电路实验指导书.docx

1、电路实验指导书前 言信息技术的高速发展，市场竞争的日趋激烈，对相应人才的需求不断提高，尤其是越来越注重实践动手能力和创新能力。在就业压力不断增加的形势下，各高校越来越重视实验室建设和实验教学改革，不断探索人才培养新模式，以培养专业基础扎实、应用能力强、善于开拓实践的专业应用型人才为主要目标来适应市场的需要。因此，我校也不断加大了对“电工电子实验室”的资金投入和资源优化力度，为实验教学改革打下了良好基础。在积极学习部分电工电子技术国家示范实验室建设与改革的成功经验后，我校针对“电路原理”课程，特单独开设了一门“电路基础实验”课程，通过增加实验学时、提高实验要求、丰富实验手段、增加设计性与综合性实

2、验，旨在进一步培养学生实践能力和提高学生工程素质。 作为一门独立开设的实验课程，在考虑了实验与理论教学必须保持同步，又考虑了培养学生能力是一个循序渐进的过程，因此对原有的电工实验指导书进行修改，取材更为丰富，体系更为完整，有助于学生在掌握电路的基本测试、设计方法的同时培养系统分析、系统设计的能力。目录第一篇 绪 论 - 1 -第一章 实验目的与实验要求 - 1 -第二章 电测量指示仪表的一般知识 - 2 -第一节 电测量指示仪表的分类 - 2 -第二节 电测量指示仪表的主要技术要求 - 2 -第三章 常用电测量仪表 - 4 -第一节 磁电式仪表 - 4 -第二节 电磁式仪表 - 5 -第三节

3、电动式仪表 - 6 -第四章 电路基础实验台 - 9 -第一节 电源和控制器 - 9 -第二节 测量仪表 - 10 -第二节 元器件板 - 11 -第二篇 直流电路分析实验 - 14 -实验一 电路基本元件的伏安特性测定 - 14 -实验二 基尔霍夫定律 - 17 -实验三 叠加原理 - 20 -*实验四 特勒根定理和互易定理 - 23 -实验五 电压源与电流源的等效转换 - 25 -实验六 戴维南定理与诺顿定理 - 28 -实验七 最大功率传输条件的实验研究 - 30 -实验八 受控电源的实验研究 - 33 -实验九 一阶RC电路的暂态响应 - 39 -实验十 RLC二阶串联电路暂态响应 -

4、 43 -第三篇 交流电路分析实验 - 46 -实验十一 用一表法、二表法、三表法 - 46 -实验十二 功率因数的提高 - 51 -实验十三 串联谐振 - 54 -实验十四 互感电路 - 58 -实验十五 变压器及其参数测量 - 60 -实验十六 三相交流电路中电压、电流的测量 - 64 -实验十七 三相电路功率的测量 - 68 -参考文献 - 73 -第一篇 绪 论第一章 实验目的与实验要求电路基础实验的目的是使学生掌握电路的基本理论及基本分析方法，并具备进行电路实验的初步技能，为学习后续课程和从事专业技术工作打下基础。通过实验，不仅要巩固和深化电路的基本概念和基础理论，更要树立理论联系实

5、际的良好学风和严谨求实的科学态度，培养勤于动手、勇于创新的工程素质和探索精神，以适应新技术发展和未来服务于社会的需要。通过本课程的学习，学生应熟悉各类常用电工仪器和仪表的使用、熟悉各种基本电路的结构特点及构造方法、掌握电路的测试和调试方法、能够独立完成简单应用电路的设计。为确保实验教学有序有效地开展，将电路基础实验分为三个环节，并对各环节提出一定要求。1、实验预习实验前要仔细阅读实验教材和参考资料，明确实验目的，了解实验内容和设备的使用方法，完成预习报告。预习报告要求： 内容：完成实验思考题。对部分选作或附加实验，尽力绘出实验原理图，拟定实验步骤，草拟实验数据记录表格。2、实验操作进入实验室，

