二阶电路的零状态响应、阶跃响应、冲激响应
二阶电路的零状态响应、阶跃响应、冲激响应
1、二阶电路的零状态响应与阶跃响应
二阶电路的初始储能为零，仅由外激励引起的响应称为二阶电路的零状态响应。
P166图为并联电路，
以为待求量，可得<?xml:namespace prefix = o />
这是二阶线性非齐次方程，它的解答由特解和齐次方程的通解组成。二阶电路在阶跃激励下的零状态响应称为二阶电路的阶跃响应，求解
方法与零状态的求解方法相同。
2、二阶电路的冲激响应
零状态的二阶电路在冲激函数激励下的响应就是二阶电路的冲激响应。
图1是零状态的RLC串联电路，在为变量，根据KVL可得电路方程
图1
冲激响应的求解有两种方法，分别为：
1）对二阶电路阶跃响应的对应变量求导，即可求得此变量的冲激响应。因为，分析动态电路主要是线性系统，则对同样的电路图，不同外加激励具有怎样的关系，其响应具有相同的关系。
2）采用分段的分析方法。第一段：从到，冲激函数使电容电压或电感电流发生跃变；第二段：时，冲激函数为零，但电容电压或电感电流初始值不为零。电路中将产生相当于初始状态引起的零输入响应。
实验一 阶跃响应与冲激响应Ver6.01
实验一阶跃响应与冲激响应 引子： 科学的任务就是知天地之真谛，解万物之奥妙。 内容提要 ●观察和测量RLC串联电路的阶跃响应与冲激响应的波形和 有关参数，并研究其电路元件参数变化对响应状态的影响； ●掌握有关信号时域的测量方法。
一、实验目的 1、观察和测量RLC串联电路的阶跃响应与冲激响应的波形和有关参数，并研究其电路元件参数变化对响应状态的影响； 2、掌握有关信号时域的测量方法。 二、实验原理说明 实验如图1—1所示为RLC串联电路的阶跃响应与冲激响应，其响应有以下三种状态： 1、当电阻R＞2 L C 时，称过阻尼状态； 2、当电阻R = 2 L C 时，称临界状态； 3、当电阻R＜2 L C 时，称欠阻尼状态。 图1-1 实验布局图 冲激信号是阶跃信号的导数，所以对线性时不变系统冲激响应也是阶跃响应的导数。为了便于用示波器观察响应波形，实验用中用周期方波代替阶跃信号。而用周期方波通过微分电路后得到的尖顶脉冲代替冲激信号。 三、实验内容与步骤 1、阶跃响应波形观察与参数测量 设激励信号为方波，其幅度为1.5V有效值，频率为500Hz。 ①连接SG401、SG402、SG403和SG103。 ②调整激励信号源为方波，调节W403频率旋钮，使f=500Hz，信号幅度为1.5V。 ③示波器CH1接于TP104，调整W101，使电路分别工作在欠阻尼、临界和过阻尼三种状态， 并将实验数据填入表格1—1中。
表1—1 注：描绘波形要使三种状态的X轴坐标（扫描时间）一致。 2、冲激响应的波形观察 冲激信号是由阶跃信号经过微分电路而得到。 实验电路如图1—1所示。 ①将信号发生器SG401与SG101相连。（频率与幅度不变）； ②示波器接于TP102，观察经微分后响应波形（等效为冲激激励信号）； ③连接SG102与SG103 ④示波器接于TP104 ⑤观察TP104端三种状态波形，并填于表1—2中。 表1—2 四、实验报告要求 1、描绘同样时间轴阶跃响应与冲激响应的输入、输出电压波形时，要标明信号幅度A、周 期T、方波脉宽T1以及微分电路的τ值。 2、分析实验结果，说明电路参数变化对状态的影响。 五、实验设备 1、双踪示波器 1台 2、信号系统实验箱 1台
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=5V 2.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。 （ii）用示波器测量电容两端的电压，示波器的测量模式调整为追踪。（iii）打开电源开关，将开关和电压源端相接触，使电容充电，用示
二阶电路响应的三种欠阻尼过阻尼及临界阻尼状态轨迹及其特点
二阶电路响应的三种欠阻尼过阻尼及临界阻尼状态 轨迹及其特点 The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020
二阶电路响应的三种（欠阻尼、过阻尼及临界阻尼） 状态轨迹及其特点 一、 实验目的 1.了解二阶电路响应的三种（欠阻尼、过阻尼及临界阻尼）状态轨迹及其特点。 2掌握二阶电路响应的三种（欠阻尼、过阻尼及临界阻尼）状态轨迹及其特点的测试方法。 二、 实验原理 二阶电路是含有立个独立储能元件的电路，描述电路行为的方程是二阶线性常系数微分方程。 应用经典定量分析开关闭合后U C 、i 等零输入响应的变化规律 0=++-L R C u u u 将如下R 、L 、C 元件的电压电流表达式 dt du C i C C -= dt du RC Ri u C R == dt u d LC dt di L u C L 2-== 代入KVL 方程，可得 022=++C C C u dt du RC dt u d LC 由数学分析可知，要确定二阶微分方程的解，除应知道函数的初始值外，还应知道函数的一阶导数初始值，它可根据下列关系求得
由于c i dt du C -= 所以"+'=u u u C C C 所示二阶微分方程的解可设为 st C C Ae u u ="= 012=++RCs LCs 特征根为 LC L R L R S 1222 -??? ??±-= 因此 t t C e A e A u 21s 2s 1+= 由初始条件Uc(0+)=Uo,可得 A1+A2=Uo 又t t C e A e A dt du 21s 2s 1+= 可求得??? ????--=-=120 1212021s s U s A s s U s A （1） C L R 2>，S1和S2为不相等的负实数，暂态属非振荡类型，称电路是过阻尼的。 （2） C L R 2=， S1和S2为两相等的负实数，电路处于临界阻尼，暂态是非振荡的。 （3） C L R 2< ，S1和S2为一对共轭复数，暂态属振荡类型，称电路是欠阻尼的。 三、 仿真实验设计与测试
一阶电路和二阶电路的动态响应.
