6.仿真实验六 一阶动态电路仿真分析
一阶电路的仿真实验
仿真实验1 RC电路的过渡过程测量一、实验目的1、观察RC电路的充放电特性曲线，了解RC电路由恒定电压源激励的充放电过程和零输入的放电过程。
2、学习并掌握EWB软件中虚拟示波器的使用和测量方法。
二、原理及说明1、充电过程当电路中含有电容元件或电感元件时，如果电路中发生换路，例如电路的开关切换、电路的结构或元件参数发生改变等，则电路进入过渡过程。
一阶RC电路的充电过程是直流电源经电阻R向C充电，就是RC电路对直流激励的零状态响应。
对于图1所示的一阶电路，当t=0时开关K由位置2转到位置1，由方程：初始值：Uc(0-)=0可以得出电容和电流随时间变化的规律：RC充电时，电容两端的电压按照指数规律上升，零状态响应是电路激励的线性函数。
其中τ=RC，具有时间的量纲，称为时间常数，它是反映电路过渡过程快慢程度的物理量。
τ越大，暂态响应所待续的时间越长即过渡过程时间越长。
反之，τ越小，过渡过程的时间越短。
2、放电过程RC电路的放电过程是电容器的初始电压经电阻R放电，此时电路在无激励情况下，由储能元件的初始状态引起的响应，即为零输入响应。
在图1中，让开关K于位置1，使初始值Uc(0-)=U S，再将开关K转到位置2。
电容放电由方程，可以得出电容器上的电压和电流随时间变化的规律：三、实验内容1、RC电路充电过程(1) 在EWB软件的元器件库中，选择直流电压源、接地符号以及所需的电阻、电容、双掷开关等，电容C= μF (一位同学学号最后两位))，电阻R= KΩ(另一位同学学号最后两位)。
按照图2接线，并从仪器库中选择示波器XSC接在电容器的两端。
(2) 启动仿真运行开关，手动控制电路中的开关切换，开关置于1点，电源通过电阻对电容充电。
观测电容的电压变化，移动示波器显示面板上的指针位置，记录电容在不同时间下的电容电压，填在表1中。
表1 RC电路充电2、RC电路放电过程将电容充电至10V电压，手动控制电路中的开关切换，将开关K置于3点，电容通过电阻放电。
一阶动态电路特性分析与仿真
郑州航空工业管理学院《电子信息系统仿真》课程设计级_______________ 专业 _______________ 班级题目一阶动态电路特性分析与仿真姓名 __________ 学号___________指导教师________________________二0 —年十二月八日内容摘要本次设计通过MATALAB编程可以对一阶动态电路特性进行可视化的观测与分析，构建各种响应的波形图，其中包括RC串联电路及RL并联电路的零输入响应、零状态响应、正态激励响应、及冲击响应等。
MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。
通过MATALAB绘制波形图能够更加直观的观测到各个响应的动态工作状况。
关键字MATLAB ;测试和仿真；图形处理；一阶动态电路特性一、MATLAB 软件简介MATLAB功能丰富，可扩展性强。
MATLAB软件包括基本部分和专业扩展两大部分的功能。
基本部分包括：矩阵的运算和各种变换；代数和超越方程的求解；数据处理和傅立叶变换；数值部分等等，可以充分满足大学理工科本科的计算需要。
扩展部分称为工具箱。
它实际上是用MATLAB的基本语句辩称的各种子程序集，用于解决某一方面的专门问题，或实现某一类的新算法。
MATLAB 具有以下基本功能：（1）数值计算功能；（2）符号计算功能；（3）图形处理及可视化功能；（3）可视化建模及动态仿真功能。
MATLAB有数百个核心内部函数，数十个形形色色的工具箱。
工具箱大致可以分为两大类，一一类是学科性工具箱，另一类是功能性工具箱。
学科性工具箱大都涵盖了本学科所有的已有的基本概念和基本运算，大都十分专业。
