哈尔滨工业大学：《电路仿真》课程教学资源（电路实验）RC电路的暂态和稳态分析

课程名称：电路实验D实验名称：RC电路的暂态和稳态特性分析课外辅导仪器设备：DDS函数信号发生器，Fluke190-104型测试仪，数字万用表。实验平台：模块化电路实验装置课程目标：研究RC电路在方波激励下，响应的基本规律和特点，掌握测试仪测量时间常数和暂态过程的方法。RC滤波电路的研究，掌握测试仪测量电路的幅频特性和相频特性的方法。一、实验任务1.基本任务（1）方波的峰峰值、脉冲宽度和周期的测量（2）方波激励下，RC电路暂态过程的研究。2.研究任务RC 滤波电路的设计。3.自主设计实验建议参考电路实验教程中第7章和第8章中的内容，也可自查资料进行拓展研究设计。实验任务应满足3学时。二、实验预习◆复习电路理论基础有关本次实验的理论知识，梳理RC电路稳态和暂态的基础知识。●预习电路实验教程第8章，学习暂态电路的相关实验内容。◆预习电路实验教程第2章，学习测试仪测量时间常数的方法，进一步掌握测试仪测量交流电压的相位的方法。注意：实验预习必须在实验前完成，预习后并不需要写出完整的报告，但应在原始数据记录纸上画好实验电路图、记录数据的表格等。三、 实验过程指导1．基本任务（1）方波的测量信号源波形选择方波，调整信号源的幅度和频率值，使其屏幕显示值分别为峰峰值5V、频率1kHz将直流偏移由原来的0V调至2.5V，使方波电压由原来的-2.5V至+2.5V阶跃变化改为0V至5V。调节测试仪输入端口灵敏度按键，观察屏幕波形的变化，使其满屏幕显示1-2个周期的稳定波形时，利用测试仪的示波器模式测量信号源的输出电压峰峰值和脉冲宽度，记录测量结果并绘制波形，且在波形上标示横坐标和纵坐标的刻度、单位、波形周期、输出电压峰峰值和脉冲宽度。提示：→190-104型测试仪的使用方法参见电路实验教程第2章中的有关内容。●测试仪测量暂态波形的峰峰值和周期，可以使用数据形式直接测量，也可使用水平光标和垂直光标

课程名称：电路实验D 实验名称：RC电路的暂态和稳态特性分析 课外辅导 仪器设备： DDS函数信号发生器，Fluke 190-104 型测试仪，数字万用表。 实验平台：模块化电路实验装置 课程目标：研究 RC电路在方波激励下，响应的基本规律和特点，掌握测试仪测量时间常数和暂态过 程的方法。RC滤波电路的研究，掌握测试仪测量电路的幅频特性和相频特性的方法。 一、实验任务 1. 基本任务 （1）方波的峰峰值、脉冲宽度和周期的测量。 （2）方波激励下，RC 电路暂态过程的研究。 2. 研究任务 RC 滤波电路的设计。 3. 自主设计实验建议 参考电路实验教程中第 7 章和第 8 章中的内容，也可自查资料进行拓展研究设计。实验任务应满足 3 学时。 二、实验预习 ◆复习电路理论基础有关本次实验的理论知识，梳理RC电路稳态和暂态的基础知识。 ◆预习电路实验教程第8章，学习暂态电路的相关实验内容。 ◆预习电路实验教程第2章，学习测试仪测量时间常数的方法，进一步掌握测试仪测量交流电压 的相位的方法。 注意：实验预习必须在实验前完成，预习后并不需要写出完整的报告，但应在原始数据记录纸上 画好实验电路图、记录数据的表格等。 三、 实验过程指导 1．基本任务 （1）方波的测量 信号源波形选择方波，调整信号源的幅度和频率值，使其屏幕显示值分别为峰峰值5V、频率1kHz。 将直流偏移由原来的0V调至2.5V，使方波电压由原来的-2.5V至+2.5V 阶跃变化改为0V 至5V。调 节测试仪输入端口灵敏度按键，观察屏幕波形的变化，使其满屏幕显示1~2个周期的稳定波形时，利 用测试仪的示波器模式测量信号源的输出电压峰峰值和脉冲宽度，记录测量结果并绘制波形，且在波 形上标示横坐标和纵坐标的刻度、单位、波形周期、输出电压峰峰值和脉冲宽度。 提示： ◆190-104型测试仪的使用方法参见电路实验教程第2章中的有关内容。 ◆测试仪测量暂态波形的峰峰值和周期，可以使用数据形式直接测量，也可使用水平光标和垂直光标

