实验六 一阶RL电路的过渡过程实验

dtdiL实验六一阶RL电路的过渡过程实验一、实验目的1、研究RL串联电路的过渡过程。

2、研究元件参数的改变对电路过渡过程的影响。

二、实验原理在电路中，在一定条件下有一定的稳定状态，当条件改变，就要过渡到新的稳定状态。

从一种稳定状态转到另一种新的稳定状态往往不能跃变，而是需要一定的过渡过程（时间）的，这个物理过程就称为电路的过渡过程。

电路的过渡过程往往为时短暂，所以电路在过渡过程中的工作状态成为暂态，因而过渡过程又称为暂态过程。

1、RL电路的零状态响应（电感L储存能量）图6-1 (a) 是RL串联电路。

在t = 0时将开关S合上，电路既与一恒定电压为U的电压接通。

根据克希荷夫电压定律，列出t≥0时电路的微分方程为i R + = U(a) (b) (c)图6-1RL电路的零状态响应电路及、、随时间变化曲线电路中的电流为电阻上电压为电感上的电压为其随时间的变化曲线如图6-1（b）、(c)所示。

2、RL电路的零输入响应（电感L释放能量）在图6-2(a) 所示RL串联电路，开关S是合在位置2上，电感元件中通有电流。

在t = 0时将开关从位置2合到位置1，使电路脱离电源，RL电路被短路。

此时电路为零输入响应。

(a) (b) (c)图6-2RL电路的零输入响应电路及、、随时间变化曲线根据克希荷夫电压定律，列出t≥0时电路的微分方程为电路中的电流为其随时间的变化曲线如图6-2 (b) 所示。

它的初始值为I 0，按指数规律衰减而趋于零。

式中τ叫做时间常数，它反映了电路过渡过程时间的长短。

电路中电阻上电压为电路中电感上电压为其随时间的变化曲线如图6-2（c）所示。

3、时间常数τ在RL串联电路中，τ为电路的时间常数。

在电路的电路零状态响应上升到稳态值的63.2%所需要时间为一个时间常数τ，或者是零输入响应减到初始值的36.8%所需要时间。

虽然真正电路到达稳定状态所需要的时间为无限大，但通常认为经过（3—5）τ的时间，过度过程就基本结束，电路进入稳态。

三、实验内容及步骤1、脉冲信号源在实际实验中，采用全数控函数信号发生器的矩形波形做为实验信号电源，由它产生一个固定频率的矩形波，模拟阶跃信号。

在矩形波的前沿相当于接通直流电源，电容器通过电阻充电。

矩形波后沿相当于电路短路，电容器通过电阻放电。

矩形波周期性重复出现，电路就不断的进行充电、放电。

在EWB 仿真实验中，选用Sources 元器件库里的时钟源（Clock ）作为脉冲信号源，它可以产生用户设定的固定频率矩形波，起到实际实验中实验信号电源的作用。

在时钟源元器件属性（Clock Properties ）对话框中，Value/Frequency 选项可改变时钟源发出方波的频率，Value/Duty cycle 选项可改变时钟源发出方波的占空比，Value/Voltage 选项可改变时钟源发出方波的电压幅值。

2、 示波器操作的简单介绍图6-3（a ）示波器图标 图6-3（b ）示波器面板从Instruments 元器件库中可调出示波器（Oscilloscope ），其图标如上图6-3（a ）所示，该示波器是双通道的，其上的4个接线端分别是接地、触发、A 通道和B 通道。

若被测电路已经接地，那么示波器可以不再接地。

但在实际应用中常利用示波器的接地点以便于观测，例如：欲测电路中a 、c 两点间的电压波形和b 、c 两点间的电压波形（a 、b 、c 并非被测电路的接地点），则可将A 通道和B 通道分别接到被测电路的a 、b 两点上，示波器的接地点接到被测电路的c 点上，则仿真后在示波器面板上观测到的A 通道显示的波形即是被测电路a 、c 两点之间的电压波形，B 通道显示的波形即b 、c 两点间的电压波形，欲测任务也就完成了。

指针1处读数指针2处读数指针1、2处读数差面板恢复背景颜色ASC Ⅱ保存示波器的读数为峰值图6-3（c）示波器展开面板鼠标双击示波器图标后得到示波器的面板如上图6-3（b ）所示，各标识含义已在图中标明。

当点击“Expand ”（面板展开）后，即可看到如图6-3（c ）所示的示波器展开面板。

该扩展面板与原面板上可设置的主要参数有：时基控制面板展开触发控制X 轴偏置Y 轴偏置外触发输入自动触发Y 轴输入方式（1）时基（Time Base）设置范围：0.10ns～ls/Div时基设置用于调整示波器横坐标或X轴的数值。

为了获得易观察的波形，时基的调整应与输入信号的频率成反比，即输入信号频率越高，时基就应越小，一般取输入信号频率的1/3～1/5较为合适。

（2）X轴初始位置（X-Position）设置范围：-5.00～5.00该项设置可改变信号在X轴上的初始位置。

当该值为0时，信号将从屏幕的左边缘开始显示，正值从起始点往右移，负值反之。

（3）工作方式（Axes Y/T，A/B，B/A）Y/T工作方式用于显示以时间（T）为横坐标的波形；A/B和B/A工作方式用于显示频率和相位差，如李沙育（Lissajous）图形，相当于真实示波器上的X-Y或拉Y工作方式。

