波形设计与测试(设计性实验) 15.1实验目的 (1)设计一个简单的RC微分电路,将方波变换成尖脉冲波 (2)设计一个简单的RC积分电路,将方波变换成三角波。 (3) 152实验原理及说明 1微分电路 在脉冲电路里,微分电路是一种常用的波形变换电路。可将矩形脉冲(方波) 电压变换成尖脉冲波电压。见图15.1(a)所示是一种最简单的微分电路,是 个对时间常数有一定要求的RC串联分压电路。当电路时间常数远小于输入的矩 形脉冲宽度T0时,则在脉冲作用的时间T0内,电容器暂态过程可以认为早已 结束,于是暂态电流或电阻上的输入电压就是一个正向尖脉冲,如图15.(b)所 示。在矩形脉冲结束时,输入电压调至零,电容器放电。放电电流在电阻上形成 一个负向尖脉冲。因时间常数相同,所以正负尖脉冲相同 图15.(b) 如果输入的是周期性的矩形脉冲,则输出的是周期性正负尖脉冲。由于To》 RC,所以暂态持续时间极短,电容电压波形接近输入矩形脉冲波,故有Uc(t) =U1(t).因为i(CO所以U2(t)=RC(O=如O,该式说明输出 dt dt 电压U2(t)近视与输入电压U1(t)的导数成正比,这就是微分电路的由来 在设计微分电路时,通常应使脉冲宽度T至少大于时间常数τ的5倍以上, 即T0≥5RC(T=RC)。所以微分电路具有两个条件:(1)T0≥5RC(2)从电 阻端输出。若取R=R0则C≤T0/5Ro。则有RC选取愈小,输出电压值愈接近输 入电压微分。在脉冲电路中,常用微分电路把矩形脉冲变换尖脉冲,作为脉冲信 号 2.积分电路 积分电路是另一种常用的波形变换电路,它是将矩形波变换成三角形波形的 种电路。简单的积分电路也是一种RC串联分压电路,只是它的输出是电容两端 电压Uc(t)而且电路的时间常数τ远大于脉冲持续时间To。如图152所示
波形设计与测试（设计性实验） 15.1 实验目的 （1） 设计一个简单的 RC 微分电路，将方波变换成尖脉冲波。 （2） 设计一个简单的 RC 积分电路，将方波变换成三角波。 （3） 15.2 实验原理及说明 1.微分电路 在脉冲电路里，微分电路是一种常用的波形变换电路。可将矩形脉冲（方波） 电压变换成尖脉冲波电压。见图 15.1（a）所示是一种最简单的微分电路，是一 个对时间常数有一定要求的 RC 串联分压电路。当电路时间常数远小于输入的矩 形脉冲宽度 T0 时，则在脉冲作用的时间 T0 内，电容器暂态过程可以认为早已 结束，于是暂态电流或电阻上的输入电压就是一个正向尖脉冲，如图 15.（b）所 示。在矩形脉冲结束时，输入电压调至零，电容器放电。放电电流在电阻上形成 一个负向尖脉冲。因时间常数相同，所以正负尖脉冲相同。 图 15.1（a） 图 15.（b） 如果输入的是周期性的矩形脉冲，则输出的是周期性正负尖脉冲。由于 T0》 RC，所以暂态持续时间极短，电容电压波形接近输入矩形脉冲波，故有 UC（t） = U1（t）。因为 iC(t)=C dt dUc(t) 所以 U2（t）=RC dt dUc(t) = dt dU1(t) ，该式说明输出 电压 U2（t）近视与输入电压 U1（t）的导数成正比，这就是微分电路的由来。 在设计微分电路时，通常应使脉冲宽度 T0 至少大于时间常数τ的 5 倍以上， 即 T0≥5RC （τ= RC）。所以微分电路具有两个条件：（1）T0≥5RC（2）从电 阻端输出。若取 R=R0 则 C≤T0／5R0。则有 RC 选取愈小，输出电压值愈接近输 入电压微分。在脉冲电路中，常用微分电路把矩形脉冲变换尖脉冲，作为脉冲信 号。 2．积分电路 积分电路是另一种常用的波形变换电路，它是将矩形波变换成三角形波形的一 种电路。简单的积分电路也是一种 RC 串联分压电路，只是它的输出是电容两端 电压 UC（t）而且电路的时间常数τ远大于脉冲持续时间 T0。如图 15.2 所示
