电工实验自编实验讲义.docx
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电工实验自编实验讲义
电工学实验教程
物理与电子工程学院电工学教研组
二零一零年三月
前言
电工学实验教程是根据高等院校非电类专业的本科课程教学大纲，依据当前的实验设备条件，结合多年的教学实际并吸取各学校在电工学实验方面的经验编写而成的，对以往所用实验讲义的体系结构和内容进行了调整、完善和扩充。
本教程旨在进一步巩固基本理论知识并用来指导实践，帮助学生掌握基本实验技能、提高综合应用能力和设计能力，加强学生的工程实践能力和培养严谨的科学作风。
本教程在内容安排上尽量做到由浅入深、循序渐进，在保证基础实验的同时，强调实用性，注重工程实际，增加灵活性。
本教程由台州学院物理与电子工程学院电子系电工学教研组编写，由于作者的水平有限，本教程的缺点和不足在所难免，敬请相关专家学者指正，也请同学们提出意见，已达到教学相长的目的。
编者
2010年3月
目录
绪论4
实验一 电路元件伏安特性的测绘5
实验二 叠加原理的验证8
实验三 戴维南定理10
实验四 RC一阶电路的响应测试14
实验五正弦稳态交流电路相量的研究18
实验六 功率因数及相序的测量22
绪论
电工学实验教学是高等院校非电类专业的电工技术相关课程的实践性环节，是整个教学环节中的重要组成部分。
它对于学好电工技术及其后续专业课程有着举足轻重的作用，应当给予足够重视。
一、安全用电：
在电工学实验教学过程中，需要使用电源和电器设备。
人体是导电体，当不慎触及电源或漏电设备时，电流通过人体使其受到伤害，这就是电击。
为了确保人身和仪器安全，防止触电事故发生，要求学生在熟悉安全用电常识的前提下，必须严格遵守以下安全操作规程：
（1）不能随意合电闸，尤其是总电闸，未经允许绝对不能私自合闸。
（2）严禁带电接线、拆线或改线，即先接线再通电，先断电再拆线。
（3）接线完毕，要认真复查，确信无误后方可接通电源进行实验。
（4）实验时要严肃认真，同组之间要相互密切配合。
（5）电源接通后，要求培养单手操作的良好习惯，以防双手触及电路中的裸露部分和电路中的不安全电压，特别是强电实验，以防触电。
（6）接通电源的电路不能由空甩线头的现象，否则容易出现电源短路、烧坏仪器或人员触电等情况。
线路接好后，多余和暂时不用的导线都要拿开。
（7）万一遇到异常情况或触电事故，应立即切断电源，报告相关教师。
二、电工学实验规则：
（1）实验前必须认真预习，这是做好实验的关键所在。
预习中明确实验目的，熟悉实验原理、手段、方法及步骤。
认真完成预习思考题，了解仪器仪表的使用方法等。
（2）实验中要仔细观察、认真测量和记录各项实验数据以其各种实验现象，并运用所学知识解释这些现象，必要时应当与指导教师共同探讨。
（3）实验结束，应检查实验数据是否与理论值接近。
如果相差较大应分析其原因。
实验结果经老师检查无误后方可拆线，整理好实验器材后方可离开实验室。
（4）认真及时完成实验报告。
（5）遵守实验室规章制度，严谨乱搬、乱动与本次实验无关的仪器和设备。
实验一 电路元件伏安特性的测绘
一、实验目的
1.学会识别常用电路元件的方法。
2.掌握线性电阻、非线性电阻元件伏安特性的逐点测试法。
3.掌握实验装置上直流电工仪表和设备的使用方法。
二、原理说明
任何一个二端元件的特性可用该元件上的端电压U与通过该元件的电流I之间的函数关系I＝f（U）来表示，即用I-U平面上的一条曲线来表征，这条曲线称为该元件的伏安特性曲线。
1.线性电阻器的伏安特性曲线是一条通过坐标原点的直线，如图3-1中a曲线所示，该直线的斜率等于该电阻器的电阻值。
图1-1
2.一般的白炽灯在工作时灯丝处于高温状态，其灯丝电阻随着温度的升高而增大，通过白炽灯的电流越大，其温度越高，阻值也越大，一般灯泡的“冷电阻”与“热电阻”的阻值可相差几倍至十几倍，所以它的伏安特性如图3-1中b曲线所示。
3.一般的半导体二极管是一个非线性电阻元件，其特性如图3-1中c曲线。
正向压降很小（一般的锗管约为0.2～0.3V，硅管约为0.5～0.7V），正向电流随正向压降的升高而急骤上升，而反向电压从零一直增加到十多至几十伏时，其反向电流增加很小，粗略地可视为零。