进行测量。具体方法请参照测试仪使用说明中的介绍。◆绘制波形时，若波形不稳定，您可以随时使用FBP按键，冻结屏幕（所有读数和波形）。（2）RC电路暂态过程的研究电路如图1所示。其中，输入信号u,(①)为方波信号由函数信号发生器提供，其峰峰值为5V，频率为1000HZz，直流偏移为2.5V。电阻R、电容C可根据电路参数的要求选择合适的电阻箱和电容箱。图Elc图11）时间常数、暂态过程电压和时间测量调节电阻箱和电容箱，使其R=5000Q，C=0.01uF，观察uc(t)波形，调节测试仪输入端口灵敏度按键，使其满屏幕显示1~2个周期的稳定波形。完成如下测量任务：●利用光标测量方法测量电路的时间常数T，记录测量结果；◆测量t=80us时，电容两端的电压；电容充电到uc(t)=3.2V时，所需要的时间；◆根据测量数据，绘制一个周期的uc()波形。●绘制一个周期的i。(1)波形。利用该电路可以实现怎样的波形变换[恩考问题】方波信号的频率为1000HZ、峰峰值是5V，测试仪测量的数值与信号源屏幕显示是否一致?应以哪个数值做为标准？提示：●本次实验可以使用3个通道同时进行测量，分别测量u,(0)、uc(1)和u(）（即i(0)），但观察波形时可采用单通道形式，即观察A通道波形，将B、C通道波形关断，操作如下：按B键，打开输入通道按键标签按F1，关断B通道显示波形：按C键，按F1，关断C通道显示波形。●时间常数t的光标测量方法：在示波器模式下，按 CURSOR健，打开光标按键标签管MOUE，按FI将突出显示移至垂直光标，按F2利用将一垂直光标线移至uc(）的起始点，且垂直线上的标记点与起始点重合，另一光标线移至使垂直线上的标记点与63.2%uc(）电压值（近似值）重合，此时屏幕上将显示两个光标间的时间差以及两个标记点间的电压差。两个光标间的时间差即为时间常数t

2 进行测量。具体方法请参照测试仪使用说明中的介绍。 ◆绘制波形时，若波形不稳定，您可以随时使用 按键，冻结屏幕（所有读数和波形）。 （2）RC 电路暂态过程的研究 电路如图1所示。其中，输入信号 S u t( ) 为方波信号由函数信号发生器提供，其峰峰值为5V，频率 为 1000Hz，直流偏移为2.5V。电阻R、电容C可根据电路参数的要求选择合适的电阻箱和电容箱。 函 数 信 号 发 生 器 功 率 输 出 端 + _S u + _uC C R + _ R u 图 1 1）时间常数、暂态过程电压和时间测量 调节电阻箱和电容箱，使其 R =  5000 ，C = 0.01μF ，观察 C u t() 波形，调节测试仪输入端口灵敏度 按键，使其满屏幕显示1~2 个周期的稳定波形。完成如下测量任务： ◆ 利用光标测量方法测量电路的时间常数  ，记录测量结果； ◆ 测量 t = 80μs 时，电容两端的电压；电容充电到 C u t( ) 3.2V = 时，所需要的时间； ◆ 根据测量数据，绘制一个周期的 C u t() 波形。 ◆ 绘制一个周期的 C i t() 波形。利用该电路可以实现怎样的波形变换。 [思考问题] 方波信号的频率为1000Hz、峰峰值是5V，测试仪测量的数值与信号源屏幕显示是否一致？ 应以哪个数值做为标准？ 提示： ◆ 本次实验可以使用3个通道同时进行测量，分别测量 S u t( ) 、 C u t() 和 R u t() （即 C i t() ），但观察波形 时可采用单通道形式，即观察A通道波形，将B、C通道波形关断，操作如下：按B键，打开输入通道 按键标签 按F1，关断B通道显示波形；按C键，按F1，关断C通道 显示波形。 ◆ 时间常数  的光标测量方法： 在示波器模式下，按 键，打开光标按键标签 ，按F1， 将突出显示移至垂直光标 ，按F2 利用 将一垂直光标线移至 C u t() 的起始点，且垂直线上的标记 点与起始点重合，另一光标线移至使垂直线上的标记点与63.2% C u t() 电压值（近似值）重合，此时屏幕 上将显示两个光标间的时间差以及两个标记点间的电压差。两个光标间的时间差即为时间常数 

