实验一元件伏安特性的测定Word文件下载.docx

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5）结尾工作

完成所有的实验项目后，先不忙拆线，应自己检查实验数据是否合理，有无遗漏，再经教师复查，并在原始记录上签字通过后方可拆线（注意拆线前必须先切断电源），并做好仪器、设备、桌面和环境的清洁整理工作。

最后经教师同意后才可离开实验室。

三、实验报告的编写

实验报告的编写过程是实验结果的全面归纳，总结分析和提高阶段。

要简明扼要将实验结果完整和真实的表达出来。

报告要求：

文理通顺，字迹清楚，图表清晰，结论正确，分析合理，讨论深入。

学生在每次实验之后都应独立完成这一工作，实验报告内容包括：

1、实验名称、实验日期、班级和姓名。

2、实验目的、任务、原理和线路图。

3、实验仪器仪表设备的名称、数量及规格。

4、根据原始数据做成的表格、曲线、波形，以及理论计算数据，误差分析等。

波形、曲线要求画在坐标纸上，比例尺要适当，坐标轴上要标明物理量的单位和分度。

做曲线时要曲线板绘制，力求曲线光滑，不必强求通过全部的测定点，测定点的分布可随曲线率不同而不同。

曲率大处应多测几点。

实验结果的分析处理（包括实验结论、分析讨论收获体会及意见）。

回答指导书上提出的问题。

学生在做完实验之后，应及时写好报告，不交报告者，实验不合格。

实验操作规则及注意事项

一、实验前必须进行预习，阅读实验指导书及教科书中有关内容，了解实验目的任务和步骤，达到心中有数，目的明确。

凡预习不合格者，不得进入实验室。

二、保持实验室的清洁，和环境卫生，不准随地吐痰，严禁吸烟，保持安静，不得大声说话和吵闹。

三、注意人身安全和设备安全

要求切实遵守实验室各项操作规程，以确保实验过程中的安全，必须严格遵守以下规定。

1、不宜自行接通电源，接好线后经教师检查认可后，方可合上电源。

2、进行实验时不触及裸露的带电部分，防止衣服头发卷人转动的机器。

严格遵守“先接线，后通电，先断电后拆线”的操作程序。

严禁带电操作。

3、发现异常现象（声响、发热、焦嗅等）应立即切断电源。

保护现场，报告指导老师，不允许自行处理，或隐瞒事故。

凡属责任事故，造成仪器、设备损坏者，需会同实验室工作人员进行分析处理、并如实填写事故报告单。

4、爱护仪器设备，遵守操作规程，不得动用与本次实验无关的设备。

5、实验结束后摆好仪器设备，并做好实验室的清洁卫生工作。

实验目录

实验一元件伏安特性测定（验证型）---------------------------------------------------------------------6

实验二基尔霍夫定律（验证型）-------------------------------------------------------------------------11

实验三电源的等效变换（验证型）----------------------------------------------------------------------14

实验四迭加定理和戴维南定理（验证型）------------------------------------------------------------20

实验五简单RC电路的过渡过程（验证型）---------------------------------------------------------26

实验六一阶、二阶电路的正弦响应（验证型）-----------------------------------------------------28

实验七功率因数的改善（验证型）--------------------------------------------------------------------32

实验八三相交流电路（验证型）-----------------------------------------------------------------------36

实验九电源等效变换设计（设计性）------------------------------------------------------------------41

实验十一阶RC电路的设计（设计性）--------------------------------------------------------------44

附录：

示波器的使用---------------------------------------------------------------------------------------46