一阶电路和二阶电路的动态响应 一、实验目的 1、掌握一阶电路的动态响应特性测试方法 2、掌握Multisim 软件中函数发生器、示波器和波特图仪的使用方法 3、深刻理解和掌握零输入响应、零状态响应及完全响应 4、深刻理解欠阻尼、临界、过阻尼的意义 5、研究电路元件参数对二阶电路动态响应的影响 6、掌握Multisim 软件中的Transient Analysis 等仿真分析方法二、实验原理 1、一阶电路的动态响应 电路的全响应:u c (t=U 0e -t/RC +U s (1-e -t/RC (t>=0 (1零输入响应 u c (t=U 0e -t/RC (t>=0 输出波形单调下降。当t=τ=RC 时, u c (τ=U 0/e=0.368U 0,τ成为该电路的时间常数。 (2零状态响应 u c (t=U s (1-e -t/RC u(t 电容电压由零逐渐上升到U s ,电路时间常数τ=RC 决定上升的快慢。 2、用二阶微分方程描述的动态电路称为二阶电路。图所示的线性RLC 串联电路是一个典型的二阶电路。定义:衰减系数(阻尼系数L R 2= α 自由振荡角频率(固有频率LC 10=ω (1零输入响应
动态电路在没有外施激励时,由动态元件的初始储能引起的响应,称为零输入响应。 u L t m U 0 ① C L R 2>,响应是非振荡性的,称为过阻尼情况。 响应曲线如图所示②C L R 2 = ,响应临界振荡,称为临界阻尼情况。响应曲线如 ③C L R 2<,响应是振荡性的,称为欠阻尼情况。响应曲线如图 U 0 二阶电路的欠阻尼过程 ④当R =0时,响应是等幅振荡性的,称为无阻尼情况。响应曲线如图 t 二阶电路的无阻尼过程
实验4 二阶电路的动态响应
二阶电路的动态响应 一、实验原理 RLC 串联二阶电路 用二阶微分方程描述的动态电路称为二阶电路。上图所示的线性RLC 串联电路是一个典型的二阶电路。可以用下述二阶线性常系数微分方程来描述： s 2 U 2=++c c c u dt du RC dt u d LC （4-1） 初始值为 C I C i dt t du U u L t c c 0 00)0()()0(== =-=-- 求解该微分方程，可以得到电容上的电压u c (t )。 再根据：dt du c t i c c =)( 可求得i c (t )，即回路电流i L (t )。 式（4-1）的特征方程为：01p p 2=++RC LC 特征值为：2 0222,11)2(2p ωαα-±-=-±-=LC L R L R (4-2) 定义：衰减系数（阻尼系数）L R 2= α 自由振荡角频率（固有频率）LC 10= ω 由式4-2 可知，RLC 串联电路的响应类型与元件参数有关。 1．零输入响应 动态电路在没有外施激励时，由动态元件的初始储能引起的响应，称为零输入响应。 电路如图4.2所示，设电容已经充电，其电压为U 0，电感的初始电流为0。 图4.2 RLC 串联零输入响应电路 图4.3 二阶电路的过阻尼过程 u L t m U 0
(1) C L R 2>，响应是非振荡性的，称为过阻尼情况。 电路响应为： ) () ()()()(2 1 2 1 120 121 20 t P t P t P t P C e e P P L U t i e P e P P P U t u ---=--= t ≥0 响应曲线如图4.3所示。可以看出：u C (t)由两个单调下降的指数函数组成， 为非振荡的过渡过程。整个放电过程中电流为正值， 且当2 11 2ln P P P P t m -=时，电流 有极大值。 （2）C L R 2=，响应临界振荡，称为临界阻尼情况。 电路响应为 t t c te L U t i e t U t u ααα--=+=00)()1()( t ≥0 响应曲线如图4.4所示。 图4.4 二阶电路的临界阻尼过程 (3) C L R 2 <，响应是振荡性的，称为欠阻尼情况。 电路响应为 t e L U t i t e U t u d t d d t d C ωωβωωωααsin )(),sin()(000 --= +== t ≥0 其中衰减振荡角频率 2 2 2 0d 2L R LC 1??? ??-= -=αωω ， α ωβd arctan = 响应曲线如图4.5所示。
二阶电路的动态响应
实验三：二阶电路的动态响应【实验目的】 1.学习用实验的方法来研究二阶动态电路的响应。 2.研究电路元件参数对二阶电路动态响应的影响。 3.研究欠阻尼时，元件参数对α和固有频率的影响。 研究RLC串联电路所对应的二阶微分方程的解与元件参数的关系。 【实验原理】 用二阶微分方程描述的动态电路称为二阶电路。图6.1所示的线性RLC串联电路是一个典型的二阶电路。可以用下述二阶线性常系数微分方程来描述： s 2 U 2 = + + c c c u dt du RC dt u d LC（1）初始值为 C I C i dt t du U u L t c c ) 0( )( ) 0( = = = - = - - 求解该微分方程，可以得到电容上的电压u c(t)。 再根据： dt du c t i c c = )(可求得i c(t)，即回路电流i L(t)。 式（1）的特征方程为：0 1 p p2= + +RC LC 特征值为：
