实验七 八.docx

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实验七八

实验七最大功率传输条件的测定

实验名称：

最大功率传输条件测定

实验类型：

综合性□设计性■

所属课程及代码：

★电路

（1）（2008185）

实验学时：

3学时

一．实验目的

1、掌握含源一端口网络等效参数的基本测量方法，验证戴维宁定理和诺顿定理，加深对等效的思想是对外电路等效的实质的认识。

2、掌握负载获得最大传输功率的条件。

3、设计实验电路完成最大功率传输条件的测定。

4、了解电源输出功率与效率的关系。

二．预习与参考

1、戴维宁和诺顿各等效参数及测量方法，等效定理。

2、负载获得最大功率传输的条件及定理等。

3、直流电源、数字万用表、直流电流表等仪器的使用说明。

4、proteus仿真软件的基本使用。

三．设计指标

　1、电源与负载功率的关系

图7.1可视为由一个电源向负载输送电能的模型。

图7.1电源向负载输送电能的模型。

RO为电源内阻和传输线路电阻的总和，RL为可变负载电阻，负载RL消耗的功率P表示为

当RL=0或RL=∞时，电源输送给负载的功率均为0，以不同的RL值代入上式可求得不同的P值，其中必有一个RL值使负载从电源处获得最大功率。

2、负载获得最大功率的条件

当满足RL=RO时，负载从电源获得的最大功率为

。

此时，称此电路处于“匹配”工作状态。

3、匹配电路的特点及应用

在电路处于“匹配”状态时，电源本身要消耗一半的功率。

此时电源的效率只有50%。

显然对电力系统的能量传输过程是绝对不允许的。

发电机内阻很小，电路传输最主要目标是高效率送电。

为此负载电阻应远大于电源内阻，即不允许运行在匹配状态。

在电子技术中却完全不同。

一般的信号源本身功率较小，且有较大的内阻。

负载电阻（如扬声器）往往是较小的定值，希望能从电源获得最大的功率输出，而电源的效率往往不予考虑。

通常设法改变负载电阻，或者在信号源与负载之间加阻抗变换器（如音频功放的输出级与扬声器之间的输出变压器），使电路处于工作匹配状态，以使负载能获得最大的功率输出。

4、实验可结合两种参考方案：

（1）硬件实现：

戴维宁和诺顿等效及最大功率传输的硬件电路实现，如图7.2所示。

图7.2

（2）软件实现：

利用proteus仿真软件设计实现，戴维宁和诺顿等效及最大功率传输的仿真电路如图7.3所示。

图7.3

结合以上两种方案，自行选择一种方案。

参考以上电路或独立设计一个科学合理的实验电路，并能正常调试和获得结果。

完成图中三种情况下负载获得最大传输功率的条件的测定中IL、UL的测量。

要求结合含源网络各参数测量方法获得戴维宁和诺顿等效电路，且电路图中有电压源、电流源、电压表、电流表、电阻若干、负载电阻及可变电阻器RL。

调节可变电阻器RL的阻值（用万用表测量阻值），即令RL在0～∞之间变化，可分别测出电流表、电压表的读数，计算出功率并记录数据。

记录当RL和等效内阻R0相等时端口电压和电流值以及功率，获得负载获得最大传输功率的条件。

四．实验要求（设计要求）

1、根据实验目的、原理和要求自拟实验方案。

2、建立电路模型，设计符合指标的实际测量线路及相关仪表的接线图。

3、自拟实验步骤，制作记录实验数据的表格等。

事先理论估算以便调整实验线路及测量时可准确地选取电表的量程。

4、分析实验过程中故障解决办法及误差产生的来源。

5、硬件实验中注意改接线路需关掉电源；用万用表测量网络电阻时，务必把含源网络的电源置零（即电压源移除用短路线连接，电流源直接移除）以免损坏万用表。

6、软件实现方案，需给出proteus仿真原理图并打印仿真结果。

五．实验（设计）仪器设备和材料清单

硬件设备：

1、电路实验箱1套

2、可调直流稳压/流电源1台

3、直流数字电流表1台

4、数字万用表1台

5、导线若干

仿真设备：

1、proteus仿真软件

2、电脑

六．调试及结果测试

1、自拟含源二端网络等效参数的测量方法，包括开路电压、短路电流法测R0；伏安法；半电压法测R0；含源网络等效电阻（输入电阻）直接测量法等，理论估算与实际获得等效参数UOC、ISC和R0比较，组成戴维宁和诺顿等效电路。

