TPEDG实验指导书电路分析实验指导书.docx

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TPEDG实验指导书电路分析实验指导书

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TPE-DG电路分析实验箱

实验指导书

清华大学科教仪器厂

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1

7

9

12

17

25

RLC30

RLC34

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实验一元件伏安特性的测试

一、实验目的

1.掌握线性电阻元件，非线性电阻元件及电源元件伏安特性的测量方法。

2.学习直读式仪表和直流稳压电源等设备的使用方法。

二、实验说明

电阻性元件的特性可用其端电压U与通过它的电流I之间的函数关系来

表示，这种U与I的关系称为电阻的伏安关系。

如果将这种关系表示在U~I

平面上，则称为伏安特性曲线。

1.线性电阻元件的伏安特性曲线是一条通过坐标原点的直线，该直线斜率的倒数就是电阻元件的电阻值。

如图1-1所示。

由图可知线性电阻的伏安特性对称于坐标原点，这种性质称为双向性，所有线性电阻元件都具有这种特性。

II

0U0U

图1-1图1-2

半导体二极管是一种非线性电阻元件，它的阻值随电流的变化而变化，电

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压、电流不服从欧姆定律。

半导体二极管的电路符号用表示，其伏

安特性如图1-2所示。

由图可见，半导体二极管的伏安特性曲线对于坐标原

点是不对称的，具有单向性特点。

因此，半导体二极管的电阻值随着端电压的

大小和极性的不同而不同，当直流电源的正极加于二极管的阳极而负极与阴极

联接时，二极管的电阻值很小，反之二极管的电阻值很大。

2.电压源

能保持其端电压为恒定值且内部没有能量损失的电压源称为理想电压源。

理想电压源的符号和伏安特性曲线如图1-3（a）所示。

理想电压源实际上是不存在的，实际电压源总具有一定的能量损失，这种

实际电压源可以用理想电压源与电阻的串联组合来作为模型（见图1-3b）。

其

端口的电压与电流的关系为：

UUSIRS

式中电阻RS为实际电压源的内阻，上式的关系曲线如图1-3b所示。

显然实

际电压源的内阻越小，其特性越接近理想电压源。

实验箱内直流稳压电源的内

阻很小，当通过的电流在规定的范围内变化时，可以近似地当作理想电压源来

处理。

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I

U

U

I

+

+

+

US

US

US

US

-

U

-

RS

-

I

0

0

I

（a）（b）

图1-3

3.电压、电流的测量

用电压表和电流表测量电阻时，由于电压表的内阻不是无穷大，电流表的

内阻不是零。

所以会给测量结果带来一定的方法误差。

1

2

A

稳

压

V

V

R

R0

电

源

1'

2'

图1-4

例如在测量图1-4中的R支路的电流和电压时，电压表在线路中的连接方

法有两种可供选择。

如图中的1-1′点和2-2′点，在1-1′点时，电流表的

读数为流过R的电流值，而电压表的读数不仅含有R上的电压降，而且含有电

流表内阻上的电压降，因此电压表的读数较实际值为大，当电压表在2-2′处

时，电压表的读数为R上的电压降，而电流表的读数除含有电阻R的电流外还

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含有流过电压表的电流值，因此电流表的读数较实际值为大。

显而易见，当R的阻值比电流表的内阻大得多时，电压表宜接在1-1′处，

当电压表的内阻比R的阻值大得多时则电压表的测量位置应选择在2-2′处。

实际测量时，某一支路的电阻常常是未知的，因此，电压表的位置可以用下面

方法选定：

先分别在1-1′和2-2′两处试一试，如果这两种接法电压表的读

数差别很小，甚至无差别，即可接在1-1′处。

如果两种接法电流表的读数差

别很小或无甚区别，则电压表接于1-1′处或2-2′处均可。

三、仪器设备

1.

电路分析实验箱

一台

2.

直流毫安表

一只

3.

