实验二 线性有源二端网络等效电路的研究.docx

1、实验二 线性有源二端网络等效电路的研究 实验二 线性有源二端网络等效电路的研究 班级 通信192 姓名 余*耀 学号 27一、实验目的1、 学习测量线性有源二端网络等效电源参数与电路的外特性的方法。2、 加深对等效电源定理的理解, 验证最大功率传输条件。3、 巩固万用电表的使用方法,加深对万用电表内阻的理解。二、实验器材、设备及软件互联网+电子在线实验平台电阻、电压源、万用表、导线三、实验原理1.任何一个线性网络,如果只研究其中一条支路的电压或电流,则可将电路的其余部分瞧作就是一个有源二端网络,或称为含源一端口网络,如图 1(a)所示。图1 线性有源二端网络的等效电路2、 等效电源定理包括电压

2、源等效与电流源等效两个定理,也称为戴维南定理与诺顿定理:戴维南定理:任意一个线性有源二端网络,就其对外电路的作用而言,总可以等效为一个电压源与电阻组成的串联电路,如图 1(b)所示。该电压源的电压 UOC等于二端网络在端口处的开路电压;电阻 r0 等于二端网络内所有独立源置于零的条件下,从端口处瞧进去的等效电阻。诺顿定理:任意一个线性有源二端网络,就其对外电路的作用而言,总可以等效为一个电流源与电导组成的并联电路,如图 1(c) 所示。该电流源的电流 ISC等于二端网络在端口处的短路电流;电导 g0 等于该二端网络内所有独立源置于零的条件下,从端口处瞧进去的等效电导, g0 = 1/ r0。通

3、常我们称开路电压UOC、短路电流ISC以及等效内阻 r0为有源二端网络的等效电源参数。3.线性有源二端网络与等效电路的外特性应该就是一致的,在平面坐标中绘制的伏安关系曲线应该重合。4、 最大功率传输定理一个线性有源二端网络,不管其内部具体电路如何,都可以等效为一个理想电压源与电阻组成的串联电路,如图 5-1(b)所示。当负载为 RL时,获得功率:对上式求导并令其为零,得到负载 RL上获得最大功率时的条件 RL = r0,此时最大功率为:四、实验内容与步骤进入电路分析实验平台,进入实验“线性有源二端网络等效电路”,点击界面左侧的“实验操作”选项卡,进入线性电路的实验模块界面。1、 线性有源二端网

4、络等效电源参数的测量如图 2 所示实验电路, 测量 A、 B 端口的等效电源参数 UOC、 ISC,测量数据填入表1中,r0任选三种方法进行测量,测量数据填入表 2 中。图2 测定 AB 端等效电源参数电路(1)测量开路电压 UOC按图 5-3 所示, 在实验板上搭建实验电路。 将稳压源+5V 的电源输出端接到电路(电源电压接入电路前应先测量设置好电压再接入电路,防止电压过高烧坏元件) 。在精度要求不高的情况下,可直接用万用表的直流电压挡测出该有源二端网络电路的开路电压 UOC,如图3 所示。实验中所用的万用表其内阻足够大(大于被测网络的电阻 100倍以上),则测量误差可以忽略,可认为万用表的

5、电压读数就就是开路电压 UOC的值。否则将有一定的测量误差。图3 测量开路电压 UOC电路 图4 测量短路电流 ISC电路( 2)测量短路电流 ISC将上述实验电路中的直流电压表换成直流电流表,其她连接保持不变, 见图 5-4。 在网络端口允许短路的情况下, 可用万用表直流电流挡测量网络端口处的短路电流。如果实验中使用的万用表内阻足够小(小于被测支路阻值 100 倍以上),则对测量数据影响较小,可以认为万用表的电流读数就就是短路电流 ISC的值。否则将有一定的测量误差。表1 测定等效电源参数 UOC, ISC测 量 项 目UOC(V)ISC(mA)20mA 档测量200mA 档测量理论值1、6

6、33、25 3、25测量值1、593、063、09(3)测量等效内阻 r0测量等效内阻的方法很多,事实上,我们根据已经测量的开路电压 UOC及短路电流 ISC,即可得到等效内阻 r0 =UOC /ISC ;除此之外,再介绍几种测量 r0的方法。a、 直接测量法图 5 万用电表欧姆挡测量 r0电路将网络内的独立源置零,如图 5(a)所示,将线性有源二端网络变成无源二端网络,用万用表欧姆挡测量该网络端口处的入端电阻,即得到等效内阻 r0。b、 外接已知电源法图 6 外接已知电源法测量 r0电路按照上述图 5(a)的方法,将线性有源二端网络变成无独立源二端网络,外接电源,测电流 I 或电压 U ,

