电路原理实验指导手册卢新祥五次实验.docx
《电路原理实验指导手册卢新祥五次实验.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电路原理实验指导手册卢新祥五次实验.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
电路原理实验指导手册卢新祥五次实验
电路原理
实验指导书
绍兴文理学院
数理信息学院
2014
卢新祥
实验一 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，从而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：
在有几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（即在电路其他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
+6，12V切换
1
2
可调直流稳压电源
0～10V
1
3
直流数字电压表
1
四、实验内容
实验电路如图2-1所示
1.按图2-1电路接线，E1为+6V、+12V切换电源，取E1＝+12V，E2为可调直流稳压电源，调至+6V。
2.令E1电源单独作用时（将开关S1投向E1侧，开关S2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电压，数据记入表格中。
图1-1
测量项目
实验内容
E1
（v）
E2
（v）
I1
（mA）
I2
（mA）
I3
（mA）
UAB
（v）
UBC
（v）
UCD
（v）
UDA
（v）
UBD
（v）
E1单独作用
E2单独作用
E1、E2共同
作用
2E2单独作用
3.令E2电源单独作用时（将开关S1投向短路侧，开关S2投向E2侧），重复实验步骤2的测量和记录。
4.令E1和E2共同作用时（开关S1和S2分别投向E1和E2侧），重复上述的测量和记录。
5.将E2的数值调至＋12V，重复上述第3项的测量并记录。
五、实验注意事项
1.测量各支路电流时,应注意仪表的极性,及数据表格中“＋、－”号的记录。
2.注意仪表量程的及时更换。
六、预习思考题
1.叠加原理中E1、E2分别单独作用，在实验中应如何操作？
可否直接将不作用的电源（E1或E2）置零（短接）？
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.心得体会及其他。
实验二 戴维南定理
─有源二端网络等效参数的测定─
一、实验目的
1.验证戴维南定理的正确性。
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，总可以用一个等效电压源来代替，此电压源的电动势Es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
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，则内阻为
RO=
（2）伏安法
用电压表、电流表测出有源二端网络的外特性如图3-1所示。
根据外特性曲线求出斜率tgφ，则内阻
RO=tgφ=
用伏安法，主要是测量开路电压及电流为额定值IN时的输出端电压值UN，则内阻为
RO=
若二端网络的内阻值很低时，则不宜测其短路电流。
图2-1图2-2
（3）半电压法
如图2-2所示，当负载电压为被测网络开路电压一半时，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
在测量具有高内阻有源二端网络的开路电压时，用电压表进行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2-3所示。
图2-3
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
0～10V
1
2
可调直流恒流源
0～200mA
1
3
数字万用表
1
4
电位器
1KΩ/1W
1
四、实验内容
被测有源二端网络如图2-4（a）所示。
（a）（b）
图2-4
1.用开路电压、短路电流法测定戴维南等效电路的UOC和R0。
按图3-4（a）电路接入稳压电源ES和恒流源IS及可变电阻箱RL，测定UOC和R0。
UOC（v）
ISC（mA）
R0=UOC/ISC（Ω）
2.负载实验
按图3-4（a）改变RL阻值，测量有源二端网络的外特性。
RL（Ω）
0∞
U（v）
I（mA）
3.验证戴维南定理
用一只1KΩ的电位器，将其阻值调整到等于按步骤“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3-4（b）所示，仿照步骤“2”测其外特性，对戴氏定理进行验证。
RL（Ω）
0∞
U（v）
I（mA）
4.测定有源二端网络等效电阻（又称入端电阻）的其它方法：
