一阶电路的阶跃响应和冲激响应

时间:2023-03-11作者:佚名

零状态是零原始状态的简称。电路在零原始状态下,仅由输入激励产生的响应称为零状态响应( zero-state response )。

电路在单位阶跃电压或单位阶跃电流激励下的零状态响应称为单位阶跃响 应 (unit-step response), 简称阶跃响应 (step response) 。

一阶电路的阶跃响应和冲激响应图1 表示由单位阶跃电流激励的 RC 并联电路。图中ε( t )为单位阶跃电流。当 t<0 时电路无输入激励, 一阶电路的阶跃响应和冲激响应;当 t>0 时,电流源向电路提供1A 的恒定电流。这时,电路中的任一响应( 电流或电压 ) 仅仅是由单位阶跃电流激励产生的,即为电路的 的RC 并联电路

当 t=0 时,由于电容电流是有限值,电容电压不能跳变,故 uc(0 )= uc(0 - )=0, iR (0 )=uc(0 ) /R=0 ,ic(0 )=1A 。即

此时电容的充电电流等于电流源的电流。随着充电过程的进行,电容电压将从零开始逐渐升高,电阻中的电流也将从零开始逐渐增大,但电流源输出的电流 ( 1A )却保持不变,因此,电容电流必将逐步减小。当电容充电结束后, 一阶电路的阶跃响应和冲激响应,电流源的全部电流通过电阻。

为了研究上述 RC 并联电路的阶跃响应,首先根据电路的基本约束关系建 立电路方程

一阶电路的阶跃响应和冲激响应

或 一阶电路的阶跃响应和冲激响应 (1 )

当 t 〉 0 时,式( 1 )变为

一阶电路的阶跃响应和冲激响应 ( 2 )

此即为 t>0 时电路的输入 - 输出方程,它是一个一阶常系数线性非齐次微分方程。

令式( 2 )的右端等于零,得齐次微分方程 为

一阶电路的阶跃响应和冲激响应

于是可得阶跃响应电压的自由分量为 一阶电路的阶跃响应和冲激响应

由于电路的激励函数在 t>0 时是一个常数,可设阶跃响应电压的强制分量 一阶电路的阶跃响应和冲激响应为一常数 K ,即 一阶电路的阶跃响应和冲激响应将此式代入非齐次微分方程式( 2 ),得到

一阶电路的阶跃响应和冲激响应

于是有 K=R

强制分量 一阶电路的阶跃响应和冲激响应

因此式(2 )的通解为 一阶电路的阶跃响应和冲激响应 ( 5 )

由式 (5 )令 一阶电路的阶跃响应和冲激响应,并代入初始条件 一阶电路的阶跃响应和冲激响应,可得

B R=0

从而解得积分常数 B=-R

将积分常数代入式( 5 ),并将该式右端乘以单位阶跃函数 一阶电路的阶跃响应和冲激响应,便得到电路的阶跃响应电压为

一阶电路的阶跃响应和冲激响应

或 一阶电路的阶跃响应和冲激响应

阶跃响应 一阶电路的阶跃响应和冲激响应的强制分量 一阶电路的阶跃响应和冲激响应在 t 〉 0 的区间内是一个常量, 因此, 一阶电路的阶跃响应和冲激响应又被称为阶跃响应 一阶电路的阶跃响应和冲激响应的稳态分量 (steady-state component) ,或称稳态响应 (steaty-state response) 。线性电路对周期性激励的强迫响应虽不是常量 ( 而是周期量 ) ,也称为稳态响应。

阶跃响应 一阶电路的阶跃响应和冲激响应的自由分量 一阶电路的阶跃响应和冲激响应随时间的增长按指数规律衰减,衰减的 决慢决定于电路的时间常数τ =RC ,当经过 4 τ —5 τ的时间后,即可认为 一阶电路的阶跃响应和冲激响应已消失。因此,阶跃响应 一阶电路的阶跃响应和冲激响应的自由分量又被称为暂态分量 (transient component) ,或称暂态响应 ( transient response) 。当暂态分量衰减完后,阶跃响应即等于其稳态分量。显然,这就是电路中的电容在充电结束后( 一阶电路的阶跃响应和冲激响应) 具有的电压。

但须注意,暂态响应不一定等于自然响应,稳态响应不一定等于强迫响应。 如果激励函数是随时间的增长而衰减的 ( 例如指数脉冲 ) ,则受激励函数约束的强迫响应也将随时间的增长而衰减,它与激励同时存在,同时消逝。这时稳态响应等于零,自然响应和强迫响应一并组成暂态响应。

在暂态响应存在的时间内,电路的工作状态称为暂态 ( 或瞬变状态 ) 。暂态响应衰减完以后,电路的工作状态称为稳定状态 ( 简称稳态 ) 。图1 所示电路在经过 4 τ -5 τ的时间后、即可认为进入稳定状态,此时电路的响应即为稳态响应。

电阻电流和电容电流可根据欧姆定律和基尔霍夫电流定律分别表示为

一阶电路的阶跃响应和冲激响应

一阶电路的阶跃响应和冲激响应

阶跃响应 一阶电路的阶跃响应和冲激响应、 一阶电路的阶跃响应和冲激响应、 一阶电路的阶跃响应和冲激响应的函数曲线分别描绘在图2 中。由此 可见, 一阶电路的阶跃响应和冲激响应与 一阶电路的阶跃响应和冲激响应都是从它们的初始值开始,随时间的增长按指数规律单调地上升,而 一阶电路的阶跃响应和冲激响应则是从它的初始值开始随时间的增长按同一指数规律衰减,约经 4 τ —5 τ的时间后,它们分别等于各自的稳态分量 ( 电容电流的稳态分量为零 ) 。但电容电流在 t=0 时,由 一阶电路的阶跃响应和冲激响应跳变到 一阶电路的阶跃响应和冲激响应。

