RC电路的应用研究毕业论文

1、本科毕业设计论文题目：rc电路的应用研究姓名：学号：2010341242院（系、部）： 物理与电子工程学院专业：口动化班级：2010级2班指导教师：完成时间：2014年4月电阻和电容的不同组合方式构成了不同的rc电路，从而表现出了复杂的动力学行 为，被很多电路应用，例如脉冲数字电路、模拟电路中。由于电路可以选择不同的形式、 信号源和电容电阻原件参数，因此可以实现多种功能。木文分析了积分电路、微分电路、 滤波电路、耦合电路、rc相移电路及脉冲分压电路的原理及工作方式。从中可以看岀 由于电容电阻的输出输入关系的变化、取值不同以及处理波形的差异，其伏安特性也将 不同。rc电路主要作为信号传输的一种电

2、路，在不同的情况下能够实现电路的滤波、 相移、耦合等功能，而且当阶跃电压发挥功能吋还能实现波形的产生、转换等。另外木 文在时域和频域分析方面进行理论对比，找岀区别与联系，建立统一认识。关键词：rc电路；脉冲数字电路；模拟电路；信号传输abstractthe different combinations of resistance and capacitance constitute the different rc circuit so it has a complex dynamical behavior and is widely used in all kinds of circuit,

3、 for example the pulse digital circuit and analog circuit. due to the different of circuit form and signal source and the parameter of the capacitance or resistance make up the various application forms of the rc circuit. this paper analyzes the integral circuit and differential circuit, filter circ

4、uit, coupling circuit and rc phase-shift circuit and pulse pressure circuit principle and way of working . and we can find that because the change of the relationship between the capacitance and resistance output or input relationship and dealing with the waveform, its volt-ampere characteristics wi

5、ll be different. rc circuit mainly as a kind of signal transmission circuit, it can achieve filtering, phase shift, coupling, and other functions in different situations. and it will realize the waveform production and conversion, etc when the step voltage working. and this paper will proceed compar

6、ison of theory in time domain and frequency domain, finding out the differences and relations, establish a unified understanding.keywords: rc circuit; pulse digital circuit; analog circuit; the signal transmission刖 a11 rc微分电路11.1 rc微分电路的定义11.2 rc微分电路的工作过程21.3 rc微分电路的应用32 rc耦合电路32.1耦合及其rc耦合电路的概念32.2

7、rc耦合电路的运行变化分析42.3 rc耦合两极放大电路63 rc积分电路63.1基本rc积分电路及其原理63.2 rc积分电路的特性73.3 rc积分电路的应用研究84 rc滤波电路（无源）84.1 rc无源滤波电路及其工作原理84.2 rc无源滤波电路的工作特征94.3 rc低通滤波屯路的应用94.4 rc高通滤波电路的应用105 rc脉冲分压器105.1 rc脉冲分压器的构成105.2 rc脉冲分压器的运行115.3 rc脉冲分压器的应用12结 论13参考文献14谢辞15二十一世纪随着电了科学技术的发展，电路学在实际生活当中的应用越来越广泛， 而rc屯路作为其中的一个重要分支，对它的应用

8、研究也极为重要。屯容c和屯阻r的不 同组合构成了不同的rc电路起到了不同的作用。并且在模拟及脉冲数字电路中得到了广 泛的应用，因为屯路的信号源和形式以及r, c元件参数的不同，因此构成了 rc屯路的 多种应用形式，如耦合电路、滤波电路、积分电路、微分电路及脉冲分压电路。通常情 况下rc屯路主要用于信号传输，能够实现电路的耦合、相移、滤波等功能。在今天电子 电路分析可以用计算机来完成，它可以代替我们完成电路的原理图输入和分析仿真的工 作，在工程技术界和教育界应用非常广泛。最后可以确信地说对rc屯路的研究是非常有 意义的。1 rc微分电路1. 1 rc微分电路的定义输出信号与输入信号的微分成正比的

9、电路，称为微分电路。微分电路能够把矩形波 转换成尖脉冲波，这个电路的输出波形只反映输入波形的突变部分，就是说只有当输入 波形发生突变的瞬间才会产生输出波形。而恒定部分就没有输出。输出尖脉冲的波形宽 度与rc （t二rc即电路的吋间常数）有关。rc越小，尖脉冲波形越尖，反之越宽。这个 电路的rc必须远远小于输入波形的宽度，否则就失去了波形变换的作用，变成一般的 rc耦合电路了，平常rc小于或等于输入波形宽度的1/10就可以了。使输出电压与输入 电压的时间变化率成正比。最简单的微分电路就是由电阻器r和电容器c组成的，电路 结构如图1-1。电容c和电阻r串联后引入输入信号vi,在电阻r端会产生输出信

