RC电路的应用
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RC电路在模拟电路、脉冲数字电路中得到广泛的应用，由于电 路的形式以及信号源和R，C元件参数的不同，因而组成了RC电路的各种应用形式：微分电路 、积分电路、耦合电路、滤波电路及脉冲分压器。 在模拟及脉冲数字电路中，常常用到由电阻R和电容C组成的RC电路，在些电路中， 电阻R和电容C的取值不同、输入和输出关系以及处理的波形之间的关系，产生了RC电路的 不同应用，下面分别谈谈微分电路、积分电路、耦合电路、脉冲分压器以及滤波电路。 1. RC微分电路 如图1所示，电阻R和电容C串联后接入输入信号VI，由电阻R输出信号VO，当RC 数值与输入方波宽度tW之间满足：RC<   在t=t1时，VI由0→Vm，因电容上电压不能突变(来不及充电，相当于短 路，VC=0)，输入电压VI全降在电阻R上，即VO=VR=VI=V m 。随后(t》t1)，电容C的电压按指数规律快速充电上升，输出电压随之按指数规 律下降(因VO=VI-VC=Vm-VC)，经过大约3τ(τ=R × C)时，VCVm，VO0，τ(RC)的值愈小，此过程愈快，输出正 脉冲愈窄。 t=t2时，VI由Vm→0，相当于输入端被短路，电容原先充有左正右负的电压V m开始按指数规律经电阻R放电，刚开始，电容C来不及放电，他的左端(正电)接地 ，所以VO=-Vm，之后VO随电容的放电也按指数规律减小，同样经过大 约3τ后，放电完毕，输出一个负脉冲。 只要脉冲宽度tW>(5~10)τ，在tW时间内，电容C已完成充电或放电(约需3 τ)，输出端就能输出正负尖脉冲，才能成为微分电路，因而电路的充放电时间常数τ必须 满足：τ<(1/5~1/10)tW，这是微分电路的必要条件。 由于输出波形VO与输入波形VI之间恰好符合微分运算的结果[VO=RC( dVI/dt)]，即输出波形是取输入波形的变化部分。如果将VI按傅里叶级展开 ，进行微分运算的结果，也将是VO的表达式。他主要用于对复杂波形的分离和分频器 ，如从电视信号的复合同步脉冲分离出行同步脉冲和时钟的倍频应用。 2. RC耦合电路 图1中，如果电路时间常数τ(RC)>>tW，他将变成一个RC耦合电路。输 出波形与输入波形一样。如图3所示。  (1)在t=t1时，第一个方波到来，VI由0→Vm，因电容电压不能突变(VC=0)，VO=VR=VI=Vm。 (2)t1 (3)t=t2时，VO由Vm→0，相当于输入端被短路，此时，VC已充有左 正右负电压Δ[Δ=(VI/τ)×tW]，经电阻R非常缓慢地放电。 (4)t=t3时，因电容还来不及放完电，积累了一定电荷，第二个方波到来，电阻上的电 压就不是Vm，而是VR=Vm-VC(VC≠0)，这样第二个输出 方波比第一个输出方 波略微往下平移，第三个输出方波比第二个输出方波又略微往下平移，…，最后，当输出波 形的正半周“面积”与负半周“面积”相等时，就达到了稳定状态。也就是电容在一个周期 内充得的电荷与放掉的电荷相等时，输出波形就稳定不再平移，电容上的平均电压等于输入 信号中电压的直流分量(利用C的隔直作用)，把输入信号往下平移这个直流分量，便得到 输出波形，起到传送输入信号的交流成分，因此是一个耦合电路。 以上的微分电路与耦合电路，在电路形式上是一样的，关键是tW与τ的关系，下面比 较一下τ与方波周期T(T》tW)不同时的结果，如图4所示。