电路原理实验.docx
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电路原理实验
绪论
一．实验教学的目的
电路原理是电子科学与技术专业，电子信息科学与技术专业的一门基础理论课程。
课程讨论的是在各种电路结构中都成立的基本工作原理，各种典型电路工作元件的工作模型和工作特性，各种典型电路结构及相应的数学分析过程。
课程的先行课程是《高等数学》、《大学物理》、《普通物理实验》。
电路原理实验课程是教学的一部分，配合理论教学，通过具体操作强化对基本原理的掌握与认知。
实验的目的是通过实验操作掌握各种典型测量仪表的使用方法，理解和记忆各种典型电路元件的工作性能，掌握各种典型电路结构的具体接线和性能，建立对课程内容的感性认知。
在具体的实验教学过程中，有两种典型的学习方法。
一种方法是通过实验，强化课程中的典型结论性知识点的学习，掌握具体的实验操作技能，完整地系统地掌握电路原理课程内容。
一种方法是通过实验，训练安装、调整和操作实验装置的技能，以研究者的态度组装实验电路，加深对各种基本理论论证过程的理解，培养推理、论证、分析问题的能力，为以后进行独立设计创造条件。
从实验角度看，电路原理与物理学相同，是一门实验科学。
各种新概念的确立、新规律的发现、新理论的论证、新设备新元件的制造，新仪器设备的安装调试，都必须以严格的实验为基础。
从教学角度看，实验教学是为了培养学生的动手能力、感性认知能力。
训练学生掌握仪器设备的安装、调试、操作的基本技能。
更深刻完整地理解掌握课程的基本理论，建立初步的实验能力。
二．实验的基础知识
1．测量与仪器
测量：
为确定被测量对象的量值而进行的被测物理量与测量仪器相比较的实验过程。
直接测量：
是被测量物理量直接与仪器进行比较，得出物理量量值的测量过程。
间接测量：
由一个或几个直接测得物理量经已知函数关系计算出被测物理量的测量过程。
测量仪器：
用以进行直接或间接测出被测对象量值的器具。
仪器的准确度等级：
标称仪器测量误差等级的参数。
测量结量：
被测量的量值，包括数值和单位两部分。
2．测量与误差
真值（a）：
各种测量对应物理量的理想结果，或称理想值。
测量值（x）：
用各种测量仪器实现的测量值。
误差（ε）：
测量值减去真值的差值，即ε=x－a。
由于真值是不能够确切知道的，相应的误差值也是不能确切知道的。
这种情况下，测量的任务是：
（1）给出被测值物理量的最佳估计值，作为实测真值。
（2）给出实测真值的可靠程度的估计值。
其中，
（1）为实测值，
（2）为误差值。
通常实验中误差的来源有五个方面：
（1）理论
（2）仪器精确度（3）实验装置（4）实验条件（5）观测者。
3．系统误差与偶然误差
系统误差：
由实验理论的严谨程度，仪器的精确程度、实验装置安装调试的准确程度等因素引起的误差。
偶然误差：
相同实验条件下多次重复测量后符合统计规律的误差。
4．绝对误差与相对误差
绝对误差（ε）：
设测量量值为x,真值为a，有绝对误差ε=x－a
相对误差（εr）：
εr=ε／a
5．误差的分析与计算
算术平均值：
x=∑Xi／n，实验中通常用多次测量的算术平均值作为实测真值，代替理想真值。
A类不确定度：
UA（x）=（∑（xi－x）²／[n*（n－1）]）½，用统计方法确定偶然误差的估计值。
B类确定度：
系统误差的估计值UB（x）=△／
，△为仪器精确度在测量中引起的系统误差极限值，通常可以从仪器精确度等级获得。
合成不确定度UC（x）=
测量结果：
X=x±UC（x）（单位）
6．有效数字
实验中测量的数据，能反映被测量实际大小，记录与运算后保留的能传递出被测量大小信息的全部数字，称为有效数字。
（1）仪器读数、记录的有效数字
第一，一般情况下，仪器上显示的数字均为有效数字，包括最后一位的估读。
第二，最后一位的估读，对于分度式仪表，可估读到最小分度的十分之一，困难时估读到五分之一。
第三，仪器上显示的最后一位是“0”时，也是有效数字，必须读出并记录。
（2）运算后的有效数字
第一，实验后计算不确定度，根据不确定度确定有效数字位数，测量值有效的末位应和不确定度末位取齐。