如符号数学工具箱，简直就是一个高等数学、工程数学解题器。
极限、导数、微分、积分、级数运算与展开、微分方程求解、Laplace变换等应有尽有。
还有控制系统、信号处理、模糊逻辑、神经网络、小波分析、统计；优化、金融预测等工具箱，无一不是非常优秀的运算工具。
电路实验仿真实验报告
1. 理解电路基本理论，掌握电路分析方法。
2. 掌握电路仿真软件（如Multisim）的使用方法。
3. 分析电路参数对电路性能的影响。
二、实验内容本次实验主要针对一阶RC电路进行仿真分析，包括零输入响应、零状态响应和全响应的规律和特点。
三、实验原理一阶RC电路由一个电阻R和一个电容C串联而成，其电路符号如下：```+----[ R ]----[ C ]----+| |+---------------------+```一阶RC电路的传递函数为：H(s) = 1 / (1 + sRC)其中，s为复频域变量，R为电阻，C为电容，RC为电路的时间常数。
根据传递函数，可以得到以下结论：1. 当s = -1/RC时，电路发生谐振。
2. 当s = 0时，电路发生零输入响应。
3. 当s = jω时，电路发生零状态响应。
四、实验仪器与设备1. 电脑：用于运行电路仿真软件。
2. Multisim软件：用于搭建电路模型和进行仿真实验。
1. 打开Multisim软件，创建一个新的仿真项目。
2. 在项目中选择“基本电路库”，搭建一阶RC电路模型。
3. 设置电路参数，如电阻R、电容C等。
4. 选择合适的激励信号，如正弦波、方波等。
5. 运行仿真实验，观察电路的响应波形。
6. 分析仿真结果，验证实验原理。
六、实验结果与分析1. 零输入响应当电路处于初始状态，即电容电压Uc(0-) = 0V时，给电路施加一个初始电压源，电路开始工作。
此时，电路的响应为电容的充电过程。
通过仿真实验，可以得到以下结论：（1）随着时间t的增加，电容电压Uc逐渐增大，趋于稳态值。
（2）电容电流Ic先减小后增大，在t = 0时达到最大值。
（3）电路的时间常数τ = RC，表示电路响应的快慢。
2. 零状态响应当电路处于初始状态，即电容电压Uc(0-) = 0V时，给电路施加一个激励信号，电路开始工作。
此时，电路的响应为电容的放电过程。
通过仿真实验，可以得到以下结论：（1）随着时间t的增加，电容电压Uc逐渐减小，趋于0V。
第6章 一阶动态电路分析
第6章一阶动态电路分析6.1 学习要求（1）掌握用三要素法分析一阶动态电路的方法。
（2）理解电路的暂态和稳态以及时间常数的物理意义。
（3）了解用经典法分析一阶动态电路的方法。
（4）了解一阶电路的零输入响应、零状态响应和全响应的概念。
（5）了解微分电路和积分电路的构成及其必须具备的条件。
6.2 学习指导本章重点：（1）电流、电压初始值的确定。
（2）一阶电路的三要素法分析方法。
（3）时间常数的物理意义及其计算。
本章难点：（1）电流、电压初始值的确定。
（2）一阶电路的三要素法分析方法。
（3）电流、电压变化曲线的绘制。
本章考点：（1）电流、电压初始值的确定。
（2）一阶电路的三要素法分析方法。
（3）时间常数的计算。
（4）电流、电压变化曲线的绘制。
6.2.1 换路定理1．电路中产生过渡过程的原因过渡过程是电路从一个稳定状态变化到另一个稳定状态的中间过程，因为时间极为短暂，又称暂态过程。
电路中产生过渡过程的原因是：（1）内因：电路中的能量不能突变。
电路中的电场能和磁场能不能突变是电路电工技术学习指导与习题解答124 产生过渡过程的根本原因。
（2）外因或条件：换路。
电路工作条件发生变化，如开关的接通或断开，电路连接方式或元件参数突然变化等称为换路。
换路是电路产生过渡过程的外部条件。
2．研究电路过渡过程的意义（1）利用电路的过渡过程改善波形或产生特定的波形。
