电路分析实验基尔霍夫定律的验证讲解.docx
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电路分析实验基尔霍夫定律的验证讲解
《电路分析实验》目录
一、基尔霍夫定律的验证……………………………………………………………………1
二、叠加原理的验证…………………………………………………………………………2
三、戴维南定理和诺顿定理的验证…………………………………………………………4
四、RC一阶电路的响应测试……………………………………………………………7
五、RLC串联揩振电路的研究…………………………………………………………………10
六、RC选频网络特性测试………………………………………………………………13
实验一 基尔霍夫定律的验证
一、实验目的
1.验证基尔霍夫定律的正确性，加深对基尔霍夫定律的理解。
2.学会用电流插头、插座测量各支路电流。
二、原理说明
基尔霍夫定律是电路的基本定律。
测量某电路的各支路电流及每个元件两端的电压，应能分别满足基尔霍夫电流定律（KCL）和电压定律（KVL）。
即对电路中的任一个节点而言，应有ΣI＝0；对任何一个闭合回路而言，应有ΣU＝0。
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（同实验二）
四、实验内容
实验线路与实验五图5-1相同，用DG05挂箱的“基尔霍夫定律/叠加原理”线路。
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5-1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和FBCEF。
2.分别将两路直流稳压源接入电路，令U1＝6V，U2＝12V。
3.熟悉电流插头的结构，将电流插头的两端接至数字毫安表的“＋、－”两端。
4.将电流插头分别插入三条支路的三个电流插座中，读出并记录电流值。
5.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。
被测量
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.同实验二的注意1，但需用到电流插座。
2．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。
3.防止稳压电源两个输出端碰线短路。
4.用指针式电压表或电流表测量电压或电流时，如果仪表指针反偏，则必须调换仪表极性，重新测量。
此时指针正偏，可读得电压或电流值。
若用数显电压表或电流表测量，则可直接读出电压或电流值。
但应注意：
所读得的电压或电流值的正确正、负号应根据设定的电流参考方向来判断。
六、预习思考题
1.根据图5-1的电路参数，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。
5.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，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（即在电路中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
0~30V可调
二路
DG04
2
万用表
1
自备
3
直流数字电压表
0~200V
1
D31
4
直流数字毫安表
0~200mV
1
D31
5
迭加原理实验电路板
1
DG05
四、实验内容
实验线路如图7-1所示，用DG05挂箱的“基尔夫定律/叠加原理”线路。
图7-1
1.将两路稳压源的输出分别调节为12V和6V，接入U1和U2处。
2.令U1电源单独作用（将开关K1投向U1侧，开关K2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的电压，数据记入表7-1。
表7-1
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）
UFA
（V）
U1单独作用
U2单独作用
U1、U2共同作用
2U2单独作用
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的测量和记录，数据记入表7-1。
4.令U1和U2共同作用（开关K1和K2分别投向U1和U2侧），重复上述的测量和记录，数据记入表7-1。
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7-1。
6.将R5（330Ω）换成二极管1N4007（即将开关K3投向二极管IN4007侧），重复1～5的测量过程，数据记入表7-2。
7.任意按下某个故障设置按键，重复实验内容4的测量和记录，再根据测量结果判断出故障的性质。
表7-2
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）
UFA
（V）
U1单独作用
U2单独作用
U1、U2共同作用
2U2单独作用
五、实验注意事项
1.用电流插头测量各支路电流时，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.在叠加原理实验中，要令U1、U2分别单独作用，应如何操作？
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7-2的数据，你能得出什么样的结论？
4.心得体会及其他。
实验三 戴维南定理和诺顿定理的验证
──有源二端网络等效参数的测定
一、实验目的
1.验证戴维南定理和诺顿定理的正确性，加深对该定理的理解。
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，总可以用一个电压源与一个电阻的串联来等效代替，此电压源的电动势Us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。