将被测有源网络内的所有独立源置零（将电流源IS断开；去掉电压源，并在原电压端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电表的欧姆档去测定负载RL开路后输出端两点间的电阻，此即为被测网络的等效内阻R0或称网络的入端电阻Ri。
5.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.注意测量时，电流表量程的更换。
2.步骤“4”中，电源置零时不可将稳压源短接。
3.用万用电表直接测R0时，网络内的独立源必须先置零，以免损坏万用电表，其次，欧姆档必须经调零后再进行测量。
4.改接线路时，要关掉电源。
六、预习思考题
1.在求戴维南等效电路时，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？
请实验前对线路3-4（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和3，分别绘出曲线，验证戴维南定理的正确性，并分析产生误差的原因。
2.根据步骤1、4、5各种方法测得的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。
实验三受控源VCVS、VCCS、CCVS、CCCS的实验研究
一、实验目的
1．了解用运算放大器组成四种类型受控源的线路原理。
2．测试受控源转移特性及负载特性。
二、原理说明
1．运算放大器（简称运放）的电路符号及其等效电路如图3－1所示：
图3－1
运算放大器是一个有源三端器件，它有两个输入端和一个输出端，若信号从“＋”端输入，则输出信号与输入信号相位相同，故称为同相输入端；若信号从“－”端输入，则输出信号与输入信号相位相反，故称为反相输入端。
运算放大器的输出电压为
u0＝A0（up-un）
其中A0是运放的开环电压放大倍数，在理想情况下，A0与运放的输入电阻Ri均为无穷大，因此有
up＝un
这说明理想运放具有下列三大特征
（1）运放的“＋”端与“－”端电位相等，通常称为“虚短路”。
（2）运放输入端电流为零，即其输入电阻为无穷大。
（3）运放的输出电阻为零。
以上三个重要的性质是分析所有具有运放网络的重要依据。
要使运放工作，还须接有正、负直流工作电源（称双电源），有的运放可用单电源工作。
2、理想运放的电路模型是一个受控源—电压控制电压源（即VCVS），如图8－1（b）所示，在它的外部接入不同的电路元件，可构成四种基本受控源电路，以实现对输入信号的各种模拟运算或模拟变换。
3、所谓受控源，是指其电源的输出电压或电流是受电路另一支路的电压或电流所控制的。
当受控源的电压（或电流）与控制支路的电压（或电流）成正比时，则该受控源为线性的。
根据控制变量与输出变量的不同可分为四类受控源：
即电压控制电压源（VCVS）、电压控制电流源（VCCS）、电流控制电压源（CCVS）、电流控制电流源（CCCS）。
电路符号如图3－2所示。
理想受控源的控制支路中只有一个独立变量（电压或电流），另一个变量为零，即从输入口看理想受控源或是短路（即输入电阻Ri＝0，因而u1＝0）或是开路（即输入电导Gi＝0，因而输入电流i1＝0），从输出口看，理想受控源或是一个理想电压源或是一个理想电流源。
图3－2
4、受控源的控制端与受控端的关系称为转移函数
四种受控源转移函数参量的定义如下
（1）压控电压源（VCVS）
U2＝f（U1）μ＝U2/U1称为转移电压比（或电压增益）。
（2）压控电流源（VCCS）
I2＝f（U1）gm＝I2/U1称为转移电导。
（3）流控电压源（CCVS）
U2＝f（I1）rm＝U2/I1称为转移电阻。
（4）流控电流源（CCCS）
I2＝f（I1）α＝I2/I1称为转移电流比（或电流增益）。
5、用运放构成四种类型基本受控源的线路原理分析
（1）压控电压源（VCVS）如图3－3所示
图3－3
由于运放的虚短路特性，有
up＝un＝u1i2＝
又因运放内阻为∞有i1＝i2
因此u2＝i1R1+i2R2＝i2（R1+R2）＝
（R1+R2）＝（1+
）u1
即运放的输出电压u2只受输入电压u1的控制与负载RL大小无关，电路模型如图9－2（a）所示。
转移电压比μ＝
μ为无量纲，又称为电压放大系数。
这里的输入、输出有公共接地点，这种联接方式称为共地联接。
（2）压控电流源（VCCS）将图8－3的R1看成一个负载电阻RL，如图3－4所示，即成为压控电流源VCCS。
图3－4
此时，运放的输出电流
iL＝iR＝
即运放的输出电流iL只受输入电压u1的控制，与负载RL大小无关。
电路模型如图8－2（b）所示。
转移电导
（S）
这里的输入、输出无公共接地点，这种联接方式称为浮地联接。
（3）流控电压源（CCVS）如图3－5所示
由于运放的“＋”端接地，所以up＝0，“－”端电压un也为零，此时运放的“－”端称为虚地点。
显然，流过电阻R的电流i1就等于网络的输入电流iS。
此时，运放的输出电压u2＝-i1R＝-iSR，即输出电压u2只受输入电流iS的控制，与负载RL大小无关，电路模型如图3－2（c）所示。
转移电阻
（Ω）
此电路为共地联接。