可见，二极管具有单向导电性，但反向电压加得过高，超过管子的极限值，则会导致管子击穿损坏。
4.稳压二极管是一种特殊的半导体二极管，其正向特性与普通二极管类似，但其反向特性较特别，如图1-1中d曲线。
在反向电压开始增加时，其反向电流几乎为零，但当反向电压增加到某一数值时（称为管子的稳压值，有各种不同稳压值的稳压管）电流将突然增加，以后它的端电压将维持恒定，不再随外加的反向电压升高而增大。
三、实验设备
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
可调直流稳压电源
0～10V
1
2
直流数字毫安表
1
3
直流数字电压表
1
4
二极管
2AP9
1
5
稳压管
2CW51
1
6
线性电阻器
100Ω,510Ω
1
四、实验内容
1.测定线性电阻器的伏安特性
按图1-2接线，调节直流稳压电源的输出电压U，从0伏开始缓慢地增加，一直到10V，记下相应的电压表和电流表的读数。
U（v）
0
2
4
6
8
10
I（mA）
图1-2图1-3
2.测定半导体二极管的伏安特性
按图1-3接线，R为限流电阻，测二极管D的正向特性时，其正向电流不得超过25mA，正向压降可在0～0.75V之间取值。
特别是在0.5～0.75之间更应多取几个测量点。
作反向特性实验时，只需将图1-3中的二极管D反接，且其反向电压可加到30V左右。
正向特性实验数据
U（v）
0
0.2
0.4
0.5
0.55
……0.75
I（mA）
反向特性实验数据
U（v）
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
I（mA）
3.测定稳压二极管的伏安特性
只要将图1-3中的二极管换成稳压二极管,重复实验内容2的测量。
正向特性实验数据
U（v）
I（mA）
反向特性实验数据
U（v）
I（mA）
五、实验注意事项
1.测二极管正向特性时，稳压电源输出应由小至大逐渐增加，应时刻注意电流表读数不得超过25mA，稳压源输出端切勿碰线短路。
2.进行不同实验时，应先估算电压和电流值，合理选择仪表的量程，勿使仪表超量程，仪表的极性亦不可接错。
六、思考题
1.线性电阻与非线性电阻的概念是什么?
电阻器与二极管的伏安特性有何区别?
2.设某器件伏安特性曲线的函数式为I＝f（U），试问在逐点绘制曲线时，其坐标变量应如何放置?
3.稳压二极管与普通二极管有何区别，其用途如何?
七、实验报告
1.根据各实验结果数据，分别在方格纸上绘制出光滑的伏安特性曲线。
（其中二极管和稳压管的正、反向特性均要求画在同一张图中，正、反向电压可取为不同的比例尺）
2.根据实验结果，总结、归纳被测各元件的特性。
3.必要的误差分析。
4.心得体会及其他。
实验二 叠加原理的验证
一、实验目的
验证线性电路叠加原理的正确性，从而加深对线性电路的叠加性和齐次性的认识和理解。
二、原理说明
叠加原理指出：
在有几个独立源共同作用下的线性电路中，通过每一个元件的电流或其两端的电压，可以看成是由每一个独立源单独作用时在该元件上所产生的电流或电压的代数和。
线性电路的齐次性是指当激励信号（某独立源的值）增加或减小K倍时，电路的响应（即在电路其他各电阻元件上所建立的电流和电压值）也将增加或减小K倍。
三、实验设备
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
直流稳压电源
+6，12V切换
1
2
可调直流稳压电源
0～10V
1
3
直流数字电压表
1
4
直流数字毫安表
1
四、实验内容
实验电路如图2-1所示
1.按图2-1电路接线，E1为+6V、+12V切换电源，取E1＝+12V，E2为可调直流稳压电源，调至+6V。
2.令E1电源单独作用时（将开关S1投向E1侧，开关S2投向短路侧），用直流数字电压表和毫安表（接电流插头）测量各支路电流及各电阻元件两端电压，数据记入表格中。
图2-1
测量项目
实验内容
E1
（v）
E2
（v）
I1
（mA）
I2
（mA）
I3
（mA）
UAB
（v）
UBC
（v）
UCD