6、严格遵守实验室各项制度和有关纪律。（1）安全第一：熟知安全用电常识，墙面上的电源箱不得靠近，更不得随意开关；实验线路接通电源前请指导老师检查，准确无误后打开电源；实验中有异常情况应及时断电并报告指导老师，排除故障后继续实验；没有熟悉仪器操作规程之前不得随意使用；避免表笔、探头的扎伤，不要玩弄导线，以免误入插座的插孔中，造成短路或触电事故。（2）遵守纪律：按编号有序入座，应自始至终固定实验台组；实验中保证室内安静，不得大声喧哗和随意走动。 （3）独立完成实验：记录数据要实事求是，不得抄袭他人数据；独立完成实验并在指导老师检查后才能拆除电路。（4）实验完毕：每次实验完成应收拾实验设备及仪器，保持实

7、验台清洁条理，并记录仪器使用情况。3、实验报告格式：用实验报告纸书写内容：实验名称、实验日期、实验者的姓名、班级、学号、组别；实验目的、原理、使用设备、实验电路、数据与波形、实验结果分析与结论。第二章 电测量指示仪表的一般知识用来测量电量(如电流、电压、功率、相位、频率、电阻、电容及电感等)的指示仪表，称为电测量指示仪表。它不仅可以用来测量各种电量，而且经过相应变换器的转换，还可以用来间接测量各种非电量(如温度、湿度、速度、压力等)。又由于电测量指示仪表具有制造简单、成本低廉、稳定性和可靠性高及使用维修方便等优点，所以它被广泛应用于科学技术领域和各种工程测量中，是一种基本的测量工具。下面简单介

8、绍常用电测量指示仪表的一般知识。第一节 电测量指示仪表的分类电测量指示仪表的种类繁多，分类的方法也很多，常见的分类方法有下面几种。 1、根据仪表的工作原理可分为磁电式、电磁式、电动式、整流式、感应式、热电式及电子式等。介绍前三种系列的仪表。 2、根据被测量的特征可分为电流表、电压表、功率表、欧姆表、电度表、频率表、相位表、万用表等等。 3、根据被测量的性质可分为直流仪表、交流仪表及交直流两用仪表等。 4、按仪表的使用方法可分为安装式仪表和可携式仪表。 5、按仪表的准确度等级可分为0.05，0.1，0.2，0.3，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，5.0十一级。 6、按仪表对外电磁

9、场的防御能力可分为，四级。7、按仪表的使用条件可分为A，B，C三组。第二节 电测量指示仪表的主要技术要求 为了保证测量结果的精确、可靠，必须对电测量指示仪表提出一定的质量要求。我国制定的国家标准直接作用模拟指示电测量仪表及其附件(GB767687)对电测量指示仪表提出了较全面的质量要求。对于一般的电测量指示仪表来说，主要有以下几方面：足够的准确度、合适的灵敏度、稳定性和可靠性好、功率损耗小、良好的读数装置、足够的过载能力。一、测量误差 在测量过程中，由于测量设备不准确，测量方法不完善等原因，都会不可避免地使测量结果与被测量的实际值大小产生差别。这种差别称为测量误差。测量误差的表示方法通常可分为

10、绝对误差和相对误差两种。 1、 绝对误差是被测量的测得值A与实际值A0的差值。绝对误差A可表示为A = A-A0 2、相对误差是指绝对误差与实际值之比的百分数，若用表示，则有二、准确度仪表的准确度是指仪表在正常工作条件下进行测量时可能产生的最大绝对误差A与仪表的满刻度量程Am之比的百分数，用表示，则准确度为仪表测量时，相对误差则为由上式可见，当被测量的实际值一定时，相对误差取决于仪表的准确度等级与其满刻度量程Am的乘积。若仪表量程相同，准确度等级愈高（值愈小），则相对误差愈小；若仪表准确度相同，量程愈小，则相对误差愈小。 例：实验用电源电压U=12V，用一块0.5级的多量程电压表的20V和50

11、V档分别进行测量时，产生的误差为：用20V量程测量12V时，产生的误差为而用50V量程测量12V时，产生的误差为 由此可见，即使采用同一块电压表测量同一被测电压，不同的电压档次所产生的相对误差也是不同的。被测量值愈是接近所选档次的满刻度量程，产生的相对误差就愈小，测量的结果就愈准确。实验时，要注意适当选用仪表的量程，使仪表的读数尽量接近满刻度量程，减少测量误差。 为了反映电工仪表的测量精度，我国直读式仪表的准确度等级分为0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0七个级别。通常0.1级和0.2级仪表作标准表使用，并可进行精密测量；0.51.5级仪表用于实验室测量，1.55.0级仪表一