第二，实验后不计算不确定度时，按以下规则：
加减运算——末位应当与参加运算各数中最先出现可疑位一致。
乘除运算，——有效数字位数，可估计为与参加运算各数中有效数字位数最少的数据相同。
三角函数，对数运算——可由X函数值与X的末位增加一个单位后的函数值相比较去确定。
三．电路原理实验基础知识
1．电路实验的理论基础
电路基本理论的物理学基础是电磁学，重点概念是场和路的概念，在电磁学中详细讨论了各种电场、磁场、直流电路、交流电路的物理规律。
在电路原理中，则是从电路工作状态的角度讨论各种电路元件、典型电路的工作情况，性能参数，是基本理论的具体应用。
电路原理讨论的是各种电路模型、电路定律、典型电路的稳态分析、暂态分析。
实验的目的是通过各种电路实验加强对电路原理、典型电路的认知。
电路原理实验中的测量数据与结论推算、误差估算与误差分析需要严密的数学基础，在本实验教学中目的是强化对理论的理解和实验技能的掌握，误差分析内容相对从简。
2．电路实验操作的基础知识
实验电路的识读
实验电路中可以分为两大类图形，一类是导线、一类是电路元件。
电路图中各种电气符号，代表了实际电路中的电路元件，元件与元件之间用导线进行连接，元件与导线之间的连接点，称为接线点。
实验中，通过对实际元件、导线的定位进行电路图中元件、导线的定位转换，完成电路连接，进行实验测量。
实验中典型的仪表
按工作原理有磁电型、电磁型、电动型、静电型、数字式等。
按用途有，电压表、电流表、功率表、万用电表等。
按准确度，有0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0七个级别。
（电表等级为a，则a%≥（△max／Xmax）*100%）
③电路实验的实验设备
KHDG-1B型电工技术实验装置是一套典型的电路实验设备，制作为套件结构，优点是线路接口明确规范，便于实际接线操作，适合进行验证各种电路原理的实验。
缺点是实验元件均为箱式安装，不便于对具体元件实现感性认识，需要在其他实验课程中进一步完善。
四．实验教学的步骤
实验教学的具体步骤，可以简单划分为实验预习、实验操作、实验总结三部分内容。
1.实验预习
在进行实验操作前，要求详细阅读实验教材，对实验目的、实验原理、实验内容有足够的了解，并且将预习获得的知识要点记录在实验报告中，便于在具体的实验教学过程中对实验的物理原理、数学论证、仪表使用等内容进行更深刻的理解与掌握。
在实验报告中按照实验目的、实验原理、实验内容、实验仪器、实验数据等项目完成预习，记录必要的公式、典型的电路图，制作出原始数据记录表格以便于实验操作中使用。
2．实验操作
实验中进行具体电路的连接，实验元件的调试，测量仪表的读数等操作内容，是实验教学中对能力培养的主要方法，通过感性认知达到对理论的进一步理解，培养实际操作能力。
实验中对具体仪表规格参数的记录，具体实验数据的记录，应当作为实验仪器、实验数据等项目的原始数据记录到实验报告中，作为实验操作的具体资料。
3.实验总结
实验结束后，要求对实验的原始数据进行处理，总结实验结果，通过数学计算验证具体的电路原理，对实验数据的误差进行分析。
在最后完成的实验报告中，通过典型的实验目的、实验原理、实验内容、实验仪器记录、实验数据记录、实验数据处理与分析、实验误差分析、实验结论等内容作为完成一次实验的文本资料。
实验一基本电工仪表的使用与测量误差的计算
电路实验的目的是通过测量仪表与被测量参数进行比较，获得准确的数据，分析、总结、发现相应的规律。
因此正确使用各种测量仪表是准确完成实验的必要条件，是实验操作的基本能力。
由于实际使用的仪表都不是理想状态，必然会引入测量误差，相应的误差分析就十分重要。
本实验的目的在于培养基本能力，为后续实验项目做准备。
实验目的
1、熟悉实验台上各类实验装置和测量仪表的布局。
2、掌握电压表、电流表的使用方法。
3、掌握电压表、电流表内电阻的测量方法。
4、掌握仪表测量误差的基本计算方法。
实验原理
1、基本电工仪表是电路测量的基本工具，主要有电压表、电流表、万用电表，分别有
指针式和数字式两大类。
测量时，电压表并联在被测元件（电路）两端，电流表与被测元件（电路）串联。
