电工实验指导书电气自动化.docx
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电工实验指导书电气自动化
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，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
0~200mA
1
D31
5
迭加原理实验电路板
1
DG05
四、实验内容
实验线路如图7-1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7-1。
表7-1
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7-1。
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7-1。
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7-1。
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7-2。
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7-2
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7-2的数据，你能得出什么样的结论？
4.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。
诺顿定理指出：
任何一个线性有源网络，总可以用一个电流源与一个电阻的并联组合来等效代替，此电流源的电流Is等于这个有源二端网络的短路电流ISC，其等效内阻R0定义同戴维南定理。
Uoc（Us）和R0或者ISC（IS）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9-1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9-2
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9-2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。
（4）零示法测UOC图9-3
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9-3所示.。
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9-4（a）。
（a）图9-4（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9-4（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9-4（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9-4（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）
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“5”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
源必须先置零，以免损坏万用表。
其次，欧
姆档必须经调零后再进行测量。
图9-5
4.用零示法测量UOC时，应先将稳压电源的输出调至接近于UOC，再按图9-3测量。
5.改接线路时，要关掉电源。
六、预习思考题
1.在求戴维南或诺顿等效电路时，作短路试验，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9-4（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、3、4，分别绘出曲线，验证戴维南定理和诺顿定理的正确性，并分析产生误差的原因。
2.根据步骤1、5、6的几种方法测得的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量方法。
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观测波形。
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。
要用普通示波器观察过渡过程和测量有关的参数，就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，即利用方波输出的上升沿作为零状态响应的正阶跃激励信号；利用方波的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，那么电路在这样的方波序列脉冲信号的激励下，它的响应就和直流电接通与断开的过渡过程是基本相同的。
2.图13-1（b）所示的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:
用示波器测量零输入响应的波形如图13-1（a）所示。
根据一阶微分方程的求解得知uc＝Ume-t/RC＝Ume-t/τ。
当t＝τ时，Uc（τ）＝0.368Um。
