电工实验室THHE1实验指导书.docx
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电工实验室THHE1实验指导书
《电路分析基础》实验教学指导
实验二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逐点测试法；
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3.1中a曲线所示，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3.1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，其特性如图3.1中c曲线。
正向压降很小（一般的锗管为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3.1中d曲线。
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，以后它的端电压将维持恒定，不再随外加的反向电压升高而增大。
图3.1
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
万用表
MF47
1
3
直流数字毫安表
1
D31
4
直流数字电压表
1
D31
5
滑线变阻器
1
6
二极管
2CP15
1
DG09
7
稳压管
2CW51
1
DG09
8
白炽灯
12V
1
DG09
9
线性电阻器
RJ－1W－1KΩ
1
DG09
四、实验内容
1、测定线性电阻器的伏安特性
按图3.2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。
图3.2
U（V）
0
2
4
6
8
10
1（mA）
2、测定非线性白炽灯泡的伏安特性
将图3.2中的R1，换成一只12V的汽车灯泡，重复1的步骤
图3.3
U（V）
0
2
4
6
8
10
I（mA）
3、测定半导体二极管的伏安特性
按图3.3接线，R为限梳电阻器，测二极管的正向特性时，其正向电流不得超过25mA，二极管D的正向压降可在0~0.75V之间取值。
特别是在0.5～o.75之间更应多取几个测量点。
作反向特性实验时，只需将图3.3中的二极管D反接，且其反向电压可加到30V。
正向特性实验数据
U（V）
0
0.2
0.4
0.5
0.55
…
0.75
1（mA）
反向特性实验数据
U（V）
0
－5
－10
－15
－20
－25
－30
1（mA）
4、测定稳压二极管的伏安特性
只要将图3.3中的二极管换成稳压二极管，重复实验内容3的测量。
正向特性实验数据
U（V）
1（mA）
反向特性实验数据
U（V）
1（mA）
五、实验注意事项
1、测二级管正向特性时，稳压电源输出应中小至太逐渐增加，应时刻注意电流表读数不得超过25mA，稳压源输出端切勿碰线短路。
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，仪表的极性亦不可按错。
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（v），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?
七、实验报告
1、根据各实验结果数据，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张图中，正、反向电压可取为不同劝比例尺）
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，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
DG04-1
2
直流稳压电源
0~30V可调
1
DG04-1
3
万用表
MF47
1
4
直流数字电压表
1
D31
5
直流数字毫安表
1
D31
6
迭加原理
实验电路板
1
DG05
四、实验内容
实验线路如4.1所示
图4.1
1、图4.1中，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的电压，数据记人表格4.1。
表4.1
实验内容
测量项目
E1
（V）
E2
（V）
I1
（mA）
I2
（mA）
I3
（mA）
UAB
（V）
UCD
（V）
UAD
（V）
UDE
（V）
UFA
（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。
6、将R5换成一只二极管1N4007（即将开关S，投向二极管D侧）重复1~5的测量过程，数据记入表4.2。
表4.2
实验内容
测量项目
E1
（V）
E2
（V）
I1
（mA）
I2
（mA）
I3
（mA）
UAB
（V）
UCD
（V）
UAD
（V）
UDE
（V）
UFA
（V）
E1单独作用
E2单独作用
E1、E2共同作用
2E2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，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（El或E2置零（短接）?