为了准确地测量电路中实际工作参数值，理论上要求电压表的内阻为无穷大（RV=∞），电流表的内阻为零（RA=0），仪表示值准确。
2、实际使用的仪表都不能完全满足理论值。
当仪表接入电路，必然会改变电路的工作
状态，导致仪表的测量值与仪表接入前的实际值有一定的误差，这种由仪表接入引起的误差，是系统误差。
系统误差与仪表本身的内阻值的大小密切相关。
如果仪表的内阻已知，可以将系统误差值换算出，消除后，使测量数据中只保存偶然误差。
3、本实验通过测量电压表和电流表的内阻，使学习者了解和掌握电表的使用方法，相
应系统误差的基本计算方法。
4、本实验测量电流表的内阻，采用“分流法”
（1）图1-1中有可调恒流电源、被测电流表、电阻、可变电阻、开关等元件。
可调恒流电源的输出电流设定在相应的位置时，其输出电流不随外电路元件参数的改变而改变。
（2）当开关S断开时，可以调节恒流电源的输出使电流表指针指在量程的满刻度，此时电流源的输出值为I，由电流表测量出。
（3）保持电流源的输出值不变，闭合开关S，调节R1,使电流表指针指在1/2满刻度，有IA=IS=I/2，此时有，RA=R1//R2=R1*R2/（R1+R2）
（4）若R1,R2为已知电阻，可以求出RA。
（5）重复测量，可以改变电流表的初始测量值，依次进行第
（2）、（3）步骤完成。
5、测量电压表的内阻，采用“分压法”
（1）图1-2中，有稳压电源、被测电压表、电阻、可变电阻、开关等元件。
（2）使S闭合，调节稳压电源的输出，使电压表指针满偏，此时电源电压由电压表测出，为U。
（3）使S断开，调节R1，使电压表指针指在U/2位置。
（4）当
、
为已知电阻，由UR+UV=U，有RV=R1+R2。
（5）重复测量，可以改变电压表的初始测量值，依次进行第
（2）、（3）步骤完成。
6、由仪表内阻引入的测量误差（系统误差）的典型理论计算。
（1）
图1-3中，若未接入电压表，
（2）若接入电压表，
（3）绝对误差△U=
（4）相对误差εr=△U/UR1*100%
7、伏安法测量电阻元件的阻值
根据欧姆定律，用电流表测量元件中通过的电流I，电压表测量元件两端的电压U，则元件的电阻值
。
当电压表的内阻
远远大于被测电阻
时（
），采用外接法（图1-4（a）），引入的系统误差相对较小；当电流表的内阻
远远小于被测电阻
时（
），采用内接法（图1-4（b）），引入的系统误差相对较小；
实验内容（实验步骤）
1、观察KHDG-IB电工综合实验装置，了解各实验仪器的布局，用途。
2、观察直流稳压电源、恒流源、电压表、电流表，掌握具体操作方法。
3、按图1-1接线，选定2-3个量程测量电流表的内阻—分流法。
4、按图1-2接线，选定2-3个量程测量电压表的内阻—分压法。
5、按图1-3接线，进行电压表系统误差的测量。
6、设计测量引人电流表误差的接线图，进行实际测量和电流表系统误差的计算。
（选作）
7、按图1-4的电路接线，进行伏安法测量电阻实验。
（选作）
注意事项：
操作仪表时，电压源不允许短路，电流源不允许开路，电表注意极性与量程的合理选择。
实验设备
1、直流稳压电源（DG04）
2、可调恒流源（DG04）
3、电阻器、可调电阻箱（DG09）
4、电源控制屏（DG01B）
5、直流电压表、直流电流表
实验数据
1、电工实验台典型设备观察记录。
2、分流法测量电流表内阻RA。
电流表量程
（S断开）
R1
R2
RA=R1*R2/（R1+R2）
1、
2、
3、
3、分压法测量电压表内阻RV。
电压表量程
=E/2
=E/2
R1
R2
RV=R1+R2
1、
2、
3、
4、电压表系统误差测量。
uV（V）
R1
R2
uR1（理论值）
uR1’（测量值）
△u
εr
5、伏安法测量电阻元件阻值
1
2
3
4
5
6
7
8
电压U
电流I
实验数据处理与实验结果
1、电流表内阻值
1
2
3
平均值
误差值
2、电压表内阻值
1
2
4
平均值
误差值
3、电压表系统误差值
4、电流表系统误差值
5、电阻元件电阻值
1
2
3
4
5
6
7
8
平均值
误差
思考题：
