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地特四等申論題 107年 [電子工程] 電子儀表概要

第 一 題

📖 題組:
如圖一,有一理想脈波信號 vs(t)經過一個 RC 積分器後送到示波器的輸入端,若該示波器上顯示的信號為 v2(t),其上升時間為 3.08 ns;其中 RC 濾波電路中,R = 2 Ω及 C = 0.68 nF。試回答下列問題:
題組圖片
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (一)

理想脈波信號 vs(t)通過 RC 電路之後,在 RC 電路上之電容 C 的信號為 v1(t),其上升時間 tr1 為多少秒?(6 分)

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本題測驗一階RC電路的瞬態響應特性。看到理想脈波輸入一階低通RC電路,應立即聯想到時間常數 τ = RC 以及步階響應的上升時間公式 tr ≈ 2.2τ。將已知的電阻與電容數值代入即可求得答案。

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【解題關鍵】一階RC電路步階響應之上升時間公式為 $t_r \approx 2.2 \tau$(其中 $\tau = RC$)。 【解答】 計算:

小題 (二)

此示波器本身的上升時間 trs 為多少秒?(7 分)

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看到此題,應立即聯想到系統上升時間的「平方和公式」:測量到的總上升時間的平方,等於各級系統上升時間的平方和。先利用公式 $t_{rc} = 2.2RC$ 算出 RC 濾波電路的上升時間,再配合理想脈波上升時間為零的特性,即可推導出示波器本身的上升時間。

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【解題關鍵】利用 RC 電路上升時間公式 $t_{rc} = 2.2RC$ 以及系統總上升時間平方和公式 $t_{rd}^2 = t_{r0}^2 + t_{rc}^2 + t_{rs}^2$ 求解。 【解答】 計算:

小題 (三)

該示波器的頻寬應至少為多少,才能使所觀測到 v2(t) 信號的上升時間更接近實際輸入信號 v1(t) 的上升時間?(7 分)

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看到此題,先利用 $t_{r1} = 2.2RC$ 算出實際信號的上升時間。接著代入系統上升時間公式 $t_{r2} = \sqrt{t_{r1}^2 + t_{rs}^2}$ 求出現有示波器的頻寬。最後依據結果推論,若要使觀測誤差更小,頻寬必須大於現有計算值,並可補充實務上的「五倍法則」來完善解答。

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【解題關鍵】利用 RC 電路上升時間公式 $t_{r1} \approx 2.2RC$ 與系統上升時間公式 $t_{r2} = \sqrt{t_{r1}^2 + t_{r(scope)}^2}$,求出現有示波器頻寬並探討其改善條件。 【解答】 計算:

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