10、号v0, 当rc的数值和输入方波的宽度tw两者之间能够满足rc<<tw,这种电路便被称作是微 分电路。图1-1 rc微分电路1.2 rc微分电路的工作过程在屯阻r两端（输出端）得到正、负相间的尖脉冲，并且产生在方波的下降沿和上升 沿，如图1-2所示。微分电路的工作=vi由otvm,因为电容c上的电压是不能突变的（不能及时充屯，vc二0,相当于短路），输入端屯压vt全降在了屯阻r之上, 即v0= vi = vr = vm o之后电容c两端的电压按照指数规律讯速充电飙 升，输出端的电压随之按指数规律下降（因为vo = vm-vc = vi-vc）,经过大概 3t（t = r x c）z

11、后，vc - vm, vo, t （rc）的值越小，此过程越快，输出的正脉冲越 窄。t二t2的时候，vi由vhito,相当于输入端被短路了，电容c原来充冇左正右负的 电压vm,开始按照指数规律由电阻r放电，刚刚开始时，电容c不能及时放电，它的左 端（正电）接地,因此vo = -vm,随后vo随着电容的放电也按指数规律快速减小，同 样经过大约后，放电完毕，输出了一个负脉冲。只要脉冲的宽度tw（510） t ,在tw的时间之内，电容c已经完成放电或充电（约 需3t）,输出端也就可以输出正负尖脉冲，才可以变为微分电路，因此电路充放电的吋 间常数t必须满足：t v （1/5l/10"w,这些

12、是微分电路的必要条件。牛汁论h二妙）：:图1-2 r两端的尖脉冲总结起来微分电路的工作过程就是:如果rc的乘积，也就是时间常数很小，在t = 0 + 也就是方波跳变时，电容c会被快速充电，它的端电压、输出电压和输入电压的时间倒 数成比例关系。实用微分屯路的输出波形和理想微分屯路的不同，即使输入的是理想方 波，但在方波止跳变时，它的输出电压幅度不可能是无穷大，也不会超过输入方波电压 幅度。在0<tvt的时间内，也不完全等于零，而是窄脉冲波形的幅度会随着时间的增加 逐渐减小到零。同理在输入方波的后沿附近输出v0是一个负的窄脉冲。这种rc微分电 路的输岀电压近似地反映了输入方波前后沿的时间变化

13、率，常用来提取蕴含在脉冲前沿 和后沿屮的信息。1.3 rc微分电路的应用曲于输岀的波形v0和输入的波形vi之间正好符合微分运算的结果v0 = rc（dvi/dt），也就是输出波形是取输入波形变化的部分。假如将vi按照傅里叶级数展 开，进行微分运算之后的结果，也就是v0的表达式。它主要用在对复杂波形的分频和 分离等，例如从电视信号的复合同步脉冲分离出来行同步脉冲与吋钟倍频的应用。微分 电路主要应用于脉冲数字屯路、模拟计算机和测量仪器中。实际的微分屯路也可用屯阻 器件r与电感器件l来组成。有吋也能使用rc和运算放大器组成比较复杂的微分电路, 但是在实际当中应用并不多。微分电路最初和最基木的应用是将

14、方波信号变换为尖脉冲，以便当做记吋标记和触 发信号。（一）使用微分屯路來处理模拟信号。在实际应用当中，需要使用微分屯路來处 理模拟信号。例如，测到运动物体相对于参照物的距离为s = f（t）,通过微分电路就能 求出运动的速度v = ds/dt,加速度a = dv/dto又比如，在医疗电子仪器中，已测得生物 电信号、阻抗图、肌电图、心电图等。这些生物电流的微分图，反映了生物电的变化速 率，在临床上具有很重要的意义。上述例了就是用微分电路处理模拟信号的实例。（二） 微分电路的精度测试及其概念。和其他精度概念一样，精度都是对某一确定的条件而谈 的。微分电路的精度指的是在确定频率范圉里输出的信号和输入

