电路实验讲义.docx
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电路实验讲义
电路分析原理实验讲义
杨志坤
2012年8月
教学目标：
㈠通过本课程学习，使学生直观地建立物理概念,巩固并加深对电路基本理论的
理解,训练并学会使用GDDS电工实验装置设备，基本掌握电工仪器仪表的正确
使用方法，熟悉电工技术的基本内容,掌握基本电参数测量方法及技巧，掌握安
全用电知识和技术。
㈡培养学生应用所学理论进行分析和解决实际问题的能力。
教学要求：
㈠学生应树立安全用电的意识，掌握安全用电的基本常识。
㈡学生实验前应认真预习，并完成实验预习部分内容。
㈢实验前应断开电源，按实验要求接好电路图，待指导老师检查完毕方可通电，
实验中若有意外事故发生，应迅速切断电源，并立即报告指导老师，事故处理完
毕才可重新开始实验。
实验一GDDS型高性能电工系统实验装置的使用
一、实验目的
⒈熟悉新型实验台电源的操作使用。
⒉熟悉新型电工测量仪表的结构、特性、使用方法。
⒊熟悉各模块的使用方法。
图1GDDS型高性能电工系统实验装置图
二、GDDS型高性能电工系统实验装置的组成及性能
序号
型号
名称
技术指标和技术性能
数量
备注
（1）
测量仪
表部分
JDV-21
①直流精密双显示电压表
A．基本精度与实验精度0.5级
B．量程：
0-2V-20V-200V-500V
C．数字和模拟双显示
D．超量程保护，声光报警，自动记
录，有超强过载能力，过载消除自
动恢复测量，过载时模拟指针表自动回零无任何冲击
E．自锁功能
F．手动复位功能
G．带计算机接口
1
JDA-21
②直流精密双显示电流表（毫安表与安培表组合）
A．本精度与实验精度0.5级，接入
电路不改变电路原始状态。
B．量程：
0-2mA-20mA-200mA
-0-1A-2A-5A
D．数字和模拟双显示
E．超量程保护，声光报警，自动记
录，有超强过载能力，过载消除自
动恢复测量，过载时模拟指针表自动回零无任何冲击
F．自锁功能
G．手动复位功能
H．带计算机接口
1
JDV-24
③交流精密双显示电压表
A．基本精度与实验精度0.5级
B．量程：
0-50V-250V-500V
C．数字和模拟双显示
D．超量程保护，声光报警，自动记
录，有超强过载能力，过载消除自
动恢复测量，过载时模拟指针表自动回零无任何冲击
E．自锁功能
F．手动复位功能
G．带计算机接口
1
JDA-11
④交流精密双显示电流表
A．基本精度与实验精度0.5级，接
入电路不影响电路原始状态。
B．量程：
0-200mA-1A-2A-10A
C．数字和模拟双显示
D．超量程保护，声光报警，自动记
录，有超强过载能力，接入220V电流，不会损坏仪表，过载消除自
动恢复测量，过载时模拟指针表自动回零无任何冲击
E．自锁功能
F．手动复位功能
G．带计算机接口
1
JWφ-33
⑤交流功率与功率因数组合表
A．功率基本精度与实验精度0.5级
B．量程：
0-20W-200W-2000W，分辨率为0.01W，功率因数量程：
-1—0—+1，1级
C．功率数显，功率因数指示显示
D．超量程保护，声光报警，自动记
录，有超强过载能力，过载消除自
动恢复测量
E．自锁功能
F．手动复位功能
G．带计算机接口
H．过载能区分电压过载还是电流过
载，负载能自动区分是容性负载还
是感性负载
1
（2）
电源部分
ZDY
①组合电源
实验台总电源由高分断能力三相四线空气开关、电流型漏电保护开关、带锁仪表开关、各种电源指示灯、2A保险管座、单相电源输出接线柱及二孔、三孔电源插座板等共装于同一面板上组成，具有过流、过载、漏电保护。
由三只电压表指示。
1
KTY
②三相和单相可调电源
A．0-250V连续可调（≥0.5KVA）
B．由电压表指示，熔断管2A
C．具有过流、过载、短路三重保护
D．三相0-450V连续可调（≥1.5KVA）
