电路分析实验指导书级.docx
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电路分析实验指导书级
电路分析实验指导书
山东师范大学物理与电子科学学院
目录
实验一电路元件伏安特性的测量…………………………………………………2
实验二直流电路中电位、电压的关系研究………………………………………7
实验三基尔霍夫定律……………………………………………………………9
实验四叠加定理的验证…………………………………………………………12
实验五戴维南定理和诺顿定理的验证…………………………………………15
实验六电压源与电流源的等效变换……………………………………………20
实验七受控源特性测试…………………………………………………………23
实验八RC一阶电路的动态过程研究实验………………………………………28
实验九二阶动态电路响应的研究………………………………………………31
实验十RLC元件在正弦电路中的特性实验…………………………………34
实验十一RLC串联谐振电路的研究……………………………………………37
实验十二双口网络测试…………………………………………………………41
实验十三RC选频网络特性测试…………………………………………………43
附1常用电工仪表的使用…………………………………………………47
附2典型电信号的观察与测量…………………………………………………48
实验一电路元件伏安特性的测量
一、实验目的
1、学会识别常用电路和元件的方法。
2、掌握线性电阻、非线性电阻元件及电压源和电流源的伏安特性的测试方法。
3、学会常用直流电工仪表和设备的使用方法。
二、实验原理
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）表示，即I-U平面上的一条曲线来表征，即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1-1中a曲线所示，该直线的斜率等于该电阻器的电阻值。
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”的阻值相差几倍至几十倍，所以它的伏安特性曲线如图1-1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，其伏安特性曲线如图1-1中c曲线所示。
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剧上升，而反向电压从零一直增加到几十伏时，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曲线所示。
在反向电压开始增加时，其反向电流几乎为零，但当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。
注意：
流过稳压二极管的电流不能超过管子的极限值，否则管子会被烧坏。
图1-1各种电路元件的伏安特性曲线
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
0～30V或0～12V
1
2
万用表
1
3
直流数字毫安表
1
4
直流数字电压表
1
5
可调电位器或滑线变阻器
1
6
二极管
2CP15（或IN4007）
1
7
稳压管
2CW51
1
8
白炽灯
6.3V
1
9
线性电阻
1KΩ/1W
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UR、I。
图1-2
UR（V）
0
3
4
5
7
8
10
I（mA）
2、测定非线性白炽灯泡的伏安特性
将图1-2中的RL换成一只6.3V的汽车灯泡，重复1的步骤。
UR（V）
0
3
4
5
7
8
10
I（mA）
3、测定半导体二极管的伏安特性
按图1-3接线，R为限流电阻器。
测二极管的正向特性时，其正向电流不得超过35mA，二极管D的正向施压UD+可在0～0.75V之间取值，特别是在0.5～0.75V之间更应多取几个测量点。
做反向特性实验时，只需将图1-3中的二极管D反接，且其反向施压UD－可加到30V。
图1-3
正向特性实验数据
UD+（V）
0.10
0.30
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
I（mA）
反向特性实验数据
UD－（V）
-3
－5
－10
－20
－30
－35
－40
I（mA）
4、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3的测量。
测量点自定。
正向特性实验数据
UD+（V）
I（mA）
反向特性实验数据
UD－（V）
I（mA）
5、测定电压源伏安特性
图1-4
按图1-4连接电路图，调节U为5V，改变RL的值，测量U和I的值。
记入下表中：
RL（Ω）
100
200
300
500
600
700
800
I（mA）
U（V）
6、测定电流源伏安特性
图1-5
按图1-5接好电路图，调节RL的值，测出各种不同RL值时的I和U，记入表中：
RL（Ω）
100
200
300
500
600
700
800
I（mA）
U（V）
六、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35mA。
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，切勿使仪表超量程，仪表的极性亦不可接错。
七、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、在图1-3中，设U=3V，UD+=0.7V，则毫安表（mA）表读数为多少？
4、稳压二极管与普通二极管有何区别，其用途如何？
八、实验报告