（2）防止电路产生过电压或过电流损坏用电设备。
3．换路定理与初始值的确定设换路发生的时刻为0=t ，换路前的终了时刻用-=0t 表示，换路后的初始时刻用+=0t 表示。
由于换路是瞬间完成的，因此-0和+0在数值上都等于0。
根据能量不能突变，可以推出电路换路定理为：（1）电容两端电压u C 不能突变，即：)0()0(C C -+=u u（2）电感中的电流i L 不能突变，即：)0()0(L L -+=i i电路中+=0t 时的电流、电压值称为初始值。
初始值的确定步骤如下： （1）求出-=0t 时电路的)0(C -u 和)0(L -i 。
一阶动态电路分析
uC (0 ) uC (0 ) 10V
－
R1
+
iC t=0
i2
uC C
R2
－
由此可画出开关S闭合后瞬间即时的等
效电路，如图所示。由图得：
i1(0+)
i1(0 )
US
uC (0 ) R1
10 10 10
0A
i2 (0 )
uC (0 ) R2
10 5
2A
+
R1
+
iC(0+)
i2(0+)
US
uC(0+)
41
t
e2
41
e 0.5t
V
uC uC uC 3e0.5t 4 1 e0.5t 4 e0.5t V
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6.3.2 一阶电路的零输入响应
1．RC电路的零输入响应
图示电路，换路前开关S置于位置1，电容上已充有电压。t=0 时开关S从位置1拨到位置2，使RC电路脱离电源。根据换路 定理，电容电压不能突变。于是，电容电压由初始值开始，
通过3Ω电阻的电流为：
i 12 uC 12 8 4e0.5t 4 4 e0.5t A
3
3
33
iC
+ 1F －uC
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6.2.2 三要素分析法
求解一阶电路任一支路电流或电压的三要素公式为：
t
f (t) f () f [ f (0 ) f ()]e
式中，f(0+)为待求电流或电压的初始值，f(∞)为待求电流 或电压的稳态值，τ为电路的时间常数。 对于RC电路，时间常数为：
R R1R2 20 5 4k R1 R2 20 5
一阶电路过渡过程的仿真实验报告
一阶电路过渡过程的仿真实验报告————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：一阶电路过渡过程的仿真实验报告实验名称：一阶电路过渡过程的仿真实验实验者：王子申同组同学：李万业杨锦鹏专业及班级：14电气工程及其自动化二班一、实验目的：1、进一步熟悉Multisim仿真环境。
2、掌握瞬态分析的使用方法。
3、理解过渡过程的含义。
二、实验设备：1、PC机一台2、Multisim仿真软件一套三、实验原理：电路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、RC电路的零状态响应（电容C充电）在图5-1 (a)所示RC串联电路，开关S在未合上之前电容元件未充电，在t = 0时将开关S合上，电路既与一恒定电压为U的电源接通，对电容元件开始充电。
此时电路的响应叫零状态响应，也就是电容充电的过程。
(a) (b)图5-1 RC电路的零状态响应电路及u C、u R、i 随时间变化曲线根据基尔霍夫电压定律，列出t 0时电路的微分方程为(注：dtdu C i CU q dt dqi c c ===，故,) 电容元件两端电压为其随时间的变化曲线如图5－1 (b) 所示。
电压u c按指数规律随时间增长而趋于稳定值。
电路中的电流为电阻上的电压为其随时间的变化曲线如图5－1 (b) 所示。
2、RC 电路的零输入响应（电容C 放电）在图5－2（a ）所示, RC 串联电路。