此时所对应的时间就等于τ。
亦可用零状态响应波形增加到0.632Um所对应的时间测得，如图13-1（c）所示。
τ
τ
a）零输入响应（b）RC一阶电路（c）零状态响应
图13-1
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<<
时（T为方波脉冲的重复周期），且由R两端的电压作为响应输出，则该电路就是一个微分电路。
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。
如图13-2（a）所示。
利用微分电路可以将方波转变成尖脉冲。
（a）微分电路（b）积分电路
图13-2
若将图13-2（a）中的R与C位置调换一下，如图13-2（b）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>>
，则该RC电路称为积分电路。
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。
利用积分电路可以将方波转变成三角波。
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，请在实验过程仔细观察与记录。
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
DG03
2
双踪示波器
1
自备
3
动态电路实验板
1
DG07
四、实验内容
实验线路板的器件组件，如图13-3所示，请认清R、C元件的布局及其标称值，各开关的通断位置等。
1.从电路板上选R＝10KΩ，C＝6800pF组成如图13-1（b）所示的RC充放电电路。
ui为脉冲信号发生器输出的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ui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，请测算出时间常数τ，并用方格纸按1:
1的比例描绘波形。
少量地改变电容值或电阻值，定性地观察对响应的影响，记录观察到的现象。
2.令R＝10KΩ，C＝0.1μF，观察并描绘响应的波形，继续增大C之值，定性地观察对响应的影响。
3.令C＝0.01μF，R＝100Ω，组成
如图13-2（a）所示的微分电路。
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，定性地观察对响应的影响，
并作记录。
当R增至1MΩ时，输入输出波
形有何本质上的区别？
五、实验注意事项
1.调节电子仪器各旋钮时，动作不要过快、
过猛。
实验前，需熟读双踪示波器的使用说明
书。
观察双踪时，要特别注意相应开关、旋钮图13-3动态电路、选频电路实验板
的操作与调节。
2.信号源的接地端与示波器的接地端要连在一起（称共地），以防外界干扰而影响测量的准确性。
3.示波器的辉度不应过亮，尤其是光点长期停留在荧光屏上不动时，应将辉度调暗，以延长示波管的使用寿命。
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源？
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，拟定测量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？
4.预习要求：
熟读仪器使用说明，回答上述问题，准备方格纸。
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。
实验三 正弦稳态交流电路相量的研究
一、实验目的
1．研究正弦稳态交流电路中电压、电流相量之间的关系。
2.掌握日光灯线路的接线。
3.理解改善电路功率因数的意义并掌握其方法。
二、原理说明图17-1
1.在单相正弦交流电路中，用交流电流表测得
各支路的电流值，用交流电压表测得回路各元件两
端的电压值，它们之间的关系满足相量形式的基尔
霍夫定律，即ΣI＝0和ΣU＝0。
2.图17-1所示的RC串联电路，在正弦稳态信
号U的激励下，UR与UC保持有90º的相位差，即当图17-2
ֹ
R阻值改变时，UR的相量轨迹是一个半园。
U、UC与UR三者形成一个直角形的电压三
角形，如图17-2所示。
R值改变时，可改
变φ角的大小，从而达到移相的目的。
3.日光灯线路如图17-3所示，图中A
是日光灯管，L是镇流器，S是启辉器，图17-3
C是补偿电容器，用以改善电路的功率因数（cosφ值）。
有关日光灯的工作原理请自行翻阅有关资料。
三、实验设备
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
交流电压表
0～450V
1
D33
2
交流电流表
０～5A
1
D32
3
功率表
1
D34
4
自耦调压器
1
DG01
5
镇流器、启辉器
与40W灯管配用
各1
DG09
6
日光灯灯管
40W
1
屏内
7
电容器
1μF,2.2μF,4.7μF/500V
各1
DG09
8
白炽灯及灯座
220V，15W
1~3
DG08
9
电流插座
3
DG09
图17-3
四、实验内容
1.按图17-1接线。
R为220V、15W的白炽灯泡，电容器为4.7μF/450V。
经指导教师检查后，接通实验台电源，将自耦调压器输出（即U）调至220V。
记录U、UR、UC值，验证电压三角形关系。
测量值
计算值
U（V）
UR（V）
UC（V）