1、根据各实验数据，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、归纳各被测元件的特性。
3、必要的误差分析。
实验二直流电路中电位、电压的关系研究
一、实验目的
1、验证电路中电位与电压的关系。
2、掌握电路电位图的绘制方法。
二、实验原理
在一个闭合电路中，各点电位的高低视所选的电位参考点的不同而改变，但任意两点间的电位差（即电压）则是绝对的，它不因参考点的变动而改变。
据此性质，我们可用一只电压表来测量出电路中各点的电位及任意两点间的电压。
电位图是一种平面坐标一、四象限内的折线图，其纵坐标为电位值，横坐标为各被测点。
要制作某一电路的电位图，应先以一定的顺序对电路中各被测点编号。
以图2-1的电路为例，如图中A～F，并在坐标轴上按顺序、均匀间隔标上A、B、C、D、E、F、A。
再根据测得的各点电位值，在各点所在的垂直线上描点。
用直线依次连接相邻两个电位点，即得该电路的电位图。
在电位图中，任意两个被测点的纵坐标值之差即为两点之间的电压值。
在电路中电位参考点可任意选定。
对于不同的参考点，所绘出的电位图形是不同的，但其各点电位变化的规律却是一样的。
在作电位图或实验测量时必须正确区分电位和电压的高低，按照惯例，是以电流方向上的电压降为正，所以，在用电压表测时，若仪表指针正向偏转，则说明电表正极的电位高于负极的电位。
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
0～30V或0～12V
1
2
直流稳压电源
6V、12V
3
万用表
1
4
直流数字毫安表
1
5
直流数字电压表
1
四、实验内容
图2-1
按图3-1接线。
1、分别将两路直流稳压电源接入电路，令U1=6V，U2=12V。
（先调整输出电压值，再接入实验线路中。
电压应该用万用表测）。
2、以图3-1中的A点作为电位的参考点，分别测量B、C、D、E、F各点的电位值φ及相邻两点之间的电压值UAB、UBC、UCD、UDE、UEF及UFA，数据列于表中。
3、以D点作为参考点，重复实验内容2的测量，测得数据填入表中。
电位
参考点
Φ与U
ΦA
ΦB
ΦC
ΦD
ΦE
ΦF
UAB
UBC
UCD
UDE
UEF
UFA
A
计算值
测量值
相对误差
D
计算值
测量值
相对误差
五、实验注意事项
1、本实验电路单元可设计多个实验，在做本实验时根据给出的电路图选择开关位置，连成本实验电路。
2、测量电位时，用万用表的直流电压档或用数字直流电压表测量时，用负表棒（黑色）接参考电位点，用正表棒（红色）接被测点，若指针正向偏转或显示正值，则表明该点电位为正（即高于参考点电位）；若指针反向偏转或显示负值，此时应调换万用表的表棒，然后读出数值，此时在电位值之前应加一负号（表明该点电位低于参考点电位）。
六、思考题
若以F点为参考电位点，实验测得各点的电位值，现令E点作为参考电位点，试问此时各点的电位值应有何变化？
七、实验报告
1、根据实验数据，绘制两个电位图形，并对照观察各对应两点间的电压情况。
两个电位图的参考点不同，但各点的相对顺序应一致，以便对照。
2、完成数据表格中的计算，对误差作必要的分析。
3、总结电位相对性和电压绝对性的结论。
实验三基尔霍夫定律
一、实验目的
1、加深对基尔霍夫定律的理解,用实验数据验证基尔霍夫定律。
2、学会用电流表测量各支路电流。
二、实验原理
1、基尔霍夫电流定律（KCL）：
基尔霍夫电流定律是电流的基本定律。
即对电路中的任一个节点而言，流入到电路的任一节点的电流总和等于从该节点流出的电流总和，即应有∑I=0。
2、基尔霍夫电压定律（KVL）：
对任何一个闭合回路而言，沿闭合回路电压降的代数总和等于零，即应有∑U=0。
这一定律实质上是电压与路径无关性质的反映。
基尔霍夫定律的形式对各种不同的元件所组成的电路都适用，对线性和非线性都适用。
运用上述定律时必须注意各支路或闭合回路中电流的正方向，此方向可预先任意设定。
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
0～30V或0～12V
1
2
直流稳压电源
6V、12V
3
万用表
1
4
直流数字毫安表
1
5
直流数字电压表
1
四、实验内容
实验线路如图3-1。
把开关K1接通U1，K2接通U2，K3接通R4。
就可以连接出基尔霍夫定律的验证单元电路，如图3-2。
图3-1
图3-2
1、实验前先任意设定三条支路和三个闭合回路的电流正方向。
图3-2中的I1、I2、I3的方向已设定。
三个闭合回路的电流正方向可设为ADEFA、BADCB、FBCEF。
2、分别将两路直流稳压源接入电路，令U1=8V，U2=12V。
3、用电流表分别测量三条支路的电流，并记录电流值。
4、用直流数字电压表分别测量两路电源及电阻元件上的电压值，记录之。
被测值
I1
mA
I2
mA
I3
mA
U1
（V）
U2
（V）
UFA
（V）
UAB
（V）
UAD
（V）
UCD
（V）
UDE
（V）
计算值
测量值
相对误差
五、实验注意事项
1、所有需要测量的电压值，均以电压表测量的读数为准。
U1、U2也需测量，不应取电源本身的显示值。
2、防止稳压电源两个输出端碰线短路。
3、所读得的电压或电流值的正、负号应根据设定的电流参考方向来判断。
4、测量时，应先估算电流、电压的大小，以选择合适的量程，以免损坏电表。
5、若用指针式电流表进行测量时，若指针反偏（电流为负值时），此时必须调换电流表极性，重新测量，此时指针正偏，但读得的电流值必须冠以负号。
六、预习思考题
1、根据图3-2的电路测量参数，计算出待测的电流I1、I2、I3和各电阻上的电压值，记入表中，以便实验测量时，可正确地选定毫安表和电压表的量程。
2、实验中，若用指针式万用表直流毫安档测各支路电流，在什么情况下可能出现指针反偏，应如何处理？
在记录数据时应注意什么？
若用直流数字毫安表进行测量时，则会有什么显示呢？
七、实验报告
1、根据实验数据，选定节点A，验证KCL的正确性。
