《电工与电子技术》实验指导书.docx
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《电工与电子技术》实验指导书
天津理工大学
《电工与电子技术》实验指导书
课程代码：
0862243
年月日
实验一：
直流电路实验
一、实验目的
1.加深对戴维宁定理的理解；
2.学习有源二端网络等效电动势和等效内阻的测量方法；
3.熟悉稳压电源、数字万用表的使用；
二、实验设备
1.数字万用表一块
2.直流稳压电源两台
3.电阻若干只
4.导线若干根
三、实验原理
任何一个线性有源二端网络都可以用一个电动势为E、内阻为R0的等效电压源代替。
如图1-1所示。
等效电压源的电动势E就是有源二端网络的开路电压UOC，如图1-2（a）所示。
等效电压源的内阻RO就是有源二端网络除源后（有源二端网络变为无源二端网络）两端之间的等效电阻，如图1-2（b）所示。
除源是指将原有源二端网络内所有电源的作用视为零，即将理想电压源视为短路、理想电流源视为开路。
（a）原电路（b）戴维宁等效电路
图1-1戴维宁等效电路
（a）开路电压（b）等效电阻
图1-2等效量的求解
在电路分析中，若只需计算某一支路的电流和电压，应用戴维宁定理就十分方便。
只要将该待求支路划出，其余电路变为一个有源二端网络，根据戴维宁定理将其等效为一个电压源，如图1-1（b）所示。
只要求出等效电压源的电动势E和内阻RO，则待求支路电流即为
四、实验内容和步骤
1.实验电路连接及参数选择
实验电路如图1-3所示。
由R1、R2和R3组成的T型网络及直流电源US构成线性有源二端网络。
可调电阻箱作为负载电阻RL。
图1-3验证电路
在实验台上按图1-3所示电路选择电路各参数并连接电路。
参数数值及单位填入表1-1中。
表1-1实验线路元件参数
R1
R2
R3
US
RL
2.戴维宁等效电路参数理论值的计算
根据图1-3给出的电路及实验步骤1所选择参数计算有源二端网络的开路电压UOC、短路电流ISC及等效电阻RO并记入表1-2中。
图1-4测开路电压UOC图1-5测短路电流ISC
（1）开路电压UOC可以采用电压表直接测量，如图1-4所示。
直接用万用表的电压档测量电路中有源二端网络端口（N-P）的开路电压UOC，见图1-4，结果记入表1-2中。
（2）等效内阻RO的测量可以采用开路电压、短路电流法。
当二端网络内部有源时，测量二端网络的短路电流ISC，电路连接如图1-5所示，计算等效电阻RO=UOC/ISC，结果记入表1-2中。
表1-2开路电压、短路电流及等效电阻RO实验记录
被测量
理论计算值
实验测量值
开路电压UOC（V）
短路电流ISC（A）
等效电阻RO=UOC/ISC（Ω）
4.验证戴维宁定理、理解等效的概念
（1）测量原有源二端网络外接负载时的电流、电压
将图1-3的原有源二端网络外接负载RL，测量RL上的电流IL及端电压UL，结果记入表1-3中，并与前一步实验结果进行比较，验证戴维宁定理。
（2）测量戴维宁等效电路外接同样负载时的电流、电压
①组成戴维宁等效电路
根据表1-3的实验数据，调节稳压电源输出电压值E，使E=UOC，调节一个可调电阻箱，使其阻值为RO，查阅表1-1中作为负载RL的阻值，用另一个可调电阻箱作为负载RL，组成如图1-1（b）所示戴维宁等效电路。
②测量戴维宁等效电路负载电阻RL上的电流IL及端电压UL，结果记入表1-3中。
表1-3验证戴维宁定理
被测量
UL（V）
IL（mA）
戴维宁等效电路
原有源二端网络
五、实验内容与报告要求：