u(t)的波形即为i.(t)的波形。2）电路如图1所示，调节电阻箱和电容箱，观察t值变化对输出电压uc(1)波形产生的影响。当电路时间常数为t=0.1T时，调节测试仪输入端口灵敏度按键，使其满屏幕显示1-2个周期的稳定波形。完成如下测量任务：●测量t=304us时，电容两端的电压：电容充电到uc(1)=3.2V时，所需要的时间；●根据测量数据，绘制一个周期的uc()波形。●绘制一个周期的i(0)波形。3）电路如图1所示，调节电阻箱和电容箱，当电路时间常数为T=0.5T时，调节测试仪输入端口灵敏度按键，使其满屏幕显示1-2个周期的稳定波形。完成如下测量任务：●测量一个方波脉冲结束，电容两端的电压是否达到充电电压的最终值，是否充电完全●测量电容放电结束，电容两端的电压是否会下降到零？●根据测量数据，绘制一个周期的uc(1)波形。●观察ic()波形，测量电容充放电结束时的电阻电压值。绘制一个周期的ic()波形，●分析利用该电路可以实现怎样的波形变换。2.研究任务RC滤波器的研究电路如图1所示。其中，输入信号us(t)为正弦波信号，其有效值为5V，电阻R、电容C可根据电路参数的要求选择合适的电阻箱和电容箱。完成如下测量任务：1）调节电阻箱和电容箱，使其R=1000Q，C=0.1uF。将电容分别开路和短路，测量电容两端电压，判断其变化范围、大致确定滤波器的类型，然后在200~8kHz范围内调整信号源的频率，观察电容电压的变化，确定截止频率点的频率值，并记录。根据电路参数计算截止频率值，比较实际测量值与计算值是否一致，若不相同，分析误差的原因。2）根据滤波器的类型，选取合适的频率点，测量电容电压随频率变化的曲线，自拟表格记录，在截止频率点附近应多取几个值。3）测量截止频率点处输出电压与输入电压的相位差，与理论值比较是否一致，若不相同，分析误差的原因，并说明此网络是滞后还是超前网络。4）根据测量数据确定此滤波器的类型，总结电路的特点。[恩考问题】af的取值范围应满足通带内U。接近输入电压还是接近0,而阻带内U。接近输入电压还是接近0？b.实验中将电容分别开路和短路，是代替了哪两个频率点？提示：●测试仪设置时，若只测量正弦交流电路的电压，带宽限制应选择Full；测量相位时，若是两电压之间的相位差，两电压通道的带宽限制都应选择为Full，若是电压与电流之间的相位差，电流通道和电压通道的带宽限制都应选择为20kHz（或10kHz）。3

