln
图 3 零输入响应电路图 图 4 零输入响应曲线 4.全响应是输入激励和储能元件的初始状态共同作用下引起的响应。对于图 5 所示的电路 有 (0 ) = ,当 t=0 时,开关 K 打开,此时电源通过 R 向 C 充电。有 ( )= − t≥0
1 ,则: LC
(1)当 0 ,即 R 2 征根分别为
L 时,响应是非振荡性的,称为过阻尼情况。其微分方程的两个特 C
p1 2 பைடு நூலகம் 02 p2 2 02
设 I0=0,有
uc (t )
(2)当 0 ,即 R 2 等的负实根 。 设 I0=0,有
R
r
C
图 10 二阶电路实验电路图 三、任务与方法 1. 练习的示波器使用:示波器用测量其自检信号的频率和幅值; 2. 利用示波器的双踪显示功能,在示波器上同时显示其自检信号和函数信号发生器的波形 信号(1000Hz 的正弦波,振幅为 1V) ; 3. 选择合适的 R 和 C,连接 RC 电路,并接至 Upp 为 1V 的方波信号,调节电阻的值或信号 源频率,使得方波周期 T>10τ,并利用示波器同时观察 us 和 uc 的波形; 4. 利用示波器测出电路的时间常数(自拟实验测量数据表) ; 5. 按图 10 接线。取 L=0.1H,C=0.68μF,R=1kΩ,r=51Ω。us 为频率为 100HZ 的方波信号, 输出电压为 1V(幅值) 并保持不变。观察并描绘该情况下的方波响应。 6. 按图 10 接线。取 L=0.1H,C=0.68μF,R=0Ω,r=51Ω。us 为频率为 100HZ 的方波信号, 输出电压为 1V(幅值) 并保持不变。观察并描绘该情况下的方波响应。并测量上述欠阻尼情 况下的振荡角频率 和衰减系数 。 7. 从大到小改变 R,观察各种情况下 iL(t)波形随 R 的变化规律。 四、思考题 1.已知 RC 一阶电路 R=10Ω,C=0.1μF,试拟定测量该电路时间常数的方案;
程度,τ越大,过渡过程持续的时间越长。
图 1 零状态响应电路图 图 2 零状态响应曲线 假设测得的响应曲线如图 2 所示,若在曲线上任取两点 P、Q,则有 τ= ( − ) ( − ) ln ( − )
3.零输入响应是电路在无激励的情况下, 由储能元件的初始状态引起的响应。 对于图 3 所示 的电路,有 (0 ) = ,t=0 时,开关 K 打开,此时电容 C 通过 R 放电。有 ( ) =
d 2uc du RC c uc U S 2 dt dt
初始值为: uc (0 ) U 0
duc dt
t 0
iL (0 ) I 0 C C
求解微分方程,可以得出电容上的电压 uc (t ) 。再根据 iL (t ) C 可求得 ic (t ) ,即 iL (t ) 。
U 0 ( p1e p2t p2 e p1t ) p1 p2
t0
L 时,响应临近振荡,称为临界阻尼情况,其微分方程具有两个相 C
uc (t ) U 0 (1 t )e t
t0
(3) 当 0 ,即 R 2
L 时,响应是振荡性的,称为欠阻尼情况,其衰减振荡角频率为 C
2. 根据原理与说明中给出的 uc(t)表达式,给出相应 iL(t)的表达式。 3. 设计一个串联 RLC 欠阻尼电路,满足下列要求: (1) 激励方波信号电源频率为 2kHz,幅值为 5V,L=0.1H,取样电阻 r=0.5 kΩ。 (2) 自由分量在接近信号电源的半个周期时衰减到零。 (3) 在信号电源的半个周期内振荡 2~4 个周期。 4. 设计一个过阻尼电路,f、L、C 参数同上,要求 uc 在接近信号电源的半个周期时达到稳 定。 5. 从方波响应来看,当 RLC 串联电路处于过阻尼情况时,若减少回路电阻,iL 衰减到零的 时间变短还是变长?当电路处于欠阻尼情况下,若增加回路电阻,振荡幅度衰减变快还是变 慢?为什么? 五、实验报告要求 1. 回答思考题; 2. 根据实验任务 3 观测结果,绘出 RC 电路在激励为方波周期下,响应 uc 的变化曲线; 3. 根据任务 4 测量的数据计算时间常数τ,并与理论值进行比较; 4. 试分析一阶电路测量时间常数时, 有哪些因素可导致测量误差, 并估算测量误差的大小; 5. 在坐标纸上画出二阶电路观测的 ur(t)、uc(t)、iL(t)的过阻尼、欠阻尼情况下的波形图; 6. 把实验任务 6 测得的 和 值与理论值比较 六、注意事项 用示波器测量时,要注意示波器的共地问题。
i1m Ae t1 ;
故:
i2 m Ae t2
i1m e (t1 t2 ) e (t2 t1 ) , i2 m
2
显然,(t2-t1)即为周期 T
,所以:
1 i1m ln T i2 m
图 9 衰减振荡响应曲线
由此可见,用示波器测出周期 T 和幅值 i1m , i2 m 后,就可以算出的 值。
duc dt
图 7 RLC 串联电路 图 8 RLC 串联电路零输入响应电路图 7. RLC 串联电路零输入响应(图 8)的类型与元件参数有关。设电容上的初始端电压
uc (0 ) U 0 ,流过电感的初始电流 iL (0 ) I 0 ;定义衰减系数(阻尼系数)
角频率 0
R ,谐振 2L
动态电路的暂态响应研究
一、实验目的 1. 基本掌握示波器、信号发生器的使用。 2.学习用示波器观察 RC 电路过渡过程的响应曲线。 3.学习测量 RC 电路过渡过程的时间常数。 4. 研究 RLC 串联电路参数与其暂态过程的关系。 5. 学习用示波器测量衰减振荡角频率和衰减系数。 二、原理与说明 1.在含有储能元件(L 或 C)的电路中,当电路结构或元件的参数发生变化时,电路从原来的 工作状态需要经历一个过渡过程才能转换到另一种工作状态, 此过渡过程可以用微分方程来 描述和求解。 一阶电路是可以用一阶微分方程来描述和求解的电路, 通常由一个储能元件和 若干个电阻元件构成。 2.零状态响应是当所有储能元件的初始值为零时,电路对外加激励的响应。对于图 15-1 所示的电路,设 (0 ) = 0,当 t=0 时,开关 K 闭合,直流电源通过 R 向 C 充电,有 ( )= (1 − ) t≥0 其中τ=RC,称为此电路的时间常数,它反映过渡过程进行的快慢