数字万用表

一只

四、实验内容与步骤

1.测定线性电阻的伏安特性：

按图1-5接好线路，经检查无误后，接入直流稳压电源，调节输出电压依

次为表1-1中所列数值，并将测量所得对应的电流值记录于表

1-1中。

A

+

2-10VV2KΩ

-

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图1-5

表1-1

U（V）

0

2

4

6

8

10

I（mA）

2.测定半导体二极管的伏安特性：

选用2CK型普通半导体二极管作为被测元件，实验线路如图1-6（a）（b）所

示。

图中电阻R为限流电阻，用以保护二极管。

在测二极管反向特性时，由于

二极管的反向电阻很大，流过它的电流很小，电流表应选用直流微安档。

+

-

R

A

200Ω

V2CK+

E

-

R

A

200Ω

E

V

2CK

（a）图1-6（b）

1）正向特性

按图1-6（a）接线，经检查无误后，开启直流稳压源，调节输出电压，使电

流表读数分别为表1-2中的数值，对于每一个电流值测量出对应的电压值，

记入表1-2中，为了便于作图在曲线的弯曲部位可适当多取几个点。

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表1-2

I（mA）01A10A100A13102030405090150

UV

2）反向特性

按图1-6（b）接线，经检查无误后，接入直流稳压电源，调节输出电压为表

1-3中所列数值，并将测量所得相应的电流值记入表

1-3中。

表1-3

U（V）

0

5

10

15

20

I（A）

3.测定理想电压源的伏安特性

实验采用直流稳压电源作为理想电压源，因其内阻在和外电路电阻相比可

以忽略不计的情况下，其输出电压基本维持不变，可以把直流稳压电源视为理

想电压源，按图1-7接线，其中R1200为限流电阻，R2作为稳压电源的

负载。

+

-

R1

+

A

200Ω

E10VV

R2

100-620

Ω

-

图1-7

接入直流稳压电源，并调节输出电压E10V，由大到小改变电阻R2的阻

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值，使其分别等于620、510、390、300、200、100，将相应的

电压、电流数值记入表1-4中。

表1-4

R2（Ω）

620

510

390

300

200

100

U（V）

I（mA）

4.测定实际电压源的伏安特性

+

-

mA

E

V

R100-620Ω

51Ω

图1-8

首先选取一个51的电阻，作为直流稳压电源的内阻与稳压电源串联组成

一个实际电压源模型，其实验线路如图1-8所示。

其中负载电阻仍然取620、

510、390、300、200、100各值。

实验步骤与前项相同，测量所得数据填入表1-5中。

表1-5

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R（Ω）

开路620

510

390

300

200

100

U（V）

10

I（mA）

0

五、思考题

有一个线性电阻R=200，用电压表、电流表测电阻R，已知电压表内阻

RV=10K，电流表内阻RA=0.2，问电压表与电流表怎样接法其误差较小？

六、实验报告要求

1.用坐标纸画出各元件的伏安特性曲线，并作出必要的分析。

2.回答思考题，并画出测量电路图。

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实验二基尔霍夫定律

一、实验目的

1.验证基尔霍夫电流、电压定律，加深对基尔霍夫定律的理解。

2.加深对电流、电压参考方向的理解。

二、实验原理

基尔霍夫定律是集总电路的基本定律。

它包括电流定律和电压定律。

基尔霍夫电流定律（KCL）：

在集总电路中，任何时刻，对任一节点，所有

支路电流的代数和恒等于零。

基尔霍夫电压定律（KVL）：

在集总电路中，任何时刻，沿任一回路所有

支路电压的代数和恒等于零。

三、仪器设备

1.

电路分析实验箱

一台

2.

直流毫安表

二只

3.

数字万用表

一台

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A

R1

R2

I1

I

2

C

D

R3

I3

E1

E2

B

图2-1

四、实验内容与步骤

1.实验前先任意设定三条支路的电流参考方向，可采用如图2-1中I1、I2、

I3所示。

2.按图2-1所示接线。

3.按图2-1分别将E1、E2两路直流稳压电源接入电路，令E1=3V，

E2=6V，R11K、R21K、R31K。

4.将直流毫安表串联在I1、I2、I3支路中（注意：

直流毫安表的“+、－”