在这三种情形中，由于电 容C的隔直作用，输出波形都是一个周期内正、负“面积”相等，即其平均值为0，不再含有 直流成份。 ①当τ>>T时，电容C的充放电非常缓慢，其输出波形近似理想方波，是理想耦合电路。 ②当τ=T时，电容C有一定的充放电，其输出波形的平顶部分有一定的下降或上升，不是 理想方波。 ③当τ<  3. RC积分电路 如图5所示，电阻R和电容C串联接入输入信号VI，由电容C输出信号V0，当RC (τ)数值与输入方波宽度tW之间满足：τ》》tW，这种电路称为积分电路。在   电容C两端(输出端)得到锯齿波电压，如图6所示。  (3)t=t2时，VI由Vm→0，相当于输入端被短路，电容原先充有左正右负电 压VI(VI《Vm)经R缓慢放电，VO(VC)按指数规律下降。 这样，输出信号就是锯齿波，近似为三角形波，τ》》tW是本电路必要条件，因为他是 在方波到来期间，电容只是缓慢充电，VC还未上升到Vm时，方波就消失，电容 开始放电，以免电容电压出现一个稳定电压值，而且τ越大，锯齿波越接近三角波。输出波 形是对输入波形积分运算的结果  ，他是突出输入信号的直流及缓变分量，降低输入信号的变化量。 4. RC滤波电路(无源) 在模拟电路，由RC组成的无源滤波电路中，根据电容的接法及大小主要可分为低通滤波 电路(如图7)和高通滤波电路(如图8)。   (1)在图7的低通滤波电路中，他跟积分电路有些相似(电容C都是并在输出端)，但 他们是应 用在不同的电路功能上，积分电路主要是利用电容C充电时的积分作用，在输入方波情形下 ，来产生周期性的锯齿波(三角波)，因此电容C及电阻R是根据方波的tW来选取，而 低通滤波电路，是将较高频率的信号旁路掉(因XC=1/(2πfC)，f较大时，XC较 小，相当于短路)，因而电容C的值是参照低频点的数值来确定，对于电源的滤波电路，理 论上C值愈大愈好。 (2)图8的高通滤波电路与微分电路或耦合电路形式相同。在脉冲数字电路中，因RC与脉 宽tW的关系不同而区分为微分电路和耦合电路;在模拟电路，选择恰当的电容C值， 就可以有选择性地让较高频的信号通过，而阻断直流及低频信号，如高音喇叭串接的电容， 就是阻止中低音进入高音喇叭，以免烧坏。另一方面，在多级交流放大电路中，他也是一种 耦合电路。 5. RC脉冲分压器 当需要将脉冲信号经电阻分压传到下一级时，由于电路中存在各种形式的电容，如寄生电容 ，他相当于在负载侧接有一负载电容(如图9)，当输入一脉冲信号时，因电容CL的 充电，电压不能突变，使输出波形前沿变坏，失真。为此，可在R1两端并接一加速电容 C1，这样组成一个RC脉冲分压器(如图10)。    (1)t=0 时，电容视为短路，电流只流经C1，CL，VO由C1和CL分压得到：  但是，任何信号源都有一定的内阻，以及一些电路的需要，通常采取过补偿的办法，如电视 信号中，为突出传送图像的轮廓，采用勾边电路，就是通过加大C1的取值。 求RC电路的放电时间为1分锺，电压从9V降到5v.放电电流为300mA左右，选择最佳的的R值和C值。 RC电路的放电方程是：UC=US*e-t/RC，其中，US=9，UC=5，t=60，代入公式可求出时间常数RC的值，现在关键的就是要确定R和C的值了，它只能通过你所要求的放电电路来选择了，由放电电流公式：I=C*dU/dt，再将此公式代入上面的公式中可得：I=-US*C/RCe-t/RC，将C看成一个未知参数，然后作出I-t曲线，计算出该曲线与直线I=300所围成的面积，这个积分上下限为t=0-60，去使面积最小的C值就可。 |
