实验一电路元件伏安特性的测绘.docx

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实验一电路元件伏安特性的测绘

实验一　电路元件伏安特性的测绘

一、实验目的

　　1.学会识别常用电路元件的方法。

2.掌握线性电阻、非线性电阻元件伏安特性的测绘。

3.掌握实验台上直流电工仪表和设备的使用方法。

二、原理说明

　　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）来表示，即用I-U平面上的一条曲线来表征，这条曲线称为该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”的阻值可相差几倍至十几倍，

所以它的伏安特性如图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，其伏安特性如图1-1中c所示。

图1-1

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骤上升，而反向电压从零一直增加到十多至几十伏时，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，以后它的端电压将基本维持恒定，当外加的反向电压继续升高时其端电压仅有少量增加。

注意：

流过二极管或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。

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

万用表

FM-47或其他

1

自备

3

直流数字毫安表

0~200mA

1

D31

4

直流数字电压表

0~200V

1

D31

5

二极管

IN4007

1

DG09

6

稳压管

2CW51

1

DG09

7

白炽灯

12V，0.1A

1

DG09

8

线性电阻器

200Ω，510Ω/8W

1

DG09

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图1-3

UR（V）

0

2

4

6

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R换成一只12V，0.1A的灯泡，重复步骤1。

UL为灯泡的端电压。

UL（V）

0.1

0.5

1

2

3

4

5

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。

在0.5～0.75V之间应多取几个测量点。

测反向特性时，只需将图1-3中的二极管D反接，且其反向施压UD－可达30V。

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）

0

-5

-10

-15

-20

-25

-30

I（mA）

　　4.测定稳压二极管的伏安特性

（1）正向特性实验：

将图1-3中的二极管换成稳压二极管2CW51，重复实验内容3中的正向测量。

UZ+为2CW51的正向施压。

　UZ+（V）

0.50

0.60

0.65

0.68

0.70

0.75

0.80

0.85

I（mA）

（2）反向特性实验：

将图1-3中的R换成510Ω，2CW51反接，测量2CW51的反向特性。

稳压电源的输出电压UO从0～20V，测量2CW51二端的电压UZ－及电流I，由UZ－可看出其稳压特性。

UO（V）

UZ－（V）

I（mA）

五、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，勿使仪表超量程，仪表的极性亦不可接错。

六、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.稳压二极管与普通二极管有何区别，其用途如何？

4.在图1-3中，设U=2V，UD+=0.7V，则电流表读数为多少？

七、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、归纳被测各元件的特性。

3.必要的误差分析。

4.心得体会及其他。

实验二　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

序号

名称

型号与规格

数量

备注

1

直流可调稳压电源

0~30V

二路

DG04

2

万用表

1

自备

3

直流数字电压表

0~200V

1

D31

4

基尔霍夫定律实验电路板

1

DG05

四、实验内容

　　利用实验挂箱上的“基尔霍夫定律/叠加原理”线路，按图2-1接线。

图2-1

　　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2-1中的I1、I2、I3的方向已设定。

三个闭合回路的电压正方向可设为FADEF、ABCDA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，读出并记录电流值到表1中。

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，记录到表2中。

表1KCL

被测量

I1（mA）

I2（mA）

I3（mA）

∑I

计算值

测量值

相对误差

表2KVL

回路Ⅰ（FADEF）

UFA（v）

UAD（v）

UDE（v）

UEF（v）

∑U

回路Ⅱ（ABCDA）

UAB（v）

UBC（v）

UCD（v）

UDA（v）

∑U

回路Ⅲ

（FBCEF）

UFB（v）

UBC（v）

UCE（v）

UEF（v）

∑U

五、实验注意事项

1.本实验线路板系多个实验通用，需用到电流插座。

（三个故障按键不得按下。

）

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2-1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。