1．根据图1-3所示电路及参数，计算UOC、ISC、RO，填入表3-2中。
2．用开路电压、短路电流法测量等效电阻时，能否同时进行开路电压和短路电流的测量？
为什么？
3.根据实验数据，验证戴维宁定理。
4.分析产生误差的原因
六、思考题：
1.在求戴维宁等效电路时，作短路试验，测ISC的条件是什么？
在本实验中可否直接作负载短路实验？
请实验前对线路图1-3预先做好计算，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。
3．思考实验收获和存在问题？
实验二：
RC一阶电路实验
一、实验目的
研究RC一阶电路的零输入响应、零状态响应和全响应的规律和特点。
学习一阶电路时间常数的测量方法，了解电路参数对时间常数的影响。
掌握微分电路和积分电路的基本概念。
二、实验装置和工具
1．双踪示波器；
2．NDG-04（信号源）；
3．NDG-13（电路原理二）
三、实验原理
1．RC一阶电路的零状态响应
RC一阶电路如图2－1所示，开关S在‘1’的位置，ｕC＝0，处于零状态，当开关S合向‘2’的位置时，电源通过R向电容C充电，ｕC（ｔ）称为零状态响应，
变化曲线如图2－2所示，当ｕC上升到
所需要的时间称为时间常数
，
。
2．ＲＣ一阶电路的零输入响应
在图2－1中，开关S在‘2’的位置电路稳定后，再合向‘1’的位置时，电容C通过R放电，ｕC（ｔ）称为零输入响应，
变化曲线如图2－3所示，当ｕC下降到
所需要的时间称为时间常数
，
。
3．测量ＲＣ一阶电路时间常数
图2－1电路的上述暂态过程很难观察，为了用普通示波器观察电路的暂态过程，需采用图2－4所示的周期性方波ｕS作为电路的激励信号，方波信号的周期为T，只要满足
，便可在示波器的荧光屏上形成稳定的响应波形。
电阻R、电容C串联与方波发生器的输出端连接，用双踪示波器观察电容电压ｕC，便可观察到稳定的指数曲线，如图2－5所示，在荧光屏上测得电容电压最大值
，取
，与指数曲线交点对应时间ｔ轴的ｘ点，则根据时间ｔ轴比例尺（扫描时间
），该电路的时间常数
。
4．微分电路和积分电路
在方波信号ｕＳ作用在电阻R、电容C串联电路中，当满足电路时间常数
远远小于方波周期T的条件时，电阻两端（输出）的电压ｕＲ与方波输入信号ｕＳ呈微分关系，
，该电路称为微分电路。
当满足电路时间常数
远远大于方波周期T的条件时，电容C两端（输出）的电压ｕC与方波输入信号ｕＳ呈积分关系，
，该电路称为积分电路。
微分电路和积分电路的输出、输入关系如图2－6（ａ）、（ｂ）所示。
四、实验内容和步骤
实验电路如图2－7所示，图中电阻R、电容C从NDG-13组件上选取，用双踪示波器观察电路激励（方波）信号和响应信号。
ｕS为方波输出信号，将信号源的“波形选择”开关置方波信号位置上，将信号源的信号输出端与示波器探头连接，接通信号源电源，调节信号源的频率旋钮（包括“频段选择”开关、频率粗调和频率细调旋钮），使输出信号的频率为１kHZ（由频率计读出），调节输出信号的“幅值调节”旋钮，使方波的峰－峰值ＶＰ－Ｐ＝２Ｖ，固定信号源的频率和幅值不变。
1．ＲＣ一阶电路的充、放电过程
（1）测量时间常数τ：
令Ｒ=10kΩ，Ｃ＝0.01μF，用示波器观察激励ｕS与响应ｕC的变化规律，测量并记录时间常数
。
（2）观察时间常数
（即电路参数R、C）对暂态过程的影响：
令Ｒ＝10kΩ，Ｃ=0.01μＦ，观察并描绘响应的波形，继续增大Ｃ（取0.01μF～0.1μF）或增大R（取１０kΩ、30kΩ），定性地观察对响应的影响。
2．微分电路和积分电路
（1）积分电路：
