实验二 线性有源二端网络等效电路的研究.docx

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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、63

3、253、25

测量值

1、59

3、06

3、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’,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=1/2U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:

（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r0

r0

实验方法

中间测量数据

结果r0（Ω）

r01

开路电压短路电流法

------

Uoc/Isc=519、61

r02

直接测量法

------

515、24

r03

外接已知电源法

U=5、0V,

I=9、55mA

523、56

r04

外接已知负载法

RL=510Ω,

UL=0、78V

529、62

理论值r0=502、17

综合分析后r0=529、62Ω

2、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UL~IL曲线。

表3测量电路外特性

RL（Ω）

10

0

1k

5、1k

100k

原电路

UL（V）

0、26

0、36

0、57

0、78

0、85

1、05

1、45

1、58

IL（mA）

2、60

2、40

1、90

1、53

1、37

1、05

0、28

0、02

P（mW）

0、68

0、86

1、08

1、19

1、17

1、10

0、4

0、03

等效

电路

UL’（V）

0、24

0、35

0、56

0、78

0、85

1、03

1、45

1、58

IL’（mA）

2、40

2、33

1、87

1、53

1、37

1、03

0、28

0、02

3、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,

12345678

对应

10

0

1k

5、1k

100k

P达到最大值RL=510