2、根据实验数据，选定实验电路中的任一个闭合回路，验证KVL的正确性。
3、将支路和闭合回路的电流方向重新设定，重复1、2两项验证。
4、误差原因分析。
实验四叠加定理的验证
一、实验目的
1、验证线性电路叠加原理的正确性，加深对线性电路的叠加性和齐次性的认识和理解。
2、学习复杂电路的连接方法
二、实验原理
如果把独立电源称为激励，由它引起的支路电压、电流称为响应，则叠加原理可以简述为：
在有多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。
在含有受控源的线性电路中，叠加定理也是适用的。
但叠加定理不适用于功率计算，因为在线性网络中，功率是电压或者电流的二次函数。
线性电路的齐次性是指当激励信号（某独立源的值）增加或减少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
可调直流稳压电源
0～30V或0～12V
1
2
直流稳压电源
6V、12V切换
3
万用表
1
4
直流数字毫安表
1
5
直流数字电压表
1
四、实验内容
实验线路如图4-1所示。
图4-1叠加原理验证
1、将两路稳压源的输出分别调节为12V和6V，接到U1和U2处。
2、令U1电源单独作用（将开关K1投向U1,开关K2投向短路侧）。
用直流数字电压表和毫安表分别测量各支路电流及各电阻元件两端的电压，数据记入表4-1。
表4-1
测量项目
实验内容
U1
（V）
U2
（V）
I1
（mA）
I2
（mA）
I3
（mA）
UAB
（V）
UCD
（V）
UAD
（V）
UDE
（V）
UEA
（V）
U1单独作用
U2单独作用
U1、U2共同作用
3、令U2电源单独作用（将开关K1投向短路侧，开关K2投向U2侧），重复实验步骤2的测量并记录，数据记入表4-1。
4、令U1和U2共同作用（开关K1和开关K2分别投向U1和U2侧），重复上述测量，重复实验步骤2的测量并记录，数据记入表4-1。
5、将U2的数值调至+12V，重复上述第3项的测量并记录，数据记入表5-1。
6、将R4换成二极管IN4007，开关K3打向二极管IN4007侧，重复步骤1～5。
数据记入表4-2。
表4-2
测量项目实验内容
U1
（V）
U2
（V）
I1
（mA）
I2
（mA）
I3
（mA）
UAB
（V）
UCD
（V）
UAD
（V）
UDE
（V）
UEA
（V）
U1单独
作用
U2单独
作用
U1、U2
共同作用
五、实验注意事项
1、用电流表测量各支路电流时，或者用电压表测量电压降时，应注意仪表的极性，正确判断测得值的＋、－号后，记入数据表格。
2、注意仪表量程的及时更换。
六、预习思考题
1、可否直接将不作用的电源（U1或U2）短接置零？
2、实验电路中，若有一个电阻器改为二极管，试问叠加原理的叠加性与齐次性还成立吗？
为什么？
七、实验报告
1、根据实验数据表格，进行分析、比较、归纳、总结实验结论，即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、通过实验步骤6及分析表格4-2的数据，你能得出什么样的结论？
实验五戴维南定理和诺顿定理的验证
一、实验目的
1、验证戴维南定理和诺顿定理，加深对戴维南定理和诺顿定理的的理解。
2、掌握有源二端口网络等效电路参数的测量方法。
二、实验原理
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源，则可将电路的其余部分看作是一个有源二端口网络（或称为有源二端网络）。
戴维南定理指出：
任何一个线性有源二端口网络，总可以用一个电压源和一个电阻的串联来等效代替，如图5-1。
图5-1
其电压源的电动势US等于这个有源二端口网络的开路电压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。
诺顿定理指出：
任何一个线性有源网络，总可以用一个电流源与一个电阻并联组成来等效代替，如图5-2。
图5-2
此电流源的电流IS等于这个有源二端口网络的短路电流ISC，其等效内阻R0定义同戴维南定理。
UOC（US）和R0或者ISC（IS）和R0称为有源二端口网络的等效参数。
2、有源二端口网络等效参数的测量方法
（1）开路电压、短路电流法测R0
在有源二端口网络输出端开路时，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，其等效内阻为R0=UOC/ISC。
如果二端网络的内阻很小，若将其输出端口短路则易损坏其内部元件，因此不宜用此法。
（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5-3根据外特性曲线求出斜率tgФ,则内阻为
。
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
。
若二端网络的内阻值很低时，则不宜测其短路电流。
图5-3
（3）半电压法测R0
如图5-4所示，当负载RL的电压为被测网络开路电压的一半时，负载电阻（由电阻箱的读数确定）即为被测有源二端口网络的等效内阻值。
图5-4
（4）零示法测UOC
在测量具有高内阻有源二端口网络的开路电压时，用电压表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5-5所示。
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。
图5-5
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
0～30V或0～12V
1
2
可调直流恒流源
1
3
万用表
1
4
直流数字毫安表
1
5
直流数字电压表
1
6
电位器
470Ω
1
四、实验内容
被测有源二端网络如图5-6
图5-6
图5-6
1、用开路电压
升级会员 