2 0222,11)2(2p ωαα-±-=-±- =LC L R L R (2) 定义：衰减系数（阻尼系数）L R 2= α 自由振荡角频率（固有频率）LC 10=ω 由式2可知，RLC 串联电路的响应类型与元件参数有关。 1．零输入响应 动态电路在没有外施激励时，由动态元件的初始储能引起的响应，称为零输入响应。 设电容已经充电，其电压为U 0，电感的初始电流为0。 (1) C L R 2 >，响应是非振荡性的，称为过阻尼情况。 电路响应为： ) () ()()()(2 1 2 1 120 121 20 t P t P t P t P C e e P P L U t i e P e P P P U t u ---=--= 整个放电过程中电流为正值， 且当2 11 2ln P P P P t m -=时，电流有极大值。 （2）C L R 2 =，响应临界振荡，称为临界阻尼情况。 电路响应为 t t c te L U t i e t U t u ααα--=+=00)()1()( t ≥0 (3) C L R 2 <，响应是振荡性的，称为欠阻尼情况。 电路响应为
实验1阶跃响应与冲激响应仿真设计
实验一 阶跃响应与冲激响应 一、实验目的 1. 观察和测量RLC 串联电路的阶跃响应与冲激响应的波形和有关参数，并研究其电路元件参数变化对响应状态的影响； 2. 掌握有关信号时域的测量方法。 二、实验原理说明 实验如图1—1所示为RLC 串联电路的阶跃响应与冲激响应，其响应有以下三种状态： 1. 当电阻C L R 2>时，称过阻尼状态； 2. 当电阻C L R 2=时，称临界状态； 3. 当电阻C L R 2<时，称欠阻尼状态。 GND Uo (a) 微分电路 (b) RLC 被测电路 图1-1 实验电路 冲激信号是阶跃信号的导数，所以对线性时不变电路冲激响应也是阶跃响应的导数。为了便于用示波器观察响应波形，实验用中用周期方波代替阶跃信号。而用周期方波通过微分电路后得到的尖顶脉冲代替冲激信号。 三、实验容 1. 阶跃响应波形观察与参数测量 设激励信号为方波，其幅度为2.0V 有效值，频率为500Hz 。 1）根据图1-1所示，将信号发生器输出端与RLC 串联电路的输入端连接，如图1-2所示。
注意：考虑实际电路中阻的影响，在信号发生器一端接入一电阻Ω=100S R 。 2）示波器A 通道接于RLC 电路的输入端，通过示波器观察调整激励信号为周期方波，如图1-2所示。 注意：在调整信号发生器的输出参数时，应当连接上负载后，通过示波器观察RLC 电路的输入端满足激励的要求进行调节。 3）将示波器B 通道接于RLC 电路的输出端，如图1-2所示。 4）由C L R 2=得，R =632Ω。Ω==532-1S R R R 。即当Ω=5321R 时为临界状态；Ω<5321R 时为欠阻尼状态；Ω>5321R 时为过阻尼状态。调整R 1的参数值为欠阻尼、临界和过阻尼三种状态，并通过示波器的输出端分别观察电路工作于三个状态时所对应输出波形，并将对应的实验数据填入表格1-1中。 注意：每一次元件参数调整后，都需要重新仿真开关。 图1-2 阶跃响应仿真测量电路 2. 冲激响应的波形观察 冲激信号是由阶跃信号经过微分电路而得到。方波信号的频率与幅度不变，得到等效为冲激激励信号。实验电路如图1-1所示。 1）将信号发生器输出端与微分电路输入端连接。如图1-3所示。 注意：考虑实际电路中阻的影响，在信号发生器一端接入一电阻。 2）将示波器A 通道接于RLC 电路的输入端，通过示波器观察调整激励信号为周期冲激信号，如图1-3所示。 注意：在调整信号发生器的输出参数时，应当连接上负载后，通过示波器观察RLC 电路的输入端满足激励的要求进行调节。 3）将示波器B 通道接于RLC 电路的输出端，如图1-3所示。
一阶电路和二阶电路的动态响应
实验四 一阶电路和二阶电路的动态响应 一、 实验目的 （1） 理解零输入响应、零状态响应和完全响应 （2） 理解欠阻尼、临界和过阻尼的意义和条件 二、 实验原理 用二阶微分方程描述的动态电路称为二阶电路。图所示的线性RLC 串联电路是一个典型的二阶电路。可以用下述二阶线性常系数微分方程来描述： s 2 U 2=++c c c u dt du RC dt u d LC 1． 零输入响应 动态电路在没有外施激励时，由动态元件的初始储能引起的响应，称为零输入响应。 电路如图6.2所示，设电容已经充电，其电压为U 0，电感的初始 电流为0。 (1) C L R 2 >，响应是非振荡性的，称为过阻尼情况。 电路响应为： 图6.2 RLC 串联零输入响应电路 图6.3 二阶电路的过阻尼过程 u L t m U 0