12、般用于工程测量或指示电气设备的运行状态。三、灵敏度 在测量过程中，如果被测量量A变化一个A，引起测量机构的可动部分的偏转角位移a改变一个a，则a与A的比值就称为该仪表的灵敏度。并用符号S表示，即。当A0时，则。如果仪表标度尺是均匀刻度的，则灵敏度与偏转角位移a无关，并在全标度尺上都是相同的，可表示为。式中，Am为仪表的量限。灵敏度的倒数称为仪表常数，用C表示，若仪表的标度尺均匀刻度，则，是仪表的量限Am与最大偏转角位移am之比，表示指针每偏转一小格所代表的被测量的数值。仪表灵敏度反映了仪表能够测量的最小被测量量，即仪表的分辨能力。因此它是仪表的一个重要技术特性。第三章 常用电测量仪表第一节 磁

13、电式仪表磁电式仪表用来测量直流量。它有准确度高、灵敏度高、消耗功率小、刻度均匀等优点加变换器后也可测交流和一些非电量，如温度等，所以应用很广泛。磁电式仪表表头的结构由固定部分和可动部分组成，参看图1-3-1。固定部分主要由磁路系统组成。有永久磁铁1，极掌2。在两个极掌间又装1个固定的圆柱形铁心3。铁心与极掌间有一气隙，在气隙里的磁感应强度B应均匀且足够强。可动部分包括铝框4及绕在铝框上的线圈5，指针6等，均固定在可以转动的轴7上。线圈两端分别与上下两个游丝8相连。游丝用来产生反作用力矩。同时又把电流引入可动线圈。绕在铝框上的线圈可在气隙里自由转动。图1-3-1磁电式仪表结构 图1-3-2磁电式

14、仪表原理 当有电流I通过线圈时，电流与磁场相互作用就有力产生，如图1-3-2。力的大小FNBIl。l为线圈在磁场内一侧的有效长度，N为线圈匝数，B为气隙里的磁感应强度，I为通过线圈里的电流。如果线圈的宽为L，产生的旋转力矩M为MNBIlL由于B，l，N，L都是常量，上式又可表示为Mk I即产生的转矩M与线圈通过的电流I成正比。 在旋转力矩M作用下，可动部分将绕轴旋转，结果游丝(即弹簧)被扭紧产生了反作用力矩Ma。在游丝的弹性范围内它与可动部分的偏转角成正比，即MaD。式中，D为游丝的反作用系数。 当作用力矩M与反作用力矩Ma相等时即平衡，可动部分就停止运动，即MMa或k I =D，则即平衡时的

15、偏转角与线圈中的电流成正比。用偏转角的大小可以表示电流的大小，且刻度均匀。 在转动过程中，由于可动部分具有一定量的动能，在平衡点处（MMa）指针不能立即停下，而是经过反复摆动几次，把动能消耗掉，指针才能停止下来。在实际测量时，人们总是希望指针能尽快地停止下来。为此在转动轴上还要加上阻尼装置，用它来消耗动能。磁电式仪表的阻尼装置就是铝框。因铝框是闭合的，铝框运动过程中，它在磁场里要切割磁力线，产生感应电动势，在铝框里就形成了电流。这个电流与气隙磁场作用又产生一个作用力，作用力产生的转矩又叫阻尼力矩。刚好与线圈运动方向相反，起阻碍线圈运动的作用。当线圈不动时，铝框里的感应电流就不存在了，阻尼力矩也

16、就消失了。阻尼力矩不会影响测量结果。上述阻尼原理叫电磁阻尼。 磁电式仪表指针偏转方向与线圈中电流方向有关，当电流反向时，指针也反偏转。刻度线的零点在一端时，指针是不许反偏转的，即从“十”端流人，从“”端流出，指针就正向偏转。磁电式仪表有极性，使用时必须注意不能用磁电式仪表测交流电。如果把50Hz交流电加在表头上，可动部分的机械惯性很大，跟不上变化很快的交流电的变化，线圈中虽有电流通过，实际上可动部分仍然在静止，如电流过大，则可能烧坏仪表。千万不能用磁电式仪表测交流电。第二节 电磁式仪表目前工程上测量交流电流和电压常用电磁式仪表，它的测量机构主要有排斥式和吸入式两种。 排斥式和吸人式的工作原理都