实验三　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

叠加原理实验电路板

1

DG05

四、实验内容

实验线路如图3-1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3-1。

表3-1

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3-1。

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3-1。

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3-1。

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3-2。

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3-2

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3-2的数据，你能得出什么样的结论？

4.心得体会及其他。

实验四　电压源与电流源的等效变换

一、实验目的

　　1.掌握电源外特性的测试方法。

2.验证电压源与电流源等效变换的条件。

二、原理说明

　　1.一个直流稳压电源在一定的电流范围内，具有很小的内阻。

故在实用中，常将它视为一个理想的电压源，即其输出电压不随负载电流而变。

其外特性曲线，即其伏安特性曲线U＝f（I）是一条平行于I轴的直线。

一个实用中的恒流源在一定的电压范围内，可视为一个理想的电流源。

2.一个实际的电压源（或电流源），其端电压（或输出电流）不可能不随负载而变，因它具有一定的内阻值。

故在实验中，用一个小阻值的电阻（或大电阻）与稳压源（或恒流源）相串联（或并联）来摸拟一个实际的电压源（或电流源）。

3.一个实际的电源，就其外部特性而言，既可以看成是一个电压源，又可以看成是一个电流源。

若视为电压源，则可用一个理想的电压源Us与一个电阻Ro相串联的组合来表示；若视为电流源，则可用一个理想电流源Is与一电导go相并联的组合来表示。

如果这两种电源能向同样大小的负载供出同样大小的电流和端电压，则称这两个电源是等效的，即具有相同的外特性。

一个电压源与一个电流源等效变换的条件为：

Is＝Us／Ro，go＝1/Ro或Us＝IsRo，Ro＝1/go。

如图4-1所示。

图4-1

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

电阻器

120Ω，200Ω

510Ω，1KΩ

DG09

7

可调电阻箱

0~99999.9Ω

1

DG09

8

实验线路

DG05

四、实验内容

1.测定直流稳压电源与实际电压源的外特性

＋

－

6V

U

s

mA

＋

－

V

＋

－

R

1

R

2

200Ω

470Ω

51Ω

R

0

＋

－

6V

U

s

mA

＋

－

V

＋

－

R

1

R

2

200Ω

470Ω

（1）按图4-2接线。

Us为＋6V直流稳压电源。

调节R2，令其阻值由大至小变化，记录两表的读数，填入表1中。

　　　　　　图4-2　　　　　　　　　图4-3

表1

R2（Ω）

470

400

300

200

100

U（v）

I（mA）

（2）按图4-3接线，虚线框可模拟为一个实际的电压源。

调节R2，令其阻值由大至小变化，记录两表的读数，填入表2中。

表2

R2（Ω）

470

400

300

200

100

U（V）

I（mA）

2.测定电流源的外特性

按图4-4接线，Is为直流恒流源，调节其输出为10mA，令Ro分别为1KΩ和∞（即接入和断开），调节电位器RL（从0至1KΩ），测出这两种情况下的电压表和电流表的读数，分别填入表3和表4中。

表3

RL（Ω）

100

200

300

400

470

I（mA）

U（v）

表4

RL（Ω）

100

200

300

400

470

I（mA）

U（v）

＋

－

10mA

I

S

mA

＋

－

R

0

R

L

470Ω

V

＋

－

1K

或∞

图4-4

3.测定电源等效变换的条件

先按图4-5（a）线路接线，记录线路中两表的读数。

然后利用图4-5（a）中右侧的元件和仪表，按图

4-5（b）接线。

调节恒流源的输出电流IS，使两表的读数与4-5（a）时的数值相等，记录Is之值，验证等效变换

条件的正确性。

＋

－

I

S

mA

＋

－

200Ω

V

＋

－

R

S

51Ω

＋

－

6V

U

S

mA

＋

－

200Ω

V

＋

－

R

S

51Ω

（a）（b）

图4-5

五、实验注意事项

　　1.在测电压源外特性时，不要忘记测空载时的电压值，测电流源外特性时，不要忘记测短路时的电流值，注意恒流源负载电压不要超过20伏，负载不要开路。

2.换接线路时，必须关闭电源开关。

3.直流仪表的接入应注意极性与量程。

六、预习思考题

　　1.通常直流稳压电源的输出端不允许短路，直流恒流源的输出端不允许开路，为什么？

2.电压源与电流源的外特性为什么呈下降变化趋势，稳压源和恒流源的输出在任何负载下是否保持恒值？

七、实验报告

　　1.根据实验数据绘出电源的四条外特性曲线，并总结、归纳各类电源的特性。

2.从实验结果，验证电源等效变换的条件。

3.心得体会及其他。

实验五　戴维南定理验证

──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。

Uoc（Us）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

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5-1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5-1

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5-2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。

图5-2

　（4）零示法测UOC

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5-3所示.。

图5-3

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5-4（a）

（a）图5-4（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5-4（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5-4（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5-4（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.有源二端网络等效电阻（又称入端电阻）的直接测量法。

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。

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“4”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