) () ()()()(2 1 2 1 120 121 20 t P t P t P t P C e e P P L U t i e P e P P P U t u ---= --= 响应曲线如图6.3所示。可以看出：u C (t)由两个单调下降的指数函数组成，为非振荡的过渡过程。整个放电过程中电流为正值， 且 当2 11 2ln P P P P t m -=时，电流有极大值。 （2）C L R 2 =，响应临界振荡，称为临界阻尼情况。 电路响应为 t t c te L U t i e t U t u ααα--=+=00)()1()( t ≥0 响应曲线如图6.4所示。 图6.4 二阶电路的临界阻尼过程 (3) C L R 2<，响应是振荡性的，称为欠阻尼情况。 电路响应为 t e L U t i t e U t u d t d d t d C ωωβωωωααsin )(),sin()(000 --= +==t ≥0 其中衰减振荡角频率 2 220d 2L R LC 1?? ? ??-= -=αωω ， α ωβd arctan = 响应曲线如图6.5所示。
冲激响应与阶跃响应实验报告
实验2 冲激响应与阶跃响应 一、实验目的 1.观察和测量RLC 串联电路的阶跃响应与冲激响应的波形和有关参数，并研究其电路元件参数变化对响应状态的影响； 2.掌握有关信号时域的测量方法。 二、实验原理说明 实验如图1-1所示为RLC 串联电路的阶跃响应与冲激响应的电路连接图，图2-1（a ）为阶跃响应电路连接示意图；图2-1（b ）为冲激响应电路连接示意图。 图2-1 (b) 冲激响应电路连接示意图 其响应有以下三种状态： （1） 当电阻R ＞2 L C 时，称过阻尼状态； （2） 当电阻R = 2 L C 时，称临界状态； （3） 当电阻R ＜2 L C 时，称欠阻尼状态。 现将阶跃响应的动态指标定义如下： 上升时间t r ：y(t)从0到第一次达到稳态值y （∞）所需的时间。 峰值时间t p ：y(t)从0上升到y max 所需的时间。 调节时间t s ：y(t)的振荡包络线进入到稳态值的5±%误差范围所需的时间。 最大超调量δ：100%y y ) (y max δp ?∞∞-= ? ?? ? ? ? 图2-1 (c) 冲激响应动态指标示意图 冲激信号是阶跃信号的导数，所以对线性时不变电路冲激响应也是阶跃响应的导 μ C2
数。为了便于用示波器观察响应波形，实验中用周期方波代替阶跃信号。而用周期方波通过微分电路后得到的尖顶脉冲代替冲激信号。 三、实验内容 1.阶跃响应波形观察与参数测量 设激励信号为方波，其幅度为，频率为500Hz。 实验电路连接图如图2-1（a）所示。 ①连接P04与P914。 ②调节信号源，使P04输出f=500Hz，占空比为50%的脉冲信号，幅度调节为 ；（注意：实验中，在调整信号源的输出信号的参数时，需连接上负载 后调节） ③示波器CH1接于TP906，调整W902，使电路分别工作于欠阻尼、临界和过 阻尼三种状态，并将实验数据填入表格2-1中。 表2-1 1.欠阻尼状态 2.临界状态 3，过阻尼状态 注：描绘波形要使三种状态的X轴坐标（扫描时间）一致。 2.冲激响应的波形观察 冲激信号是由阶跃信号经过微分电路而得到。激励信号为方波，其幅度为，频率为2K。 实验电路如图2-1（b）所示。 ①连接P04与P912； ②将示波器的CH1接于TP913，观察经微分后响应波形（等效为冲激激励信号）； ③连接P913与P914；
二阶电路的动态响应实验报告
二阶电路的动态响应实验报告一、实验目的： 1.学习用实验的方法来研究二阶动态电路的响应。 2.研究电路元件参数对二阶电路动态响应的影响。 3.研究欠阻尼时，元件参数对α和固有频率的影响。 4.研究RLC串联电路所对应的二阶微分方程的解与元件参数的关系。 二、实验原理： 图1.1 RLC串联二阶电路 用二阶微分方程描述的动态电路称为二阶电路。图1.1所示的线性RLC串联电路是一个典型的二阶电路。可以用下述二阶线性常系数微分方程来描述： s 2 U 2 = + + c c c u dt du RC dt u d LC（1-1）初始值为 C I C i dt t du U u L t c c ) 0( )( ) 0( = = = - = - - 求解该微分方程，可以得到电容上的电压u c(t)。 再根据： dt du c t i c c = )(可求得i c(t)，即回路电流i L(t)。 式（1-1）的特征方程为：0 1 p p2= + +RC LC
特征值为 ： 2 0222,11)2(2p ωαα-±-=-±- =LC L R L R (1-2) 定义：衰减系数（阻尼系数）L R 2= α 自由振荡角频率（固有频率）LC 1 0= ω 由式1-2 可知，RLC 串联电路的响应类型与元件参数有关。 1． 零输入响应 动态电路在没有外施激励时，由动态元件的初始储能引起的响应，称为零输入响应。 电路如图1.2所示，设电容已经充电，其电压为U 0，电感的初始电流为0。 图1.2 RLC 串联零输入电路 (1) C L R 2 >，响应是非振荡性的，称为过阻尼情况。 电路响应为： ) () ()() ()(2 1 2 1 120 121 20 t P t P t P t P C e e P P L U t i e P e P P P U t u ---= --= 图1.3 RLC 串联零输入瞬态分析 响应曲线如图1.3所示。可以看出：u C (t)由两个单调下降的指数函数组成，为非振荡的 过渡过程。整个放电过程中电流为正值， 且当2 11 2ln P P P P t m -=时，电流有极大值。