实验一元件伏安特性的测定

一、实验目的

1、学习直读式仪表及晶体管稳压电源等常用设备的使用方法；

2、加深对线性电阻元件、非线性电阻元件——半导体二极管和电源伏安特性的理解，并学习掌握测试元件特性的伏安测量法。

二、原理与说明

电路元件的特性一般用该元件的端电压U与通过元件的电流I之间的函数关系来表示，一个元件的电压与电流之间关系的函数图形称为该元件的伏安特性曲线。

独立电源和电阻元件的伏安特性可以利用电压表和电流表测定，这种方法称为伏安测量法（即伏安表法）。

伏安表法原理简单，测定方便，也适合于非线性元件伏安特性的测定。

但仪表的内阻会对测量结果产生一定影响，因而必须注意仪表的合理接法。

1、电阻元件

（1）、线性电阻元件

电阻元件的伏安特性可以用元件两端的电压V与流过元件的电流I的函数关系来表征。

在u~i坐标平面上线性电阻元件的特性为一条通过原点O的直线，如图1—1所示。

电阻的伏安特性用欧姆定律描述。

在U和I关联参考方向条件下：

U=IR（1—1）

若U，I为非关联参考方向情况下，则欧姆定律的形式为：

U=-IR（1—2）

（2）、非线性电阻

非线性电阻的u~i函数关系不再是一条直线，一般可以分为下三种类型：

1）、若元件的端电压是流过元件电流的单值函数，则称为电流型电阻元件，示例的特性曲线见图1—2（a）；

2）、若流过元件的电流是元件端电压的单值函数，则称为电压型电阻元件，示例的特性曲线见图1—2（b）；

3）、若元件的伏安特性曲线是单调增加或减少的，则该元件即是电流型又是电压型的电阻元件，示例的特性曲线见图1—2（c）。

图1—2非线性电阻的伏安特性

半导体二极管就是一种典型的非线性电阻元件，其伏安特性曲线如图1—2（c）所示。

二极管的（等效）电阻值随电压电流的大小甚至方向而改变。

对比图1—1和图1—2可以发现，线性电阻的伏安特性对于坐标原点对称，这种性质称为双向性，为所有线性电阻元件所具备；

而半导体二极管的伏安特性不但是非线性的，而且对于坐标原点也不对称，即是单向性的，这种性质为大多数非线性电阻所具备。

当外加电压的极性和二极管的极性相同时，其（等效）电阻值很小；

反之则（等效）电阻值很大。

半导体二极管的这一性能称为单向导电性，利用单向导电性可以把交流电变换成直流电。

2、电压源

理想电压源的端电压uS（t）是时间的函数，与流过电源的电流无关。

流过理想电压源的电流不由电压源本身决定，而是由与之相连接的外电路所确定的，如uS（t）不随时间变化（即为常数）则该电压源称为直流理想电压源US，其伏安曲线如图1-3（a）所示。