（v）
UDA
（v）
UBD
（v）
E1单独作用
E2单独作用
E1、E2共同
作用
2E2单独作用
3.令E2电源单独作用时（将开关S1投向短路侧，开关S2投向E2侧），重复实验步骤2的测量和记录。
4.令E1和E2共同作用时（开关S1和S2分别投向E1和E2侧），重复上述的测量和记录。
5.将E2的数值调至＋12V，重复上述第3项的测量并记录。
五、实验注意事项
1.测量各支路电流时,应注意仪表的极性,及数据表格中“＋、－”号的记录。
2.注意仪表量程的及时更换。
六、预习思考题
1.叠加原理中E1、E2分别单独作用，在实验中应如何操作？
可否直接将不作用的电源（E1或E2）置零（短接）？
2.实验电路中，若有一个电阻器改为二极管，试问叠加原理的迭加性与齐次性还成立吗？
为什么？
七、实验报告
1.根据实验数据验证线性电路的叠加性与齐次性。
2.各电阻器所消耗的功率能否用叠加原理计算得出？
试用上述实验数据，进行计算并作结论。
3.心得体会及其他。
实验三 戴维南定理
─有源二端网络等效参数的测定─
一、实验目的
1.验证戴维南定理的正确性。
2.掌握测量有源二端网络等效参数的一般方法。
二、原理说明
1.任何一个线性含源网络，如果仅研究其中一条支路的电压和电流，则可将电路的其余部分看作是一个有源二端网络（或称为含源一端口网络）。
戴维南定理指出：
任何一个线性有源网络，总可以用一个等效电压源来代替，此电压源的电动势Es等于这个有源二端网络的开路电压UOC，其等效内阻R0等于该网络中所有独立源均置零（理想电压源视为短接，理想电流源视为开路）时的等效电阻。
UOC和R0称为有源二端网络的等效参数。
2.有源二端网络等效参数的测量方法
（1）开路电压、短路电流法
在有源二端网络输出端开路时，用电压表直接测其输出端的开路电压UOC，然后再将其输出端短路，用电流表测其短路电流ISC，则内阻为
RO=
（2）伏安法
用电压表、电流表测出有源二端网络的外特性如图3-1所示。
根据外特性曲线求出斜率tgφ，则内阻
RO=tgφ=
用伏安法，主要是测量开路电压及电流为额定值IN时的输出端电压值UN，则内阻为
RO=
若二端网络的内阻值很低时，则不宜测其短路电流。
图3-1图3-2
（3）半电压法
如图3-2所示，当负载电压为被测网络开路电压一半时，负载电阻（由电阻箱的读数确定）即为被测有源二端网络的等效内阻值。
（4）零示法
在测量具有高内阻有源二端网络的开路电压时，用电压表进行直接测量会造成较大的误差，为了消除电压表内阻的影响，往往采用零示测量法，如图3-3所示。
图3-3
零示法测量原理是用一低内阻的稳压电源与被测有源二端网络进行比较，当稳压电源的输出电压与有源二端网络的开路电压相等时，电压表的读数将为“0”，然后将电路断开，测量此时稳压电源的输出电压，即为被测有源二端网络的开路电压。
三、实验设备
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
可调直流稳压电源
0～10V
1
2
可调直流恒流源
0～200mA
1
3
直流数字电压表
1
4
直流数字毫安表
1
5
万用电表
1
7
电位器
1KΩ/1W
1
四、实验内容
被测有源二端网络如图3-4（a）所示。
（a）（b）
图3-4
1.用开路电压、短路电流法测定戴维南等效电路的UOC和R0。
按图3-4（a）电路接入稳压电源ES和恒流源IS及可变电阻箱RL，测定UOC和R0。
UOC（v）
ISC（mA）
R0=UOC/ISC（Ω）
2.负载实验
按图3-4（a）改变RL阻值，测量有源二端网络的外特性。
RL（Ω）
0∞
U（v）
I（mA）
3.验证戴维南定理
用一只1KΩ的电位器，将其阻值调整到等于按步骤“1”所得的等效电阻R0之值，然后令其与直流稳压电源（调到步骤“1”时所测得的开路电压UOC之值）相串联，如图3-4（b）所示，仿照步骤“2”测其外特性，对戴氏定理进行验证。
RL（Ω）
0∞
U（v）
I（mA）
4.测定有源二端网络等效电阻（又称入端电阻）的其它方法：