令Ｒ=100ｋΩ，Ｃ＝0.0１μＦ，用示波器观察激励ｕS与响应ｕC的变化规律。
（2）微分电路：
将实验电路中的Ｒ、Ｃ元件位置互换，令Ｒ=100KΩ，Ｃ＝0.0１μＦ，用示波器观察激励ｕS与响应ｕR的变化规律。
五、实验报告要求：
1．根据实验1
（1）观测结果，绘出ＲＣ—阶电路充、放电时ＵC与激励信号对应的变化曲线，由曲线测得值，并与参数值的理论计算结果作比较，分析误差原因。
2．根据实验2观测结果，绘出积分电路、微分电路输出信号与输入信号对应的波形。
六、思考题：
1．在ＲＣ一阶电路中，当Ｒ、Ｃ的大小变化时，对电路的响应有何影响？
2．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？
这两种电路有何功能？
实验三：
功率因数提高实验
一、实验目的
1．研究感性负载并联电容提高功率因数的方法，进一步领会提高功率因数的实际意义；
2．学会联接日光灯电路，并了解日光灯电路各部件的作用；
3．学会使用功率表。
二、实验装置和工具
1．NDG-01（交流仪表）；
2．QS-DY03（交流电源）；
3．NDG-08（日光灯组件）；
4．NDG---12
5．电流表
三、实验原理
日光灯由灯管、镇流器和起辉器三部分组成。
灯管：
是一根玻璃管，内壁均匀涂有薄薄一层萤光物质，管的两端是灯丝，管内抽成真空有水银蒸气和氩气，接上电源后，灯丝通过起辉器和镇流器构成闭合电路，这时电流使灯丝预热。
当起辉器跳开，通过镇流器的电流突然中断，于是它产生一个很高的感应电压（500伏左右，甚至更高），加在管子两端，使管子产生辉光发电，激出萤光。
起辉后，管子两端的电压只有80左右，其余电压降在镇流器上，因此，日光灯管不能直接接在220伏电源上，必须与相应的镇流器配套使用。
起辉器：
是一个自动开关‘它有两个电极’一个是固定片，另一个是用双金属片做成的动片，一起封装在一个玻璃泡内，并充以惰气。
玻璃泡外面还有一个小电容器，和泡内两电极并联着，为的是防止电极由通到断开时产生的电火花烧坏电极和对无线电设备的干扰。
两电极间未加电压时是断开的，当电源电压加上后，产生辉光放电，双金属片受热膨胀两极接通起到预热灯丝的作用。
电极接通后，辉光消失，双金属片冷却，恢复原状，电极断开，使镇流器产生脉冲高压，使日光灯管产生辉光放电而发光。
镇流器：
是一个带铁芯的电感线圈，在起辉器触头断开时，通过它的电流突然变化到零。
由电磁感应定律eL
可知，将产生一个高电压加在灯管两端，使灯管起辉。
这时电流通过灯管内部和镇流器联成通路，电路进入稳定工作状态后，镇流器起降压和限流的作用。
由于镇流器是一个大电感负载，因而日光灯电路的功率因数很低，只有0.5左右。
四、实验内容和步骤
1．按图3—1接好线路，K1、K2、K3先断开；
2．经检查无误后，送电待日光灯启动完毕，正常运行后读取功率P和支路电流I，记表3—1；
3．合上K1，重复2，合上K2重复2，合上K3重复2。
图3—1
表3—1
补偿电容
P
I
IC
IL
cos
=P/UI
未并电容
1μf
2.2μf
4.3μf
五、实验报告要求：
1、认真做实验，记录实验数据。
2、讨论从表3—1中的数据中，你发现P、I、IC、IL中那些是电容量的变量，那些是常量？
。
3、整理实验数据，分析实验结果，认真书写实验报告，并回答思考题。
六、思考题：
1．并联电容器后，功率因数是否提高？
是否并入电容越大越好？
2．串联电容也能使功率因数提高，但为什么不采用此法？
3.一般的负载为什么功率因数较低？
负载较低的功率因数对供电系统有何影响？
为什么？
实验四：
三相电路实验
一、实验目的