开关S 在位置2时电容已充电，电容上的电压 u C = U 0，电路处于稳定状态。
在t = 0时将开关从位置2转换到位置1，使电路脱离电源，输入信号为零。
一阶动态电路的响应测试实验报告
一阶动态电路的响应测试实验报告1.实验摘要1、研究RC电路的零输入响应和零状态响应。
用示波器观察响应过程。
电路参数：R=100K、C=10uF、Vi=5V2.从响应波形图中测量时间常数和电容的充放电时间2.实验仪器5V电源，100KΩ电阻，10uF电容，示波器，导线若干2.实验原理（1）RC电路的零输入响应和零状态响应（i）电路中某时刻的电感电流和电容电压称为该时刻的电路状态。
t=0时，电容电压uc（0）称为电路的初始状态。
（ii）在没有外加激励时，仅由t=0零时刻的非零初始状态引起的响应称为零输入响应，它取决于初始状态和电路特性（通过时间常数τ=RC来体现），这种响应时随时间按指数规律衰减的。
（iii）在零初始状态时仅由在t0时刻施加于电路的激励引起的响应称为零状态响应，它取决于外加激励和电路特性，这种响应是由零开始随时间按指数规律增长的。
（iiii）线性动态电路的完全响应为零输入响应和零状态响应之和动态网络的过渡过程是十分短暂的单次变化过程。
要用普通示波器观察过渡过程和测量有关的参数，就必须使这种单次变化的过程重复出现。
为此，我们利用信号发生器输出的方波来模拟阶跃激励信号，即利用方波输出的上升沿作为零状态响应的正阶跃激励信号；利用方波的下降沿作为零输入响应的负阶跃激励信号。
只要选择方波的重复周期远大于电路的时间常数τ，那么电路在这样的方波序列脉冲信号的激励下，它的响应就和直流电接通与断开的过渡过程是基本相同的2.时间常数τ的测定方法:用示波器测量零输入响应的波形，根据一阶微分方程的求解得知uc＝Um*e-t/RC＝Um*e-t/τ,当t＝τ时，即t为电容放电时间，Uc(τ)＝0.368Um。
此时所对应的时间就等于τ。
亦可用零状态响应波形增加到0.632Um 所对应的时间测得，即电容充电的时间t.（2）测量电容充放电时间的电路图如图所示，R=100KΩ，us=5V,c=10uF,单刀双掷开关A.4实验步骤和数据记录（i）按如图所示的电路图在连接好电路，测量电容C的两端电压变化，即一阶动态电路的响应测试。
6.仿真实验六 一阶动态电路仿真分析
实验六 一阶动态电路仿真分析 （南区机房，不分组）一、实验目的1 进一步学习在PSpice 仿真软件中绘制电路图，掌握激励符号的参数配置、分析类型的设置。
深入理解Probe 窗口的设置。
2. 学习用仿真实验的方法来研究动态电路的响应，了解电路元件参数对响应的影响。
3. 观察、分析一阶电路响应的状态轨迹及其特点，以加深对一阶电路响应的认识与理解。
二、实验内容1. 零状态响应分析。
（1）测量UR,UC,ｉ三变量的瞬态波形，分析其变化原理。
（2）将R 改为全局变量，采用参数扫描分析，观察电阻变化对响应的影响，并记录波形变化情况。
2. 全响应分析。
（1）测量L ｉ，L ｕ瞬态波形，（2）将R2或R3改为全局变量，采用参数扫描分析，观察电阻变化对响应的影响，并记录波形变化情况，说明原理。
三 实验过程1. 双击PSPICE 图标，打开仿真软件，新建空白文档，绘制一阶动态电路图，如图4-1所示，并保存文件。
（取放元件及连线过程同实验一）图4-1 零状态响应瞬态分析电路2. 参数设置如图4-1。
3. 仿真分析参数设置。
（1） 瞬态分析设置。
在[Schematics]主菜单下，用鼠标单击分析[Analysis]中的设置(Setup)，选中Transient 设置（在选项前的小框内打勾）,将其时间间隔（Print Step ）设为20ｕs 及长度（Final Time ）为1ms 。