阶跃信号傅里叶变换
阶跃信号为什么不满足傅里叶变换条件? 傅氏变换的充分条件是： 在时域内要绝对可积。 但是这并不是必要条件，一些非绝对可积的函数（阶跃函数）也是有傅里叶变换的，它们的傅氏变换按定义不太可能求得，一般是通过求极限的方式得到其傅氏变换。 2.5 冲激信号和阶跃信号的傅里叶变换 2.5.1 冲激信号 由傅里叶变换定义及冲激信号的抽样特性很容易求得(t)函数的FT为 可见，冲激函数的频谱等于常数，也就是说，在整个频率范围内频谱都是均匀的。在时域中波形变化剧烈的冲激函数包含幅度相等的所有频率分量，这种频谱常称作"均匀谱"或"白色谱"。 2.5.2 直流信号 如前所述，冲激信号的频谱是常数，那么时域为常数的信号（直流信号）的频谱是否为冲激函数呢？ 我们来考虑()的傅里叶逆变换，即 这也就是说 上式意味着 式中的E为常数。 这表明，直流信号的频谱是位于w=0的冲激函数，这与直流信号的物理概念是一致的。
2.5.3单位阶跃信号 单位阶跃函数同样不满足绝对可积条件，但仍存在傅里叶变换。前面我们已经讲述了符号函数的傅里叶变换，下面我们借助符号函数来求阶跃信号的FT。 单位阶跃函数U(t)可用符号函数来表示，即 再利用直流信号与符号函数的傅里叶变换 可得单位阶跃函数的傅里叶变换为 单位阶跃函数及其频谱如下图所示。由图可知，U(t)在t>0时等同于直流信号，但它又不是纯粹的直流信号，它在t=0处有跳变，因此其频谱不是仅在=0处有一个冲激函数（这对应于信号的直流特性），而且还会含有其它众多的频率分量。 为什么会有众多的频率分量呢？这是因为信号在时域零点处有跳变！由于时域的剧烈变化，相应的频域中的分量将是无限的。还记得我们在前面讲周期矩形脉冲信号所提及的"时域跳变将使频域包含无限的频率分量"的结论吗？这儿就是一个很好的例证。大家可以翻回去看看，是不是这样。 图2-11 (a) 单位阶跃函数的波形(b) 信号的幅度谱
二阶电路的动态响应实验报告
二阶电路的动态响应实验报告 一、实验目的： 1. 学习用实验的方法来研究二阶动态电路的响应。 2. 研究电路元件参数对二阶电路动态响应的影响。 3. 研究欠阻尼时，元件参数对α和固有频率的影响。 4. 研究RLC 串联电路所对应的二阶微分方程的解与元件参数的关系。 二、实验原理： 图1.1 RLC 串联二阶电路 用二阶微分方程描述的动态电路称为二阶电路。图1.1所示的线性RLC 串联电路是一个典型的二阶电路。可以用下述二阶线性常系数微分方程来描述： s 2 U 2=++c c c u dt du RC dt u d LC （1-1） 初始值为 C I C i dt t du U u L t c c 0 00 )0()()0(== =-=-- 求解该微分方程，可以得到电容上的电压u c (t )。 再根据：dt du c t i c c =)( 可求得i c (t )，即回路电流i L (t )。 式（1-1）的特征方程为：01p p 2 =++RC LC 特征值为：2 0222,11)2(2p ωαα-±-=-±- =LC L R L R (1-2)
定义：衰减系数（阻尼系数）L R 2= α 自由振荡角频率（固有频率）LC 1 0= ω 由式1-2 可知，RLC 串联电路的响应类型与元件参数有关。 1． 零输入响应 动态电路在没有外施激励时，由动态元件的初始储能引起的响应，称为零输入响应。 电路如图1.2所示，设电容已经充电，其电压为U 0，电感的初始电流为0。 图1.2 RLC 串联零输入电路 (1) C L R 2 >，响应是非振荡性的，称为过阻尼情况。 电路响应为： ) () ()()()(2 1 2 1 120 121 20 t P t P t P t P C e e P P L U t i e P e P P P U t u ---= --= 图1.3 RLC 串联零输入瞬态分析 响应曲线如图1.3所示。可以看出：u C (t)由两个单调下降的指数函数组成，为非振荡的 过渡过程。整个放电过程中电流为正值， 且当2 11 2ln P P P P t m -=时，电流有极大值。 （2）C L R 2 =，响应临界振荡，称为临界阻尼情况。 电路响应为
6二阶电路的零输入响应
6二阶电路的零输入响应 5.6.1二阶电路的初始条件 初始条件在二阶电路的分析进程中起着决定性作用，确定初始条件时，必须注意以下几个方面。 第一，在分析电路时，要始终仔细考虑电容两端电压C u 的极性和流过电感电流L i 的方向； 第二，电容上的电压总是连续的，即 )0()0(-+=C C u u （5-31） 流过电感的电流也总是连续的，即 )0()0(-+=L L i u （5-32） 确定初始条件时，首先要用（5-31）和（5-32）式确定没有突变的电路电流，电容电压和电感电流的初始值。 5.6.2R L C 串联电路的零输入响应 如图5-37所示为RLC 串联电路。开关S 闭合前，电容已经充电，且电容的电压0U u C =，电感中储存有电场能，且初始电流为0I 当0=t 时，开关S 闭合，电容将通过L R 放电，其中一部分被电阻消耗，另一部分被电感以磁场能的形式储存，之后磁场能有通过R 转换成电场能，如此反复；同样，也有可能先是由电感储存的磁场能转换成电场能，并如此反复，当然也可能不存在能量的反复转换。 +- L u C 图5-37 RLC 串联电路的零输入响应 由图5-37所示参考方向，据KVL 可得 0=++-L R C u u u 且有dt du C i C C -=，dt du RC Ri u C R ==，dt u d LC dt di L u C L 2-==。将其代入上式得 022=++C C C u dt du RC dt u d LC 式（5-33）是RLC 串联电路放电过程以C u 为变量的微分方程，为一 个线性常系数二阶微分方程。