将被测有源网络内的所有独立源置零（将电流源IS断开；去掉电压源，并在原电压端所接的两点用一根短路导线相连），然后用伏安法或者直接用万用电表的欧姆档去测定负载RL开路后输出端两点间的电阻，此即为被测网络的等效内阻R0或称网络的入端电阻Ri。
5.用半电压法和零示法测量被测网络的等效内阻R0及其开路电压UOC，线路及数据表格自拟。
五、实验注意事项
1.注意测量时，电流表量程的更换。
2.步骤“4”中，电源置零时不可将稳压源短接。
3.用万用电表直接测R0时，网络内的独立源必须先置零，以免损坏万用电表，其次，欧姆档必须经调零后再进行测量。
4.改接线路时，要关掉电源。
六、预习思考题
1.在求戴维南等效电路时，作短路实验，测ISC的条件是什么？
在本实验中可否直接作负载短路实验？
请实验前对线路3-4（a）预先作好计算，以便调整实验线路及测量时可准确地选取电表的量程。
2.说明测有源二端网络开路电压及等效内阻的几种方法，并比较其优缺点。
七、实验报告
1.根据步骤2和3，分别绘出曲线，验证戴维南定理的正确性，并分析产生误差的原因。
2.根据步骤1、4、5各种方法测得的UOC与R0与预习时电路计算的结果作比较，你能得出什么结论。
3.归纳、总结实验结果。
4.心得体会及其他。
实验四 RC一阶电路的响应测试
一、实验目的
1.测定RC一阶电路的零输入响应，零状态响应及完全响应。
2.学习电路时间常数的测定方法。
3.掌握有关微分电路和积分电路的概念。
4.进一步学会用示波器测绘图形。
二、原理说明
1.动态网络的过渡过程是十分短暂的单次变化过程，对时间常数τ较大的电路，可用慢扫描长余辉示波器观察光点移动的轨迹。
然而能用一般的双踪示波器观察过渡过程和测量有关的参数，必须使这种单次变化的过程重复出现。
为此，我们利用信号发生器输出的方波来模拟阶跃激励信号，即令方波输出的上升沿作为零状态响应的正阶跃激励信号；方波下降沿作为零输入响应的负阶跃激励信号，只要选择方波的重复周期远大于电路的时间常数τ，电路在这样的方波序列脉冲信号的激励下，它的影响和直流电源接通与断开的过渡过程是基本相同的。
2.RC一阶电路的零输入响应和零状态响应分别按指数规律衰减和增长，其变化的快慢决定于电路的时间常数τ。
3.时间常数τ的测定方法
图4-1（a）所示电路
用示波器测得零输入响应的波形如图4-1（b）所示。
根据一阶微分方程的求解得知
当t＝τ时，
此时所对应的时间就等于τ
亦可用零状态响应波形增长到0.632E所对应的时间测得，如图4-1（c）所示。
（b）零输入响应（a）RC一阶电路（c）零状态响应
图4-1
4.微分电路和积分电路是RC一阶电路中较典型的电路，它对电路元件参数和输入信号的周期有着特定的要求。
一个简单的RC串联电路，在方波序列脉冲的重复激励下，当满足τ＝RC«
时（T为方波脉冲的重复周期），且由R端作为响应输出，如图4-2（a）所示。
这就构成了一个微分电路，因为此时电路的输出信号电压与输入信号电压的微分成正比。
（a）微分电路（b）积分电路
图4-2
若将图4-2（a）中的R与C位置调换一下，即由C端作为响应输出，且当电路参数的选择满足τ＝RC»
条件时，如图4-2（b）所示即构成积分电路，因为此时电路的输出信号电压与输入信号电压的积分成正比。
从输出波形来看，上述两个电路均起着波形变换的作用，请在实验过程中仔细观察与记录。
三、实验设备
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
函数信号发生器
1
2
双踪示波器
1
四、实验内容
观察实验线路板的结构，认清R、C元件的布局及其标称值，各开关的通断位置等等。
1.选择动态线路板上R、C元件，令
（1）R＝10KΩ， C＝1000PF
组成如图4-1（a）所示的RC充放电电路，E为函数信号发生器输出，取Um＝3V，f＝1KHz的方波电压信号，并通过两根同轴电缆线，将激励源u和响应uc的信号分别连至示波器的两个输入口YA和YB，这时可在示波器的屏幕上观察到激励与响应的变化规律，求测时间常数τ，并描绘u及uc波形。
少量改变电容值或电阻值，定性观察对响应的影响，记录观察到的现象。
（2）令R＝10KΩ，C＝3300PF，观察并描绘响应波形，继续增大C之值，定性观察对响应的影响。
