521 RC過渡特性測定 参考実験
本実験では$ Rと$ Cだけで構成された回路の過渡応答特性を観測する．
☆☆ 注意 ☆☆
この実験を参考にするなら，なんのためにやるのかを明確に．
この章で提示されている実験をやっただけで，本テーマがクリアできるわけではない．
https://gyazo.com/f94d1175e137b395f9352ba78230fe0b
図511.1RC回路の過渡応答特性測定回路
■主題：
$ RC回路に方形波を印加し，急峻な電圧変化に対する過渡応答反応を観測する．
過渡応答特性の特徴量である時定数$ \tauを測定する．
■測定条件：
※以下の条件値はあくまでも参考値．なぜこの値なのか要検討．
入力信号：
波形：方形波( duty比50％の矩形波．信号発生器ではSQUARE,)
周波数$ f=5.0kHz
印加電圧$ E_o=v_1=v_2=1.0 ～ 5.0 V_{p-p}
※印加電圧は大きい方が，測定精度はよくなるはず → なぜか考えよ
※オシロスコープで目標印加電圧ちょうどになるよう，信号発生器の電圧を調整
回路素子の値：
抵抗$ R=10 k \Omegaコンデンサ$ C=1000pF
$ Z整合抵抗: （シャシ側面のコネクタ）
(並列抵抗)=51$ \Omega
(直列抵抗)=0$ \Omega=直結(ジャンパ線)
■測定すべき値：
出力電圧$ v_2の時間的変化(相対0秒～$ \tau少し過ぎまで)．
表示は相対電位． ← 軸線の設定に注意．
詳細図は必須．
時間があれば全体図も提示．
■準備(A)：実験系の構築・測定機の準備
準備(Ａ-1)オシロスコープの校正をする．
※校正(caribration)については，以下を参照
準備(Ａ-2)ファンクションジェネレータ(任意信号発生器)の学習をする．
ファンクションジェネレータ(以降FG)は，オシロスコープ2000X内蔵のものを利用する．
波形，周波数，振幅等を操作する．
★印加電圧は班で話し合って測定精度のよいように決定せよ．
※各機種の取扱説明書および実験書共通編 4.5節「信号発生器の準備」(p.14)参照．
※信号発生器の表示はあくまでも出力値．測定値はすべてオシロスコープで読み取る．
準備(Ａ-3)LCRメータのチェックを行う．
抵抗の各レンジでは，かならず$ 0 \Omegaアジャストが必要．
※これは計測の基本だ．← なぜか？
■準備(B)：RC実験回路の構成
準備(Ｂ-1) 図511.1 に示した回路をアルミケース上に作成する．
シャシ側面には$ Z(インピーダンス)整合用端子が直列と並列の2箇所ある．
直列端子はジャンパ線で直結し，並列端子にはZ整合抵抗51$ \Omegaを入れる．
抵抗器の値は素子本体のカラーコードを読む．
※実験書共通編「(5)付録：早見表」各種早見表(p.3)を参照
※実験書共通編「(3)実験の基礎知識その1」3.1節「受動素子」(p.17)に詳細説明
準備(Ｂ-2) 信号発生器の信号出力と実験回路の入力端子を同軸ケーブルで接続する．
準備(Ｂ-3) オシロスコープのプロープを実験用シャシ上の端子に接続する．
チャネル1 → $ v_1端子
チャネル2 → $ v_2端子
準備(Ｂ-4) 2つの波形のGNDを合わせて同時観測する．
【実習課題511】(過渡応答の観測)
オシロスコープに示された波形を観測する．
まず最初の時定数$ \tau_{(a)}を見つけよう．
手順(1)$ R(公称10$ k\Omega)の値をテスタで測定し，これを$ R_{(a)}とする．
手順(2)全体波形を観察する．
$ v_2の波の半周期分をここでは全体波形と呼ぼう．
※波形は「立下り」「立上がり」どちらでも構わない
$ E_oの値をオシロの値で目標印加電圧$ 1.0～5.0Vになるよう，信号発生器を調整し，全体波形を観察する．
手順(3) $ v_2が$ E_oに等しくなる時間$ t_oを測定する．
※この値は他に利用はしないが特徴量の一つとして捉えておく
手順(4)電圧$ v_2が最終値$ E_0の63.2％に達する時刻を測定し，$ \tau_{(a)}とする．
※精度を考慮して適切に拡大する
手順(5)全体波形に対して$ \tau_{(a)}がよくわかるようにグラフを描く．
立ち上がり/立下り始めを原点(0,0)とする．
← つまり時間も電圧も相対値でグラフ化する
原点から$ \tauより少し後まで必要かつ十分なデータを取り，拡大波形として描く．
$ E_0には届かないが点線などを引いておく．図2.2に概念図を示しておく．
※実際には数値・目盛等をきちんと書く
以上の手順で$ CR回路の過渡曲線において時定数$ \tauを含んだ詳細な様子が示せる．
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図511.2 CR過渡現象の拡大
【検討課題511】(時定数とCR比較)
(A) $ Cと$ Rの公称値の積から時定数の理論値$ \tau_{(b)}を算出する．
(B) 準備で測定した$ R_{(a)}と測定した値$ \tau_{(a)}を用いて，式$ \tau = CRよりキャパシタンスを算出し，これを$ C_{(a)}とする．この$ C_{(a)}と$ Cの公称値との差を示せ．
※この値$ C_{(a)}は別実験で使う
(C) 本実験では$ R=10k\Omega ,C=1000pFの値を使った．この値にするメリットは何か，推測せよ．
また，$ R,Cが他の値だとすると，何が変化し何が不変かを検討せよ．
(D) 印加電圧$ E_0を変化させて，$ \tauが同じである事を確かめよ．また，測定精度が最もよい$ E_0の値を示せ．
※オシロ内蔵のFGの出力電圧はMax $ 5Vである
★参考：
以上．
2024/4/8