如果以电流i 作为变量，则RLC 串联电路的微分方程为 022=++i dt di RC dt i LC d （5-34） 在此，仅以C u 为变量进行分析，令Ae u pt C =，并代入（5-33），得到其对应的特征方程 012=++RCp LCp 求解上式，得到特征根为 LC L R L R P LC L R L R P 1221222 22 1 -?? ? ??-- =-??? ??+-= （5-35） 因此，电容电压C u 用两特征根表示如下： t p t p C e A e A u 2121+= （5-36） 从式（5-35）可以看出，特征根1p 、2p 仅与电路的参数和结构有关，而与激励和初始储能无关。1p 、2p 又称为固有频率，单位为奈培① 每秒） （s N P /，它与电路的自然响应函数有关。 根据换路定则，可以确定方程（5-33）的初始条件为000U u u C C ==-+） （）（，0)0()0(I i i ==-+，又因为dt du C i C C -=，所以有C I dt du C C 0-=。将初始条件和式（5-36）联立可得 ? ? ?? ? -=+=+C I p A p A U A A 022110 21（5-37） 首先讨论有已经充电的电容向电阻电感放电的性质，即00≠U 且00=I 。有 ??? ??? ?--=-=120 121 2021p p U p A p p U p A （5-38） 将1A 、2A 的表达式代入（5-36）式即可得到RLC 串联电路的零输入响应，但特征根1p 、 ① 奈培是一个无量纲单位，以奈培（John Napier,英格兰数学家）的名字命名。
(电路分析)一阶电路的全响应
一阶电路的全响应 一阶电路的全响应 一、全响应 全响应 一阶电路在外加激励和动态元件的初始状态共同作用时产生的响应，称为一阶电路的全响应（complete response）。 图5.5-1（a）所示的一阶RC电路，直流电压源Us是外加激励，时开关S处于断开状态，电容的初始电压。时开关闭合，现讨论时电路响应的变化规律。 时，响应的初始值为 时，响应的稳态值为 用叠加定理计算全响应：开关闭合后，电容电压的全响应，等于初始状态U0单独作用时产生的零输入响应 和电压源Us单独作用时产生的零状态响应的代数和，如图5.5-1（b）、（c）所示。 图5.5-1（b）中，零输入响应为 图5.5-1（c）中，零状态响应为
根据叠加定理，图5.5-1（a）电路的全响应为 用表示全响应，表示响应的初始值，表示稳态值。 全响应的变化规律 1、当时，即初始值大于稳态值，则全响应由初始值开始按指数规律逐渐衰减到稳态值，这是动态元件C或L对电路放电。 2、当时，即初始值小于稳态值，则全响应由初始值开始按指数规律逐渐增加到稳态值，这是电路对动态元件C或L充电。 3、当时，即初始值等于稳态值，则全响应。电路换路后无过渡过程，直接进入稳态，动态元件C或L既不对电路放电，也不充电。
二、全响应的三要素计算方法 全响应的三要素 初始值 稳态值 时间常数 例5.5-1 图5.5-2（a）所示电路，已知C=5uF，t<0时开关S处于断开状态，电路处于稳态，t=0时开关S闭合，求时的电容电流。 解：欲求电容电流，只要求出电容电压即可。 1、确定初始状态。
作时刻的电路，如图5.5-2（b）所示，这时电路已处于稳态，电容相当于开路，则。由换路定则得初始状态 2、确定电容电压的稳态值。 作t→∞时的电路，如图5.5-2（c）所示，这时电路也处于稳态，电容也相当于开路，则3KΩ电阻两端的电压 则电容电压的稳态值为 3、求时间常数τ。 求从电容C两端看进去的戴维南等效电阻R的电路如图5.5-2（d）所示，这时将15V和5V电压源都视为短路，等效电阻为6KΩ和3KΩ电阻的并联，即R=6K∥3K=2KΩ 所以，时间常数为 4、求全响应。 电路换路后的电容电压为 电容电流为
二阶电路的零输入响应