1
DDH
③多路输出大功率函数电源
A．同时实现正弦波、三角波、方波、单脉冲多路输出
B．带功率输出
C．幅值：
0-20V，连续可调
D．频率范围：
0-20KHz
E．频率显示同步进行
1
WDY
④稳压电源与稳流电压
A．稳压电源二路，0-25V/1A连续可调
B．电压表指示
C．具有过流、过载、短路过热多重保护
D．稳流一路0-200mA/25V连续可调
E．稳流一路用表指示
F．具有开路保护和过载、过流保护
1
（3）
实验部件
D01
①组合式大功率十进可变电阻箱
由4个十进制独立可调精密电阻箱与固定精密线绕电阻串联可形成0-99999Ω可调电阻，总功率为384W。
1
D02
②直流电路实验单元
由一个电阻、电容、二极管、稳压管、电位器、非线性电阻组成元件库和二个双口网络及一个桥式电路组成。
1
D03
③电路有源元件实验单元
由回转器、负阻器、VCCS及CCVS、运算放大器、电子开关等组成。
1
D04
④互感、日光灯实验单元
高品质因数线性互感器，日光灯控制单元组成。
1
D05
⑤三相阻容组合负载单元
由白炽灯、切换开关组，能进行单相和三相实验、三相对称与不对称实验，无中线实验，三相有功、无功功率，Y-△等实验
1
D06
⑥电容箱、单相变压器
步进可变电容箱（耐压＞600V），和单相变压器组成
1
D07
⑦交流接触器单元
三只交流接触器，直观性好
1
D08
⑧时间继电器、热继电器单元
1个数字式时间继电器，1只热继电器，三个控制按钮
1
（4）
实验装
置台体
实验装置台体
优质薄钢板，双层喷塑，台面绝缘密度板，下面设有带刹车的移动轮子和金属固定支撑装置
1
三、实验内容和步骤
⒈了解GDDS型高性能电工系统实验装置的组成，各个模块的技术指标和性能。
⒉通电后学习电源部分的使用方法。
⒊学习仪表的使用方法。
⒋学习电路的连接方法，导线的使用方法。
四、实验报告
认真熟悉电工实验台的使用方法。
实验二基尔霍夫定律
一、实验目的
⒈加深对基尔霍夫定律的理解。
⒉用实验数据验证基尔霍夫定律。
⒊熟练仪器仪表的使用技术。
二、实验原理
基尔霍夫定律是电路理论中最基本的定律之一，它阐明了电路整体结构必须遵守的规律，应用极为广泛。
基尔霍夫定律有两条：
一是电流定律，另一是电压定律。
⒈基尔霍夫电流定律（简称KCL）是：
在任一时刻，流入到电路任一节点的电流总和等于从该节点流出的电流总和，换句话说就是在任一时刻，流入到电路任一节点的电流的代数和为零。
这一定律实质上是电流连续性的表现。
运用这条定律时必须注意电流的方向，如果不知道电流的真实方向时可以先
假设每一电流的正方向（也称参考方向），根
据参考方向就可写出基尔霍夫的电流定律表
达式,例如图1所示为电路中某一节点N，共
有五条支路与它相连，五个电流的参考正
方向如图，根据基尔霍夫定律就可写出：
I1+I2+I3+I4+I5=0
如果把基尔霍夫定律写成一般形式就是∑I=0。
显然，这条定律与各支路上接的是什么样的元件无关，不论是线性电路还是非线性电路，它是普遍适用的。
电流定律原是运用某一节点的，我们也可以把它推广运用于电路中的任一假设的封闭面，例如图2所示封闭面S所包围的电路有三条支路与电路其余部分相联接其电流为I1，I2，I3，则
I1+I2-I3=0
因为对任一封闭面来说，电流仍然必须是连续的。
⒉基尔霍夫电压定律（简称KVL）：
在任一时刻，沿闭合回路电压降的代数和总等于零。
把这一定律写成一般形式即为∑U=0，例如在图3所示的闭合回路中，电阻两端的电压参考正方向如箭头所示，如果从节点a出发，顺时针方向绕行一周又回到a点，便可写出：
U1+U2+U3-U4-U5=0
显然，基尔霍夫电压定律也是和沿闭合回路上元件的性质无关，因此，不论是线性电路还是非线性电路，
它是普遍适用的。
三、实验内容和步骤
按照图4所示实验线路验证基尔霍夫两条定律。
