6.仿真实验六 一阶动态电路仿真分析

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。

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。

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 。