2、实验电路中，若有一个电阻器改为二级管，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，得出实验结论，即验证线性电路满足叠加性与齐次性。
2、各电阻器斯消耗的功率能否用叠加原理计算得出来？
试用上述实验数据，进行计算并作结论。
3、通过实验步骤6及分析数据表格4.2，你能得出什么样的结论？
4、心得体会及其他。
实验四戴维南定理的验证
一、实验目的
1、通过对含源二端网络外特性及戴维南等效电路外特性的测定比较，验证戴维南定理的正确性，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有源二端网络（或称为含源一端口网络）。
戴维南定理指出：
任凭一个线性有源网络，总可以用一个等效电压源来代替，此电压源的电动势E0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，理想电流视为开路）时的等效电阻。
UOC和RO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UOC，然后再将其输出端短路，用电流表测其短路电流IOC，则内阻为
R0＝
（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5.l所示。
根据外特性曲线求出斜率tgФ，则内阻
R0＝tgФ=
用伏安法，主要是测量开路电压及电压电流为额定值IN时的输出端电压值UN，则内阻为
R0＝
若二端网络的内阻值很低时，则不宜测其短路电流。
图5.1图5.2
（3）半电压法
如图5.2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5.3所示。
图5.3
零示法测量原理是用一低内阻的稳定电源与被测有源二端网络进行比较，当稳定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
1
DG01
2
可调直流恒流源
1
DG05
3
直流数字电压表
1
D31
4
直流数字毫安表
1
D31
5
万用表
MF47
1
6
可调电阻箱
0~99999.9Ω
1
DG09
7
电位器
470Ω
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）所示。
1、用开路电压、短路电流法测定戴维南等效电路的U0C和R0。
按图5.4（a）线路接入稳压电源ES和恒流源IS及可变电阻箱RL，测定U0C和R0。
U0C（V）
ISC（mA）
R0=
2、负载实验
按图5.4（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470Ω的电位器，（当可变电阻器用），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U0C之值）相串联，如图5.4
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。
RL（Ω）
0
∞
U（V）
I（mA）
4、测定有源二端网络等效电阻（又称人端电阻）的其它方法：
将被测有源网络内的所有独立源置零（将电流IS去掉，也去掉电压源，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表的欧姆档去测定负载RL开路后A、B两点间的电阻，此即为被测网络的等效内阻R0或称网络的人端电阻Ri。
5、用半电压法和零示测量被测网络的等效内阻R0及其开路电压U0C，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。
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5.4（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RO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、在图5.4（a）里，RL为何值时，消耗的功率最大？
5、心得体会及其他。
实验五RC－阶电路的响应测试
一、实验目的
1、测定RC－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、掌握有关做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，它的响应和直流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：
用示波器测得零输入响应的波形如图8.1（a）所示。
根据一阶微分方程的求解得知
UC＝Ee-t/RC=Ee-t/s
图8.1（a）零输入响应；（b）RC－阶电路；（c）零状态响应
当t=τ时，UC（t）=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8.1（C）所示。
4、微分电路和积分电路是RC－阶电路中较典型的电路，它对电路元件参数和输信号的周期有着特定的要求。
图8.2（a）微分电路；（b）积分电路
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端作为响应输出，这就成了一个微分电路，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。
如图8.2（a）所示。
若将图8.2（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≤
条件时，如图8.2（b）所示即称为积分电路，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。
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
脉冲信号发生器
1
DG03
2
双踪示波器
POS9020
1
3
动态电路实验板
1
DG07
四、实验内容
实验线路板的结构如图8.3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、选择动态电路板上的R、C元件，令
R＝10KΩ，C＝3300pf
组成如图8.1（b）所示的RC充放电电路，E为脉冲信号发生器输出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E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，并用方格纸按1：
l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=o.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、选择动态板上的R、C元件：
组成如图8.2（a）所示的微分电路，令c=0.0lμf，R＝100Ω
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做记录，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，动作不要过猛。
实验前，尚需熟读双踪示波器的使用说明，特别是观察双踪时，要特别注意开关、旋钮的操作与调节。
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、当电容C具有初始值时，RC一阶电路在方波作用下是否会出现无暂态的现象，为什么?
5、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，说明不同的τ值对RC电路响应速度的影响；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?