图中E1=6V，E2=12V为实验台上稳压电源输出电压，实验中调节好后保持不变，R1、R2、R3、R4、R5为固定电阻，精度1.0级。
实验时各条支路电流及总电流用电流表测量，在接线时每条支路可串联连接一个电流表插口，测量电流时只要把电流表所连接的插头插入即可读数。
但要注意插头连接时极性，插口一侧有红点标记是与插头红线对应。
实验需元器件可从部件D02上选取。
取E1=6V，E2=12V。
表一计算值、测量值及误差计算
测量项目
实验内容
E1
（V）
E2
（V）
I1
（mA）
I2
（mA）
I3
（mA）
UAB
（V）
UCD
（V）
UAD
（V）
UDE
（V）
UFA
（V）
理论值
测量值
相对误差
四、实验报告
⒈完成实验测试、数据列表；
⒉根据基尔霍夫定律及电路参数计算出各支路电流及电压；
⒊计算结果与实验测量结果进行比较，说明误差原因；
⒋小结对基尔霍夫定律的认识。
实验三迭加原理
一、实验目的
⒈通过实验来验证线性电路中的迭加原理以及其适用范围；
⒉学习直流仪器仪表的测试方法。
二、实验原理
几个电动势在某线性网络中共同作用时，也可以是几个电流源共同作用，或电动势和电流源混合共同作用，它们在电路中任一支路产生的电流或在任意两点间的所产生的电压降，等于这些电动势或电流源分别单独作用时，在该部分所产生的电流或电压降的代数和，这一结论称为线性电路的迭加原理，如果网络是非线性的，迭加原理不适用。
本实验中，先使用单个电压源分别单独使用，测量各点间的电压和各支路的电流，然后再使用两个电压源共同作用，测量各点间的电压和各支路的电流，验证是否满足迭加原理。
三、实验内容和步骤
按图1接线，调节好E1=10V，E2=5V。
（1）E1=10V单独作用，K1接通电源，K2打向短路侧，测量各支路电压，注意测量值的符号。
（2）E2=5V单独作用，K2接通电源，K1打向短路侧，测量支路电压，注意测量值的符号。
（3）E1=10V，E2=5V共同作用，将K1、K2都接至电源，测量各支路电压。
（4）重复上述步骤，测量各支路电流。
（5）所需元器件在部件D02上选取。
表一电压计算值、测量值
电压
项目
UBD
UDF
UCD
计算值
测量值
计算值
测量值
计算值
测量值
E1单独作用
E2单独作用
E1,E2共同作用
表二电流计算值、测量值
电压
项目
IBD
IDF
ICD
计算值
测量值
计算值
测量值
计算值
测量值
E1单独作用
E2单独作用
E1,E2共同作用
四、实验报告
（1）测量数据列表并分析比较,计算各参数绝对误差。
（2）含非线性元件的电路迭加原理是否适用（如将电路中1KΩ电阻换成一个稳压管）。
（3）根据你的实验结果说明迭加定理对电功率是否成立。
实验四电压源与电流源的等效变换
一、实验目的
⒈了解理想电流源与理想电压源的外特性。
⒉验证电压源与电流源互相进行等效转换的条件。
二、实验原理
⒈在电工理论中，理想电源除理想电压源之外，还有另一种电源，即理想电流源，理想电流源在接上负载后，当负载电阻变化时，该电源供出的电流能维持不变，理想电压源接上负载后，当负载变化时其输出电压保持不变，它们的电路图符号及其特性见图1。
在工程实际上，绝对的理想电源是不存在的，但有一些电源其外特性与理想电源极为接近，因此，可以近似地将其视为理想电源。
理想电压源与理想电流源是不能互相转换的。
⒉一个实际电源，就其外部特性而言，既可以看成是电压源，又可以看成是电流源。
电流源用一个理想电流源IS与一电导g0并联的组合来表示，电压源用一个理想电压源ES与一电阻r0串联组合来表示，它们向同样大小的负载供出同样大小的电流，而电源的端电压也相等，即电压源与其等效电流源有相同的外特性。
一个电压源与一个电流源相互进行等效转换的条件为：
IS=ES/r0g0=1/r0或ES=IS/g0r0=1/g0
三、实验内容及步骤
⒈测量理想电流源的外特性
本实验采用的电流源，当负载电阻在一定的范围内变化时（即保持电流源两端电压不超出额定值），电流基本不变，即可将其视为理想电流源。