3 ◆ R u t() 的波形即为 C i t() 的波形。 2）电路如图1所示，调节电阻箱和电容箱，观察τ 值变化对输出电压 C u t() 波形产生的影响。当电路时 间常数为  = 0.1T 时，调节测试仪输入端口灵敏度按键，使其满屏幕显示1~2个周期的稳定波形。完成 如下测量任务： ◆ 测量 t = 304μs 时，电容两端的电压；电容充电到 C u t( ) 3.2V = 时，所需要的时间； ◆ 根据测量数据，绘制一个周期的 C u t() 波形。 ◆ 绘制一个周期的 C i t() 波形。 3）电路如图1 所示，调节电阻箱和电容箱，当电路时间常数为  = 0.5T 时，调节测试仪输入端口灵敏 度按键，使其满屏幕显示1~2个周期的稳定波形。完成如下测量任务： ◆ 测量一个方波脉冲结束，电容两端的电压是否达到充电电压的最终值，是否充电完全？ ◆ 测量电容放电结束，电容两端的电压是否会下降到零？ ◆ 根据测量数据，绘制一个周期的 C u t() 波形。 ◆ 观察 C i t() 波形，测量电容充放电结束时的电阻电压值。绘制一个周期的 C i t() 波形， ◆ 分析利用该电路可以实现怎样的波形变换。 2. 研究任务 RC 滤波器的研究 电路如图1所示。其中，输入信号 S u t( ) 为正弦波信号，其有效值为5V，电阻R、电容C可根据电 路参数的要求选择合适的电阻箱和电容箱。完成如下测量任务： 1）调节电阻箱和电容箱，使其 R =  1000 ，C = 0.1μF。将电容分别开路和短路，测量电容两端电压， 判断其变化范围、大致确定滤波器的类型，然后在200~8kHz范围内调整信号源的频率，观察电容电压 的变化，确定截止频率点的频率值，并记录。根据电路参数计算截止频率值，比较实际测量值与计算值 是否一致，若不相同，分析误差的原因。 2）根据滤波器的类型，选取合适的频率点，测量电容电压随频率变化的曲线，自拟表格记录，在截止 频率点附近应多取几个值。 3）测量截止频率点处输出电压与输入电压的相位差，与理论值比较是否一致，若不相同，分析误差的 原因，并说明此网络是滞后还是超前网络。 4）根据测量数据确定此滤波器的类型，总结电路的特点。 [思考问题] a. f的取值范围应满足通带内 U0 接近输入电压还是接近0，而阻带内 U0 接近输入电压还 是接近 0 ？b. 实验中将电容分别开路和短路，是代替了哪两个频率点？ 提示： ◆ 测试仪设置时，若只测量正弦交流电路的电压，带宽限制应选择Full；测量相位时，若是两电压之 间的相位差，两电压通道的带宽限制都应选择为 Full，若是电压与电流之间的相位差，电流通道和电 压通道的带宽限制都应选择为 20 kHz（或10kHz）

●确定截止频率点的方法如下：调节信号源的频率，观察电容电压的变化，当其值为输入电压的0.707倍时，对应的频率即为截止频率点。四、实验常见故障分析1.若测量方波信号的峰峰值时有毛刺：检查测试仪带宽限制是否设置为20kHz，或检查测试线接线端是否松动。2电路连接正确，电源空载时测量其输出正确，但做频率特性测量时，测量数据严重偏离理论值：检查电源输出值是否变化，电源频率调节是否正确，信号发生器屏幕显示是否为A路输出。五、实验注意事项1.使用电容模块时，应先用一根导线将电容短路，进行放电，然后再接入电路。2.滤波器实验中，调节信号源频率时，应监测信号源电压U、始终保持5V不变。3.本次实验绘制曲线时，需标示各曲线的峰峰值和周期

4 ◆ 确定截止频率点的方法如下： 调节信号源的频率，观察电容电压的变化，当其值为输入电压的0.707倍时，对应的频率即为截止频率 点。 四、实验常见故障分析 1. 若测量方波信号的峰峰值时有毛刺：检查测试仪带宽限制是否设置为 20 kHz，或检查测试线接线 端是否松动。 2 电路连接正确，电源空载时测量其输出正确，但做频率特性测量时，测量数据严重偏离理论值：检 查电源输出值是否变化，电源频率调节是否正确，信号发生器屏幕显示是否为A路输出。 五、 实验注意事项 1. 使用电容模块时，应先用一根导线将电容短路，进行放电，然后再接入电路。 2. 滤波器实验中，调节信号源频率时，应监测信号源电压 US 始终保持5V不变 。 3. 本次实验绘制曲线时，需标示各曲线的峰峰值和周期