实验四戴维南定理与叠加定理五邑大学.docx
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实验四戴维南定理与叠加定理五邑大学
基础电路实验指导书
张少平黄培先何文丰罗雪飞
五邑大学电子电工实验中心
二00五年五月
序言…………………………………………………………………1
基础电路实验要求及实验方法指导………………………………2
附录一常用元器件简介及识别方法……………………………5
附录二测量的基本知识…………………………………………18
附录三万用表的使用……………………………………………29
附录四直流稳压电源的使用…………………………………39
附录五交流毫伏表的使用………………………………………41
附录六函数发生器的使…………………………………………42
附录七7802、5702型双踪示波器基本操作…………………45
实验一万用表的使用与元件的伏安特性………………………70
实验二基尔霍夫定律…………………………………………77
实验三电源的等效变换………………………………………80
实验四戴维南定理与叠加定理………………………………84
实验五RC一阶电路的零输入响应和零状态响应……………88
实验六二阶动态电路的响应…………………………………92
实验七正弦交流电路中的RLC阻抗的性能测定………………96
实验八RLC串联谐振电路……………………………………100
实验九冲激响应和正弦响应…………………………………105
实验十二端口网络参数的测定…………………………………111
基础电路实验指导书
精选实验内容
五邑大学电子电工实验中心
二00五年五月
实验一万用表的使用与元件的伏安特性
一、实验目的
1、掌握线性电阻元件、非线性电阻元件(以半导体二极管为实例)伏安特性的测试方法。
2、研究实际独立电源的外特性。
3、学习电压表、电流表(用万用表代)以及稳压电源的使用方法。
二、原理与说明
科学实验中常常需要进行线性(纯电阻)元件电路和非线性(非纯电阻)元件电路的测量,测量线性元件电路和非线性元件电路的方法有多种。
本实验用的万用表是测量一般线性元件电路和非线性元件电路较为简单的方法。
通过实验,要求掌握这一测量方法,并学会正确使用万用表,可变电阻器等。
用伏安法测量线性元件(电阻)的线路如图1所示。
Rt为电位器、RX为待测电阻;电压
表V(用万用表代)用来测量加到RX两端的电压U;电流表A(用万用表代)用来测量流经RX的电流I。
根据欧母定律,读出U和I的数值后,就可以算出:
RX=U/I。
a万用表测量电阻电压接线法
b万用表测量电阻电流接线法
图1伏安法测量电阻
用伏安法测量非线性元件(二极管)的线路如图2所示。
DX为待测二极管。
电压表V(用万用表代),用来测量加到二极管DX两端的正向电压U正,电流表A(用万用表代)用来测量流经DX正向的电流I正。
根据欧姆定律,读出U和I的数值后就可以算出:
RDX≠U/I
a万用表测量二极管电压接线法
b万用表测量二极管电流接线法
图2伏安法测量二极管
图1、2中电路的电源由直流稳压电源提供。
在测量过程中需要改变电阻RX或二极管DX两端的电压时,在电源不变的情况下,最常用来改变电压的方法就是利用一个可变电阻器(电位器)来分压(分流)如图3所示。
a实物b符号
图3可变电阻(电位器)
图3(a)为可变电阻器平面图,图3(b)为可变电阻器符号,电阻器两端点接在抽头A和B处,抽头C通过一金属片变动点可与A、B间接触,通过移动金属片C就可以改变AC或BC之间的电阻值。
设可变电阻的总值为R,由A或B变动至触点C之间的位置为R1,则根据本节的分压公式有:
U=R1/R×UAC。
所以只要变动触点C的位置就可以改变电压UAC或UBC,也就可以达到改变RX或DX两端电压的目的。
利用这种方法调节电压非常方便,并且可以使电压连续变化,这种电路叫分压(分流)电路如图4所示。
图4电位器分压(分流)电路
如果将图4中A点处断开使其悬空,则变成了一种可以改变电源电压的电路如图5所示,这种电路叫降压(限流)电路,因为可变电阻Rt是与RX并联的,变动触点C就可以改变电路中的电流,从而也达到改变RX的端电压。
图5电位器降压(限流)电路
可变电阻器作电路分压(分流)时,首先要调节输出端的电阻为最小值(即图4中把可动点C旋至在B处,这时输出电阻为最小),避免由于电压过高而损坏电压表;作限流时,首先要调节输出端的电阻为最大值(图4中把可动点C旋至A点处这时输出端电阻为最大),以避免因电流过大而损坏电流表。
1、元件的伏安特性
电阻元件和独立电源的特性可用电压表、电流表来测定。
二端元件的特性,可用元件两端的电压和通过元件的电流之间的关系来表示。
