实验3二阶电路时域响应.docx
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实验三 RLC 二阶电路响应的研究
一、实验任务
(1)完成 RLC 串联电路零输入响应的实现,并观察零输入响应的过阻尼、临界阻尼、欠阻尼、无阻尼的四种情况;
(2)在零输入响应的欠阻尼情况下,完成电路固有频率和衰减指数的测量;
(3)在零输入响应的无阻尼情况下,完成电路震荡频率的测量;
二、实验目的
(1)掌握 RLC 串联二阶电路零输入响应的基本概念,掌握二阶电路振荡频率、衰减指数的概念;
(2)掌握使用 Multisim 进行动态电路分析设置的步骤,并掌握瞬态分析法、参数扫描分析法的设置;
三、实验原理及说明
二阶动态电路是指电路中包含一个电容和电感,或两个电容,或两个电感。这类电路通常可以用一个线性常系数二阶微分方程或两个联立的一阶常系数微分方程描述。
从电路结构上来看,二阶电路应该具有两个独立的初始状态,并运用基尔霍夫定律及元器件的伏安关系,就可以列出电路微分方程,并根据状态变量的初始条件,求得该电路的响应的函数。
在 RLC 串联电路中,如果没有输入,则电路的响应仅仅由电路中初始储能所造成,称之为零输入响应。无论是一阶电路还是二阶电路,由于电路中有耗能元器件电阻 R 的存在,电路中的储能最终是要消耗殆尽的,其表现为电容电压或电感电流最终是变化为零。它的响应的形式及其快慢与储能大小(电容初始电压或电感)有关。
通过对二阶电路进行分析,同学们可以知道,二阶电路的响应分为以下几种:
(1) 当 R 2 L
(2) 当 R 2 L
(3) 当 R = 2 L
时,响应为非振荡型,即过阻尼情形;
时,响应为振荡型,且是衰减振荡,即欠阻尼情形; 时, 响应为不稳定型或临界状态,是非振荡的;
(4) 当R = 0 时,初始能量将在电场和磁场中相互交换,形成等幅振荡,属于无阻尼等幅振荡;
四、实验步骤及说明
R1 2 L1
0? 4μH
out
C1
4μF IC=1V
0
图 1 二阶电路原理图
(1)实验参考电路如图 1 所示。在工作区调出接地符、电阻器件、电容器件、电感器件并按照图 1 连接。图中所选的电路参数为R1 = 0Ω,C1 = 4μF ,L1 = 4μH。其中电容电压初始值为 1V。完成编辑后保存原理图
(2???设置瞬态分析(观察 3‐4 个周期),观察并记录电路 out 节点电压值的瞬态分析,并保存响应波形及原始数据;
(3)二阶电路无阻尼零输入振荡角频率的确定。由电路理论分析可以得到,对于无阻尼电
路,其输入为振荡的正弦波。其角频率为
= 。因此,同学可以利用这一关系通过测量LC
波形结果的一个周期,如图 2 所示,并通过公式 =2 换算得到电路的振荡角频率并验证和理论值是否吻合。
图 2 无阻尼响应结果
(4)对二阶电路的电阻做参数扫描,电阻的取值分别为 0.5Ω,2Ω,4Ω时,记录 的瞬态分析结果。参数设置:起始时间为 0,终止时间为 0.1ms(1e‐4ms),步进为 1e‐8(可以考察不设置此参数对测量精度的影响)。
t1
t2
图 3 欠阻尼响应
在欠阻尼的情况下,测量该电路的固有频率。从图 3 中可以知道,只要测量出相邻峰值
之间的时间差 ,即可得到衰减振荡角频率 ,即 = 2 = 2 。衰减系数α的测试是
间接测量得到的,其基本原理为分别求出响应的相邻的两个峰值或者谷值( 2、 )。
c = Kea l cos + 8
c 2 = Kea 2cos 2 + 8
/
已知 2 = + ,并且 =2 因此可以得到: c
c 2
=e-aT ,对该公式进行整
理:
1
α = -
c
ln
c 2
因此,只要测量欠阻尼情况下,两个相邻峰或者谷值的时间差和对应的电压值就可以通过计算得到欠阻尼情况下电路的衰减指数和振荡角频率。
同学可以利用上述原理通过测量波形结果的一个周期以及对应纵坐标,如图 3 所示,并通过公式换算得到电路的振荡角频率以及衰减系数并验证和理论值是否吻合。
五、实验报告及要求
1、 将电路原理图、实验波形(关键数据需在波形上标出)和原始数据(用于分析,实验报告中不提交)保存;
2、 对相关实验内容的原理进行分析,并通过数据进行验证;
3、 Multisim 瞬态分析和参数扫描分析的参数设置的意义;
4、 心得体会及其他; 六、课前预习
阅读《电路分析基础(上册)》第七章有关二阶电路响应的内容。
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