§5.6 二阶电路的零输入响应 5.6.1 二阶电路的初始条件 初始条件在二阶电路的分析进程中起着决定性作用，确定初始条件时，必须注意以下几个方面。 第一，在分析电路时，要始终仔细考虑电容两端电压C u 的极性和流过电感电流L i 的方向； 第二，电容上的电压总是连续的，即 )0()0(-+=C C u u （5-31） 流过电感的电流也总是连续的，即 )0()0(-+=L L i u （5-32） 确定初始条件时，首先要用（5-31）和（5-32）式确定没有突变的电路电流，电容电压和电感电流的初始值。 5.6.2 R L C 串联电路的零输入响应 如图5-37所示为RLC 串联电路。开关S 闭合前，电容已经充电，且电容的电压0U u C =，电感中储存有电场能，且初始电流为0I 当0=t 时，开关S 闭合，电容将通过L R 放电，其中一部分被电阻消耗，另一部分被电感以磁场能的形式储存，之后磁场能有通过R 转换成电场能，如此反复；同样，也有可能先是由电感储存的磁场能转换成电场能，并如此反复，当然也可能不存在能量的反复转换。 +- L u C 图5-37 RLC 串联电路的零输入响应 由图5-37所示参考方向，据KVL 可得 0=++-L R C u u u 且有dt du C i C C -=，dt du RC Ri u C R ==，dt u d LC dt di L u C L 2-==。将其代入上式得 02 2=++C C C u dt du RC dt u d LC 式（5-33）是RLC 串联电路放电过程以C u 为变量的微分方程，为一 个线性常系数二阶微分方程。 如果以电流i 作为变量，则RLC 串联电路的微分方程为
阶跃响应与冲激响应
华侨大学工学院 实验报告 课程名称：信号与系统 实验项目名称：阶跃响应与冲激响应 学院：工学院 专业班级：信息工程 姓名：焦超 学号：1695111018 指导教师：唐加能 17年11 月16 日
一、实验目的 1、观察和测量RLC串联电路的阶跃响应与冲激响应的波形和有关参数，并研究其电路元件参数变化对响应状态的影响； 2、掌握有关信号时域的测量分析方法。 二、实验仪器 1、信号源及频率计模块S2 1块 2、模块一S5 1块 3、数字万用表 1台 4、双踪示波器 1台 三、实验原理 以单位冲激信号()t 作为激励，LTI连续系统产生的零状态响应称为单位冲激响应，简称冲激响应，记为() h t。冲激响应示意图如图2-1： 图2-1冲激响应示意图 以单位阶跃信号() u t作为激励，LTI连续系统产生的零状态响应称为单位阶跃响应，简称阶跃响应，记为() g t。阶跃响应示意图如图2-2： t t )(t u)(t g
t t ) (t u ) (t g 图2-2阶跃响应示意图 阶跃激励与阶跃响应的关系简单地表示为： [])()(t u H t g = 或者 )()(t g t u → 如图2-3所示为RLC 串联电路的阶跃响应与冲激响应实验电路图，其响应有以下三种状态： 1、当电阻R ＞2 L C 时，称过阻尼状态； 2、当电阻R = 2 L C 时，称临界状态； 3、当电阻R ＜2 L C 时，称欠阻尼状态。 图2-3(a) 阶跃响应电路连接示意图 图2-3(b) 冲激响应电路连接示意图
冲激信号是阶跃信号的导数，即 ?-=t d h t g 0 ττ)()(，所以对线性时不变 电路冲激响应也是阶跃响应的导数。为了便于用示波器观察响应波形，实验中用周期方波代替阶跃信号。而用周期方波通过微分电路后得到的尖顶脉冲代替冲激信号。 四、 实验内容 1、阶跃响应实验波形观察与参数测量 设激励信号为方波，频率为500Hz 。 实验电路连接图如图2-3（a ）所示。 ① 调整激励信号源为方波（即从S2模块中的P2端口引出方波信号）；调节频率调节旋钮ROL1，使频率计示数f=500Hz 。 ②连接S2模块的方波信号输出端P2至S5模块中的P12。 ③示波器CH1接于TP14，调整W1，使电路分别工作于欠阻尼、临界和过阻尼三种状态，观察各种状态下的输出波形，用万用表测量与波形对应的P12和P13两点间的电阻值（测量时应断开电源），并将实验数据填入表格2-1中。 ④TP12为输入信号波形的测量点，可把示波器的CH2接于TP12上，便于波形比较。 表2-1
一阶动态响应电路分析
姓名：王硕
一、实验目的 1、研究一阶动态电路的零输入响应、零状态响应及完全响应的特点和规律。掌握测量一阶电路时间常数的方法。 2、理解积分和微分电路的概念，掌握积分、微分电路的设计和条件。 3、用multisim 仿真软件设计电路参数，并观察输入输出波形。 二、实验原理 1、零输入响应和零状态响应波形的观察及时间常数τ的测量。 当电路无外加激励，仅有动态元件初始储能释放所引起的响应——零输入响应；当电路中动态元件的初始储能为零，仅有外加激励作用所产生的响应——零状态响应；在外加激励和动态元件的初始储能共同作用下，电路产生的响应——完全响应。 以一阶RC 动态电路为例，观察电路的零输入和零状态响应波形，其仿真电路如图1（a ）所示。 （a ） （b ） 图1 一阶RC 动态电路 方波信号作为电路的激励加在输入端，只要方波信号的周期足够长，在方波作用期间或方波间隙期间，电路的暂态响应过程基本结束（τ52/≥T ）。故方波的正脉宽引起零状态响应，方波的负脉宽引起零输入响应，方波激励下的)(t u i 和)(t u o 的波形如图1（b ）所示。在)2/0(T t ，∈的零状态响应过程中，由于T <<τ，故在2/T t =时，电路已经达到稳定状态，即电容电压S o U t u =)(。由零状态响应方程 可知，当2/)(S o U t u =时，计算可得τ69.01=t 。如能读出1t 的值，则能测出该电路的时间常数τ。 2、RC 积分电路 由RC 组成的积分电路如图2（a ）所示，激励)(t u i 为方波信号如图2（b ）所示，输出电压)(t u o 取自电容两端。