这种关系称为元件的伏安特性。
2、伏安特性曲线
图6线性电阻的伏安特性曲线
在关联参考方向下,电阻两端的电压U与流过电阻的电流I有U=IR的关系,电阻元件
任何瞬间的电压与同一瞬间的电流是同时存在的,与其过去流过电阻的电流无关。
因此,电阻元件又成为“无记忆”元件。
如果把电阻元件的电压和电流分别作为直角坐标系的两个坐标轴画出电压U与电流I的关系曲线,这条曲线称为该元件的伏安曲线。
由于线性电阻的电阻值R不随电压和电流改变,因而线性电阻的伏安特性是一条通过坐标原点的直线如图6所示。
反之,因为非线性电路的电阻值与其电压、电流的大小有关,因此其伏安特性曲线将不同于线性电阻的伏安特性曲线。
半导体二极管是一个非线性元件,其伏安特性曲线如图7所示。
图7二极管的伏安特性曲线
3、电压源:
如果一个电压源的电压为恒定值则称其为理想电压源,理想电压源具有如下特性:
其端电压与流过的电流大小无关,即内阻为零;流过电压源的电流由电压源连接的外电路决定。
实际上的电压源的内阻一般都是存在的如图8(a)所示。
(a)电压源电路(b)电压源外特性曲线
图8电压源
因此实际电压源的电压、电流有下列关系:
U=Us-RSI。
其中I是流过电压源的电流,Us是电压源端电压,RS为电压源的内阻。
其伏安特性如图8(b)所示。
理想电流源的特点是:
(1)流过电流源的电流的函数I(t)是固定的,不会因它所连接的外电路的不同而改变,即它的内阻为无穷大。
(2)电流源的端电压由它所接的外电路所决定。
实际电流源可以由一个理想电流源与一个电导来表示。
如图9所示。
图9实际电流源等效电路
三、预习要求
(1)、复习教材中的相关部分。
(2)、阅读实验指导书,了解实验原理和内容步骤。
四、实验内容与步骤:
(1)、电阻元件的伏安特性的测定:
参巧图10的实际电路自行设计一个测试电路图,确认无误后,打开稳压电源开关,调节稳压电源的输出电压为10伏,然后按表1中电压的要求依次调节电位器的电压输出值,分别读出电流表的电流值,填入表1中,画出其伏安特性曲线。
图10伏安特性测试电路
表1
U(V)
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
I(mA)
(2)、半导体二极管的伏安特性:
选择一实验用的二极管,根据二极管的型号确定其参数。
比如,最大平均整流电流,最高反向工作电压等。
图11(α)测试的二极管的正向特性。
确定接线无误之后,接通稳压电源。
将输出电压调到2V,然后调节电位器R来改变二极管的两端电压以及流过的电流值。
由于电压表的内阻很大,可以认为电流表中指示的值就等于流过二极管的电流。
按照图11(a)接好二极管的正向特性测试电路,确认无误后,开启电源,调节可变电阻器,使电压分别为表2所列的电压值,并将所得的电流值记入表2中。
为了突出曲线弯曲部分应多测几个点。
表2
U(V)
0.3
0.35
0.4
0.45
0.50
0.55
0.6
I(mA)
图11(b)测试的是二极管的反向特性。
将输出电压调到18V,然后调节电位器R来改变二极管的两端电压以及测量流过的电流值。
由于流过二极管的反向电流非常小,所以选用电流表为直流微安档量程。
(a)二极管的正向特性测试电路(b)二极管的反向特性测试电路
图11二极管正反向测量接线图
按照图11(b)接好二极管反向特性的测试电路,确认无误后,开启电源,调节可变电阻器,使电压分别为表3所列的电压值,并将所测得的电流值记入表3中。
表3
U(V)
2
4
6
8
10
12
I(μА)
(3)、实际电压源伏安特性的测定:
在实验板上选取一个电阻作为晶体管稳压电源的内阻,与稳压电源相串联成一个实际的电压源模型。
测定电压源的伏安特性电路如图12所示。
图12实际伏安特性的测定电路
其中RS作为实际电压源的内阻,它与直流稳压电源相串联组成一个实际电压源模型。
确认无误后,开启电源,调节稳压电源输出电压12V,负载R为可变电阻。
调节可变电阻器,使电流值分别为表4所列数值,并将测得电压值填入表4中。
表4
I(mA)
0
10
20
30
40
50
60
U(V)
12
五、注意事项:
(1)、指针式直流仪表使用时应注意极性,测量数据时不要同时接入电压表和电流表。
(2)、在测试半导体二极管的伏安特性时,不允许超过它的电流和电压的额定值。
六、报告要求:
按实验内容与步骤1~3的要求列出测量结果、伏安特性,并得出相应的结论。
七、仪器设备:
直流稳压电源一台
直流电压表一只(用万用表替代)
直流电流毫安表一只(用万用表替代)
可变电阻器具一只
电路实验板一块
实验四戴维南定理与叠加定理
一、实验目的