1、图4所示的电路，为伏安法测量电阻的两种电路，被测电阻Rx，电压表内阻Rv,电流表内阻RA，计算两种电路测量的系统误差。
实验二基耳霍夫定律的验证
基耳霍夫定律是集总电路的基本定律，集总电路是相对于分布电路而言的，从实验的角度看，可以简单地认为电路中的导线的电气参数可以忽略，电路的工作状态只由元件性能和电路网络的拓扑结构决定。
基耳霍夫定律体现了电路连接网络结构对各元件支路电流和支路电压之间带来的约束关系。
实验目的
1、验证基耳霍夫定律的正确性，加深对基耳霍夫定律的理解。
2、掌握电路识读与元件接线的基本方法。
3、掌握实验台电流插头测量支路电流的具体方法。
实验原理
1、电路的基本概念
（1）支路：
组成电路的每一个二端口元件，内部流过一个独立的电流。
（2）节点：
各支路在电路中的连接点。
（3）回路：
由若干支路构成的一个闭合路径。
2、基耳霍夫定律包括节点电流定律（KCL）和回路电压定律（KVL）。
3、节点电流定律（KCL）：
在集总电路中，任何时刻，对任一节点，所有流出节点的支路电流的代数和恒等于零。
例如：
（1）图2-1中，设流出节点电流取“+”号，流入节点的电流取“-”号，故有代数和∑i=0。
（2）对于直流电路，各时刻电路参数不发生变化，各支路电流不随时间变化，所以不同时刻测量值相同。
（3）对于交流电路，各支路电流必须在同一时刻测量，KCL定律才成立。
（4）对于稳态交流电路的相量值，不同时刻的测量值相同，KCL定律成立；
4、回路电压定律（KVL）：
在集总电路中，任一时刻，沿任一闭合回路，所有支路的电压的代数和恒为零。
例如：
（1）图2-2中，ABCD四节点构成一闭合回路。
（2）回路沿顺时针方向或逆时针方向的电压代数和均为零（∑U=UAB+UBC+UCD+UDA=0或∑U=UAD+UDC+UCD+UBA=0）
（3）UAB=―UBA
（4）对于直流电路，各时刻电路参数不发生变化，各支路电压不随时间变化，所以不同时刻测量值相同。
（5）对于交流电路，各支路电压必须在同一时刻测量，KVL定律才成立。
（6）对于稳态交流电路的相量值，不同时刻的测量值相同，KVL定律成立；
实验内容
1、典型实验电路接线、调试
（1）实验电路的接线图如图2-3。
（2）电路中有R1、R2、R3、R4、R55个电阻，E1、E2两个电源。
（3）各支路电流测量可由电流插座实现。
2、测量各支路电流
（1）图3中有三条支路电流，规定参考方向设流入节点方向为正。
（2）各支路电流由电流插头接入数字毫安表串联于电路中测量。
（3）验证节点电流定律。
3、测量各节点之间电压。
验证回路电压定律。
4、改变E1、E2输出参数值，重复2～3步测量过程。
5、改变图2-3中的电阻元件的阻值，重复2～3步测量过程。
（选作）
6、将图2-3中的电源E1、E2全部改为电流源，重复2～3步测量过程。
（选作）
7、将图2-3中的电源E1设为电压源、E2设为电流源，重复2～3步测量过程。
（选作）
8、改变电路的网络结构，画出电路图，重复2～3步测量过程。
（选作）
实验设备
1、电路基础实验板（DG05）
2、直流稳压电源、可调直流稳压电源（DG04）
3、可调恒流源（DG04）
4、直流数字电压表（D31）
5、直流数字电流表（D31）
实验数据表格
1、电路元件基本参数
R1
R2
R3
R4
R5
2、电路工作参数表1E1=6V,E2=12V
被测参数
I1
I2
I3
UAB
UBC
UCD
UDE
UEF
UFA
UAD
理论值
测量值
绝对误差
相对误差
3、电路工作表2E1=8V,E2=13V
被测参数
I1
I2
I3
UAB
UBC
UCD
UDE
UEF
UFA
UAD
理论值
测量值
绝对误差
相对误差
实验数据处理表格
1、验证节点电流定律
I1
I2
I3
误差值
2、验证回路电压定律
UAB
UBC
UCD
UDE
UEF
UFA
UAD
实验三实际电源的电压源与电流源模型的等效变换
直流电压源与电流源是从实际电源抽象得到的电路模型，它们是二端有源元件。
常见的实际电源，如发电机、蓄电池等的工作机理比较接近电压源；象光电池、专门设计的电子电路等可以看作电流源。