2、检查电路是否能满足系统的设计要求。

3、在原电路和等效电路中分别调节负载RL，根据电压表、电流表读数记录IL、UL，计算PL。

4、根据记录结果分析负载获得最大传输功率的条件，并进行误差分析。

七．考核形式

实验成绩总分以100分计，其中实验设计（方案制订）占20%，实验准备占10％，实验操作占20%，实验结论（数据或图表等）占30%，实验报告占10%、考勤及其它占10％。

八．实验报告要求

1、选择设计方案，提供参数计算，选择器件依据.画出总电路原理框图，叙述设计思路。

2、单元电路设计及基本原理分析。

3、测得UOC、ISC和R0与理论估算结果作比较得出结论。

4、根据实验测得的数据，计算负载RL在各点消耗的功率，并与RL=R0时消耗的功率进行比较，说明负载获得最大功率的条件。

5、分析实验中误差产生的原因，出现的故障及解决办法。

6、打印proteus仿真原理图及仿真结果。

7、设计过程中的创新点与体会、建议。

九．思考题

1、说明测量含源二端网络开路电压及等效电阻的几种方法，并比较优缺点。

2、在求戴维宁或诺顿等效电路时，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？

3、验证诺顿定理时戴维南定理实验中的方法能否应用？

哪些数据可不必测量直接应用？

能应用的适用条件是什么？

哪些数据不能应用？

不能应用的参数如何通过实验方法求出？

设计实验方案，求出这些参数。

4、对于含受控源的含源线性网络，特别是端口的电量为网络内部的控制量时（该电路的等效戴维宁/诺顿电路只有一个）的情况，设计这种电路的实验验证方案。

实验八一阶电路暂态过程及波形转换研究

实验名称：

一阶电路暂态过程及波形转换研究

实验类型：

综合性■设计性□

所属课程及代码：

★电路

（1）（2008185）

实验学时：

3学时

一、实验目的

1、研究RC一阶电路的零输入响应、零状态响应和全响应的变化规律。

2、研究RC一阶电路的阶跃和冲激响应的关系、基本规律和特点。

3、加深对微分电路和积分电路的理解。

4、学习电路时间常数的测量方法。

5、设计电路完成方波转换为三角波。

二、实验内容

1、RC一阶电路的零输入响应、零状态响应和全响应

含有L或C等储能元件的电路，其响应可以用微分方程来求解。

只含一个储能元件的电路，其微分方程为一阶的，称为一阶电路。

在电路无输入激励的情况下，由储能元件的初始储能引起的响应称为零输入响应；所有储能元件的初始值为零的电路对输入激励的响应称为零状态响应；动态电路的零输入响应与零状态响应之和称为全响应。

图8.1所示为RC一阶电路。

当开关S置于1时，使电路处于零初始状态。

图

图8.1

在t=0时刻由1扳向2，电路对激励Us的响应为零状态响应，微分方程形式为

。

其中

。

则方程解的形式为

表现为电容上电压不断被充电，成指数增长的规律。

其中，τ=RC称为时间常数，它决定充电过程的快慢。

当开关S首先置于2使电路处于稳定状态，在t=0时刻由2扳向1，电路为零输入响应，微分方程形式为

。

其中

。

则方程解的形式为

表现为电容上初始储存电压不断被放电，成指数衰减的规律。

其中，τ=RC称为时间常数，它决定放电过程的快慢。

全响应为前两个响应的的代数和，它体现电路的可加性，RC一阶电路的全响应微分方程形式为

。

其中

。

则方程解的形式为

RC一阶电路的零输入响应、零状态响应和全响应变化曲线如图8.2所示。

（a）零状态曲线（b）零输入曲线（c）全响应曲线

图8.2

动态电路在换路以后，一般经过3τ－5τ时间的暂态过程后便达到稳态。

由于这一过程不是重复的，所以不易用普通示波器来观察其动态过程。

可由方波激励实现一阶RC电路重复出现的充放电过程。

一阶RC电路在方波激励下，在时间常数τ远小于方波周期T时，可视为零状态响应和零输入响应的多次过程，对应响应波形如图8.3所示。

图8.3

2、时间常数τ的测定

用示波器测量零输入响应的波形如图8.2（b）所示。

根据一阶微分方程的求解知当t=τ时，

此时所对应的时间就等于τ。

或用零状态响应波形增加到0.632Us所对应的时间测得，如图8.2（a）所示。

3、微分电路和积分电路

一阶RC电路在一定的条件下，可以近似构成微分电路或积分电路，它对电路元件参数和输入信号的周期有特定的要求。

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<

此时电路的输出信号电压近似正比于输入信号电压对时间的微分，其表达式为

。

利用微分电路可以将方波转变成冲激脉冲，改变τ的大小可以改变见脉冲的宽度，如图8.3（b）所示。

（a）微分电路（b）微分电路输入输出波形

图8.3

若将图8.3（a）中的R与C位置调换一下，如图8.4（a）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>>T/2，则该RC电路称为积分电路。