17、是利用磁化后的铁片被吸入或排斥作用而产生转动力矩的。图1-3-3是排斥式结构的示意图。固定铁片2固定在固定线圈l的内侧上。可动部分包括固定在轴上的可动铁片3，指针，阻尼翼片4，游丝等。图1-3-3电磁式仪表结构当固定线圈有电流通过时，电流的磁场使铁片2，3同时磁化。而且两铁片的同侧是同一极性，因而排斥，使可动部分转动。当固定线圈里的电流方向改变时，两铁片的磁化方向也同时改变，两铁片之间仍然是排斥的。可见转动方向与固定线圈中电流方向无关。因此电磁式仪表没有“十”、“”极性。既可用来测交流，也可测直流。两铁片间斥力的大小正比于每个铁片磁性的强弱，铁片未饱和前，它们的磁性正比于线圈内磁场的强弱，而线

18、圈磁场强弱又正比于线圈中的电流。所以瞬时转动力矩m与线圈内瞬时电流i的平方成正比，即m=ki2,转动力矩在一个周期内的平均值为式中的就是交流电流有效值I的平方，即M=k I2转动力矩的平均值与交流有效值的平方成正比。可动部分的旋转取决于一个周期内的平均转动力矩。由于可动部分的旋转，游丝被扭紧，产生反作用力矩Ma，反作用力矩与偏转角成正比，即MaD。当MMa时，指针就停止转动，处于平衡状态。有k I 2=D，则。式中，K是与仪表结构有关的常数。可见电磁式仪表的刻度是不均匀的。 为了消耗运动当中累积的动能，机构中装置了空气阻尼器。阻尼片4在阻尼室内运动时，与空气发生摩擦消耗动能。运动停止，阻尼力矩

19、也就不再存在了。 吸引式仪表的结构与排斥式相似，即当线圈通入电流时产生磁场并将铁片磁化，磁场吸引铁片进入线圈的缝隙，在转轴上产生转动力矩，带动可动部分偏转。第三节 电动式仪表 电动式仪表准确度高，可以交直两用，用来测功率、相位角、频率等，是应用比较广泛的一种仪表。磁电式仪表是由永久磁铁来建立磁场，如果用通过电流的固定线圈来代替永久磁铁，便构成了电动式仪表。图1-3-4电动式仪表结构 参看图1-3-4。有两个固定线圈1，平行排列，使两个固定线圈之间产生的磁场比较均匀。在两个固定线圈之间放上可动线图2。它固定在可以转动的轴上。在轴上还装有指针、两个游丝、阻尼片等。当两个固定线圈通过电流后，在线圈间

20、产生磁场。可动线圈中的电流通过两个游丝流入。当动线圈内有电流时，与固定线圈产生的磁场相互作用就形成了转矩。瞬时转矩m与两个线圈里的瞬时电流的乘积成正比，即设是按正弦规律变化，且则瞬时转矩是随时间变化的。由于可动部分的机械惯性，它的偏转角与m在一个周期内的平均值有关，即决定于平均转矩式中，I1，I2分别为固定线圈和可动线圈里的电流有效值。 在平均转矩M作用下，可动部分偏转，使游丝扭紧，产生反作用力矩Ma，同样Ma与偏转角成正比，即MaD。当MMa时，指针就停止转动，处于平衡状态。有=D，则。可见电动式测量机构的偏转角不仅与通过固定线圈和可动线圈中的电流有关，而且与两电流间相位差的余弦成正比。 电

