电路基础实验二

1、电路基础实验,电子基础教学实验中心 2010.3.16,实验二 RC动态电路的研究及交流阻抗测量,实验目的,1、掌握示波器、函数信号发生器、毫伏表的使用方法。 2. 研究一阶电路的零状态响应和零输入响应的基 本规律和特点，以及电路参数对响应的影响。 3. 理解时间常数 对响应波形的影响。 4. 了解积分、微分电路的特点。 5. 掌握阻抗测量的特点和方法。,第一部分：常用电子仪器的使用（二）,目录： 1、双踪示波器 2、函数信号发生器 3、晶体管毫伏表 4、基础实验电路板,一、示波器的原理与使用,示波器是科研单位和实验室常用的一种观测电信号波形的仪器。用它可以进行时域信号的测量，可以测量电信号的

2、波形、周期、相位、幅值、矩形波的上升时间和下降时间等物理参数。,（一）示波器的组成,1、 垂直系统,2、水平系统,3、Z轴系统,4、示波管,5、电源,包括：垂直（Y）系统、水平系统（扫描系统）、Z轴系统、示波管、电源,（二）波形显示的基本工作原理,1、仅水平通道工作,（二）波形显示的基本工作原理,2、仅垂直通道工作,若仅在垂直偏转板上加被测波形，则在屏幕上只看到一条垂直线,（二）波形显示的基本工作原理,3、两个通道同时工作,（三）示波器的幅度测量基本知识,被测信号幅度范围从毫伏级到几百伏，为使不同大小的信号都能在屏幕内显示合适波形，在垂直放大器之前要加入衰减器。他由开关控制，以对不同大小的信号

3、实现不同的分压比。 这就是垂直偏转因数选择VOLTS/DIV,1垂直偏转因数选择(VOLTSDIV)和微调在单位输入信号作用下，光点在屏幕上偏移的距离称为偏移灵敏度，这一定义对X轴和Y轴都适用。灵敏度的倒数称为偏转因数。垂直灵敏度的单位是为DIVmV，DIVV，垂直偏转因数的单位是VDIV，mVDIV。实际上因习惯用法和测量电压读数的方便，有时也把偏转因数当灵敏度。,（三）示波器的幅度测量基本知识,t,信号幅度（峰-峰值） =H垂直偏转因素 （VOLTS/DIV）,垂直方向波 形占据的格数 H,在进行定量幅度测量时，还必须把垂直偏转因素微调旋钮顺时针旋转到CAL校准位置。此时偏转因素VOLTS

4、/DIV才是准确的，才能够对信号幅度进行精确测量。,（四）示波器的时基测量基本知识,t,水平方向一个周期波 形占据的格数 D,时基偏转因素TIME/DIV 波段开关的指示值代表光点在水平方向移动一个格的时间值。例如在1mSDIV档，光点在屏上移动一格代表时间值1mS。,2、时基选择(TIMEDIV)和微调 时基选择和微调的使用方法与垂直偏转因数选择和微调类似。时基选择也通过一个波段开关实现，把时基分为若干档，用于改变扫描速度。,（四）示波器的时基测量基本知识,t,水平方向一个周期波 形占据的格数 D,在进行定量时基（周期）测量时，还必须把时基微调旋钮顺时针旋转到CAL校准位置。此时，屏幕上显示

5、的时基值与波段开关所示的标称值是一致的，此时偏转因素TIME/DIV才是准确的，才能够对信号时基周期等进行精确测量。,2、时基选择(TIMEDIV)和微调 波形的周期= D时基选择(TIMEDIV) 例如在1mSDIV档，如果D=3格，则这个信号的周期为 31mS=3mS 。,（五）相位差的测试TRIG.ALT处于弹起状态,1、双踪示波法（截距法） 示波器垂直方式选择“双踪”显示方式，两通道的零基线重合。 被测的两个信号分别接到示波器的两个垂直通道。 调节相关旋钮，使屏幕上出现两条大小适中的稳定波形 X: 信号一个周期在水平方向所占格数（div） X1：过基线的对应点A，B间的水平距离（截距）

6、,（五）相位差的测试TRIG.ALT处于弹起状态,2、李沙育图形法-（不要求） 将扫描速率开关置于外接，CHl通道输入标准信号，CH2通道输入被测信号，在示波器上将显示如右图所示李沙育波形，从图可知，相位差为：,B椭圆与纵轴相截的距离， AY向的最大偏转距离。,（六）固维GOS620双踪示波器面板与操作使用(视频),二、函数信号发生器的使用,函数信号发生器是能够产生正弦波、方波和三角波信号的仪器，输出幅度可调。,基本电路框图,二、函数信号发生器的使用,DF1641B1函数信号发生器是能够产生1-3MHz，正弦波、方波和三角波的仪器，输出幅度1mVpp-20Vpp。,电源开关,频率显示窗口,幅度