理想电压源实际上是不存在的，实际的电压源总是存在一定大小的内阻（因此实际电压源可以用一个理想电压源和一个电阻相串联的电路模型来表示，如图1-3（b）所示）。

显然，实际电压源的内阻RS越小图1-3（b）中的θ越小，则特性越接近理想电压源。

本次实验所采用的晶体管直流稳压电源，其伏安特性非常接近于理想电压源，当通过它的电流在规定范围内变化时，可以认为是理想电压源。

u

θu

US

RS

+

i

-

O

（b）

图1-3电压源的伏安特性

三、实验内容及步骤

本实验在直流电路实验板上进行，其结构如图1-4所示。

图1-4实验板接线图

1、测定线性电阻的伏安特性

选取实验板上R=470Ω的电阻为被测元件，并按图1-5接好线路，注意将实验板上的D1用短路线联结。

经检查接线无误后，打开直流稳压电源开关，调节与直流稳压电源并联的滑动电阻R的动触点，使电阻R两端的电压为表1-1中所列数值，并将相对应的电流值记录在表1-1中。

表1-1线性电阻的伏安特性

V（V）

2

4

6

8

I（mA）

图1-5线性电阻伏安特性实验原理图

20mA

2、测定非线形电阻——半导体二极管的伏安特性

将二极管短路线拆除，选取1N4007二极管为被测元件。

按图1-6接好电路，测定其正向特性曲线。

图中R为可变电阻器用以调节测试电压，R选取板上51Ω的电阻作为限流电阻，用以保护二极管。

在测量二极管的反向特性时，由于二极管的反向电阻很大，流过它的电流很小，故电流表选用直流微安表（或万用表的直流μA档），本实验不做要求。

经检查无误后，打开直流稳压电源开关，输出电压调至3V左右，调节可变电阻R，使电压表读数分别为表1-2中所列数值，并将相对应的电流值记录在表1-1中。

为了方便做图，在曲线弯曲部分可适当多取几个测量点。

表1—2

0．1

0．2

0．4

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

图1-6

R=51Ω

3、测定电压源的伏安特性

实验采用晶体管直流稳压电源作为电压源US，由于其内阻Rs很小，和外电路电阻相比较内阻可以忽略不计，其输出电压基本维持不变。

因此，可以把晶体管稳压电源视为理想电压源。

选取实验板上51Ω电阻作为电压源的内阻RS，与稳压电源相串联组成一个实际电压源模型。

DC20mA

RS=51Ω

图1—7

按图1—7接好线路后，开启晶体管稳压电源，在滑动电阻R开路时调节晶体管直流稳压电源输出电压Vs=10V。

然后调节滑动电阻器R阻值为表1-4中的各取值，并将对应测得的理想电压源的电压V和实际电压源的电压VR以及电流表中的电流填入表1—4中。

表1—4

R（Ω）

950

1100

1300

1500

1700

1900

2100

2450

VR（V）

四、实验设备

晶体管直流稳压电源1台，万用表1只，直流电压表1只，直流毫安表1只，滑动可变电阻器（1000Ω）1只，实验电路板1块。

五、注意事项

1、切勿将电表板性接错，在调节可变电阻时应密切注意毫安表指针不得超过量程；

2、实验过程中，直流稳压电源不能短路，晶体管直流稳压电源的使用方法见附录。

绘制特性曲线时，注意坐标比例的合理选取。

六、实验报告要求

1、根据实验数据，在坐标纸上绘制线性电阻、半导体二极管、理想电压源和实际电压源的伏安特性曲线。

2、分析实验结果，并得到相应的结论。

3、回答下列思考题

1）试说明图1—6中电压表和电流表的连接接法？

有什么道理？

2）如果误用电流表去测量电压，将会产生什么后果？

实验二基尔霍夫定律

1、验证基尔霍夫定律；

2、加深对参考方向的理解；

3、学会测量电路的开路电压和短路电流的方法。

1、基尔霍夫定律是电路的基本定律，它概括了电路中电流和电压应遵循的基本规律。

基尔霍夫电流定律KCL的表述为：

对于任一集总电路中的任一节点，在任一时刻，流出（或流进）该节点的所有支路电流的代数和为零。

即

（2-1）

基尔霍夫电压定律KVL的表述为：

对于任一集总电路中的任一回路，在任一时刻，沿闭着该回路的所有支路电压降的代数和为零。

（2-2）

基尔霍夫定律适用于任何集总参数电路。

它与电路的结构有关，而与电路元件的特性无关，不论这些元件是线性还是非线性，含源的还是无源的，时变的还是时不变的都适用。

2、参考方向

参考方向是电路理论的一个最基本的概念。

分析一个电路，若事先并不知道电路中各电流、电压的真实方向，我们如何计算或测量各支路的电流、电压呢？

首先，要选定电路中各支路电流（或电压）的参考方向，参考方向（正方向）即所谓的“假定方向”。

另外，参考方向是可以任意确定的，但一经确定，在列写KCL，KVL方程时即以此为依据。

在图2-1中，若给定电压的参考方向如箭头所示，例如（d支路箭头方向是由c指向d，则表示这条支路电压的参考方向即是c高d低，那么电压表的正极（红表笔）和负极（黑表笔）分别应与c端和d端相连。