7、如图 6(a)与(b)所示,根据电压与电流的比值,计算出 r0。c、 半值法按照上述图 5(a)的方法, 将线性有源二端网络变成无独立源二端网络,外接电压源 U 与电阻箱 RL,如图 7 所示; U 的大小,选一个适当值即可,改变电阻箱 RL的阻值,并测量其端电压 UL,当 UL = 1/2 U 时, r0 = RL。图 7 半值法测量 r0 电路d、 外接已知负载法也称为二次电压测量法,电路如图 8(a)所示, 在被测电路 A、 B 两端任接一个阻值已知的电阻 RL,第一次测的就是开路电压 UOC(表 1 已完成),第二次测的就是已知阻值电阻 RL上的端电压 UL,从图 8(b)我们知道:(

8、Uoc -UL ) /r0 = UL /RL即得到公式: r0 = (Uoc /UL -1) RL图8 外接已知负载法测量 r0电路特殊地:如果 RL换作电阻箱,在调节 RL大小的同时, 测量其端电压 UL,当 UL值恰好为开路电压 UOC的一半时,由公式得到, r0 = RL,此时 r0值就可直接由电阻箱上读取。表2 测量 r0r0实验方法中间测量数据结果 r0( )r01开路电压短路电流法-Uoc/Isc=519、61r02直接测量法-515、24r03外接已知电源法U=5、0V ,I=9、55mA 523、56r04外接已知负载法RL=510,UL=0、78V 529、62理论值 r0

9、=502、17综合分析后 r0=529、622、 测量实验电路的外特性电路的外特性也称为伏安特性,就是对电路输出端电压与电流之间关系的描述 U=f (I)。线性有源二端网络外特性的测量方法,就是在被测电路 A、 B 的两端接一个负载电阻 RL,实验电路可参考 8(a), 改变电阻 RL的数值,测量其端电压 UL,测量数据填入表 3 原电路部分,并计算通过电阻 RL的电流 IL。即可在坐标纸上描绘出 ULIL曲线。 表 3 测量电路外特性RL()1001k5、1k100k原 电 路UL (V)0、260、360、570、780、851、051、451、58IL (mA)2、602、401、901

10、、531、371、050、280、02P(mW)0、680、861、081、191、171、100、40、03等效电路UL (V)0、240、350、560、780、851、031、451、58IL (mA)2、402、331、871、531、371、030、280、023、 测量戴维南等效电路的外特性用测量的 UOC 、r0组成戴维南等效电路,其中 r0 选用离实验中测出较准确值最近的阻值。测量等效电路的外特性的实验电路可参考图 8(b),将 UL测量数据填入表 5-3 等效电路部分,并计算 IL,与原电路的外特性进行比较。数据分析:图:实验电路与等效电路的伏安特性曲线如下:4、 研究功率与

11、负载间关系根据实测的原电路的外特性,计算负载 RL上获得的功率 P,观察 P 随 RL变化的规律,即P = f(RL ),验证负载获得最大功率条件。数据分析: 理论分析:RL=510时,P达到最大值 在实验中:RL=510时,P达到最大值五、实验要求与注意事项1.测量等效内阻 r0 的方法最少用三种,以便于比较与分析测量误差, 选取测量较准确者构成等效电路。2、 实验中万用表测量电压、电流的变换次数较多,必须正确使用,以防损坏。3、 实验中,严禁将直流稳压电源两输出端短接。六、实验报告与思考题1、 整理实验数据,列写出所用测量方法与电路,分析这些测量方法的优缺点。2、 绘制原电路与戴维宁等效电

12、路的外特性曲线,并由原电路外特性曲线求出等效电源参数。3、 绘制原电路负载 RL上获得的功率 P 随 RL变化的曲线,验证负载获得最大功率条件。答案1,开路电压短路电流法:优点:测量方法简单,容易操作;缺点:当二端网络的内阻很小时,容易损坏其内部元件直接测量法:优点:方便简单,一目了然;缺点:会造成较大的误差外接已知电源法:优点:测量准确;缺点:无外接已知负载法:优点:测量准确;缺点:无2,等效电源参数:根据戴维南定理,(一)计算a、b两端开路电压,设Uab=u:Uab=25*(-20i),Uab=-500i。i=(5-3Uab)/2k,以上两公式代入:Uab=-2、5k/2k+1、5kUab/2k,Uab=-5(V)。3,1 2 3 4 5 6 7 8对应1001k5、1k100kP达到最大值RL=510