图3－5
（4）流控电流源（CCCS）如图3－6所示：
图3－6
ua＝-i2R2＝-i1R1
iL＝i1+i2＝i1+
i1＝（1+
）i1=（1+
）iS
即输出电流iL只受输入电流iS的控制，与负载RL大小无关。
电路模型如图8－2（d）所示
转移电流比α＝
α为无量纲，又称为电流放大系数。
此电路为浮地联接。
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
0～10V
1
2
可调直流恒流源
0～200mA
1
3
直流数字万用表
1
四、实验内容
本次实验中受控源全部采用直流电源激励，对于交流电源或其它电源激励，实验结果是一样的。
1．测量受控源VCVS的转移特性U2=f（U1）及负载特性U2=f（IL）
实验线路如图3－7。
U1为可调直流稳压电源，RL为可调电阻箱。
图3－7
（1）固定RL＝2KΩ，调节直流稳压电源输出电压U1，使其在0～6V范围内取值，测量U1及相应的U2值，绘制U2＝f（U1）曲线，并由其线性部分求出转移电压比μ。
测量值
U1（V）
U2（V）
实验计算值
μ
理论计算值
μ
（2）保持U1＝2V，令RL阻值从1KΩ增至∞，测量U2及IL，绘制U2＝f（IL）曲线。
RL（KΩ）
U2（V）
IL（mA）
2．测量受控源VCCS的转移特性IL＝f（U1）及负载特性IL＝f（U2）
实验线路如图3－8
图3－8
（1）固定RL＝2KΩ，调节直流稳压电源输出电压U1，使其在0～5V范围内取值。
测量U1及相应的IL,绘制IL＝f（U1）曲线，并由其线性部分求出转移电导gm。
测量值
U1（V）
IL（mA）
实验计算值
gm（S）
理论计算值
gm（S）
（2）保持U1＝2V，令RL从0增至5KΩ，测量相应的IL及U2，绘制IL＝f（U2）曲线。
RL（KΩ）
IL（mA）
U2（V）
3、测量受控源CCVS的转移特性U2＝f（IS）及负载特性U2＝f（IL）
实验线路如图3－9。
IS为可调直流恒流源，RL为可调电阻箱。
图3－9
（1）固定RL＝2KΩ，调节直流恒流源输出电流IS，使其在0～0.8mA范围内取值，测量IS及相应的U2值，绘制U2＝f（IS）曲线，并由其线性部分求出转移电阻rm。
测量值
IS（mA）
U2（V）
实验计算值
rm（KΩ）
理论计算值
rm（KΩ）
（2）保持IS＝0.3mA，令RL从1KΩ增至∞，测量U2及IL值，绘制负载特性曲线U2＝f（IL）。
RL（KΩ）
U2（V）
IL（mA）
4．测量受控源CCCS的转移特性IL＝f（IS）及负载特性IL＝f（U2）
实验线路如图3－10。
图3－10
（1）固定RL＝2KΩ，调节直流恒流源输出电流IS，使其在0～0.8mA范围内取值，测量IS及相应的IL值，绘制IL＝f（IS）曲线，并由其线性部分求出转移电流比α。
测量值
IS（mA）
IL（mA）
实验计算值
α
理论计算值
α
（2）保持IS＝0.3mA，令RL从0增至4KΩ，测量IL及U2值，绘制负载特性曲线IL=f（U2）曲线。
RL（KΩ）
IL（mA）
U2（V）
五、实验注意事项
1．实验中，注意运放的输出端不能与地短接，输入电压不得超过10V。
2．在用恒流源供电的实验中，不要使恒流源负载开路。
六、预习思考题
1．参阅有关运算放大器和受控源的基本理论。
2．受控源与独立源相比有何异同点？
3．试比较四种受控源的代号、电路模型，控制量与被控制量之间的关系。
4．四种受控源中的μ、gm、rm和α的意义是什么？
如何测得？
5．若令受控源的控制量极性反向，试问其输出量极性是否发生变化？
6．受控源的输出特性是否适于交流信号。
七、实验报告
1．对有关的预习思考题作必要的回答。
2．根据实验数据，在方格纸上分别绘出四种受控源的转移特性和负载特性曲线，并求出相应的转移参量。
3．对实验的结果作出合理地分析和结论，总结对四类受控源的认识和理解。
4．心得体会及其它。
注：
不同类型的受控源可以进行级联以形成等效的另一类型的受控源。
如受控源CCVS与VCCS进行适当的联接可组成CCCS或VCVS。
如图3－11及图3－12所示，为由CCVS及VCCS级联后组成的CCCS及VCCS电路联接图。
图3－11
图3－12
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定方法。
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测绘图形。
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，对时间常数τ较大的电路，可用慢扫描长余辉示波器观察光点移动的轨迹。
然而能用一般的双踪示波器观察过渡过程和测量有关的参数，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，即令方波输出的上升沿作为零状态响应的正阶跃激励信号；方波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，电路在这样的方波序列脉冲信号的激励下，它的影响和直流电源接通与断开的过渡过程是基本相同的。