1.掌握三相负载作星形联接、三角形联接的方法，验证这两种接法下线、相电压及线、相电流之间的关系。
2.充分理解三相四线供电系统中中线的作用。
二、实验设备及用具
1．NDG-01（交流仪表）；
2．QS-DY03（交流电源）；
3．NDG-10B（三相交流电路）；
三、实验原理
电源用三相四线制向负载供电，三相负载可接成星形（又称‘Ｙ’形）或三角形（又称‘Δ’形）。
当三相对称负载作‘Ｙ’形联接时，线电压ＵＬ是相电压ＵＰ的
倍，线电流ＩＬ等于相电流ＩＰ，即：
，流过中线的电流ＩN＝０；作‘Δ’形联接时，线电压ＵＬ等于相电压ＵＰ，线电流ＩＬ是相电流ＩＰ的
倍，即：
不对称三相负载作‘Ｙ’联接时，必须采用‘ＹＯ’接法，中线必须牢固联接，以保证三相不对称负载的每相电压等于电源的相电压（三相对称电压）。
若中线断开，会导致三相负载电压的不对称，致使负载轻的那一相的相电压过高，使负载遭受损坏，负载重的一相相电压又过低，使负载不能正常工作；对于不对称负载作‘Δ’联接时，ＩＬ≠
ＩＰ，但只要电源的线电压ＵＬ对称，加在三相负载上的电压仍是对称的，对各相负载工作没有影响。
本实验中，用三相调压器调压输出作为三相交流电源，用三组白炽灯作为三相负载，线电流、相电流、中线电流用电流插头和插座测量。
四、实验步骤与内容
1．三相负载星形联接（三相四线制供电）
图4-1
实验电路以实物为准，参考如图4－1所示，将白炽灯按图所示，连接成星形接法。
用三相调压器调压输出作为三相交流电源，具体操作如下：
将三相调压器的旋钮置于三相电压输出为0Ｖ的位置（即逆时针旋到底的位置），然后旋转旋钮，调节调压器的输出，使输出的三相线电压为220Ｖ。
测量线电压和相电压，并记录数据。
（1）在有中线的情况下，测量三相负载对称和不对称时的各相电流、中线电流和各相电压，将数据记入表4－1中，并记录各灯的亮度。
（2）在无中线的情况下，测量三相负载对称和不对称时的各相电流、各相电压和电源中点N到负载中点Nˊ的电压UNNˊ，将数据记入表4－1中，并记录各灯的亮度。
表4—1负载星形联接实验数据
中线
连接
开关状态
负载相电压（Ｖ）
电流（A）
UNN
（V）
亮度比较
A、B、C
UA
UB
UC
IA
IB
IC
IN
有
S1~S9闭合
S1、S2、S3、S4、S5、S6闭合；S7、S8、S9断开
S1、S2、S3闭合；S4、S5、S6、S7、S8、S9断开
无
S1闭合；S4、S5、S6、S7、S8、S9断开
S1、S2、S3、S7、S8、S9闭合；S4、S5、S6断开
S1~S9闭合
2．三相负载三角形联接
图4-2
实验电路以实物为准，参考如图4－2所示，将白炽灯按图所示，连接成三角形接法。
调节三相调压器的输出电压，使输出的三相线电压为220V，测量三相负载对称和不对称时的各相电流、线电流和各相电压，将数据记入表24－2中，并记录各灯的亮度。
表4—2负载三角形联接实验数据
开关状态
相电压（Ｖ）
线电流（Ａ）
相电流（Ａ）
亮度比较
UAB
UBC
UCA
IA
IB
IC
IAB
IBC
ICA
S1~S9闭合
S1、S2、S3闭合；S4、S5、S6、S7、S8、S9断开
五、实验报告与要求
1．根据实验数据，在负载为星形连接时，
在什么条件下成立？
在三角形连接时，
在什么条件下成立？
2．用实验数据和观察到的现象，总结三相四线制供电系统中中线的作用。
3．不对称三角形联接的负载，能否正常工作？
实验是否能证明这一点？
4．对称负载三角形联接时的实验数据，画出各相电压、相电流和线电流的相量图，并证实实验数据的正确性。
六、思考题：