15、的信号微分值的逼近度。（三）构成微分电路的方式。根据电路的工作原理，可以用不同的方式构成微分电路。 有模拟工作方式、脉冲工作方式、数字工作方式等。2 rc耦合电路2. 1耦合及其rc耦合电路的概念耦合是指两个或两个以上的屯路元件或者屯路网络的输入和输出之间存在着紧密的 配合与相互影响，并且通过相互作用从一端向另一端传递能量的现象。耦合电路就是指 参与耦合过程的屯路。从屯路角度來说，总是可以将其区分为驱动的源和被驱动着的负 载。假如负载的电容相对大了些，驱动的电路要将电容充、放电，才可以完成信号跳变 的过程，在上升沿相对陡酣时，电流相对很大，这样驱动着的电流就要吸收很多电源的 屯流，因为电路里的

16、电阻、电感(尤其是芯片管脚上的电感，将产生反弹)，这样的屯流 相比较于止常的情况来讲实际上就是一种噪声，将会影响前级的止常工作，这就是耦合。为实现能量和信号的传输，连接各个功能屯路的方法即为耦合屯路。一般的，耦合 电路通常具有滤波、蓄能、隔离、阻抗变换等一种或几种功能。主要分为极间耦合、直 接耦合、阻容耦合、变压器耦合、光电耦合等。顾名思义，rc耦合屯路就是屯容c和屯 阻r通过互相相互串并联及其复朵的组合在一起的电路。2.2 rc耦合电路的运行变化分析图1-1中，如果电路的时间常数t(rc) >> tw,它就将变为一个rc耦合电路。输 出的波形和输入的波形会一致。如图2-1所示。7

17、km 卜1»h4*一 aak-»1111 41*> k t图2-1 rc耦合电路的波形当t = tl时，第一个方波来到，vi从0 t vm,由于电容电压不能够突变(vc = 0),vo = vm = vi = vro(2) 当tl<t<t2时，由于t>>tw,电容c在缓慢地充电，vc缓慢地上升为左正右负的电压，vo = vr = vi-vc, v0缓慢地下降。(3) 当t = t2时，v0由vmto,就等于将输入端短路，在这时，vc已经充冇了左正 右负的屯压= (vi/t) x tw,经过电阻r极其缓慢地放电过程。(4) = t3时，因为电容还

18、没有放完电，积累了相当数量的电荷，第二个方波來到， 电阻上的电压就不再是vm 了，而变为vr = vm - vc(vc工0),如此第二个输出方波要比 第一个输出方波稍微往下平移，第三个输出方波要比第二个输出方波再稍微往下平移， 以此类推，到最后，在输出波形正半周的“面积”与负半周的“面积”相等吋，就达到 了一个稳定的状态。也就是说电容在一个周期内放掉的电荷与充得的电荷相等时，输出 波形才稳定下來不再平移了。屯容两端的平均电压与输入信号中的电压直流分量(利用c 的隔直作用)相等，将输入信号往下平移当前的直流分量，便得到了输出波形，起到了传 送输入信号交流成分的廿的，所以它是一个耦合屯路。以上的耦

19、合电路和微分电路，在电路的形式上是相同的，最重要的在于tw和t的关 系，下面就来比较一下t和方波周期t(t>tw)在时间上不一致的结果，如图2-2所示。 在以下三种情形时，因为电容c的隔直效果，输出的波形总是在一个周期里正、负“而 积”相同，也就是它的平均值是0,不再包描直流的成份山。图2-2 丫与t的比较图 在t >>t吋，电容c充放电的速度特别缓慢，它的输出波形属于近似理想方波, 是理想的耦合屯路。 在工=t时，电容c有了一定的充放电过程，它的输出波形的平顶部分有一定的 上升或下降，不展于理想方波。 在t vvt吋，电容c在非常短暂的吋间内(tw)已完成充放电，所以输出波

20、形变 为上下尖脉冲，属于微分电路。2. 3 rc耦合两极放大电路阻容耦合多级放大电路因为耦合电容的隔直流效果，各个静态工作点测量大概相等。 使用仿真确定各个三极管的每个电极的直流点位。每级静态工作点的选取原则便是信号 要工作在放大区。通过给定输入信号的作用，输岀的电压波形不会失真，通常前一级的 电流会小一些，会在0.1ma左右，或者根据最大不失真原则进行调试。设计电路如图2-3。3 rc积分电路3.1基本rc积分电路及其原理积分电路能够使矩形脉冲波转换成三角波或者锯齿波，还能够将锯齿波转换成抛物 波。它的电路原理都是根据电容的充放电原理。最重要的就是电路的时间常数rc,积分 电路的特性是由输入