2.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
图4-1（a）所示电路
用示波器测得零输入响应的波形如图4-1（b）所示。
根据一阶微分方程的求解得知
uc＝Ee-t/RC＝Ee-t/τ
当t＝τ时，Uc（τ）＝0.368E
此时所对应的时间就等于τ
亦可用零状态响应波形增长到0.632E所对应的时间测得，如图10-1（c）所示。
（b）零输入响应（a）RC一阶电路（c）零状态响应
图4-1
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<这就构成了一个微分电路，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。
（a）微分电路（b）积分电路
图4-2
若将图4-2（a）中的R与C位置调换一下，即由C端作为响应输出，且当电路参数的选择满足τ＝RC>>T/2条件时，如图4-2（b）所示即构成积分电路，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。
从输出波形来看，上述两个电路均起着波形变换的作用，请在实验过程中仔细观察与记录。
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
2
双踪示波器
1
四、实验内容
实验线路板的结构如图4-3所示，认清R、C元件的布局及其标称值，各开关的通断位置等等。
1.选择动态线路板上R、C元件，令
（1）R＝10KΩ， C＝1000PF
组成如图4-1（a）所示的RC充放电电路，E为函数信号发生器输出，取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u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，求测时间常数τ，并描绘u及uc波形。
少量改变电容值或电阻值，定性观察对响应的影响，记录观察到的现象。
（2）令R＝10KΩ，C＝3300PF，观察并描绘响应波形，继续增大C之值，定性观察对响应的影响。
2.选择动态板上R、C元件,组成如图4-2（a）所示微分电路,令C＝3300PF，R＝30KΩ。
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，定性观察对响应的影响，并作记录。
当R增至∞时，输入输出波形有何本质上的区别？
五、实验注意事项
示波器的辉度不要过亮。
调节仪器旋钮时，动作不要过猛。
3．调节示波器时，要注意触发开关和电平调节旋钮的配合使用，以使显示的波形稳定。
4．作定量测定时，“t/div”和“v/div”的微调旋钮应旋至“校准”位置。
5．为防止外界干扰，函数信号发生器的接地端与示波器的接地端要连接在一起（称共地）。
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信号？
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，拟定测定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？
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.学习用实验方法测试R、L、C串联谐振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、掌握电路品质因数的物理意义及其测定方法。
二、原理说明
1.在图5-1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。
取电路电流I作为响应，当输入电压Ui维持不变时，在不同信号频率的激励下，测出电阻R两端
电压U0之值，则I=
，然后以f为横坐标，以I为纵坐标，绘出光滑的曲线，此
即为幅频特性，亦称电流谐振曲线，如图5-2所示。
图5-1 图5-2
2.在f＝f0＝
处（XL＝XC），即幅频特性曲线尖峰所在的频率点，
该频率称为谐振频率，此时电路呈纯阻性，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I0达到最大值，且与输入电压Ui同相位，从理论上讲，此时Ui＝UR0＝U0，UL0＝UC0＝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
测定，UC0与UL0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＝fh－fl
再根据
求出Q值，式中f0为谐振频率，fh和fl是失谐时，幅度下降到最大值的
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
升级会员 