极与电流的参考方向）

5.确认连线正确后，再通电，将直流毫安表的值记录在表2-1内。

6.用数字万用表分别测量两路电源及电阻元件上的电压值，记录在表2-1

内

表2-1

被测量I1（mA）I2（mA）I3（mA）UR1（V）UR2（V）UR3（V）

计算量

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测量值

相对误差

五、实验报告要求

1.选定实路电路中的任一个节点，将测量数据代入基尔霍夫电流定律加以验证。

2.选定实验电路中的任一闭合电路，将测量数据代入基尔霍夫电压定律，加以验证。

3.将计算值与测量值比较，分析误差原因。

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实验三叠加定理

一、实验目的

1.验证叠加定理

2.正确使用直流稳压电源和万用电表。

二、实验原理

叠加原理不仅适用于线性直流电路，也适用于线性交流电路，为了测量方

便，我们用直流电路来验证它。

叠加原理可简述如下：

在线性电路中，任一支路中的电流（或电压）等于电路中各个独立源分别

单独作用时在该支电路中产生的电流（或电压）的代数和，所谓一个电源单独

作用是指除了该电源外其他所有电源的作用都去掉，即理想电压源所在处用短

路代替，理想电流源所在处用开路代替，但保留它们的内阻，电路结构也不作

改变。

由于功率是电压或电流的二次函数，因此叠加定理不能用来直接计算功

率。

例如在图3-1中

I1

I1

I1

I2

I2

I2

I3

I3

I3

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显然PR1I12R1I12R1

1

2

1

2

1

2

R

R

R

R

R

R

'

'

"

"

I1

I2

I2

I2

I1

I1

+

I3

+

+

'

"

+

E1

3

E2

=

E1

I3

3

+

I3

3

E2

R

R

R

-

-

-

-

图3-1

三、仪器设备

1.

电路分析实验箱

一台

2.

直流毫安表

二只

3.