将一电阻箱R接至电流源的“输出”端钮上，测量电流用的毫安表串接于电路中，如图4所示。
改变电阻箱电阻值，测出“输出”两端钮间电压，即得到外特性曲线。
（图中Rs为限流电阻）
实验时首先置R=0，调节I至20mA，然后改变R测I，但应使RMAX·I≤20伏。
U和I分别为可调电阻R上的电压和电流。
图4中，选
，将测量数据填入下表
电阻R（Ω）
100
200
300
400
500
600
700
800
900
电流I（mA）
电压U（V）
⒉测量理想电压源的外特性
当外接负载电阻在一定范围内变化时电源输出电压基本不变，可将其视为理想电压源，实验时不能使R=0（短路），否则电流过大。
U和I分别为可调电阻R上的电压和电流。
图5中，选
，调节电压源电压U=10V，将测量数据填入下表
电阻R（Ω）
100
200
300
400
500
600
700
800
900
电流I（mA）
电压U（V）
⒊验证实际电压源与电流源等效转换的条件
在实验内容1中，已测得理想电流源的电流为IS=20mA，此时，若在其“输出”端钮间并联一电阻r0（即g0=1/r0），例如，200欧，从而构成一个实际电流源，将该电流源接至负载R一电阻箱，改变电阻箱的电阻值，即可测出该电流源的外特性，实验接线如图6所示。
根据等效转换的条件，将电压源的
R
输出电压调至ES=ISr0，并串接一个电阻
r0，从而构成一个实际电压源，将该电压
源接到负载R一电阻箱，改变电阻箱的
电阻值即可测出该电压源的外特性。
在
两种情况下负载电阻R相同值时可比较
是否具有相同的电压与电流。
如图7所
需元器件可从部件D01和DO2上选取。
U和I分别为可调电阻R上的电压和电流。
图6中,选电流源IS=20mA,r0=200Ω将测量数据填入下表
电阻R（Ω）
100
200
300
400
500
600
700
800
900
电流I（mA）
电压U（V）
图7中,选电压源ES=r0IS=4V,r0=200Ω,将测量数据填入下表
电阻R（Ω）
100
200
300
400
500
600
700
800
900
电流I（mA）
电压U（V）
四、实验报告
1．绘出所测电流源及电压源的外特性曲线；
2．试从实验线路中，说明电压源和电流源的输出端发生短路时，对电源的影响有何不同。
图6
实验五戴维南定理
一、实验目的
⒈验证含源二端网络的重要定理—戴维南定理。
2进一步学习常用直流仪器仪表的使用方法
二、实验原理
任何一个线性网络，如果只研究其中的一个支路的电压和电流，则可将电路的其余部分看作一个含源一端口网络，而任何一个线性含源一端口网络对外部电路的作用，可用一个等效电压源来代替，该电压源的电动势ES等于这个含源一端口网络的开路电压
，其等效内阻RS等于这个含源一端口网络中各电源均为零时（电压源短接，电流源断开）无源一端口网络的入端电阻R，这个结论就是戴维南定理。
三、实验内容和步骤
⒈测开路电压
（按图a测量）
直接测量法:
当含源二端网络的等效电阻与电压表内阻相比可以忽略时,即可用电压表直接测量二端网络端口AB间的开路电压
它就是戴维南等效电路中的电压源电压,电路图如图a所示，图b为图a的等效电路.
⒉测量无源一端口网络的等效电阻Rs
⑴开路短路法（短路电流
按图d测量）
先测量图（a）含源二端网络的开路电压
再把端口AB短接起来,测量AB间的短路电流
则等效电阻
，这样测量的原理可用图d的等效电路说明：
显然,当把端钮
短接起来时,短路电流
由此得
，但这种方法只适用于等效内阻较大的网络,否则短路电流太大,会烧坏电源和电流表。
⑵外施电压法（按图c测量）
把图（a）中的电压源和电流源去掉（使含源二端网络的独立源为零值），在AB端外接
的电压源，测量AB间的电流I，如图c所示，则二端网络的等效电阻
。
\
表一外施电压法及开路短路法实验数据
外施电压法
开路短路法
=
=
=
⒊戴维南定理的等效电路图
如图b所示.