21、动式机构也可测直流，这时0。电动式机构可以做成电压表，也可做成电流表。下边着重讨论电动式功率表。图1-3-5电动式功率表测量原理 图1-3-5是电动式功率表(简称瓦计)测负载功率时的接线图。虚框内表示瓦计。水平画出的波折线表示固定线圈1，垂直画出的波折线表示可动线圈2。固定线圈与负载串联，负载电流全部通过固定线圈，所以又把它叫电流线圈。可动线圈与附加电阻R串联后与负裁并联，可动线圈与附加电阻一起承受整个负载电压U，所以可动线圈又叫电压线圈。 1、工作在直流电路。固定线圈中的电流就是负载电流。可动线圈里的电流为，式中，为电压线圈支路中的总电阻。仪表偏转角为可见，偏转角与负载吸收的功率成正比。2、

22、工作在交流电路。通过固定线圈中的电流就是负载中电流的有效值。动圈中的电流与负载电压U成正比，即，式中，为动圈支路中的阻抗的模，如果忽略动圈支路的感抗(与附加电阻比较实际很小)，则与U是同相的。仪表偏转角为可见仪表偏转角与负载吸收的功率成正比。3、量程。功率表一般做成多量程，通常有两个电流量程，两个或多个电压量程。 两个电流量程，用两个固定线圈串联或并联实现。如串联为1A。并联就是2A。不同的电压量程串以不同的附加电阻。根据电流量程和电压量程来决定功率量程，如某一瓦计电流量程为0.51A，电压量程为0150300V。根据被测负载电压和电流大小选瓦计的电压量程为300V，电流量程为0.5A，则功率

23、量程PUI3000.5150W。即指针偏转到满刻度时为150W。当功率因数不等于1时，读数小于150 W。4、接线。瓦计内部有两个独立支路，一为电流支路，一为电压支路。为了使接线不发生错误，通常在电流支路一端和电压支路一端标有“*”特殊标记。一般称这些特殊记号为“瓦计发电机端”。接线时应遵守如下原则：对于电流线圈，有“*”号的端必须接在电源一端，另一端接至负载；对于电压线圈，有“*”号一端可以接电流线圈的任一端，电压线圈的另端应跨接到负载。参看图1-3-6。（a） （b） 图1-3-6功率表接线图图1-3-6 (a)为前接法。电流线圈的电流与负载电流相等。电压线圈承受的电压包括电流线圈两端的电

24、压降。所以这种接法瓦计读数应包括电流线圈的损耗在内。图1-3-6(b)为后接法。电压线圈承受的电压与负载端电压相等。电流线圈中的电流包括电压线圈中的电流。所以瓦计读数应包括电压线圈的损耗在内。实际测量时采用哪种接法为好要作具体分析。 按上述“发电机端“进行接线时，一般情况下瓦计应正向偏转，但也有例外，如时，瓦计则反转。这表明接线是正确的，反转表示功率本身是负值，负载不是吸收功率而是输出功率。这时只要把电流线圈两个端子倒个头就可以了，但读数应记为负值。如果瓦计面板上装有倒向开关，就不用倒电流瑞头了，只要改变一下倒向开关，指针就会正向偏转。第四章 电路基础实验台GDDS-1C（或2C）型实验台是一

25、综合性实验装置，它采用菜单式组合方式，将电路实验所需的所有测量仪表、电源、信号源及元器件安放在实验台上，做某一实验时，从中选取需要的仪表和元器件即可。利用这一实验装置，不仅可完成实验指导书规定的实验项目，同学们还可自行设计新的项目，以提高大家的创造性和动手能力。顺利完成实验和确保设备安全的关键在于了解和熟悉该实验台各部分的功能及使用方法。每次实验前应测试漏电保护装置是否正常，步骤为：合电源总开关按漏电测试开关（黄色），若能跳闸，则正常连接实验电路按电源开关恢复键（蓝色）合电源总开关进行实验。而每次连接实验电路前的第一个步骤是选取该次实验所需的电源、测量仪表及元器件，熟悉它们的用法，估算实验中电

26、流、电压的范围，确定仪表的量程。GDDS-1C型实验台由三大部分组成。最上面一排是5块测量仪表，中间一排是6块元器件板，最下面一排是各种电源和一个控制器（学生电脑）。下面分别说明。第一节 电源和控制器电源使用特别注意事项：一、各种电源输出端之间严禁直接连接。二、各种电源的小指针式仪表精度低，其读数只能作粗略参考。三、连接好电路后再打开电源开关，使用完毕后先断开电源开关再拆除电路连线。1、直流稳压电源实验台含2路025V独立可调的直流稳压电源，每路额定输出电流为1A。2、直流稳流电源实验台含1路0200mA可调的直流稳流电源（分010 mA及0200 mA两挡），额定输出电压25V。电流源不可开