并回答预习思考题4的问题。
3、心得体会及其他
图8.3动态电路、选频电路实验板
实验六R、L、C元件阻抗特性的测定
一、实验目的
1、验证电阻，感抗、容抗与频率的关系，测定R~f,XL~f与XC~f特性曲线；
2、加深理解R、L、C元件端电压与电流间的相位关系。
二、原理说明
1、在正弦交变信号作用下，R、L、C电路元件在电路中的阻抗作用与信号的频率有关，它们的阻抗频率特性R~f,XL~f与XC~f曲线如图10.1所示。
2、元件阻抗频率特性的测量电路如图10.2所示。
图10.1图10.2
图中的r是提供测量回路电流用的标准小电阻，由于r的阻值远小于被测元件的阻抗值，因此可以认为AB之间的电压就是被测元件R或L或C两端的电压，流过被测元件的电流则可由r两端的电压除以r所得。
若用双踪示波器同时观察r与被测元件两端的电压，亦就展现出被测元件两端的电压和流过该元件电流的波形，从而可在荧光屏上测出电压与电流的幅值及它们之间的相位差。
3、将元件R、L、C串联或并联相接，亦可用同样的方法测得Z串与Z并时的阻抗联率特性Z～f，根据电压、电流的相位差可判断Z串或Z并是感性还是容性负载。
4、元件的阻抗角（即相位差Φ）随输入信号的频率变化而改变，将各个不同频率下的相位差画在以频率f为横坐标，阻抗角Φ为纵座标的座标纸上，并用光滑的曲线连接这些点，即得到阻抗角的频率特性曲线。
用双踪示波器测量阻抗角的方法如图10.3所示。
荧光屏上数得一个周期占n格，相位差占m格，则实际的相位差Φ（阻抗角）为
Φ=m×
图10.3
三、实验设备
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
低频信号发生器
1
DG03
2
交流毫伏表
EM2172
1
3
双踪示波器
POS9020
1
4
实验线路元件
R＝IKΩ，C＝0.01μf
L约1H.r=1Ω
1
DG09
5
频率计
1
DG03
四、实验内容
1、测量R、L、C元件的阻抗频率特性
通过电缆线将低频信号发生器输出的正信号接至如图10.2的电路，为激励源U，并用交流毫伏表测量,使激励电压的有效值U=3V，并保不变。
使信号源的输出频率从200HZ逐渐增至5KHZ（用频率计测量），并使开关S分别接通R、L、c三个元件，用交流毫伏表测量Ur，并通过计算得到相应各频率点时的R、XL与Xc之值，记入表中。
频率f（kHz）
0.2
0.5
1
1.5
2
5
R
Ur（mV）
IR=Ur/r（mV）
R=Ur/r（KΩ）
L
Ur/（mV）
IL=Ur/r（mA）
XL=U/IL（KΩ）
C
Ur/（mV）
IC=Ur/r（mA）
XC=U/IC（KΩ）
2、用双踪示波器观察在不同频率下各元件阻抗角的变化情况，并作记录。
3、测量R、L、C元件串联的阻抗频率特性
频率f（KHz）
n（格）
m（格）
Φ（度）
五、实验注意事项
1、交流毫伏表属于高阻抗电表，测量前必须先调零。
2、测Φ时，示波器的“v/div”和“t/div”的微调旋钮应旋置“校准位置”。
六、预习思考题
1、复习正弦交流电路阻抗的概念
2、测量R、L、C各个元件的阻抗角时，为什么要为它们串联一个小电阻?
可否用一个小电感或大电容代替?
为什么?
七、实验报告
1、根据实验数据，在方格纸上绘制R、L、C三个元件的阻抗频率特性曲线，从中可得出什么结论?
2、根据实验数据，在方格纸上绘制R、L、C三个元件串联的阻抗角频率特性曲线，并总结、归纳出结论。
3、回答预习思考题第2题的问题。
5、心得体会。
实验七R、L、C串联谐振电路的研究
一、实验目的
1、学习用实验方法绘制R、L、C串联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（电路Q值）的物理意义及其测定方法。
二、原理说明
1、在图14.1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。
取电阻R上的电压Uo作为响应．当输入电压
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