基于RC元件的几种常见电路形式分析

摘 要：本文主要针对日常雷达检修中信号电路波形易失真的现状，介绍了3种常用RC电路形式在雷达中的具体运用，分析了造成波形失真的主要诱因，列举了几种由电容器或电阻器损坏或参数变化导致的故障现象，给出了不同现象下应重点排查的方向，可为快速、高效解决此类电路故障提供参考。

关键词：RC微分电路；RC耦合电路；RC积分电路

中图分类号：TN 402" " " 文献标志码：A

在雷达维修过程中，信号电路故障是较常见的现象之一。一般情况下，可通过测量信号电路有无波形来压缩故障。但随着装备使用年限的增长，信号幅度、宽度等指标都会发生变化，进而造成电路故障。因此仅依靠有无波形来判断电路好坏已无法满足当前装备维修需求。作为装备维修人员，必须掌握信号电路的工作原理，了解信号异常的根本原因，才能准确解决疑难问题。本文列举了3种R、C为主要元件的信号电路，包括尖脉冲产生电路、信号传输电路和锯齿波产生电路，为解决信号电路故障提供参考。

1 尖脉冲产生电路——RC微分电路

脉冲是雷达各系统同步、协调工作的基础。日常保障过程中出现的发射机高压不自保、跟踪时压不住茅草等故障，很大程度上是由脉冲信号不正常引起的。因此了解脉冲产生电路的实现原理，有利于快速解决此类问题。

RC微分电路是尖脉冲产生电路的基本形式，如图1所示。该电路的电容器C和电阻器R为串联连接方式，输入信号Vi由电容器C的一端接入，输出信号Vo值等同于电阻器R两端的电压值。当电路的时间常数τ（τ=RC）远小于输入方波宽度tw，该电路即为经典的RC微分电路[1]。

在电阻器R的两端获得正负交替的尖锐脉冲，并且尖锐脉冲的翻转时刻发生在控制方波的上升沿和下降沿，时间常数τ与方波宽度tw的比值越大，正负尖锐脉冲的间距越大。如图2所示。

1.1 原理性分析

当t=t1时，Vi从0变为Vm，由于电容器两端的电压不能突变（类似于短路，VC=0），因此电阻器R两端电压等于输入电压Vi，即VO=Vi=Vm。当电容器C快速充电时，输出电压呈指数下降，VO=Vi-VC=Vm-VC，在大约3τ（τ=RC）后，VC=Vm，VO=0，τ值越小，充电越快，输出正脉冲越窄[2]。

电容器原本充有左正、右负电压Vm，当t=t2时，Vi从Vm变为0，相当于输入短路，电容器开始通过电阻器R快速放电，其放电回路为电容器C的左端→电阻器R的下端→电阻器R的上端→电容器C的右端。此时电阻器R的电压为下正、上负，因此输出信号VO为负脉冲，其峰值为-Vm，宽度大约为3τ[2]。

当控制方波的宽度twgt;（5～10）τ时，即保证电容器C有充分的时间完成充电或放电过程，其输出端即可得到正负交替的尖锐脉冲[2]。

如果将输入信号Vi按傅里叶级数展开，再经过微分运算，其结果就是输出信号VO的数学表达式，即VO＝RC（dVi/dt）。因此，微分电路常用于复杂波形的分离和分频器。可简单理解为由于输出波形VO和输入波形Vi微分运算的结果一致，因此，其输出波形实际上是截取了输入波形的变化部分[1]。

1.2 实例分析

由于电容本身的充、放电现象，基本的微分电路能够同时产生正、负2种尖脉冲信号，但在实际应用中，一般只会用到一种脉冲。下面以正脉冲电路为例分析，电路如图3所示。

通常情况下，这类电路的电容和二极管的故障发生率远高于电阻，容易引发的故障现象见表1。

2 信号传输电路——RC耦合电路

一般情况下，触发信号要经过多级放大、整形和滤波才能激励末端负载电路，而各级放大器间的良好匹配需要信号传输电路来完成。RC耦合电路是最常见的电路形式之一。

图1中，如果电路时间常数τ远大于方波宽度tw时，该电路将变为一个RC耦合电路。输出波形VO与输入波形Vi基本一致。如图4所示。

2.1 原理性分析

当t=t1时，即第一个方波的开始时刻。输入信号Vi从0变为Vm。由于电容器两端电压有不能突变的特性，即VC=0，电阻器R两端电压等于输入电压Vi，即VO=Vi=Vm。因为τgt;gt;tw，电容器C充电缓慢，输出信号VO=Vi-VC，VO缓慢下降。

当t=t2时，即第一个方波的结束时刻。输入信号Vi从Vm变为0，相当于输入端被短路，电容器上已经有一个左正、右负的充电电压，其值为VC=（Vi/τ）×tw，并通过电阻器R缓慢放电。