此时电路的输出信号电压与输入信号电压的积分成正比，其表达式为

。

利用积分电路可以将方波转变成三角波，如图8.4（b）所示。

（a）积分电路（b）积分电路输入输出波形

图8.4

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，要求在实验过程中仔细观察和记录。

4、RC一阶电路的阶跃响应和冲激响应

冲激函数是阶跃函数的导数，冲激响应则是阶跃响应的导数。

其关系为

动态电路的阶跃响应与冲激响应的关系可通过微分电路由示波器观察到，实验电路如图8.5所示。

图8.5

5、实验线路板连接电路

动态电路、选频电路实验线路板的结构如图8.6所示。

图8.6

三、实验仪器设备和材料清单

1、电路实验箱1套

2、函数发生器1台

3、长余辉双踪示波器1台

4、数字万用表1台

5、导线若干

四、实验要求

1、复习一阶动态电路的各种响应特性及相关基础知识，各组独立完成硬件连线，在实验过程中按要求仔细观察和记录实验结果。

2、实验前，需熟悉仪器的使用。

调节电子仪器各旋钮时，动作不要过快、过猛。

示波器打开后不要让其只有一个集中亮点出现在屏幕上，以免损坏示波器。

3、信号源的接地端与示波器的接地端要连在一起（共地），以防外界干扰而影响测量的准确性。

4、在定量测量充电、放电实验时，每组实验的同学要求读表与测量数据尽量保持同步。

五、实验步骤及结果测试

1、定性测量

（1）用示波器观察方波发生器输出的电源是否为方波，若不是，则需调整。

（2）按图8.7所示RC一阶电路连接电路图。

图8.7

（3）分别用示波器观察RC电路中ab、bc间的波形并记录。

（4）少量改变R，定性观察对响应的影响并记录观察到的现象。

2、定量测量

（1）RC充电、放电电路的电容电压随时间变化的曲线

在一阶电路单元上选择R、C元件，选R=10KΩ，C=1000µF，US为Um=3V，f=1KHz的方波电压信号，组成RC充放电电路。

用数字万用表测量UC，同时根据时间记录数据，测算出时间常数τ，用示波器观测并描绘激励与响应的波形。

（2）选R=10KΩ，C=0.1µF，组成微分电路。

在同样的方波激励下，观测并描绘激励与响应的波形，并观察波形变换是否为冲激脉冲。

（3）选R=10KΩ，C=0.1µF，设计积分电路。

在同样的方波激励下，观测并描绘激励与响应的波形，并观察波形变换是否为三角波。

（4）设计阶跃响应与冲激响应关系的电路，观测并描绘激励与响应的波形。

观察改变τ对响应的影响并记录。

当R增至1MΩ时，输入输出波形有何本质上的区别？

六、考核形式

实验成绩总分以100分计，其中实验准备占10％，实验操作占40％，实验结论（数据或图表）占30%，实验报告占10%、考勤及其它占10％。

七、实验报告要求

1、根据实验观测结果，用坐标纸绘出所有波形曲线，进行波形和电路分析。

测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、总结微分电路和积分电路的形成条件，阐明波形变换特征。

3、实验的收获和体会。

八、思考题

1、什么样的电信号可作为RC一阶电路零输入响应、零状态响应和全响应的激励源？

2、积分电路和微分电路的条件？

在方波激励下，其输出信号波形的变化规律？

这两种电路有何作用？

3、改变激励电压的幅度，是否改变过渡过程的快慢？

为什么？

4、R改变时出现不同响应曲线的原因。

5、仔细阅读示波器的操作与测量方法说明，看看是否可以用示波器测量出实验电路的时间常数τ的值。

6、利用现有的实验设备，再加上体育记分用秒表，如何设计一个能定性观察和测量的一阶（RC或RL）电路。

要求：

（1）能观察一阶电路充电过程中电阻或电容（电感）上的电压或电流的变化过程。

（2）能够通过计时和测量的数据求出一阶电路的时间常数τ，推导出计算时间常数τ的数学方法和用实验数据求取的方法。