⒋戴维南定理的验证
按图（a）接线，在AB端口接可变电阻R后其等效电路图如e所示,，改变负载电阻R，测量出UAB和IR的数值，特别注意要测出R=∞及R=0时的电压和电流,计算值用公式
。
R（Ω）
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
∞
测量值UAB（V）
测量值IR（mA）
计算值IR（mA）
（e）
四、实验报告
⒈请分析负载R与等效电阻
两者为什么关系时，负载R上输出的功率最大？
⒉思考：
还有测量等效电阻的方法吗？
。
实验六最大功率传输条件的实验研究
一、实验目的1
（1）了解电源与负载间功率传输的关系。
（2）熟悉负载获得最大功率传输的条件与应用。
（3）实验证明最大功率传输时电源内阻与负载电阻数值的关系。
（4）熟悉测试方法。
二、实验原理
一个实际的电源，它产生的总功率通常由两部分组成，即电源内阻所消耗的功率和输出到负载上的功率。
在电子技术与仪器仪表领域中，通常由于信号电源的功率较小，所以总是希望在负载上能获得的功率越大越好，这样可以最有效的利用能量。
但由于电源总是存在内电阻，其等效电路为一个无内阻的电动势与一个电阻串联构成的二端有源网络。
如图1所示左边框内为电源等效电路，右边框内为负载电阻。
图2
图2
在RL上得到的功率为
PL=I2RL=（E0/R0+RL）2RL
当RL=0及RL=∞时，电源传输给负载的功率均为零，因此必有某一RL值使P=PM为最大值。
以不同的RL值代入上式可求出不同的P值。
可以证明只有当RL=R0时负载上才能得到最大的功率如图2所示。
图中IS为当RL=0时的最大电流
IS=E0/R0
事实上只要将负载功率表达式中以RL为自变量，功率P为应变量并使dP/dRL=0，即可求出最大功率的条件：
dP/dRL=0，即
使（RL+R0）2-2RL（RL+R0）=0
得RL=R0
当满足RL=R0时，电路称为最大功率“匹配”，此时负载上最大功率为：
P=PM=E20RL/4RLR0=E20/4R0=E20/4RL
当然，在“匹配”条件下，电源内阻上也消耗与负载电阻上相等的功率，因此，这时电源效率仅50%。
在电力工程中因为发电机内阻很低，运用到“匹配”条件时功率大大超过容许值会损坏发电机，所以负载电阻应远大于电源内阻，这样也可保持较高效率。
但在电子技术领域中因一般信号源内阻都较大，功率也小，所以效率是次要的，主要的是获得最大输出功率。
三、实验内容
测量实验台上直流稳压电源在不同外加电阻时负载上获得的功率。
因电源的内阻较小，为限制电流，实验时采用外加电阻作为电源内阻。
实验线路如图3所示。
实验步骤
（1）调节R0=100Ω，E0=10VRL在0~1KΩ范围内变化时分别测量出U0、UL、I的值，数据列表。
（2）调节R0=500Ω，E0=15VRL在0~5KΩ范围内变化时分别测量出U0、UL、I的值，数据列表。
实验结果
0
10Ω
20Ω
30Ω
50Ω
100Ω
300Ω
500Ω
1KΩ
5KΩ
10KΩ
E0
=10伏
R0
=100Ω
I
U0
UL
P
P0
PL
E0
=15伏
R0
=500Ω
I
U0
UL
P
P0
PL
四、实验报告
（1）完成实验测试数据列表
（2）分别画出E0=10V，R0=100Ω，E0=15V，R0=500Ω，两种不同电压和内阻情况下的下列关系曲线：
1I—RL
2U0—RL
3UL—RL
4P—RL
5P0—RL
6R0—RL
（3）从上述图表数据中说明负载获得最大功率的条件。
实验七日光灯电路和功率因数的提高（综合性）
一、实验目的
（1）熟悉日光灯的接线，做到能正确迅速联接电路
（2）通过实验了解功率因数提高的意义
（3）熟练功率表的使用
二、实验原理
⒈日光灯工作原理
日光灯电路由灯管、镇流器和启辉器等元件组成（图6-1）：
灯管：
灯管外壳是一玻璃管，两端装有灯丝，管壁涂有荧光粉，管内充以惰性气体（氩气或氦气）和少量水银，点燃灯管需两个条件：
一是预热灯丝使其发射电子；二是要有一个瞬时高电压使管内气体击穿放电。
当管内产生弧光放电时，水银蒸汽受激光辐射出大量紫外线，紫外线又激发管壁上的荧光粉而发出白色的荧光。
镇流器又叫扼流圈，是一有铁芯的电感线圈，它在电路中有两个作用：
一是起动瞬间能产生高电压帮助“点燃”灯管，二是在灯丝预热和灯管正常工作时，限制电流在一定范围内。
启辉器（图6—2）是一充有氖气的玻璃泡，内装两个电极：
一为固定电极；二是
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