当t=t3时，即第二个方波的开始时刻。由于电路的时间常数τ远大于控制方波宽度tw，因此电容器C没有足够的时间完成放电，因此电容器C上保存了一定量的电荷。此时电阻器R上的输出电压值略小于峰值电压Vm，输出电压VO的实际值为Vm-Vc。在这种情况下，与第一个输出方波峰值相比，第二个输出方波峰值略微向下移动，并且与前一个方波峰值相比，后面的方波峰值略向下移动。直至输出波形的正半周与负半周面积相等时，达到一个稳定状态。也即在这种稳定状态下，电容器的充电量和放电量在一个周期内是相等的，输出波形稳定，不再发生移位现象。此时电容器上的平均电压等于输入信号中电压的直流分量，相当于隔离了输入信号的直流分量，只传输输入信号的交流分量，即电路耦合[2]。

2.2 实例分析

耦合电路和微分电路在电路形式上是一致的，方波周期tw与RC电路时间常数τ的关系是两者的主要区别，可以分为如下3种类型，波形如图5所示[3]。

类型一：方波宽度tw远小于时间常数τ时，电容器C会有非常缓慢的充放电过程，电路的输出波形近似于理想方波，是一种较理想的耦合电路。

类型二：方波宽度tw等于时间常数τ时，电容器C会有一定时长的充放电过程，电路的输出波形峰值会有一定的上升或者下降，与理想方波相差较大。

类型三：方波宽度tw远大于时间常数τ时，电容器C会快速完成充放电过程，因此电路的输出波形呈上下尖锐脉冲形状，是一种较理想的微分电路。

3 锯齿波产生电路——RC积分电路

锯齿波信号主要用于雷达显示器，如果显示器没有扫描线或者扫描线不够长，可能是由锯齿波电路故障引起的。锯齿波信号的产生采用了RC积分电路的原理。

如图6所示，电路的电阻器R和电容器C为串联连接方式，输入信号Vi由电阻器R的一端接入，通过电容器C的两端输出信号VO。当RC电路输入方波宽度tw远小于时间常数τ时，电路就是一种经典的积分电路。在电容器C两端可以得到锯齿波状的输出电压，电压波形如图7所示。

3.1 原理性分析

当t=t1时，Vi从0变为Vm。因为电容器两端电压不能突变（VC=0），所以电阻器R两端电压值等于输入电压Vi，即VO=VC=0。

当t1lt;tlt;t2时，即控制方波存续期间，电容器C开始充电，其两端电压VC逐步上升，VO=VC=Vi-VR。因为时间常数τ远大于方波宽度tw，所以电容器C上会有一个时间较长的充电过程，VC上升极小，电容器C两端电压VC远小于电阻器R两端的电压VR。因此Vi=VR+VC≈VR=iR=Vm，i≈Vm/R，输出电压VO=VC=1/C×∫idt≈1/C∫Vm/R×dt=Vm/RC×t。由此可见输出信号VO（VC）与输入信号Vi（Vm）的积分成正比。

当t=t2时，Vi从Vm变为0。这种情形类似于输入端短路，电容器C上已有上正、下负的充电电压通过电阻器R放电，其放电回路为电容器C的上端→电阻器R的右端→电阻器R的左端→电容器C的下端，输出电压VO即电容器C两端的电压VC呈指数下降。

这时，输出信号VO即为锯齿波，并与三角波非常相似。实现该电路的必要条件是时间常数τ远大于方波宽度tw，以此保证在方波持续时间内，电容器C只能缓慢充电。在电容器C两端电压VC达到信号峰值Vm前，控制方波结束，此时电容器C开始放电，时间常数τ越大，锯齿波就越接近三角波[2]。

3.2 实例分析

对于此类积分电路的故障检测，可以采用测量输出端直流电压的方法，也可以采用测量输出端波形的方法。

其中电压测量法最好使用数字式万用表，对输出信号影响较小。如果电路没有输出电压，在输入信号电压正常的情况下，可直接用万用表欧姆档检查电阻R是否断路，电容C是否短路。如果测量的输出电压不是直流电压，而是数字显示不断变化，说明电容C断路。波形测量法的具体现象分析见表2。

4 结语

本文对RC电路的几种常用形式进行了分析，总结了电路故障的具体现象和可能原因，对雷达信号电路维修有一定的指导借鉴作用。当然，本文列举的是最基本的电路形式，实际应用中电路样式会更复杂，辅助电路会更完善，需要保障人员进行具体分析。另外，RC电路的应用十分广泛，除了本文介绍的3种常见电路形式外，还有很多应用，例如滤波旁路作用、脉冲分压作用等，都需要进一步学习、研究。

参考文献

[1]福田务，栗原丰，向坂荣夫.电子电路[M].北京：科学出版社，2009.

[2]王恒山.RC电路及其应用[M].北京：人民邮电出版社，1985.

[3]胡斌，胡松编.电子工程师必备 关键技能速成宝典[M].北京：人民邮电出版社，2013.