一阶电路的阶跃响应和冲激响应

(a)电容电压及其稳态分量与暂态分量 (b)电流曲线

图2 RC并联电路的阶跃响应曲线

根据以上所得结果,不难看出,一阶电路对阶跃激励的零状态响应是激励的线性函数。事实上,零状态响应是电路在零原始状态下仅由输人激励产生的响应,因而自然是激励的线性函数。这对于线性电路而官,具有普遍意义。

上面讨论了一阶电路的阶跃响应。如果作用于同一电路的激励函数是移位的单位阶跃函数 一阶电路的阶跃响应和冲激响应,则因电路参数不随时间变化,电路的输山响应与输入激励施加于电路的时刻无关,响应函数的曲线应与阶跃响应曲线完全相同,仅仅在时间上延迟 一阶电路的阶跃响应和冲激响应;这就是所谓电路的非时变性。例如图1 所示 RC 并联电路的阶跃响应电压 [ 式〔 6)] 为 一阶电路的阶跃响应和冲激响应

激励函数 一阶电路的阶跃响应和冲激响应与响应 一阶电路的阶跃响应和冲激响应的曲线示于图 6(a) 与图 6(b) 中。根据以上分析可得移位的单位阶跃电流激励 一阶电路的阶跃响应和冲激响应作用于同一电路的零状态

响应电压为

一阶电路的阶跃响应和冲激响应

一阶电路的阶跃响应和冲激响应 与 一阶电路的阶跃响应和冲激响应的曲线示于图 6(c) 与图 6(d) 中。

一阶电路的阶跃响应和冲激响应

图6 电路的非时变性的应用示例

相关阅读

LED驱动电路原理图 驱动LED的三种方法

LED串联电阻阻值的计算:例如电源为5V,一个LED正常工作时的电压为2v电流为20mA。要想使LED正常工作,需要串联的电阻分压5-2=3V,由于串联的LED额定电流为 20mA,所以流经电阻的电流也为...
2023-08-19
LED驱动电路原理图 驱动LED的三种方法

电工口诀-快速掌握测量仪表方法和技巧

电工测量的对象主要是指电流、电压、电功率、电能、相位、频率、功率因数、电阻等。测量各种电量(包括磁量)的仪器仪表,统称为电工测量仪表。 所谓电工测量,就是将被测的电...
2023-06-11
电工口诀-快速掌握测量仪表方法和技巧

空气开关和漏电开关的作用区别

一般在电表的出线端装空气开关 比较好,因为线的距离比较远,如果装漏电开关故障率就相对增加,可能会因导线而引起。漏电开关装在使用设备前比较好。两者的区别:空气开关是如...
2023-03-21

建筑水电主体阶段水电预留预埋安装各节点质量验收(附图文)

本文共 173 个字,35 张图片,预计阅读时长 1 分钟 ☝楼层临时用水 ☝卫生间等电位扁钢预留 ☝卫生间等电位扁钢预留 ☝卫生间止水节直埋安装 ☝多功能止水节成品 ☝灯位盒 ☝灯位盒...
2023-06-11

漏电开关上的“每月按一次”有什么作用?你按了没有?

现在基本家家户户都装了断路器,那么在使用的过程中,很多人平常只要电路正常也不会轻易去操作的,漏电断路器使用的常识有很多,了解的越多就能够进一步的保障用电的安全,那...
2023-06-11
漏电开关上的“每月按一次”有什么作用?你按了没有?

热销商品

德国进口雅马哈风力灭火机大功率手提森林灭火器落叶工地吹雪机汽

德国进口雅马哈风力灭火机是一款高效、可靠的森林灭火和清理设备。它拥有大功率风机,能够迅速吹散落叶、杂草和积雪,有效清理工地和森林地面。这款灭火机采用先进技...
¥ 692.5

公牛开关插座面板全屋定制全屋配齐家装报价单官方正品付款链接Q9

公牛开关插座面板,为您的全屋定制家装提供一站式解决方案。我们提供全屋配齐的家装报价单,确保您的家装项目完美无缺。所有产品均为官方正品,品质保证,让您用得放心。...
¥ 1

3M自粘橡胶条高硬度耐压实心幕墙玻璃舞台搭建货架专用减震密封条

3M自粘橡胶条是一款专为高要求工业及建筑场景设计的高性能密封减震材料,采用高硬度实心橡胶材质,具备优异的耐压性、抗老化性和持久弹性。其独特的自粘背胶设计,安装...
¥ 1.6

公牛官方旗舰店开关插座空调16A插座五孔10A面板暗装多孔G12白灰

公牛官方旗舰店提供一系列高质量的开关插座和空调配件。这款16A插座五孔面板采用暗装设计,适用于多种安装环境,如墙面、天花板等。它具有10A的电流容量,可以满足家庭...
¥ 5.55

电位器旋钮电流调节螺帽直流逆变电焊机二保焊送丝机通用旋钮B102

电位器旋钮电流调节螺帽适用于直流逆变电焊机和二保焊送丝机,是一款通用的旋钮B102。该旋钮采用优质材料制造,具有耐磨损、耐高温、耐腐蚀等特点,能够长时间稳定运行...
¥ 0.7

网站栏目