也可用于显示磁滞环（Hysteresis Loop）。

当处于A/B工作方式时，波形在X轴上的数值取决于通道B的电压灵敏度（V/Div）的设置（B/A工作方式时反之）。

若要仔细分析所显示的波形，应在仪器分析选项中选中“每屏暂停”（Pause after each screen）方式，要继续观察下一屏，可单击工作界面右上角的“Resume”框，或按F9键。

（4）电压灵敏度（V olts per Division）设置范围：0.01mV/Div～5kV/Div该设置决定了纵坐标的比例尺，当然，若在A/B或B/A工作方式时也可以决定横坐标的比例尺。

为了使波形便于观察，电压灵敏度应调整为合适的数值。

例如，当输入一个3V 的交流（AC）信号时，若电压灵敏度设定为1V/Div，则该信号的峰值显示在示波器屏幕的顶端。

电压灵敏度的设定值增大，波形将减小；设定值减小，波形的顶部将被削去。

（5）纵坐标起始位置（Y Position）设置范围：-3.00～3.00该设置可改变Y轴起始点的位置，相当于给信号迭加了一个直流电平。

当该值设为0.00时，Y轴的起始点位于原点，该值为 1.00时，则表示将Y轴的起始点向上移一格（oneDivision），其表示的电压值则取决于该通道电压灵敏度的设置。

改变通道A和通道B 的Y轴起始点的位置，可使两通道上的波形便于观察和比较。

（6）输入耦合（Input Coupling）可设置类型：AC，0，DC当置于AC耦合方式时，仅显示信号中的交流分量。

AC耦合是通过在示波器的输入探头中串联电容（内置）的方式来实现的，像在真实的示波器上使用AC耦合方式一样，波形在前几个周期的显示可能是不正确的，等到计算出其直流分量并将其去除后，波形就会正确地显示。

当置于DC耦合方式时，将显示信号中交流分量和直流分量之和。

当置于0时，相当于将输入信号旁路，此时屏幕上会显示一条水平基准线（触发方式须选择AUTO）。

（7）触发（Trigger）①触发边沿（Trigger Edge）若要首先显示正斜率波形或上升信号，可单击上升沿触发按钮；若要首先显示负斜率波形或下降信号，可单击下降沿触发按钮。

②触发电平（Trigger Level）设置范围：-3.00～3.00触发电平是示波器纵坐标上的一点，它与被显示波形一定要有相交点，否则屏幕上将没有波形显示（触发信号为AUTO时除外）。

③触发信号（Trigger）内触发：由通道A或B的信号来触发示波器内部的锯齿波扫描电路。

外触发：由示波器面板上的外触发输入口（位于接地端下方）输入一个触发信号。

如果需要显示扫描基线，则应选择AUTO 触发方式。

（8）面板扩大（Expand ）按下面板上的Expand 按钮可将示波器的屏幕扩大。

若要记录波形的准确数值，可将游标1（通道A ）或游标2（通道B ）拖到所需的位置，时间和电压的具体测量数值将显示在屏幕下面的方框里。

根据需要还可将波形保存（所有文件名为 *.SCP ），用于以后的分析。

Reverse 键用来选择屏幕底色，按下Reduce 键可恢复原状态。

双通道示波器用于显示电信号大小和频率的变化，也可用于两个波形的比较。

当电路被激活后，若将示波器的探头移到别的测试点时不需要重新激活该电路，屏幕上的显示将被自动刷新为新测试点的波形。

为了便于清楚地观察波形，建议将连接到通道A 和通道B 的导线设置为不同的颜色。

无论是在仿真过程中还是仿真结束后都可以改变示波器的设置，屏幕显示将被自动刷新。

若示波器的设置或分析选项改变后，需要提供更多的数据（如降低示波器的扫描速率等），则波形可能会出现突变或不均匀的现象，这时需将电路重新激活一次，以便获得更多的数据。

也可通过增加仿真时间步长（Simulation Time Step ）来提高波形的精度。

图6-4 RL 过渡过程电路图 图6-5 RL 过渡过程EWB 仿真实验电路图如图6-4所示，在本实验中，当信号源发出的方波由低电平向高电平跳变时，电路发生零状态响应，通过示波器可以观测到U R 、U L 的波形；当信号源发出的方波由高电平向低电平跳变时，电路发生零输入响应，同样可通过示波器观测U R 、U L 的波形。

若观测到的两组波形符合R 、L 零状态、零输入响应的理论波形（可与前述实验原理部分对照），则该实验测量部分即成功完成。

3、实验步骤(1) 打开EWB 软件，选中主菜单Circuit/Schematic Options/Grid 选项中的Show grid ，使得绘图区域中出现均匀的网格线，并将绘图尺寸调节到最佳。

(2) 在Sources 元器件库中调出1个Ground （接地点）和1个Clock （时钟源）器件，从Basic元器件库中调出1个Resistor （电阻）和1个Inductor （电感）器件，最后从Instruments 元器件库中调出Oscilloscope （示波器）器件，按图5-5所示排列好。

(3) 双击Clock （时钟源）器件，得到其对应的元器件属性（Clock Properties ）对话框，在Value/Frequency 里修改信号源发出方波的频率，本实验频率选择默认的1000Hz ；在Value/Duty cycle 里修改方波的占空比，本实验选择默认的50%；在Value/V oltage 里修改方波电压的幅值，本实验选择2V 。

脉冲信号源LR(4)改变电阻R的阻值为300Ω，电感L的容量为22mH。

(5)将示波器的接地点接到被测电路R、L之间，将A通道接到信号源与电阻R之间，并通过双击连线改变连线的颜色为红色，将B通道接到电感L的负端即被测电路的接地点上，同时改变连线的颜色为绿色。