21、信号占空间的相对大小关系和电路的吋间常数来确定的。积分是一 种常见的数学运算，而rc积分电路讨论的是模拟积分。如图3-1所示，电容c和电阻r串联接入输入信号vi,在电容c两端输出信号v0, 当输入方波宽度tw和rc(t)数值之间满足：t >>tw,这种电路便是积分电路。在输 入信号vt是矩形波吋，电阻r和电容c以及信号源构成了闭合回路。假设某一吋刻t电容c两端极板上的电荷量是q,极板间的电压是vc。根据回路的电压方程可以得到： vi = vc + vr,又由于vc = q/c； i = dq/dt (i表示电流；d表示微分)带入后得到 vi = q/c + ir = rdq/dt

22、+ q/c这个一阶线性齐次方程。图3-1 rc积分电路3.2 rc积分电路的特性于电容c两端(输出端)获得锯齿波电压，如图3-2所示。图3-2 c两端的锯齿波形vr,因为，所以=1/cx当t二tl时，vt从o-vm,由于电容电压不能够突变，vc = vo = oo(2)当tl<t<t2时，电容开始充电，vc按照指数规律上升，vi= vc +t >>tw ,电容充电特别缓慢，vc上升很少，vc<<vrvi = vr + vc定义为vr=ir=vm,i定义为vm/r ,因此输出电压vo (vc) j dt三1/cj vm/r xdt = vm/rc x to可以

23、看出输入信号vi和输出信号vo （vc）的积分 成正比。（3）当t = t2时，vi从vibto,就等于输入端被短路，电容原先充冇左正右负的电 压vi（vkvm）经过r缓慢的放电后，vo（vc）按照指数规律下降。像这样，输出信号便是锯齿波，近似成三角形波，t>>tw是本电路的必耍条件, 由于它是在方波到来的时候，电容只在缓慢的充电，vc还没有上升到vm时，方波便消 失了，电容放电开始，以防止电容电压出现一个稳定的电压值，并且工越大，锯齿波越 类似于三角波。输出波形就是相对输入波形积分运算的结果（vo定义为1/cj vi/r x dt）, 它是突显输入信号的直流和缓变分量的，降低输入

24、信号的变化量。3.3 rc积分电路的应用研究rc积分屯路是对信号求积分的屯路，它最简单的结构是一个屯阻r和一个二极管c 再加一个运算放大器。积分电路有1延时、定时、时钟作用，利用“积分延时”现象, 把跳变屯压“延缓” 2.构成低通滤波器，从宽窄不同的脉冲串中，把宽脉冲选出來3.改 变相角（减）4能起到隔离与缓冲的作用5消减变化量，突出不变量。4 rc滤波电路（无源）4.1 rc无源滤波电路及其工作原理在测试系统里，经常用到rc滤波器。出于在这一领域里，信号频率并不是很高。因 为rc滤波器相对来说很简单，抗干扰性很强，有很好的低频性能，而且使用标准的阻容 原件，因而在工程测试的领域里最常用的滤波

25、器是rc滤波器。在模拟电路中，由rc组成的无源滤波电路中，根据电容的接法及大小主要可分为低 通滤波屯路（如图4-1）和高通滤波屯路（如图4-2） o+图4-1 rc低通滤波电路ii图4-2 rc高通滤波电路rc滤波电路属于模拟滤波器，它可以构成多阶rc滤波电路，电阻r在电流中起限 流作用，电容c起平滑滤波作用，rc的乘积（单位：秒）是滤波时间常数也成为积分时 间常数；rc时间常数决定电路的幅频特性和相频特性。因为电容元件的特性是通高频, 阻低频。rc滤波器就是利用电容的这一特性，将高频信号引入地下，电路屮就只剩下低 频信号了。rc无源滤波器和有源滤波器的工作原理是一致的，区别仅仅在于无源滤波器

