基于RC元件的幾種常見電路形式分析

摘 要：本文主要針對日常雷達檢修中信號電路波形易失真的現(xiàn)狀，介紹了3種常用RC電路形式在雷達中的具體運用，分析了造成波形失真的主要誘因，列舉了幾種由電容器或電阻器損壞或參數(shù)變化導(dǎo)致的故障現(xiàn)象，給出了不同現(xiàn)象下應(yīng)重點排查的方向，可為快速、高效解決此類電路故障提供參考。

關(guān)鍵詞：RC微分電路；RC耦合電路；RC積分電路

中圖分類號：TN 402" " " 文獻標志碼：A

在雷達維修過程中，信號電路故障是較常見的現(xiàn)象之一。一般情況下，可通過測量信號電路有無波形來壓縮故障。但隨著裝備使用年限的增長，信號幅度、寬度等指標都會發(fā)生變化，進而造成電路故障。因此僅依靠有無波形來判斷電路好壞已無法滿足當前裝備維修需求。作為裝備維修人員，必須掌握信號電路的工作原理，了解信號異常的根本原因，才能準確解決疑難問題。本文列舉了3種R、C為主要元件的信號電路，包括尖脈沖產(chǎn)生電路、信號傳輸電路和鋸齒波產(chǎn)生電路，為解決信號電路故障提供參考。

1 尖脈沖產(chǎn)生電路——RC微分電路

脈沖是雷達各系統(tǒng)同步、協(xié)調(diào)工作的基礎(chǔ)。日常保障過程中出現(xiàn)的發(fā)射機高壓不自保、跟蹤時壓不住茅草等故障，很大程度上是由脈沖信號不正常引起的。因此了解脈沖產(chǎn)生電路的實現(xiàn)原理，有利于快速解決此類問題。

RC微分電路是尖脈沖產(chǎn)生電路的基本形式，如圖1所示。該電路的電容器C和電阻器R為串聯(lián)連接方式，輸入信號Vi由電容器C的一端接入，輸出信號Vo值等同于電阻器R兩端的電壓值。當電路的時間常數(shù)τ（τ=RC）遠小于輸入方波寬度tw，該電路即為經(jīng)典的RC微分電路[1]。

在電阻器R的兩端獲得正負交替的尖銳脈沖，并且尖銳脈沖的翻轉(zhuǎn)時刻發(fā)生在控制方波的上升沿和下降沿，時間常數(shù)τ與方波寬度tw的比值越大，正負尖銳脈沖的間距越大。如圖2所示。

1.1 原理性分析

當t=t1時，Vi從0變?yōu)閂m，由于電容器兩端的電壓不能突變（類似于短路，VC=0），因此電阻器R兩端電壓等于輸入電壓Vi，即VO=Vi=Vm。當電容器C快速充電時，輸出電壓呈指數(shù)下降，VO=Vi-VC=Vm-VC，在大約3τ（τ=RC）后，VC=Vm，VO=0，τ值越小，充電越快，輸出正脈沖越窄[2]。

電容器原本充有左正、右負電壓Vm，當t=t2時，Vi從Vm變?yōu)?，相當于輸入短路，電容器開始通過電阻器R快速放電，其放電回路為電容器C的左端→電阻器R的下端→電阻器R的上端→電容器C的右端。此時電阻器R的電壓為下正、上負，因此輸出信號VO為負脈沖，其峰值為-Vm，寬度大約為3τ[2]。

當控制方波的寬度twgt;（5～10）τ時，即保證電容器C有充分的時間完成充電或放電過程，其輸出端即可得到正負交替的尖銳脈沖[2]。

如果將輸入信號Vi按傅里葉級數(shù)展開，再經(jīng)過微分運算，其結(jié)果就是輸出信號VO的數(shù)學(xué)表達式，即VO＝RC（dVi/dt）。因此，微分電路常用于復(fù)雜波形的分離和分頻器。可簡單理解為由于輸出波形VO和輸入波形Vi微分運算的結(jié)果一致，因此，其輸出波形實際上是截取了輸入波形的變化部分[1]。

1.2 實例分析

由于電容本身的充、放電現(xiàn)象，基本的微分電路能夠同時產(chǎn)生正、負2種尖脈沖信號，但在實際應(yīng)用中，一般只會用到一種脈沖。下面以正脈沖電路為例分析，電路如圖3所示。

通常情況下，這類電路的電容和二極管的故障發(fā)生率遠高于電阻，容易引發(fā)的故障現(xiàn)象見表1。

2 信號傳輸電路——RC耦合電路

一般情況下，觸發(fā)信號要經(jīng)過多級放大、整形和濾波才能激勵末端負載電路，而各級放大器間的良好匹配需要信號傳輸電路來完成。RC耦合電路是最常見的電路形式之一。

圖1中，如果電路時間常數(shù)τ遠大于方波寬度tw時，該電路將變?yōu)橐粋€RC耦合電路。輸出波形VO與輸入波形Vi基本一致。如圖4所示。

2.1 原理性分析

當t=t1時，即第一個方波的開始時刻。輸入信號Vi從0變?yōu)閂m。由于電容器兩端電壓有不能突變的特性，即VC=0，電阻器R兩端電壓等于輸入電壓Vi，即VO=Vi=Vm。因為τgt;gt;tw，電容器C充電緩慢，輸出信號VO=Vi-VC，VO緩慢下降。

當t=t2時，即第一個方波的結(jié)束時刻。輸入信號Vi從Vm變?yōu)?，相當于輸入端被短路，電容器上已經(jīng)有一個左正、右負的充電電壓，其值為VC=（Vi/τ）×tw，并通過電阻器R緩慢放電。

