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普考申論題 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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看到理想脈波輸入一階 RC 低通電路求信號的上升時間,應立即聯想到時間常數 $\tau = RC$ 以及一階系統的上升時間公式 $t_r \approx 2.2\tau$。題幹中示波器顯示的總上升時間是用於後續子題計算示波器本身性能之用,在本題計算 $v_1(t)$ 時無需代入,專注於 RC 電路本身的響應即可。

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【解題關鍵】利用一階 RC 電路的上升時間公式 $t_r \approx 2.2\tau$(其中 $\tau=RC$)來求得電容兩端電壓的上升時間。 【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)

思路引導 VIP

看到本題應聯想到「串聯系統上升時間的均方根(RSS)公式」與「RC 低通濾波器的上升時間」。先以 $t_{rc} = 2.2RC$ 算出 RC 積分器的上升時間,再利用 $t_{disp}^2 = t_{in}^2 + t_{rc}^2 + t_{rs}^2$ 反推求得示波器本身的上升時間。

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【解題關鍵】利用 RC 電路的上升時間公式($t_{rc} = 2.2RC$)與多級系統總上升時間公式($t_{disp}^2 = t_{in}^2 + t_{rc}^2 + t_{rs}^2$)進行求解。 【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)

思路引導 VIP

看到此題,首先應聯想到一階系統的「上升時間」計算($t_r = 2.2RC$),以及多級系統上升時間的「均方根相加法」($t_{total} = \sqrt{t_1^2 + t_2^2 + \dots}$)。利用 RC 時間常數求出實際輸入信號的上升時間,再代入總上升時間公式反推示波器本身的上升時間,最後藉由頻寬與上升時間的關係式 $BW \times t_r = 0.35$ 即可計算出所需頻寬。

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【解題關鍵】利用多級系統總上升時間公式 $t_{total} = \sqrt{t_{sig}^2 + t_{osc}^2}$,以及頻寬與上升時間的關係 $BW = \frac{0.35}{t_r}$ 進行推導計算。 【解答】 Step 1:計算實際輸入信號 $v_1(t)$ 的上升時間 $t_{r1}$

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