7、显示（峰峰值）,函数信号 输出口,二、函数信号发生器的使用,DF1641B1函数信号发生器是能够产生1-3MHz，正弦波、方波和三角波的仪器，输出幅度1mVpp-20Vpp。在小信号输出时，一定要采用输出幅度旋钮和衰减开关的配合使用。,输出频率调整,输出 波形选择,输出 幅度调整,输出 幅度衰减,DF1641BF（SP1641B）函数信号发生器的使用视频,三、晶体管毫伏表的使用,1、晶体管毫伏表是一种高灵敏度宽带的交流电压有效值表，能够进行20Hz-1MHz之间的交流电压信号（分贝dB）测量的仪表。,原理方框图,三、晶体管毫伏表的使用,2、输入信号通过连接线接入电路，连接测试线时，毫伏表的接地

8、线(一般为黑色夹子)也应与被测电路的公共地端相连。 3、根据被测电压的大小，选择适当的测量范围。若不知被测电压的可能范围，应将测量范围置最大挡，然后逐渐减小，直至指针偏转至满量程的12以上。 4、毫伏表读数时，要根据所选择的量程来确定从哪一条刻度读数。例如，指针指在第一条刻度线的数字6处，若此时量程为10 V，则读数为6 V；若量程为100 mV，则读数为60 mV；若量程为3V，则读数为1.9 V；若量程为30 mV，则读数为19 mV；其他各量程依此类推。,5、分贝（dB）的测量（选讲） 这是一种相对电平概念，包括dBv和dBm仅仅是参考电平不同的两种表示法： 【dBm】是指在 600条件

9、下以1mW为参考得到的分贝度量值。V10.775V电压值就是600负载下的0dB参考。（读指针刻度的第四排） 【dBv】是指以V1=1V为参考得到的分贝值 。 （读指针刻度的第三排）,工程中常用0.775V作为参考电平的dBm,毫伏表在不同的量程上测量出的分贝值应加上各量程的修正系数才是信号的真正电平值。 交流毫伏表不能测量直流电压信号。,注意：,5、晶体管毫伏表的使用视频,信号输入口 INPUT,量程选择 开关,四、基础实验板介绍,实验板是构成实验电路的连接载体，实验时通 过导线和元器件在它上面连接出实验电路。,电源 引入孔,实验元件放置区,电位器,元件区每五个紧邻插孔之间彼此相通。 外围一

10、圈插孔已经全部相连（通常作为参考地使用）。 电源插孔没有和电路预先连接,第二部份 动态电路暂态过程的研究,一、实验原理,1. 一阶RC电路的时域响应 用一阶微分方程描述的电路，称为一阶动态电路。一阶动态电路通常是由一个(或若干个)电阻元件和一个动态元件(电容或电感)组成。一阶动态电路时域分析的步骤是建立换路后的电路微分方程，求满足初始条件微分方程的解，即电路的响应。,在图3.1(a)所示电路中，若uc(0-)=0,t=0时开关S由2打向1，直流电源经R向C充电，此时，电路的响应为零状态响应。,图3.1 一阶RC电路及响应曲线,其解为,t0,电路的微分方程为,式中， =RC为该电路的时间常数。,

11、零状态响应曲线如图3.1(b)所示。 若开关S在位置1时，电路已达到稳态，即uc(0-)=uS,在t=0时，将开关S由1打向2，电容器经R放电，此时的电路响应为零输入响应，而uc(0-)=uc (0+),图3.1 一阶RC电路及响应曲线,电路的微分方程为,响应为,零输入响应曲线如图3.1(c)所示。 从图中看出，无论是零状态响应还是零输入响应，其响应曲线都是按照指数规律变化的，变化的快慢由时间常数 决定，即电路瞬态过程的长短由 决定。 大，瞬态过程长； 小，瞬态过程短。时间常数由电路参数决定，一阶RC电路的时间常数 =RC，由此计算出 的理论值。,图3.1 一阶RC电路及响应曲线,如图.3.2

12、所示， 还可以从uc的变化曲线上求得。对充电曲线，幅值上升到终值的63.2对应的时间即为一个 。对放电曲线，幅值下降到初值的36.8对应的时间也是一个 。或者可在起点作指数曲线的切线，此切线与稳态值坐标线的交点与起点之间的时间坐标差即为时间常数 。根据上述两种方法可以在已知指数曲线上近似地确定时间常数数值，一般认为经过3 5 的时间，过渡过程趋于结束。,图.3.2电容器充放电电压曲线,为了能在普通示波器上观察这些响应的波形，就必须使这些波形周期性地变化。如何实现周期性变化?可采用周期变化的方波(即方波序列)作为激励,现叙述如下。 RC串联电路如图3.3(a)所示，由方波(如图3.3(b)激励。