电压表指针若顺时针偏转读数为正，则说明参考方向与其真实方向一致；

反之，则说明参考方向与真实方向相反。

显然，测量支路的电流时，与测量之路电压时的情况相似。

）

3、开路电压与短路电流

如果电路某处断开而没有电流流过，则称为开路，断开处两端点间的电压即为开路电压。

短路是指电路某两点由一电阻值可以忽略不计的导体直接接通的工作状态，短路可发生在电源两端或电路中任何位置，也可能发生在电源或负载（例如电动机）的内部。

若短路发生在电压源两端，由于回路中只有很小的电源内阻Rs，则会产生很大的短路电流，可能使电源烧毁，这就是为什么电压源不能短路的原因。

电源短路是一种严重的事故，应尽量避免。

但不能说所有的短路都是短路故障，例如在起动直流电动机时，为了避免过大的起动电流损坏电流表，可以在起动直流电动机时将电流表用开关（短路线）短路，待电机正常工作后再将短路电流表的开关打开，让电流表投入工作。

所以，在实验中我们要注意区分“短路故障”和为了达到某种特定目的的人为短路（后者或称为“短接”）。

4、实验电路图和直流电路实验板

本次实验的电路原理图如图2—1所示，实验在与之对应的直流电路实验板上进行，如图2—2所示。

三、实验内容及步骤

1、基尔霍夫电流定律的验证

（1）按图2—1接好线路，V1、V2分别由晶体管理想稳压电源供给，实验前先把开关K1、K2合向短路线的一侧，调节稳压电源的输出电压使V1和V2分别为6V和4V；

（2）将直流毫安表置于较大量程，串入所要测量支路中；

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（3）检查线路连接无误后，将开关K1、K2合到电源一侧，电路接通。

