RC一階電路實驗的設計方法研究

邢曉濬

(江蘇科技大學電子信息學院，江蘇鎮江212003)

RC一階電路的分析方法有三要素法［1]和響應曲線法［2]等。但是這些方法都是對現有電路進行分析，而不能對電路進行設計。本文將對RC一階電路實驗的設計方法進行探討和研究。

1 RC一階電路工作過程分析

RC一階電路實驗一般包含微分電路和積分電路兩部分內容，本文僅對積分電路的工作過程和設計方法進行分析。

積分電路的電路結構如圖1(a)所示。在輸入端輸入占空比為50%的方波時，其輸入和輸出信號波形如圖1(b)所示。我們知道，電容C上的電壓uc是按照指數規律變化的，為了保證積分輸出的電壓波形是線性的，通常要求時間常數τ＞T/2，其中T為輸入信號的周期。所以，在積分電路中，通常取積分時間常數τ=(3～5)T/2。當滿足這一條件時，uc的波形就很接近直線了。

圖1 RC一階積分電路

(1)0～T/2為全響應［3-5]，此時有

(2)T/2～T為零狀態響應，此時有

當t=T/2時，有

當t=T時，有

將式(4)代入式(3)，可得

由上式可求得

由式(4)和式(6)可求得

2 RC積分電路的設計

有了以上的分析，我們就可以對積分電路進行設計了。下面我們設計一個積分電路，并對所設計的積分電路進行仿真，以驗證設計的正確性。

已知輸入信號的頻率f=1kHz，輸入方波的峰值為2V，設計一個積分電路，要求輸出信號的峰峰值為0.2V。

由式(6)和式(7)可知，積分電路輸出信號uC的峰峰值為

輸入信號頻率f=1kHz，則周期T=1ms，將已知條件代入式(8)中，可以求得

取C=0.1μF，則R=25kΩ(可選取R=24kΩ)。

3 仿真測試及結果

下面我們在Multisim中對電路進行仿真測試，仿真電路及結果如圖2所示。圖中分別將游標1和游標2定位在uC(t)波形的U1和U2位置，從窗口中的坐標可以讀出電壓U1和U2的數值［6]。由圖中可知，輸出信號的峰峰值為

這與我們前面理論分析和設計結果一致。

圖2 Multisim中的仿真電路及仿真結果

4 結語

由以上的討論可知，由RC一階電路構成的積分電路，在對方波信號進行積分時，電路分為全響應和零輸入響應兩個狀態。經過推導分析，我們可以得出電容上電壓的最大值和最小值的表達式。

在實驗教學中，我們可以將本文中的式(6)和式(7)直接提供給學生，利用這兩個方程進行電路參數設計。電路實際的工作狀態，經過仿真測試，理論分析和實際電路中測試得到的結果是完全一致的。通過本文的討論，我們可以清楚地了解到積分電路的工作過程，并可以很方便地對電路進行設計，很大程度上提高了實驗和教學的效果。

［1] 唐伯蓉.三要素法應用探討［J] .武漢:武漢理工大學學報.2003，25(9):81-84

［2] 屠華.響應曲線法測量一階電路參數的研究［J] .宜春:宜春學院學報，2008，30(6):34-35

［3] 邱關源.電路(第四版)［M] .北京:高等教育出版社，1999

［4] 燕慶明等.電路分析教程［M] .北京:高等教育出版社，2003

［5] Robert L.Boylestad.電路分析基礎(第9版)(影印版)［M] .北京:高等教育出版社，2002

［6] 張新喜.Multisim10電路仿真及應用［M] .北京:機械工業出版社，2010.2