图152 因输出电压:U2(t)=e(t(x)h所以U2()≈1r( 输出电压U2(t)近视与输入电压U1(t)的积分成正比,这就是积分电路的由 来 如果将积分电路的充电和放电的电路的时间常数,设计得不一样,例如充电时 间常数小而放电时间常数大(或相反),则积分电路还可以将矩形脉冲电压变换 为锯齿波,如图15.3所示。 u2 图153 设计积分电路具有两个条件:(1)τ》To(2)从电容两端输出。在脉冲 电路中,常用积分电路把矩形脉冲变换锯齿波。 153预习要求 1)复习课本的相关内容和有关资料。 (2)思考什么是微分电路?什么是积分电路?他们的作用是什么? (3)微分电路和积分电路与一般的RC电路有什么区别? 154实验内容与步骤 1.RC微分电路设计 设计一个RC微分电路,使用频率为5KHz,幅度为2V的方波电压,通过此 电路变为尖脉冲电压,给定R=5,1KΩ,试计算电容的选取范围,选择三个不同 大小的C值,(其中一个在计算范围以外)观察输入、输出波形并记录下来。(参 f R=6 Q C=100pF U=6V To=50 S) 2.RC积分电路设计 设计一个RC积分电路,用频率为5KHz,幅度为2V的方波电压,通过此电 路变为三角波电压,给定电容C=001μf,试计算电阻的选取范围,选择三个不 同大小的R值,(其中一个在计算范围以外)观察输入、输出波形并记录下来。 3.积分电路输出特性实验。 将上述积分电路输入矩形脉冲,频率为5KHz,幅度不变,脉冲宽度To 其中T为脉冲重复周期,观察输出波形是否为锯齿波并解释。 155报告要求 (1)写出设计电路计算过程。 (2)将观察到的各种波形绘制在坐标纸上,并分析得到的结果 (3)回答下列问题 1.微分电路中,电容C变化时,对输出脉冲幅度是否有影响?为什么? 2.积分电路中,电容R变化时,对输出脉冲幅度是否有影响?为什么? 3.实验(3)是否能观察到锯齿波?为什么?
图 15.2 因输出电压：U2（t）=UC（t）= C 1 i( )dt 所以 U2（t）= C 1 d R U( ） = RC 1 U1( )dt ， 输出电压 U2（t）近视与输入电压 U1（t）的积分成正比，这就是积分电路的由 来。 如果将积分电路的充电和放电的电路的时间常数，设计得不一样，例如充电时 间常数小而放电时间常数大（或相反），则积分电路还可以将矩形脉冲电压变换 为锯齿波，如图 15.3 所示。 图 15.3 设计积分电路具有两个条件：（1）τ》T0 （2）从电容两端输出。在脉冲 电路中，常用积分电路把矩形脉冲变换锯齿波。 15.3 预习要求 （1） 复习课本的相关内容和有关资料。 （2） 思考什么是微分电路？什么是积分电路？他们的作用是什么？ （3） 微分电路和积分电路与一般的 RC 电路有什么区别？ 15.4 实验内容与步骤 1．RC 微分电路设计 设计一个 RC 微分电路，使用频率为 5KHz，幅度为 2V 的方波电压，通过此 电路变为尖脉冲电压，给定 R=5.1KΩ，试计算电容的选取范围，选择三个不同 大小的 C 值，（其中一个在计算范围以外）观察输入、输出波形并记录下来。（参 考 R=6 KΩ C=100pF U=6V T0=50μS）。 2．RC 积分电路设计。 设计一个 RC 积分电路，用频率为 5KHz，幅度为 2V 的方波电压，通过此电 路变为三角波电压，给定电容 C=0.01μf，试计算电阻的选取范围，选择三个不 同大小的 R 值，（其中一个在计算范围以外）观察输入、输出波形并记录下来。 3．积分电路输出特性实验。 将上述积分电路输入矩形脉冲，频率为 5KHz，幅度不变，脉冲宽度 T0=T/4， 其中 T 为脉冲重复周期，观察输出波形是否为锯齿波并解释。 15.5 报告要求 （1） 写出设计电路计算过程。 （2） 将观察到的各种波形绘制在坐标纸上，并分析得到的结果。 （3） 回答下列问题： 1．微分电路中，电容 C 变化时，对输出脉冲幅度是否有影响？为什么？ 2．积分电路中，电容 R 变化时，对输出脉冲幅度是否有影响？为什么？ 3．实验（3）是否能观察到锯齿波？为什么？