Step Ceiling 是软件内部计算时间间隔，不用管它。
（2）参数扫描分析。
参数扫描分析通常与其他分析类型（如直流分析、交流分析、瞬态分析等）配合使用，它可以使电路中的某一元件的值按一定方式变化，目的是为了分析电路参数变化 时，输出特性曲线或特性参数如何发生变化。
它的参数表与直流扫描分析的参数表基本类似，各参数含义也相同。
不同之处在于，它用于电路中所有分析类型，而直 流扫描分析仅用于直流分析。
在Parametric中，扫描变量仍为全局变量var，可以选择线性扫描，线性扫描的起点设为2，终点为20，步长为4；4。
一阶动态电路响应实验报告
一阶动态电路响应实验报告一阶动态电路响应实验报告引言：动态电路是电子学中的基础实验之一，通过对电路中的电流和电压的变化进行观察和分析，可以更好地理解电路的特性和响应。
本实验旨在研究一阶动态电路的响应特性，通过实验数据的分析，探索电路中的电流和电压的变化规律。
实验目的：1. 研究一阶动态电路的响应特性。
2. 掌握实验仪器的使用方法，如示波器、信号发生器等。
3. 学习数据采集和分析的方法。
实验原理：一阶动态电路是由电容和电阻组成的简单电路，其特点是电流和电压的变化具有指数衰减的趋势。
当电路中的电容充电或放电时，电流和电压的变化可以用指数函数来描述。
实验步骤：1. 搭建一阶动态电路实验电路，包括电容、电阻和信号发生器。
2. 将示波器连接到电路中，用于观察电流和电压的变化。
3. 设置信号发生器的频率和振幅，观察电路中电流和电压的响应。
4. 记录实验数据，包括电流和电压的变化情况。
5. 对实验数据进行分析，绘制电流和电压的变化曲线。
实验结果与分析：根据实验数据，我们可以得到一阶动态电路中电流和电压的变化曲线。
通过观察和分析曲线，我们可以得出以下结论：1. 在电容充电时，电流和电压的变化呈指数衰减的趋势，随着时间的增加，电流和电压逐渐趋于稳定。
2. 在电容放电时，电流和电压的变化也呈指数衰减的趋势，但是其衰减速度比充电时要快。
3. 电容的充电和放电时间常数与电阻和电容的数值有关，可以通过实验数据计算得出。
实验结论：通过本次实验，我们研究了一阶动态电路的响应特性，了解了电容充电和放电过程中电流和电压的变化规律。
实验结果表明，一阶动态电路中的电流和电压变化可以用指数函数来描述，而电容的充放电时间常数与电阻和电容的数值有关。
实验总结：本次实验通过实际操作和数据分析，深入理解了一阶动态电路的响应特性。
同时，我们也掌握了实验仪器的使用方法，如示波器和信号发生器。
通过实验的过程，我们不仅加深了对电路特性的理解，还培养了数据采集和分析的能力。
一阶动态电路分析.pptx
t
t
uC (U0 US )e (U0 US )e RC
只存在于暂态过程中， t→∞时uC''→0，称为暂态分量。
τ=RC称为时间常数，决定过渡过程的快慢。
波 形 图：
uC US
U0
0
U0<US
uC U0
U0>US
US
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0
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电路中的电流为：
iC
C duC dt
US R
t
e
US R
uC (0 ) uC (0 ) 10V
－
R1
+
iC t=0
i2
uC C
R2
－
由此可画出开关S闭合后瞬间即时的等
效电路，如图所示。由图得：
i1(0+)
i1(0 )
US
uC (0 ) R1
10 10 10
0A
i2 (0 )
uC (0 ) R2
10 5
2A
+
R1
+
iC(0+)
i2(0+)
US
uC(0+)
R3
R1 R2
+
U
－
iC
+
C －uC
R0
iC
+
+
C －uC
US
－
iC