13、,图.3.3 方波激励下的响应波形,从t=0开始，该电路相当接通直流电源，如果T/2足够大(T/24 )，则在0T/2响应时间范围内，uC可以达到稳定值uS，这样在0T/2范围内uC即为零状态响应；而从t=T/2开始，us=0，因为电源内阻很小，则电容C相当于从起始电压us向R放电，若T/24 ，在T/2-T时间范围内C上电荷可放完，这段时间范围即为零输入响应。第二周期重复第一周期，如图3.3(c)所示，如此周而复始。,图.3.3 方波激励下的响应波形,将这周期性变化的电压送到示波器Y轴输入端，适当调节“时基”旋钮使荧光屏上清楚显示出一个周期的波形，则前半周是零状态响应，后半周是零输入响应。(

14、用示波器的另一通道输入uS，以资鉴别是零状态和零输入)。线性系统中，零状态响应与零输入响应之和称为系统的完全响应。 即: 完全响应=零状态响应+零输入响应 若要观察电流波形，将电阻R上的电压uR送人示波 器即可。因为示波器只能输入电压，而电阻上电压、电 流是线性关系，即 所以只要将uR(t)波形的纵轴坐 标比例乘以 即为 波形。,2. 积分电路和微分电路 积分电路和微分电路是电容器充放电现象的一种应用 对图3.4所示电路以电容电压作为输出，us(t)是周期为T的方波信号，设uc(0)=0,则,（3.1）,图.3.4 积分电路 图.3.5 积分电路波形,当电路的时间常数 =RC很大，即 时在方波

15、激励下，电容上充得的电压远小于电阻上的电压，即 因此, ,则（3.1）式可改写为,（3.2）,式（3.2）表明若将uc(t)作为输出电压，则uc(t)近似与输入电压us(t)对时间的积分成正比，故在此条件下的RC电路称为积分电路。,图3.4 积分电路 图3.5 积分电路波形,其波形如图3.5所示。积分电路一定要满足 ，一般 取10倍即可( ) 。若R与C已选定，则取输入信号 的频率 左右 。当方波的频率一定时， 值越大， 三角波的线性越好，但其幅度也随之下降。 值变小时， 波形的幅度随之增大，但其线性将变坏。,微分电路取RC电路的电阻电压uR作为输出，如图.3.6所示。则,（3.3）,当时间常

16、数 很小， 即 ， 。 则式(3.3)可改写成,(3.4),图3.6 微分电路 图.3.7 微分电路波形,式(3.4)表明，输出电压uR(t)近似与输入电压uS(t)对时间的微分成正比，故将此条件下的RC电路称为微分电路。微分电路的输出波形为正负相间的尖脉冲，其输人输出波形如图3.7所示。,图3.6 微分电路 图.3.7 微分电路波形,微分电路一定要满足 条件，一般取 。 若R与C已选定，则取输入信号的频率 。 当输入信号的频率 一定时， 值越小，脉冲越尖。,3 、交流阻抗的测量原理与应用方法.,Us(t)2= UR(t)2+ Ux(t)2,二 、实验内容 （一）、基本要求 1. 一阶RC电路

17、响应及 值的测量 实验电路如图3.1所示，us(t)为信号发生器输出 f=1KHz,VPP=1V的方波信号。将激励源us(t)和响应uc(t)的信号分别连至示波器的两个输入端CH1和CH2。在示波器的屏幕上观察并测试下列参数时激励与响应波形及 。, R=10K、C=1000PF R=10K、C=0.01F R=10K、C=0.1F,2. 设计一阶积分电路 令C=0.1F，R=10K，输入方波的幅度UPP为2V。设计一积分电路并确定输入方波的频率，用示波器观察并测量输入、输出电压的波形、最大值。 3. 设计一阶微分电路 令C=0.1F，R=10K，输入方波的幅度UPP为3V。设计一微分电路，并确定输入方波的频率，用示波器观察并测量输入、输出电压的波形、最大值。,4. 元件的交流阻抗测量 (输入信号频率为1000Hz，电容容量为0.1uF),请设计一个电容交流阻抗测量电路，并自行设定参数。电路如下图：,XC=_,（二）扩展部份,设计一个电感的电感量测量电路，将实验电路板上的电感的电感量测量出来。 要求：画出电路图，自行设定参数 (输入信号频率为10KHz) 。,XL，L,三、实验设备 1.函数信号发生器 2.双踪示波器 3.电阻器、电容器,四、预习与报告要