同时，操作者应注意观察电流表指针的偏转方向，如果逆时针偏转，要迅速断开电流表的连线（或断掉电源开关K1、K2）检查电源极性。

并将测得的各支路电流数据记入表2-1中。

图2-1

V1=6V

表2-1

各支路电流

测量值

计算值

误差

I1（mA）

I2（mA）

I3（mA）

ΣI

表中各电流的编号可自行定义。

2、基尔霍夫电压定律验证

实验线路和操作步骤同前。

用电压表依次读取各元件上的电压数据记入表2-2中。

表2-2

支路

电压

Vab

Vbc

Vcd

Vde

Vef

Vfa

Vad

验证ΣV

abcda

fadef

误差

%

3、测量ad支路的开路电压和短路电流

关掉电源，在ad两端接一高内阻的电压表；

打开电源开关，测量ad间的开路电压。

关闭电源，在ad支路中直接串一电流表（电流表内阻很小，相当于ad支路短路）；

然后打开电源开关，则电源表的读数即为ad间的短路电流，并做记录。

三、仪表设备

万用表1只；

晶体管直流稳压电源2台；

直流毫安表1只；

直流电路板1块。

四、注意事项

1、电表板性不要接错，测量时要选择适当量程；

2、改接线路时，一定要关掉电源；

3、电压、电流应根据假定的正方向在测量的数据之前冠以正、负号。

五、实验报告要求

整理实验数据，分析实验结果。

图2—2

实验三电源的等效变换

一、实验目的

1、了解电流源及其外特性；

2、掌握电流源和电压源的等效变换关系。

二、实验原理

1、理想电流源

电流源是除电压源外的又一种形式的电源，它可以产生一个电流提供给外电路，理想电流源的电流是恒值的或其函数is（t）与其端电压无关；

理想电流源的端电压不能由它本身决定，而是由与之相联的外电路确定的。

理想电流源的伏安特性曲线如图3—1所示。

图3—1理想电流源

2、实际电流源

实际上，理想电流源并不存在，实际的电流源其端电压将随通过外电路的电流而变化。

实际电流源可以用一个理想电流源Is和一个内电阻Rs相并联的电路模型来表示，其电路模型及其伏安特性如图3—2所示。

图3—2实际电流源

某些器件的伏安特性具有电流源的性质，如硅光电池、晶体三极管等。

本实验的电流源是用晶体三极管来实现的。

晶体三极管在共基极连接时，集电极电流Ic和集电极与基极之间的电压Ucb的关系如图3—3所示。

由图可见，晶体管输出特性曲线中集电极电流Ic的平坦部分具有恒流特性。

当Ucb在一定范围内变化时集电极电流Ic近于恒定值，可以视为理想电流源。

图3—3晶体管输出曲线

3、电源的等效变换

一个实际的电源就其外部特性而言，既可以解释成是一个电压源，也可以解释成是一个电流源，其等效模型如图3—4所示。

图3—4实际电源的等效变换

根据两电路等效的概念，如果两电路端钮f,g上的电压电流的关系相同则这两个电路对端钮f,g等效。

从图3—4（b）中得出：

（3-1）

从图3—4（a）中得出：

（3-2）

即：

（3-3）

比较（3-1）式和（3-3）式即可得到电源等效变换的条件为：

和

（3-4）

所以若两种电源的参数满足以上关系，则这两种电源对于外电路是完全等效的。

若互相替换，对外电路亦不会产生影响。

因此利用以上电源等效变换条件，可以方便地把一个参数为Us和Rs串联的电压源变换成一个参数为Is=Us/Rs和Rs并联的电流源；

反之也可以把一个电流源变换成一个等效的电压源。

三．实验内容及步骤

本次实验在实验电路板上进行，实验电路板如图3—5所示。

图3—5

a）测试理想电流源的伏安特性

按图3—6（b）所示。

图Ee=4V，Ec=15V分别有晶体管稳压电源供给，调节电位器Re使Ic=10mA，这时保持Re电位器不动，由小到大依次调节RL电位器的阻值，使RL‘分别为表3-1中的取值，观察记录电流表的读数是否变化，并填入表3-1中。

（RL‘=RL+240Ω）

（a）

图3—6

表3-1

RL‘（Ω）

240

300

350

510

570

Ic（mA）

b）实际电流源的伏安特性

实验电路如图3—7（a），其等效电路如图3—7（b）所示。

其中Ic=10mA，Rm=240Ω，RL用电阻箱。

（1）、按图3—7（a）连接线路

接线时只须在前述理想电流源的基础上，并上一个RS=240Ω的内阻即成为实际电流源。

这只需要把实验电路中右上方的RL这个330Ω的电位器切除掉，切除的方法是将此电位器逆时针旋到底，使其电阻为零即可。

这时电路即变成为图3—7（a）所示的电路了；

（2）、保持IC=10mA，改变电阻箱的电阻值使RL分别为表3-2中的取值；

（3）、并依次记录相应的IL值填入表3-2中。

图3—7实际电流源实验电路

表3-2

RLˊ（Ω）

400

600

800

1000

IL（mA）

误差%

根据电源等效变换关系，图3—7（a）中的电流源可以变换成一个电压源。

其参数为：

US=ISRS=2.4V，其中RS=240Ω如图3—8所示。

调节RL使其分别为表3-3中列出取值，记录所对应的电流的Il的值。

比较表3-2和表3-3，可以看出二者对电路负载RLˊ是等效的。

图3—8电源的等效变换

表3-3

直流稳电压源2台，电流表2只，万用表1只，可变电阻器1个，直流实验板1块。

五、实验报告要求。

1、根据实验数据，绘制理想电流源、电压源和实际电流源的伏安特性曲线；

2、比较两种电源等效变换的结果，并分析产生误差的原因。

3、回答问题

理想电流源和理想电压源是否能够进行等效变换？

有何关系？

实验四迭加定理和戴维南定理