2.选择动态板上R、C元件,组成如图10-2（a）所示微分电路,令C＝3300PF，R＝30KΩ。
在同样的方波激励信号（Um＝3V，f＝1KHz）作用下，观测并描绘激励与响应的波形。
增减R之值，定性观察对响应的影响，并作记录。
当R增至∞时，输入输出波形有何本质上的区别？
五、实验注意事项
1．示波器的辉度不要过亮。
2．调节仪器旋钮时，动作不要过猛。
3．调节示波器时，要注意触发开关和电平调节旋钮的配合使用，以使显示的波形稳定。
4．作定量测定时，“t/div”和“v/div”的微调旋钮应旋至“校准”位置。
5．为防止外界干扰，函数信号发生器的接地端与示波器的接地端要连接在一起（称共地）。
六、预习思考题
1.什么样的电信号可作为RC一阶电路零输入响应、零状态响应和完全响应的激励信号？
2.已知RC一阶电路R＝10KΩ，C＝0.1μf，试计算时间常数τ，并根据τ值的物理意义，拟定测定τ的方案。
3.何谓积分电路和微分电路，它们必须具备什么条件？
它们在方波序列脉冲的激励下，其输出信号波形的变化规律如何？
这两种电路有何功用？
七、实验报告
1.根据实验观测结果，在方格纸上绘出RC一阶电路充放电时uc的变化曲线，由曲线测得τ值，并与参数值的计算结果作比较，分析误差原因。
2.根据实验观测结果，归纳、总结积分电路和微分电路的形成条件，阐明波形变换的特征。
3.心得体会及其他。
实验五正弦稳态交流电路相量的研究
一、实验目的
1.研究正弦稳态交流电路中电压、电流相量之间的关系。
2.学习日光灯工作原理，掌握其线路的接线。
3.了解改善电路功率因数的意义并掌握其方法。
二、原理说明
1.由基尔霍夫电流、电压定律可知：
和
2.如图5-1所示的RC串联电路，在正弦稳态信号
的激励下，
与
保持有90°的相位差，即当阻值R改变时，
的相量轨迹是一个半圆，
与
三者形成一个直角形的电压三角形。
R值改变时，可改变
角的大小，从而达到移相的目的。
3.在日常的用电设备中，用电负载多为感性负载，其功率因数较低，通常可通过在负载端并接电容器的方法来提高功率因数。
原理是用电容器存储的电量来补偿感性负载的无功电流，使总电流减小，同时电源电压与总电流的相位差减小，从而提高了功率因数。
电路如图5-2所示。
三、实验设备
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
交流电压表
1
2
交流电流表
1
3
功率表
1
4
自耦调压器
0.5KVA
1
5
镇流器
与15W灯管配用
1
6
电容器
1uF、2.2uF、4.7uF
7
启辉器
与15W灯管配用
1
8
日光灯灯管
15W
1
四、实验内容
1.用一只220V、15W的白炽灯和4.7uF/500V电容器组成如图5-1-所示的实验电路，经指导教师检查后，接通市电，将外部引入的交流电调至相电压220V。
记录
、
、
值，验证电压三角形关系。
数据填入表1。
表1
测量值
计算值
（V）
（V）
（V）
（
、
组成Rt）
U
U/U
图5-1RC串联电路
（a）（b）
图5-2日光灯测试电路
2.日光灯安装与测量
如图5-2所示的实验电路，调节自耦调压器的输出，使其输出电压缓慢增加，直到日光灯刚启辉点亮为止，记下三表的指示值。
然后将电压调至220V，测量功率P，电流I，电压U、
、
等值，验证电压、电流相量关系。
数据填入表2中。
表2
测量数值
计算值
P（W）
I（A）
U（V）
（V）
（V）
cos
r（）
启辉值
正常工作值
3.功率因数的改善
我们通过并联电容器来提高功率因数。
按图5-3组成实验线路。
调节自耦调压器的输出至220Ｖ，记录功率表，电压表，电流表的读数。
改变电容值，进行三次重复测量。
数据记入表3。
表3
电容值
测量数值
计算值
（F）
P（W）
U（V）
I（A）
IC（A）
I′（A）
cos
图5-3 功率因数测试电路
五、实验注意事项
1.本实验用交流市电220V，务必注意用电和人身安全。
2.功率表要正确接入电路，读数时要注意量限和实际读数的折算关
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