1.三相负载根据什么条件作星形或三角形连接？
2.复习三相交流电路有关内容，试分析三相星形联接不对称负载在无中线情况下，当某相负载开路或短路时会出现什么情况？
如果接上中线，情况又如何？
3.本次实验中为什么要通过三相调压器将380V的市电线电压降为220V的线电压使用？
实验五：
常用电子仪器的使用
一、实验目的
1．学习电子电路实验中常用的电子仪器：
示波器、信号发生器、交流毫伏表、数字频率计等的主要技术指标、性能及正确使用方法。
2．初步掌握用双踪示波器观察正弦信号波形和读取波形参数的方法。
二、实验设备
1、低频信号发生器1台
2、直流稳压电源1台
3、双踪示波器1台
4、毫伏表1台
5、万用表1块
三、实验原理
在模拟电子电路实验中，经常使用的电子仪器有示波器、函数信号发生器、直流稳压电源、交流毫伏表及频率计等。
它们和万用表一起，可以完成对模拟电子电路静态和动态工作情况的测试。
实验中要对各种电子仪器进行综合使用，可按照信号流向，以连线简捷，调节顺手，观察与读数方便等原则进行合理布局，各仪器与被测实验装置之间的布局与连接如图5-1所示。
接线时应注意，为防止外界干扰，各仪器的公共接地端应连接在一起，称“共地”。
信号源和交流毫伏表的引线通常用屏蔽线或专用电缆线，示波器接线使用专用电缆线，直流电源的接线用普通导线。
图5-1模拟电子电路中常用电子仪器布局图
1．双踪示波器
双踪示波器原理和使用可见说明书，现着重指出下列几点：
1）寻找扫描光迹点
在开机半分钟后，如仍找不到光点，可调节亮度旋钮，关下“寻迹”板键，从中判断光点位置然后适当调节（）和水平（
）移位旋钮，将光点移到荧光屏的中心位置。
2）为显示稳定的波形，需注意示波器面板上的下列各控制开关（或旋钮）的位置。
a．“扫描速率”开关（t/div）—它的位置应根据被观察信号的周期来确定。
b．“触发源选择”开关（内、外）—通常选为内触发。
c．“内触发源选择”开关—通常置于常态（推进位置）。
此时对单一从YA或YB输入的信号均能同步，仅在作双路同时显示时，为比较两个波形的相对位置，才将其置于拉出（拉YB）位置，此时触发信号仅取自YB，故仅对由YB输入的信号同步。
d．“触发方式”开关—通常可先置于“自动”位置，以便找到扫描线或波形，如波形稳定情况较差，再置于“高频”或“常态”位置，但必须同时调节电平旋钮，使波形稳定。
3）示波器有五种显示方式
属单踪显示有“YA”“YB”“YA+YB”；属双踪显示有“交替”与“断续”。
作双踪显示时，通常采用“交替”显示方式。
仅当被观察信号频率很低时（如几十赫兹以下），为在一次扫描过程中同时显示两个波形，才采用“断续”显示方式。
4）在测量波形的幅值时，应注意Y轴灵敏度“微调”旋钮置于“校准”位置（顺时钟旋到底）。
在测量波形周期时，应将扫描速率“微调”旋钮置于“校准”位置（顺时钟旋到底），扫描速率“扩展”旋钮置于“推进”位置。
2．信号源
输出正弦波方波，锯齿波等；
输出电压幅值9V；
输出电压频率0HZ～1MHZ。
3．交流毫伏表
测量正弦交流电压；
工作频率范围：
1HZ—2MHZ
工作电压范围：
1mV—400V
测量前应先把量程开关置较大量程挡位，然后调零，并逐渐减小量程挡位。
四、实验内容
1．测量示波器内的校准信号
用机内校准信号（方波f=1KHz2%），电压幅度（1V30%）对示波器进行自检。
（1）调出波形
a．将示波器校准信号输出端通过专用电缆与YA（或YB）输入插口接通，调节示波器各有关旋钮，将触发方式开关置“自动”位置，触发源选择开关置“内”，内触发选择开关置常态，对校准信号的频率和幅值正确选择扫速开关（t/div）及Y轴灵敏度开关（V/div）位置，则在荧光屏上可显示出一个或数个周期的方波。