27、路，当电源开关打在断开位置时，电流源与一个51内部电阻并联，以保证电流源的安全。3、函数电源可输出正弦波、三角波、方波、单脉冲电压信号，其主要技术指标为： 额定电流：1A 额定输出功率：正弦波：20W 三角波：20W 方 波：1W 输出频率：20Hz20KHz分级连续可调 输出电压：正弦波020V可调（有效值） 三角波010 Vp-p可调 方 波010Vp-p可调 单脉冲010Vp-p可调4、单相交流可调电源内置一单相调压器，可输出0250V可调市电频率电压，调压器容量为500VA。注意：使用时不可短路，使用完毕将输出电压调至零并关断电源开关。5、三相交流电源可输出380V220V三相交流电网

28、电压，由实验台电源总开关控制。每相接有一个2A的保险管。注意：使用时不可短路。6、电源插座板提供4个220V单相交流电源插座。7、控制器（学生电脑）每实验台有一个与教师电脑联网的控制器（学生电脑）。该控制器可采集、暂存本实验台5块测量仪表的数据及误操作情况，可将这些数据传送给教师电脑，还可向教师电脑发出请求帮助等信息。第二节 测量仪表使用测量仪表应注意：一、根据所测物理量正确选择仪表。二、正确选择仪表的量程（所测物理量应小于所选量程，能使指针偏转在后1/3较好。三、注意正确连线（特别是功率表）。四、正确读数。实验台装有5块仪表，它们有如下共同点：（1） 由总电源板的带锁仪表开关接通或关断电源，

29、接通时需15秒的预热时间，关断时需15秒的恢复时间方可重新启动。（2）有超量限或误操作(例如选错表等)报警及记录功能，累计的出错次数可传送到教师电脑，作为评定成绩的参考。超量限时不影响外电路状态，不需切断电源，过载清除后能自动恢复正常测试。（3）采用数字模拟双显示。模拟表头精度为1.5级，数字表头精度为0. 5级。（4）数字表头无需调零，模拟表头可轻微拨动表盘中央白色塑料刻槽调零。（5）按下“读数锁存”时数字表能锁存读数，而模拟表仍能实时测量。1、直流电压表功能和用法：并联在直流电路中测量直流电压。量程：2V20V200V500V内阻：4M注意：使用时注意量程的选择及正负极性。2、直流电流表功

30、能和用法：串联在直流电路中测量直流电流。量程：2mA20mA200mA1A2A5A内阻：0.1注意：使用时应串联在电路中，注意量程的选择及正负极性。注：表上有一“内接”或“外接”选择开关，打在“内接”时为一数模双显示表，打在“外接”时模拟表脱离出来形成一独立的高灵敏度指针式表头。此功能可为开发某些仪表测量实验提供方便。3、交流电压表功能和用法：并联在交流电路中测量交流电压有效值。量程：50V250V500V内阻：50V量程：50K 250V量程：250K 500V量程：500K注意：使用时注意量程的选择。4、交流电流表功能和用法：串联在交流电路中测量交流电流有效值。量程： 200mA1A2A1

31、0A内阻：0.01注意：使用时应串联在电路中，注意量程的选择。5、功率相位表功能：根据被测二端电路的电流和电压大小分别选择电流量程和电压量程。测量交流电路中二端网络的有功功率P、功率因数cos及端电压和端电流的相位差。量程：电流线圈：0.4A4A 电压线圈：50V500V内阻：电流线圈：0.01 电压线圈：50K（50V量程）、500K（500V量程）读数：模拟表头显示cos和，数字表头显示功率P。第二节 元器件板1、D01元件板D01元件板装有4个可变电阻调节盘和4个固定电阻，所有的电阻都是线绕电阻，每个电阻的误差小于1 。其阻值和额定功率等参数列表如下。（1）可变电阻调节盘 调节盘 阻值范围 内含电阻数量 正常使用电流 R1 099 1A R10 090