26、 的负载特性比由原滤波器的耍差一点。冇源滤波器的另一个优点是述可以适当增加运放 增益使信号经过rc网络后损耗掉的那部分再弥补冋来。4.2 rc无源滤波电路的工作特征（1）如图4-1的低通滤波电路里，它与积分电路略微相近（电容c全是并联在输出 端），但是他们却应用在不相同的屯路功能里，积分屯路关键是利用屯容c在充屯时的积 分功能，当有输入方波的情况下，会产生周期性的三角波（锯齿波），因而电阻r和电容 c是根据方波的tw來筛选的，相反低通滤波电路，它将较高频率的信号旁路掉（因 xc = l/（2nfc）, f较大时，xc较小，就等于短路），因此电容c的值是按照低频点的数 值最后确定的，对于电源的滤

27、波电路而言，理论上c值越大越好。（2）如图4-2的高通滤波电路和耦合电路或微分电路的形式相等。当它在脉冲数字 电路里时，由丁脉宽tw和rc的关系不一样而区分为耦合电路与微分电路;在模拟电路中, 选择适当的电容c的值，就能够冇选择性地使较高频率的信号通过，然后阻断直流及低 频信号，就像高咅喇叭串接的电容，就是防止中低咅进入高咅喇叭里，以避免损坏。在 另一方而，在多级交流放大电路里，它也算是一种耦合电路。4.3 rc低通滤波电路的应用rc低通滤波器的本质是低通滤波器，现在加了 rc只不过是说明它是由电容电阻构 成的，这是最简单的滤波器组成形式。低通滤波器是滤波器的一种，是一种信号选择电 路，允许低

28、于截止频率的信号通过，但高于截止信号的频率不能通过。在仪器、音响、 信号处理等电路屮都有作用，可以实现按频率对信号进行选择，避免高频信号的干扰。用rc低通滤波器防止震荡是它的代表应用之一，是防止机械开关、机械触电的震荡。 我们还能应用rc低通滤波器扩展微处理器的输出端口，这也是一个重要应用。4.4 rc高通滤波电路的应用高通滤波器的特点是：只允许高于截止频率的信号通过。高通滤波器是允许高频信 号通过，但减弱（或减小）频率低丁截止频率信号通过的滤波器。对丁不同滤波器而言， 每个频率的信号的减弱程度不同。它有时被称为低频剪切滤波器，在音频应用中也使用 低音消除滤波器或者噪声滤波器。一个滤波器滤除一

29、个复杂信号屮不想耍的低频成分同 时让高频信号通过是很有用的。最简单的电子高通滤波器包括一个与信号通路串联的电 容器和与信号通路并联的电阻。电阻与电容的乘积（rxc）是时间常数。这样的滤波器 能够把高频率的声音引导至专用高音喇叭（tweeter）,并阻止可能干扰或者损害喇叭的 低音信号。使用线圈而不是电容的低通滤波器也可以同时把低频信号引导至低音喇叭 （woofer）o高通和低通滤波器也用于数字图像处理中在频域中进行变换。5 rc脉冲分压器5. 1 rc脉冲分压器的构成在我们将脉冲信号通过电阻分压传递到下一级时，因为电路屮存在着多种形式的电 容，比如寄生电容，它就等于在负载侧接有一个负载电容（如

30、图5-1 ）,在输入一脉冲 信号的情况下，由于电容cl的充电作用，电压不能够突变，从而使的输出波形的前沿失 真，变坏。因此，可以在r1的两端并联接入一个加速电容c1,这样便组成了一个rc 脉冲分压器（如图5-2）。图5-1电路中接有负载电容图5-2 rc脉冲分压器5.2 rc脉冲分压器的运行(1) 当t=0+时，电容被看做是短路，电流只流过cl, cl, vo由cl与c1分压得出：vo ( 0 +) = v c l (0+) = vmxcl / ( c 1 +c l )(2) 当t二无穷时，电容被看做是开路，电流只流经r 1,r2,v 0由r1和r2分 压得出：vo(8)=vr2 (co) = vm x r 2 / (r 1 +r 2 )当vo (0+) =v o (-)时，输出波形即是输入波形经分压后不失真传输(如 图 5-3 ),也就是：cl=clxr2/rlvm x cl / (cl+cl)=vmxr2 / (r 1 +r 2 ).在cl<clxr2/rl, v o ( 0 +) <v o(9)时，出现了欠补偿现彖;在cl >clxr2/rl,vo ( 0 +) >v o(8)吋，出现了过补偿现象佗丿一(cl太小)岭(8)(0*)