當t=t3時，即第二個方波的開始時刻。由于電路的時間常數(shù)τ遠大于控制方波寬度tw，因此電容器C沒有足夠的時間完成放電，因此電容器C上保存了一定量的電荷。此時電阻器R上的輸出電壓值略小于峰值電壓Vm，輸出電壓VO的實際值為Vm-Vc。在這種情況下，與第一個輸出方波峰值相比，第二個輸出方波峰值略微向下移動，并且與前一個方波峰值相比，后面的方波峰值略向下移動。直至輸出波形的正半周與負半周面積相等時，達到一個穩(wěn)定狀態(tài)。也即在這種穩(wěn)定狀態(tài)下，電容器的充電量和放電量在一個周期內(nèi)是相等的，輸出波形穩(wěn)定，不再發(fā)生移位現(xiàn)象。此時電容器上的平均電壓等于輸入信號中電壓的直流分量，相當于隔離了輸入信號的直流分量，只傳輸輸入信號的交流分量，即電路耦合[2]。

2.2 實例分析

耦合電路和微分電路在電路形式上是一致的，方波周期tw與RC電路時間常數(shù)τ的關(guān)系是兩者的主要區(qū)別，可以分為如下3種類型，波形如圖5所示[3]。

類型一：方波寬度tw遠小于時間常數(shù)τ時，電容器C會有非常緩慢的充放電過程，電路的輸出波形近似于理想方波，是一種較理想的耦合電路。

類型二：方波寬度tw等于時間常數(shù)τ時，電容器C會有一定時長的充放電過程，電路的輸出波形峰值會有一定的上升或者下降，與理想方波相差較大。

類型三：方波寬度tw遠大于時間常數(shù)τ時，電容器C會快速完成充放電過程，因此電路的輸出波形呈上下尖銳脈沖形狀，是一種較理想的微分電路。

3 鋸齒波產(chǎn)生電路——RC積分電路

鋸齒波信號主要用于雷達顯示器，如果顯示器沒有掃描線或者掃描線不夠長，可能是由鋸齒波電路故障引起的。鋸齒波信號的產(chǎn)生采用了RC積分電路的原理。

如圖6所示，電路的電阻器R和電容器C為串聯(lián)連接方式，輸入信號Vi由電阻器R的一端接入，通過電容器C的兩端輸出信號VO。當RC電路輸入方波寬度tw遠小于時間常數(shù)τ時，電路就是一種經(jīng)典的積分電路。在電容器C兩端可以得到鋸齒波狀的輸出電壓，電壓波形如圖7所示。

3.1 原理性分析

當t=t1時，Vi從0變?yōu)閂m。因為電容器兩端電壓不能突變（VC=0），所以電阻器R兩端電壓值等于輸入電壓Vi，即VO=VC=0。

當t1lt;tlt;t2時，即控制方波存續(xù)期間，電容器C開始充電，其兩端電壓VC逐步上升，VO=VC=Vi-VR。因為時間常數(shù)τ遠大于方波寬度tw，所以電容器C上會有一個時間較長的充電過程，VC上升極小，電容器C兩端電壓VC遠小于電阻器R兩端的電壓VR。因此Vi=VR+VC≈VR=iR=Vm，i≈Vm/R，輸出電壓VO=VC=1/C×∫idt≈1/C∫Vm/R×dt=Vm/RC×t。由此可見輸出信號VO（VC）與輸入信號Vi（Vm）的積分成正比。

當t=t2時，Vi從Vm變?yōu)?。這種情形類似于輸入端短路，電容器C上已有上正、下負的充電電壓通過電阻器R放電，其放電回路為電容器C的上端→電阻器R的右端→電阻器R的左端→電容器C的下端，輸出電壓VO即電容器C兩端的電壓VC呈指數(shù)下降。

這時，輸出信號VO即為鋸齒波，并與三角波非常相似。實現(xiàn)該電路的必要條件是時間常數(shù)τ遠大于方波寬度tw，以此保證在方波持續(xù)時間內(nèi)，電容器C只能緩慢充電。在電容器C兩端電壓VC達到信號峰值Vm前，控制方波結(jié)束，此時電容器C開始放電，時間常數(shù)τ越大，鋸齒波就越接近三角波[2]。

3.2 實例分析

對于此類積分電路的故障檢測，可以采用測量輸出端直流電壓的方法，也可以采用測量輸出端波形的方法。

其中電壓測量法最好使用數(shù)字式萬用表，對輸出信號影響較小。如果電路沒有輸出電壓，在輸入信號電壓正常的情況下，可直接用萬用表歐姆檔檢查電阻R是否斷路，電容C是否短路。如果測量的輸出電壓不是直流電壓，而是數(shù)字顯示不斷變化，說明電容C斷路。波形測量法的具體現(xiàn)象分析見表2。

4 結(jié)語

本文對RC電路的幾種常用形式進行了分析，總結(jié)了電路故障的具體現(xiàn)象和可能原因，對雷達信號電路維修有一定的指導(dǎo)借鑒作用。當然，本文列舉的是最基本的電路形式，實際應(yīng)用中電路樣式會更復(fù)雜，輔助電路會更完善，需要保障人員進行具體分析。另外，RC電路的應(yīng)用十分廣泛，除了本文介紹的3種常見電路形式外，還有很多應(yīng)用，例如濾波旁路作用、脈沖分壓作用等，都需要進一步學(xué)習(xí)、研究。

參考文獻

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[3]胡斌，胡松編.電子工程師必備 關(guān)鍵技能速成寶典[M].北京：人民郵電出版社，2013.