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的并联组合来等效代替，此电流源的电流Is等于这个有源二端网络的短路电流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、短路电流法测R0
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，则等效内阻为
Uoc
R0＝──
Isc图9-1
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）伏安法测R0
用电压表、电流表测出有源二端网
络的外特性曲线，如图9-1所示。
根据
外特性曲线求出斜率tgφ，则内阻
△U Uoc
R0＝tgφ＝──＝──。
△I Isc
也可以先测量开路电压Uoc，图9-2
再测量电流为额定值IN时的输出
Uoc－UN
端电压值UN，则内阻为R0＝────。
IN
（3）半电压法测R0
如图9-2所示，当负载电压为被测网络开
路电压的一半时，负载电阻（由电阻箱的读数
确定）即为被测有源二端网络的等效内阻值。
（4）零示法测UOC图9-3
在测量具有高内阻有源二端网络的开路电压时，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9-3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。
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
1
DG04
2
可调直流恒流源
0～500mA
1
DG04
3
直流数字电压表
0～200V
1
D31
4
直流数字毫安表
0～200mA
1
D31
5
万用表
1
自备
6
可调电阻箱
0～99999.9Ω
1
DG09
7
电位器
1K/2W
1
DG09
8
戴维南定理实验电路板
1
DG05
四、实验内容
被测有源二端网络如图9-4（a）。
（a）图9-4（b）
Uoc
（v）
Isc
（mA）
R0=Uoc/Isc
（Ω）
1.用开路电压、短路电流法测定戴维南等效
电路的Uoc、R0和诺顿等效电路的ISC、R0。
按
图9-4（a）接入稳压电源Us=12V和恒流源Is=10mA，
不接入RL。
测出UOc和Isc,并计算出R0。
（测UOC
时，不接入mA表。
）
2.负载实验
按图9-4（a）接入RL。
改变RL阻值，测量有源二端网络的外特性曲线。
U（v）
I（mA）
3.验证戴维南定理：
从电阻箱上取得按步骤“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9-4（b）所示，仿照步骤“2”测其外特性，对戴氏定理进行验证。
U（v）
I（mA）
4.验证诺顿定理：
从电阻箱上取得按步骤“1”所得的等效电阻R0之值，然后令其与直流恒流源（调到步骤“1”时所测得的短路电流ISC之值）相并联，如图9-5所示，仿照步骤“2”测其外特性，对诺顿定理进行验证。
U（v）
I（mA）
5.有源二端网络等效电阻（又称入端电阻）的直接测量法。
见图9-4（a）。
将被测有源网络内的所有独立源置零（去掉电流源IS和电压源US，并在原电压源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表的欧姆档去测定负载RL开路时A、B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。
6.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.测量时应注意电流表量程的更换。
2.步骤“5”中，电压源置零时不可将
稳压源短接。
3.用万表直接测R0时，网络内的独立
源必须先置零，以免损坏万用表。
其次，欧
姆档必须经调零后再进行测量。
图9-5
4.用零示法测量UOC时，应先将稳压电源的输出调至接近于UOC，再按图9-3测量。
5.改接线路时，要关掉电源。
六、预习思考题
1.在求戴维南或诺顿等效电路时，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9-4（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、3、4，分别绘出曲线，验证戴维南定理和诺顿定理的正确性，并分析产生误差的原因。
2.根据步骤1、5、6的几种方法测得的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量方法。
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观测波形。
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。
要用普通示波器观察过渡过程和测量有关的参数，就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，即利用方波输出的上升沿作为零状态响应的正阶跃激励信号；利用方波的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，那么电路在这样的方波序列脉冲信号的激励下，它的响应就和直流电接通与断开的过渡过程是基本相同的。
2.图13-1（b）所示的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:
用示波器测量零输入响应的波形如图13-1（a）所示。
根据一阶微分方程的求解得知uc＝Ume-t/RC＝Ume-t/τ。
当t＝τ时，Uc（τ）＝0.368Um。
此时所对应的时间就等于τ。
亦可用零状态响应波形增加到0.632Um所对应的时间测得，如图13-1（c）所示。
τ
τ
a）零输入响应（b）RC一阶电路（c）零状态响应
图13-1
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两端的电压作为响应输出，则该电路就是一个微分电路。
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。
如图13-2（a）所示。
利用微分电路可以将方波转变成尖脉冲。