就外部工作特性而言，电压源与电流源可以等效变换。
实验目的
1、掌握电源外特性的测试方法。
2、验证电压源与电流源等效变换的条件。
实验原理
1、各种电源的电路模型及外特性曲线，如图3-1
图3-1典型电源的电路模型及工作曲线
2、理想电压源输出端口电压U=ES保持不变，其输出电压不随负载电流改变，实验中的直流稳压电源在一定的输出电流范围内可以看作是理想电压源。
电压源可以看作是理想电压源串联内阻RS，输出特性为U=E—I·Rs.其输出电压随输出电流的增大而减小。
3、理想电流源输出电流I=Is.保持不变，其其输出电流不随负载电压改变，实验中的恒流源在一定的电压范围内可以看作是理想电流源。
电流源可以看作理想电流源并联内阻Ro，输出特性U=（Is-I）·Ro，其输出电流随输出电压的增大而减小。
4、一个实际电源，其外部特性由输出端口电压U，输出电流I表征，输出特性通常与理想电源的特性差别较大，但如果看作具有一定内阻，则即可以看作电压源，也可以看作电流源。
只要对相同的负载提供相同的输出参数U和I，两种电源可以等效变换。
图3-2电压源与电流源的等效变换
5、电压源与电流源等效变换的条件如图3-2。
设电压源的工作参数为ES、RS，电流源的工作参数为IS、R0，则IS=ES/RS，R0=RS，或ES=IS*R0，RS=R0，对于同一个负载，工作参数电压U、电流I相同。
理想电压源（内阻RS=0）与理想电流源（内阻R0=
）之间是不能够进行等效变换的。
实验内容
1、测定电压源的外特性
按图3-3接线，Es=6V，Rs=51Ω组成电压源。
设定R1=200Ω，R2=0~470Ω，调节R2值，记录相应的电压U和电流I.
2、测定电流源的外特性
按图3-4接线，Is=10mA，Ro=1KΩ，组成电流源。
RL=0~470Ω，调节RL值，记录相应的电压U和电流I。
3、电压源等效变换为电流源
按图3-3接线，Es=6V,Rs=51Ω，组成电压源。
令RL=R1+R2=200Ω，510Ω，1KΩ，2KΩ，3KΩ，10KΩ。
测量UL，IL
换算将电压源等效变换成电流源对应的等效参数Is,Ro.
按图3-4接线，调节Is，Ro值为等效参数值。
令RL=R1+R2=200Ω,510Ω，1KΩ，2KΩ，3KΩ，10KΩ。
测量UL，IL
比较两种电源的外特性，验证等效变换。
4、电流源等效变换为电压源（选作）
按图3-4接线，Is=10mA，Ro=1KΩ，组成电流源。
令RL=R1+R2=200Ω，510Ω，1KΩ，2KΩ，3KΩ，10KΩ。
测量UL、IL。
换算将电流源等效变换成电压源对应的等效参数Us、Rs。
按图3-3接线，调节Us，Rs值为等效参数值。
令RL=R1+R2=200Ω,510Ω，1KΩ，2KΩ，3KΩ，10KΩ。
测量UL、IL
比较两种电源的外特性，验证等效变换。
5、测量1.5伏干电池的外特性并等效变换为电流源。
（选作）
6、测量9伏干电池的外特性并等效变换为电流源。
（选作）
实验设备
1、可调直流稳压电源（DG04）
2、可调直流恒流源（DG04）
3、直流数字电压表（D31）
4、直流数字电流表（D31）
5、元件箱（DG09）
实验数据
1、电压源外特性
UL
IL
2、电流源外特性
UL
IL
3、电压源与电流源等效变换参数
Es
Rs
Is
Ro
4、等效变换外特性对比
RL
200Ω
510Ω
1KΩ
2KΩ
3KΩ
10KΩ
U
电压源
电流源
I
电压源
电流源
实验数据处理
1、作出电压源外特性曲线。
2、作出电流源外特性曲线。
3、验证电压源与电流源等效变换的条件与结果。
思考题
1、直流稳压电源的输出端不允许短路，直流恒流源的输出端不允许断路，为什么？
2、电压源与电流源的输出特性为什么呈下降趋势？
实验四叠加原理的验证
叠加原理是线性电路的一个重要定理，在线性电路的分析中起着重要作用，可以简化电路的计算过程。
通过本实验能够更深刻地理解线性电路的概念、叠加原理的正确性。
齐次性定理是叠加原理的的一个特殊情况，是线性电路的性质的表现。
实验目的
1．验证线性电路叠加原理的正确性
2．验证线性电路齐次性定理的正确性
实验原理
1．叠加原
升级会员 