U’（与UR，UC组成Rt△）
（U’=
）
△U=U’－U（V）
△U/U（%）
2.日光灯线路接线与测量。
图17-4
按图17-4接线。
经指导教师检查后接通实验台电源，调节自耦调压器的输出，使其输出电压缓慢增大，直到日光灯刚启辉点亮为止，记下三表的指示值。
然后将电压调至220V，测量功率P，电流I，电压U，UL，UA等值，验证电压、电流相量关系。
测量数值
计算值
P（W）
Cosφ
I（A）
U（V）
UL（V）
UA（V）
r（Ω）
Cosφ
启辉值
正常工作值
3.并联电路──电路功率因数的改善。
按图17-5组成实验线路。
经指导老师检查后，接通实验台电源，将自耦调压器的输出调至220V，记录功率表、电压表读数。
通过一只电流表和三个电流插座分别测得三条支路的电流，改变电容值，进行三次重复测量。
数据记入下页表中。
五、实验注意事项
1.本实验用交流市电220V，务必注意用电和人身安全。
2.功率表要正确接入电路。
3.线路接线正确，日光灯不能启辉时，应检查启辉器及其接触是否良好。
ic
图17-5
电容值
测量数值
计算值
（μF）
P（W）
COSφ
U（V）
I（A）
IL（A）
IC（A）
I’（A）
Cosφ
0
1
2.2
4.7
六、预习思考题
1.参阅课外资料，了解日光灯的启辉原理。
2.在日常生活中，当日光灯上缺少了启辉器时，人们常用一根导线将启辉器的两端短接一下，然后迅速断开，使日光灯点亮（DG09实验挂箱上有短接按钮，可用它代替启辉器做一下试验。
）或用一只启辉器去点亮多只同类型的日光灯，这是为什么？
3.为了改善电路的功率因数，常在感性负载上并联电容器，此时增加了一条电流支路，试问电路的总电流是增大还是减小，此时感性元件上的电流和功率是否改变？
4.提高线路功率因数为什么只采用并联电容器法，而不用串联法？
所并的电容器是否越大越好？
七、实验报告
1.完成数据表格中的计算，进行必要的误差分析。
2.根据实验数据，分别绘出电压、电流相量图，验证相量形式的基尔霍夫定律。
3.讨论改善电路功率因数的意义和方法。
4.装接日光灯线路的心得体会及其他。
实验六 二端口网络测试
一、实验目的
1.加深理解二端口网络的基本理论。
2.掌握直流二端口网络传输参数的测量技术。
二、原理说明
对于任何一个线性网络，我们所关心的往往只是输入端口和输出端口的电压和电流之间的相互关系，并通过实验测定方法求取一个极其简单的等值二端口电路来替代原网络，此即为“黑盒理论”的基本内容。
1.一个二端口网络两端口的电压和电流四个变量之间的关系，可以用多种形式的参数方程来表示。
本实验采用输出口的电压U2和电流I2作为自变量，以输入口的电压U1和电流I1作为应变量，所得的方程称为二端口网络的传输方程，如图21-1所示的无源线性二端口网络（又称为四端网络）的传输方程为：
U1＝AU2＋BI2；I1＝CU2＋DI2。
式中的A、B、C、D为二端口网络的传输参数，其值完全决定于网络的拓扑结构及各支路元件的参数值。
这四个参数表征了该二端口网络的基本特性，它们的含义是：
U1O
A＝──（令I2＝0，即输出口开路时）
U2O
U1s
B＝──（令U2＝0，即输出口短路时）
I2s
I1O
C＝──（令I2＝0，即输出口开路时）
U2O
I1s
D＝──（令U2＝0，即输出口短路时）图21-1
I2s
由上可知，只要在网络的输入口加上电压，在两个端口同时测量其电压和电流，即可求出A、B、C、D四个参数，此即为双端口同时测量法。
2.若要测量一条远距离输电线构成的二端口网络，采用同时测量法就很不方便。
这时可采用分别测量法，即先在输入口加电压，而将输出口开路和短路，在输入口测量电压和电流，由传输方程可得：
U1O A
R1O＝──＝──（令I2＝0，即输出口开路时）
I1OC
U1s B
R1s＝──＝──（令U2＝0，即输出口短路时）
I1sD
然后在输出口加电压，而将输入口开路和短路，测量输出口的电压和电流。
此时可得
U2O D
R2O＝──＝──（令I1＝0，即输入口开路时）
I2OC
U2s B
R2s＝──＝──（令U1＝0，即输入口短路时）
I2sA
R1O，R1s，R2O，R2s分别表示一个端口开路和短路时另一端口的等效输入电阻，这四个参
数中只有三个是独立的（∵AD－BC＝1）。
至此，可求出四个传输参数：
A＝
，B＝R2SA，C＝A/R1O，D＝R2OC
3.二端口网络级联后的等效二端口网络的传输参数亦可采用前述的方法之一求得。
从理论推得两个二端口网络级联后的传输参数与每一个参加级联的二端口网络的传输参数之间有如下的关系：
A＝A1A2＋B1C2B＝A1B2＋B1D2
C＝C1A2＋D1C2D＝C1B2＋D1D2
一、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
数字直流电压表
0～200V
1
D31
3
数字直流毫安表
0～200mA
1
D31
4
二端口网络实验电路板
1
DG05
四、实验内容
二端口网络实验线路如图21-2所示。
将直流稳压电源的输出电压调到10V，作为二端口网络的输入。
1.按同时测量法分别测定两个二端口网络的传输参数A1、B1、C1、D1和A2、B2、C2、D2，并列出它们的传输方程。
二端
口
网
络
I
输出端开路I12=0
测量值
计算值
U11O（V）
U12O（V）
I11O（mA）
A1
B1
输出端短路U12=0
U11S（V）
I11S（mA）
I12S（mA）
C1
D1
二端
口
网
络
II
输出端开路I22
升级会员 