（a）微分电路（b）积分电路
图13-2
若将图13-2（a）中的R与C位置调换一下，如图13-2（b）所示，由C两端的电压作为响应输出，且当电路的参数满足τ＝RC>>
，则该RC电路称为积分电路。
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。
利用积分电路可以将方波转变成三角波。
从输入输出波形来看，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
DG03
2
双踪示波器
1
自备
3
动态电路实验板
1
DG07
四、实验内容
实验线路板的器件组件，如图13-3所示，请认清R、C元件的布局及其标称值，各开关的通断位置等。
1.从电路板上选R＝10KΩ，C＝6800pF组成如图13-1（b）所示的RC充放电电路。
ui为脉冲信号发生器输出的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ui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，请测算出时间常数τ，并用方格纸按1:
1的比例描绘波形。
少量地改变电容值或电阻值，定性地观察对响应的影响，记录观察到的现象。
2.令R＝10KΩ，C＝0.1μF，观察并描绘响应的波形，继续增大C之值，定性地观察对响应的影响。
3.令C＝0.01μF，R＝100Ω，组成
如图13-2（a）所示的微分电路。
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，定性地观察对响应的影响，
并作记录。
当R增至1MΩ时，输入输出波
形有何本质上的区别？
五、实验注意事项
1.调节电子仪器各旋钮时，动作不要过快、
过猛。
实验前，需熟读双踪示波器的使用说明
书。
观察双踪时，要特别注意相应开关、旋钮图13-3动态电路、选频电路实验板
的操作与调节。
2.信号源的接地端与示波器的接地端要连在一起（称共地），以防外界干扰而影响测量的准确性。
3.示波器的辉度不应过亮，尤其是光点长期停留在荧光屏上不动时，应将辉度调暗，以延长示波管的使用寿命。
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源？
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，拟定测量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？
4.预习要求：
熟读仪器使用说明，回答上述问题，准备方格纸。
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 R、L、C串联谐振电路的研究
一、实验目的
1.学习用实验方法绘制R、L、C串联电路的幅频特性曲线。
2.加深理解电路发生谐振的条件、特点，掌握电路品质因数（电路Q值）的物理意义及其测定方法。
二、原理说明
1.在图19-1所示的R、L、C串联电路中，当正弦交流信号源的频率f改变时，电路中的感抗、容抗随之而变，电路中的电流也随f而变。
取电阻R上的电压uo作为响应，当输入电压ui的幅值维持不变时，在不同频率的信号激励下，测出UO之值，然后以f为横坐标，以UO/Ui为纵坐标（因Ui不变，故也可直接以UO为纵坐标），绘出光滑的曲线，此即为幅频特性曲线，亦称谐振曲线，
如图19-2所示。
图19-1
图19-2
2.在f＝f0＝
处，即幅频特性曲线尖峰所在的频率点称为谐振频率。
此时XL＝Xc，电路呈纯阻性，电路阻抗的模为最小。
在输入电压Ui为定值时，电路中的电流达到最大值，且与输入电压ui同相位。
从理论上讲，此时Ui＝UR＝UO，UL＝Uc＝QUi，式中的Q称为电路的品质因数。
3.电路品质因数Q值的两种测量方法
一是根据公式Q＝
测定，UC与UL分别为谐振时电容器C和电感线圈L上的电压；另一方法是通过测量谐振曲线的通频带宽度△f＝f2－f1，再根据Q＝
求出Q值。
式中f0为谐振频率，f2和f1是失谐时，亦即输出电压的幅度下降到最大值的
（＝0.707）倍时的上、下频率点。
Q值越大，曲线越尖锐，通频带越窄，电路的选择性越好。
在恒压源供电时，电路的品质因数、选择性与通频带只决定于电路本身的参数，而与信号源无关。
三、实验设备
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
低频函数信号发生器
1
DG03
2
交流毫伏表
0～600V
1
D83
3
双踪示波器
1
自备
4
频率计
1
DG03
5
谐振电路实验电路板
R=200Ω，1KΩ
C=0.01μF，0.1μF，
L=约30mH
DG07
四、实验内容
1、按图19-3组成监视、测量电路。
先选用C1、R1。
用交流毫伏表测电压，用示波器监视信号源输出。
令信号源输出电压Ui=4VP-P，并保持不变。
图19-3
2.找出电路的谐振频率f0，其方法是，将毫伏表接在R（200Ω）两端，令信号源的频率由小逐渐变大（注意要维持信号源的输出幅度不变），当Uo的读数为最大时，读得频率计上的频率值即为电路的谐振频率f0，并测量UC与UL之值（注意及时更换毫伏表的量限）。
3.在谐振点两侧，按频率递增或递减500Hz或1KHz，依次各取8个测量点，逐点测出UO，UL，UC之值，记入数据表格。
f（KHz）
UO（V）
UL（V）
UC（V）
Ui=4VP-P,C=0.01μF,R=510Ω,fo=,f2-f1=,Q=
4.将电阻改为R2，重复步骤2，3的测量过程
f（KHz）
UO（V）
UL（V）
UC（V）
Ui=4VP-P,C=0.01μF,R=1KΩ,fo=,f2-f1=,Q=
5.选C2，重复2～4。
（自制表格）。
五、实验注意事项
1.测试频率点的选择应在靠近谐振频率附近多取几点。
在变换频率测试前，应调整信号输出幅度（用示波器监视输出幅度），使其维持在3V。
2.测量Uc和UL数值前，应将毫伏表的量限改大，而且在测量UL与UC时毫伏表的“＋”端应接C与L的公共点，其接地端应分
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