b．分别将触发方式开关置“高频”和“常态”位置，并同时调节触发电平旋钮，调出稳定波形。
体会三种触发方式的操作特点。
（2）校准“校准信号”幅度
将Y轴灵敏度微调旋钮置“校准”位置，Y轴灵敏度开关置适当位置，读取校准信号幅度，记入表5-1中。
表5-1
标准值*
实测值
幅度
1V（P-P）
频率
1KHZ
上升沿时间
2S
下降沿时间
2S
注：
不同的型号示波器标准值可以有所不同，以上只是给初学者一个格式。
请视不同的示波器填入不同的标称值。
（3）校准“校准信号”频率
将扫速微调旋钮置“校准”位置，扫速开关置适当位置，读取校准信号周期，并用数字频率计进行校核，记入表5-1中。
（4）测量校准信号的上升时间和下降时间
调节“Y轴灵敏度”开关位置及微调旋钮，并移动波形，使方波波形在垂直方向上正好占据中心轴上，且上、下对称，便于阅读。
通过扫速开关逐级提高扫描速度，使波形在X轴方向扩展（必要时可以利用“扫速扩展”开关将波形再扩展10倍），并同时调节触发电平旋钮，从荧光屏上清楚的读出上升时间和下降时间，记入表5-1中。
2．测量信号源输出电压波形及频率
令信号源输出的频率分别为100Hz、1KHz、10KHz、100HKz（数字频率计测量值），有效值均为1V（交流毫伏表测量）。
改变示波器扫速开关及Y轴灵敏度开关位置，测量信号源输出电压频率及峰峰值，记入表5-2中。
表5-2
信号电压
实测值
信号电压
实测值
频率计读数
周期（ms）
频率（Hz）
毫伏表读数（V）
峰峰值（V）
有效值（V）
100Hz
1KHz
10KHz
100KHz
用示波器测量两波形间相位关系。
（1）观察双踪显示波形“交替”与“断续”两种显示方式的特点。
YA、YB均不加输入信号，扫速开关置扫速较低挡位（如0.5s/div挡）和扫速较高挡位（如5s/div档），把“显示方式”开关分别置于“交替”和“断续”位置，观察两条扫描线的显示特点，记录之。
（2）用双踪显示测量两波形间相位关系
图5-3
按图5-3连接实验电路，将信号源的输出电压调至频率为1KHz，幅值为2V，经RC移相网络获得频率相同但相位不同的两路信号ui和uR，分别加到示波器的YA和YB输入端。
把显示方式开关置“交替”档位，将YA和YB输入耦合方式开关置“”档位，调节YA、YB的移位旋钮，使两条扫描基线重合，再将YA、YB输入耦合方式开关置“AC”挡位，调节扫速开关及YA、YB灵敏度开关位置，同时将内触发源选择（拉YB）开关拉出，此时在荧屏上将显示出ui和uR两个相位不同的正弦波形，如图1-4-4所示。
根据两波形在水平方向差距X，则两波形相位差为
式中：
XT一周期所占刻度片格数
x两波形在x轴方向差距格数
记录两波形相位差于表5-3中。
为读数和计算方便，可适当调节扫速开关及微调旋钮，使波形一周期占整数格。
图5-4
表5-3
一周期格数
两波形在X轴相差格数
相位差
实测值
计算值
XT=
X=
Q=
Q=
五、实验报告要求
1．整理实验数据，并进行分析。
2．问题讨论。
（1）双踪示波器采用“常态”、“自动”二种触发方式有什么区别?
通过实验对它们的操作特点及适用场合加以总结。
（2）分析内触发源选择开关置于常态和拉YB时，稳定不同输入通道（YA和YB）波形的影响。
（3）用双踪显示波形，并要求比较相位时，为在荧光屏上得到稳定波形，应怎样选
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