1、通过实验加深了解戴维南定理与叠加定理。
2、学习测量线性有源二端网络等效电路参数的方法。
3、通过实验证明负载上获得最大功率的条件。
二、实验原理
1、戴维南定理:
任何一个含独立电源、线性电阻和受控源的二端网络,对外电路来说,可以用一个电压源和电阻的串联组合来等效置换,该电压源的电压等于二端网络的开路电压,而电阻等于二端网络的全部独立电源置零后的输入电阻。
2、叠加定理:
在线性电阻电路中,任一支路电流(或支路电压)都是电路中各个独立电源单独作用时在该支路产生的电流(或电压)之叠加。
3、测量戴维南电路等效电阻:
测量含源二端网络的开路电压UOC和短路电流ISC,则戴维南电路等效电阻为:
Req=UOC∕ISC
将含源二端网络化为无源二端网络,在这无源二端网络的端口处加上电压Ui的电压源,
测量端口电流Iin,则戴维南电路等效电阻为:
Req=Ui∕Iin
4、负载上获得最大功率的条件:
最大功率传输问题可以归结为一个二端网络向负载输送功率的问题。
根据戴维南定
理,在电阻电路中,当负载电阻等于二端网络的等效内阻时,负载电阻获得的功率最大。
三.预习要求
1、复习教材中的相关部分。
2、阅读实验指导书,了解实验原理、内容与步骤。
四、实验内容和步骤
1、叠加定理的验证
图1叠加定理实验电路
实验电路如图1所示。
图1中K1、K2是双刀双掷开关,用K1、K2可以分别控制电压源US1、US2在实验电路中接入,按照分别接入US1、US2以及一起接入US1、US2三种情况测量电流I1、I2、I3分别填入表1中。
表1
I1(mA)
I2(mA)
I3(mA)
US1单独作用(V)
US2单独作用(V)
US1、US2共同作用(V)
US1与US2单独作用叠加值(V)
误差(%)
注:
误差(%)=(同时作用值--叠加值)/
同时作用值
2、戴维南定理的验证:
(1)、有源二端网络的伏安特性:
该实验电路可由上一个实验如图1所示的电路去掉双刀双掷开关,用负载电阻RL置换US1改造而成,实验电路如图2所示。
电路中的电源只有US2单独作用,再由小到大依次调节可变电阻RL使其分别为表2中所示的电阻值,记录电流(压)表中相对应的读数并填入表2中。
图2戴维南定理实验电路
表2
RL(Ω)
200
300
400
500
600
Il(mA)测量值
Vab
P(w)
(2)、测量有源二端网络等效内阻:
根据不同的精度要求和测量条件,有源二端网络参数有不同的测量方法。
方法一:
在有源二端网络输出端开路时,用电压表直接测量其开路电压UOC,然后再用电流表测量其短路电流ISC,则可计算出有源二端网络等效内阻R0
R0=UOC∕ISC
这种方法适用于网络等效内阻较大,而短路电流不超过额定值的情况。
方法二:
两次电压测量法。
实验电路如图3所示,先测量ab开路电压UOC,然后在ab端接上一个电阻R,再测量ab电压U1,则ab端等效内阻RO为:
RO=(UOC∕U1-1)R
图3有源二端网络等效内阻两次电压测量法电路
(3)、测量有源二端网络的开路电压:
方法一(直接测量法):
用电压表测量有源二端网络的开路电压时,由于电压表的内阻会影响测量结果,为了减少测量误差,尽可能选用高内阻的电压表,当有源二端网络的等效内阻和电压表的内阻相比很小时,可以采用此方法。
方法二(零示测量法):
在测量具有高内阻有源二端网络的开路电压时,用电压表直接测量会影响测量结果,为了消除电压表内阻的影响,往往采用零示测量法,如图4所示。
图4有源二网络开路电压的零示测量法电路
零示测量法原理是用一低内阻的稳压电源与被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,电压表的读数为零,将电路断开后,测量此时稳压电源的输出电压值,此值即为被测有源二端网络的开路电压。
五.注意事项
1、注意测量时,电流表量程的更换。
2、稳压电源不可短接。
3、改接线路时,要关掉电源。
六.报告要求
1、根据表1中的实验数据,验证叠加定理。
2、根据表2中的试验数据,验证戴维南定理。
3、根据表2中的试验数据,绘制功率传输曲线。
证明负载上获得最大功率的条件。
4、归纳、总结实验结果,并分析产生误差的原因。
七.思考题
1、应用测量有源二端网络等效内阻的方法一时,用电流表测量其短路电流ISC,这种方法适用于什么情况?
2、验证叠加定理时,如果实际电压源的内阻不能忽略,实验该如何进行?
八.实验仪器设备:
晶体管稳压电源一台
万用表一只
可变电阻一只
电路实验板一块
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- 实验四戴维南定理与叠加定理 五邑大学 实验 戴维 定理 叠加 大学