IS
R0
+ C －uC
因此，对一阶电路的分析， 实际上可归结为对简单的RC 电路和RL电路的求解。一阶 动态电路的分析方法有经典 法和三要素法两种。
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6.2.1 经典分析法
1．RC电路分析
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实验六 一阶动态电路仿真分析 （南区机房，不分组）
一、实验目的
1 进一步学习在PSpice 仿真软件中绘制电路图，掌握激励符号的参数配置、分析类型的
设置。
深入理解Probe 窗口的设置。
2. 学习用仿真实验的方法来研究动态电路的响应，了解电路元件参数对响应的影响。
3. 观察、分析一阶电路响应的状态轨迹及其特点，以加深对一阶电路响应的认识与理解。
二、实验内容
1. 零状态响应分析。
（1）测量UR,UC,ｉ三变量的瞬态波形，分析其变化原理。
（2）将R 改为全局变量，采用参数扫描分析，观察电阻变化对响应的影响，并记录波
形变化情况。
2. 全响应分析。
（1）测量L ｉ，L ｕ瞬态波形，
（2）将R2或R3改为全局变量，采用参数扫描分析，观察电阻变化对响应的影响，并
记录波形变化情况，说明原理。
三 实验过程
1. 双击PSPICE 图标，打开仿真软件，新建空白文档，绘制一阶动态电路图，如图4-1所示，并保存文件。
（取放元件及连线过程同实验一）
图4-1 零状态响应瞬态分析电路
2. 参数设置如图4-1。
3. 仿真分析参数设置。
（1） 瞬态分析设置。
在[Schematics]主菜单下，用鼠标单击分析[Analysis]中的设置(Setup)，选中Transient 设置（在选项前的小框内打勾）,将其时间间隔（Print Step ）设为20ｕs 及长度（Final Time ）为1ms 。
Step Ceiling 是软件内部计算时间间隔，不用管它。
（2）参数扫描分析。
参数扫描分析通常与其他分析类型（如直流分析、交流分析、瞬态分析等）配合使用，它可以使电路中的某一元件的值按一定方式变化，目的是为了分析电路参数变化 时，输出特性曲线或特性参数如何发生变化。
它的参数表与直流扫描分析的参数表基本类似，各参数含义也相同。
不同之处在于，它用于电路中所有分析类型，而直 流扫描分析仅用于直流分析。
在Parametric中，扫描变量仍为全局变量var，可以选择线性扫描，线性扫描的起点设为2，终点为20，步长为4；
4。
分别运行瞬态分析和直流扫描分析。
图4-2瞬态分析波形
图4-3参数扫描分析波形（注；从左到右电阻逐渐增大）
5.新建空白文档，绘制电路如图4-4所示，并保存文件。
（取放元件及连线过程同实验一）
图4-4一阶全响应动态电路
6.电路参数设置，如图4-4所示。
7.仿真分析参数设置。
（1）瞬态分析设置。
选中Transient设置（在选项前的小框内打勾）,将其时间间隔（Print Step）设为20ｕs及长度（Final Time）为0.1ms。
Step Ceiling是软件内部计算时间间隔，不用管它。
（2）参数扫描分析。
参数扫描分析可以使电路中的某一元件的值按一定方式变化，目的是为了分析电路参数变化时，输出特性曲线或特性参数如何发生变化。
在Parametric中，扫描变量仍为全局变量var，可以选择线性扫描，线性扫描的起点设为1，终点为10，步长为2；
8.分别运行瞬态分析和直流扫描分析。
图4-5瞬态分析波形
图4-6参数扫描分析波形
四实验报告
根据实验所测得各响应波形，分析其动态过渡原理，并根据参数扫描分析结果分析参数变化对输出响应的影响，写明实验结论。
可以手绘电路图和波形图，也可以将波形复制下来打印输出，然后粘贴到实验报告中。