数字万用表

一台

四、实验内容与步骤

实验线路如图3-2所示

表3-1

实验值计算值

I3（mA）UR1（V）UR2（V）UR3（V）I3（mA）UR1（V）UR2（V）UR3（V）

E1、

E2

同时

作用

E1单

独作

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用

E2

单独

作用

1．实验箱电源接通220V电源，调节输出电压，使第一路输出端电

压E1=10V；第二路输出端电压E2=6V，（须用万用表重新测定），断开电源开关待用。

按图3-2接线，R4R3调到1K，经教师检查线路后，再接通电源开关。

2．测量E1、E2同时作用和分别单独作用时的支路电流I3，并将数据记入

表格3-1中。

注意：

一个电源单独作用时，另一个电源需从电路中取出，并将空出的两

点用导线连起来。

还要注意电流（或电压）的正、负极性。

（注意：

用指针表

时，凡表针反偏的表示该量的实际方向与参考方向相反，应将表针反过来测量，

数值取为负值！

）

3．选一个回路，测定各元件上的电压，将数据记入表格3-1中。

I1

I3

A

A

R11KΩI2R2

1KΩ

R3

510Ω

1kΩ

R4

++

E1

E2

-

-

B

10V

6V

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图3-2

五、实验报告要求

1.用实验数据验证支路的电流是否符合叠加原理，并对实验误差进行适当分析。

2.用实测电流值、电阻值计算电阻R3所消耗的功率为多少？

能否直接用叠加原理计算？

试用具体数值说明之。

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实验四戴维南定理

一、实验目的

1.验证戴维南定理

2.测定线性有源一端口网络的外特性和戴维南等效电路的外特性。

二、实验原理

戴维南定理指出：

任何一个线性有源一端口网络，对于外电路而言，总可

以用一个理想电压源和电阻的串联形式来代替，理想电压源的电压等于原一端

口的开路电压Uoc，其电阻（又称等效内阻）等于网络中所有独立源置零时的

入端等效电阻Req，见图4-1。

线性有

源二端

网络

+

被

Uoc

测

a

电

-

b

Req

路

ac

G

R1

+

R2

E

-

bd

R

图4-1

图4-2

1.开路电压的测量方法

方法一：

直接测量法。

当有源二端网络的等效内阻Req与电压表的内阻Rv相

比可以忽略不计时，可以直接用电压表测量开路电压。

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方法二：

补偿法。

其测量电路如图4-2所示，E为高精度的标准电压源，

R为标准分压电阻箱，G为高灵敏度的检流计。

调节电阻箱的分压比，c、d

两端的电压随之改变，当Ucd

Uab时，流过检流计G的电流为零，因此

UabUcd

R2

EKE

R1R2

式中K

R2

为电阻箱的分压比。

根据标准电压

E和分压比K就可求

R2

R1

得开路电压Uab，因为电路平衡时IG

0，不消耗电能，所以此法测量精度较

高。

2.等效电阻Req的测量方法

对于已知的线性有源一端口网络，其入端等效电阻Req可以从原网络计算

得出，也可以通过实验测出，下面介绍几种测量方法：

方法一：

将有源二端网络中的独立源都去掉，在ab端外加一已知电压U，

测量一端口的总电流I总，则等效电阻ReqU。

I总

实际的电压源和电流源都具有一定的内阻，它并不能与电源本身分开，因

此在去掉电源的同时，也把电源的内阻去掉了，无法将电源内阻保留下来，这

将影响测量精度，因而这种方法只适用于电压源内阻较小和电流源内阻较大的

情况。

方法二：

测量ab端的开路电压Uoc及短路电流Isc则等效电阻

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Uoc

Req

Isc

这种方法适用于ab端等效电阻Req较大，而短路电流不超过额定值的情

形，否则有损坏电源的危险。

被

测

电

路

a

a

+

Uoc

-

RL

V

RL

U

Req

b

b

图4-3

图4-4

方法三：

两次电压测量法

测量电路如图4-3所示，第一次测量ab端的开路Uoc，第二次在ab端接

一已知电阻RL（负载电阻），测量此时a、b端的负载电压U，则a、b端的

等效电阻Req为：

Req

Uoc

1RL

U

第三种方法克服了第一和第二种方法的缺点和局限性，在实际测量中常被

采用。

3.如果用电压等于开路电压Uoc的理想电压源与等效电阻Req相串联的电

路（称为戴维南等效电路，参见图4-4）来代替原有源二端网络，则它的外特

性Uf（I）应与有源二端网络的外特性完全相同。

实验原理电路见图4-5b。

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A

C

N

mA

Q

mA

I3

R5

100

R1

R2

Ω

R3

510Ω

R3

1KΩ

1KΩ

510

Ω

V

Rcq

RL

RL

R6

1K

V

+

+

Ω

1KΩ

R41K

E1

E2

R4

Ω

-

-

10V

6V

Q'

+

Uoc

M

-

B

（a）（b）

图4-5

三、预习内容

在图4-5（a）中设E1=10V，E2=6V，R1R2=1K，根据戴维南定理将

AB以左的电路化简为戴维南等效电路。

即计算图示虚线部分的开路电压Uoc，

等效内阻Req及A、B直接短路时的短路电流Isc之值，填入自拟的表格中。

四、仪器设备

1.

电路分析实验箱

一台

2.

直流毫安表

一只

3.

数字万用表

一台

五、实验内容与步骤

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1.用戴维南定理求支路电流I3

测定有源二端网络的开路电压Uoc和等效电阻Req

按图4-5（a）接线，经检查无误后，采用直接测量法测定有源二端网络的开

路电压Uoc。

电压表内阻应远大于二端网络的等效电阻Req。

用两种方法测定有源二端网络的等效电阻Req

A.采用原理中介绍的方法二测量：

首先利用上面测得的开路电压Uoc和预习中计算出的Req估算网络的短路

电流Isc大小，在Isc之值不超过直流稳压电源电流的额定值和毫安表的最大量

限的条件下，可直接测出短路电流，并将此短路电流Isc数据记入表格4-1中。

B.采用原理中介绍的方法三测量：

接通负载电阻RL，调节电位器R4，使RL=1K，使毫安表短接，测出此

时的负载端电压U，并记入表格4-1中。

表4-1

项目Uoc（V）U（V）Isc（mA）Req（）

数值

取A、B两次测量的平均值作为Req（I3的计算在实验报告中完成）

2.测定有源二端网络的外特性

调节电位器R4即改变负载电阻RL之值，在不同负载的情况下，测量相应

的负载端电压和流过负载的电流，共取五个点将数据记入自拟的表格中。

测量

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时注意，为了避免电表内阻的影响，测量电压U时，应将接在AC间的毫安表

短路，测量电流I时，将电压表从A、B端拆除。

若采用万用表进行测量，要

特别注意换档。

3.测定戴维南等效电路的外特性。

将另一路直流稳压电源的输出电压调节到等于实测的开路电压Uoc值，以

此作为理想电压源，调节电位器R6，使R5R6Req，并保持不变，以此作为

等效内阻，将两者串联起来组成戴维南等效电路。

按图4-5（b）接线，经检查

无误后，重复上述步骤测出负载电压和负载电流，并将数据记入自拟的表格中。

六、实验报告要求

1.应用戴维南