该电路的时间常数2 T RC >>=τ（工程上称10倍以上关系为远远大于或远远小于关系。），故电容的充放电速度缓慢，在方波的下一个下降沿（或上升沿）到来时，充放电均未达到稳态，输出波形如图2（c ）所示，为近似三角波，三角波的峰值E <<'E 。 故R t u R t u t i i R )()()(≈=，因而?? ≈==dt t u RC dt t i C t u t u i c o )(1)(1)()(，所以输出电压近似地与输入电压的积分成正比。 图1 3、RC 微分电路 由RC 组成的微分电路如图3（a ）所示，激励)(t u i 为方波信号如图3（b ）所示，输出电压)(t u o 取自电阻两端。该电路的时间常数2 T RC <<=τ，故电容的充放电速度非常快，在方波的下一个下降沿（或上升沿）到来时，电容电压在很短的时间内已充放电完成，并早已达到稳态，输出波形如图3（c ）所示，为周期窄脉冲。
二阶电路的动态响应实验报告
二阶电路的动态响应实验报告 一、实验目的： 1.学习用实验的方法来研究二阶动态电路的响应。 2.研究电路元件参数对二阶电路动态响应的影响。 3.研究欠阻尼时，元件参数对α和固有频率的影响。 4.研究RLC串联电路所对应的二阶微分方程的解与元件参数的关系。 二、实验原理： 图1.1 RLC串联二阶电路 用二阶微分方程描述的动态电路称为二阶电路。图1.1所示的线性RLC串联电路是一个典型的二阶电路。可以用下述二阶线性常系数微分方程来描述： s 2 U 2 = + + c c c u dt du RC dt u d LC（1-1）初始值为 C I C i dt t du U u L t c c ) 0( )( ) 0( = = = - = - - 求解该微分方程，可以得到电容上的电压u c(t)。 再根据： dt du c t i c c = )(可求得i c(t)，即回路电流i L(t)。 式（1-1）的特征方程为：0 1 p p2= + +RC LC
特征值为：2 2 2 2,1 1 ) 2 ( 2 pω α α- ± - = - ± - = LC L R L R (1-2) 定义：衰减系数（阻尼系数） L R 2 = α 自由振荡角频率（固有频率） LC 1 = ω 由式1-2 可知，RLC串联电路的响应类型与元件参数有关。 1．零输入响应 动态电路在没有外施激励时，由动态元件的初始储能引起的响应，称为零输入响应。 电路如图1.2所示，设电容已经充电，其电压为U0，电感的初始电流为0。 图1.2 RLC串联零输入电路 (1) C L R2 >，响应是非振荡性的，称为过阻尼情况。 电路响应为： ) ( ) ( )( ) ( )( 2 1 2 1 1 2 1 2 1 2 t P t P t P t P C e e P P L U t i e P e P P P U t u - - - = - - = 图1.3 RLC串联零输入瞬态分析 响应曲线如图1.3所示。可以看出：u C(t)由两个单调下降的指数函数组成，为非振荡的 过渡过程。整个放电过程中电流为正值，且当 2 1 1 2 ln P P P P t m- =时，电流有极大值。 （2） C L R2 =，响应临界振荡，称为临界阻尼情况。
实验二阶跃响应与冲激响应(有数据)
实验二 阶跃响应与冲激响应 一、实验目的 1、观察和测量RLC 串联电路的阶跃响应与冲激响应的波形和有关参数，并研究其电路元件参数变化对响应状态的影响； 2、掌握有关信号时域的测量分析方法。 二、实验仪器 1、信号源及频率计模块S2 1块 2、模块一S5 1块 3、数字万用表 1台 4、双踪示波器 1台 三、实验原理 以单位冲激信号()t δ作为激励，LTI 连续系统产生的零状态响应称为单位冲激响应，简称冲激响应，记为()h t 。冲激响应示意图如图2-1： 图2-1冲激响应示意图 以单位阶跃信号()u t 作为激励，LTI 连续系统产生的零状态响应称为单位阶跃响应，简称阶跃响应，记为()g t 。阶跃响应示意图如图2-2： t t ) (t u ) (t g 图2-2阶跃响应示意图 阶跃激励与阶跃响应的关系简单地表示为： [])()(t u H t g = 或者 )()(t g t u → t ) (t δ) (t h
如图2-3所示为RLC 串联电路的阶跃响应与冲激响应实验电路图，其响应有以下三种状态： 1、当电阻R ＞2 L C 时，称过阻尼状态； 2、当电阻R = 2 L C 时，称临界状态； 3、当电阻R ＜2 L C 时，称欠阻尼状态。 图2-3(a) 阶跃响应电路连接示意图 图2-3(b) 冲激响应电路连接示意图 冲激信号是阶跃信号的导数，即 ?-=t d h t g 0 ττ)()(，所以对线性时不变电路冲 激响应也是阶跃响应的导数。为了便于用示波器观察响应波形，实验中用周期方波代替阶跃信号。而用周期方波通过微分电路后得到的尖顶脉冲代替冲激信号。 四、实验内容 1、阶跃响应实验波形观察与参数测量 设激励信号为方波，频率为500Hz 。 实验电路连接图如图2-3（a ）所示。 ① 调整激励信号源为方波（即从S2模块中的P2端口引出方波信号）；调节频