电路分析实验指导书.docx
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电路分析实验指导书
实验注意事项
1.每个实验之前都必须预习实验指导书;
2.在电路断电的情况下接线;
3.接线完成后,经指导老师检查认可后,方可通电;
4.保证人身安全,防止触电;
5.保证设备安全,按要求操作;
6.实验完成后,将数据经指导老师检查认可后,方可离开实验室。
7.实验完成后,要写实验报告,用统一的报告纸,按要求写,实验后的第4天由课代表交实验室。
实验报告的格式及撰写要求
一、实验目的
二、实验仪器
三、实验原理
四、实验步骤及数据记录和处理
五、思考题
六、归纳、总结实验结果,心得体会或其他
实验一 线性与非线性元件伏安特性
一、实验目的
1.学会识别常用电路元件的方法。
2.掌握线性电阻、非线性电阻元件伏安特性的测绘。
3.掌握实验台上直流电工仪表和设备的使用方法。
二、原理说明
任何一个二端元件的特性可用该元件上的端电压U与通过该元件的电流I之间的函数关系I=f(U)来表示,即用I-U平面上的一条曲线来表征,这条曲线称为该元件的伏安特性曲线。
1.线性电阻器的伏安特性曲线是一条
通过坐标原点的直线,如图1-1中a所示,
该直线的斜率等于该电阻器的电阻值。
2.一般的白炽灯在工作时灯丝处于
高温状态,其灯丝电阻随着温度的升高
而增大,通过白炽灯的电流越大,其温度
越高,阻值也越大,一般灯泡的“冷电阻”
与“热电阻”的阻值可相差几倍至十几倍,
所以它的伏安特性如图1-1中b曲线所示。
3.一般的半导体二极管是一个非线性
电阻元件,其伏安特性如图1-1中c所示。
图1-1
正向压降很小(一般的锗管约为0.2~0.3V,
硅管约为0.5~0.7V),正向电流随正向压降的升高而急骤上升,而反向电压从零一直增加到十多至几十伏时,其反向电流增加很小,粗略地可视为零。
可见,二极管具有单向导电性,但反向电压加得过高,超过管子的极限值,则会导致管子击穿损坏。
注意:
流过二极管的电流不能超过管子的极限值,否则管子会被烧坏。
三、实验设备
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
可调直流稳压电源
0~30V
1
2
直流数字毫安表
0~200mA
1
3
直流数字电压表
0~200V
1
4
二极管
IN4007
1
DGJ-05
5
白炽灯
12V,0.1A
1
DGJ-05
6
线性电阻器
200Ω,1KΩ/8W
1
DGJ-05
四、实验内容
1.测定线性电阻器的伏安特性
图1-2图1-3
按图1-2接线,调节稳压电源的输出电压U,从0伏开始缓慢地增加,一直到10V,记下相应的电压表和电流表的读数UR、I。
UR(V)
0246810
I(mA)
2.测定非线性白炽灯泡的伏安特性
将图1-2中的R换成一只12V,0.1A的灯泡,重复步骤1。
UL为灯泡的端电压。
UL(V)
0.1
0.5
1
2
3
4
5
I(mA)
3.测定半导体二极管的伏安特性
按图1-3接线,R为限流电阻器。
测二极管的正向特性时,其正向电流不得超过35mA,二极管D的正向施压UD+可在0~0.75V之间取值。
在0.5~0.75V之间应多取几个测量点。
测反向特性时,只需将图1-3中的二极管D反接,且其反向施压UD-可达30V。
正向特性实验数据
UD+(V)
0.10
0.30
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
I(mA)
反向特性实验数据
UD-(V)
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
I(mA)
五、实验注意事项
1.测二极管正向特性时,稳压电源输出应由小至大逐渐增加,应时刻注意电流表读数不得超过35mA。
2.如果要测定2AP9的伏安特性,则正向特性的电压值应取0,0.10,0.13,0.15,0.17,0.19,0.21,0.24,0.30(V),反向特性的电压值取0,2,4,……,10(V)。
3.进行不同实验时,应先估算电压和电流值,合理选择仪表的量程,勿使仪表超量程,仪表的极性亦不可接错。
六、思考题
1.线性电阻与非线性电阻的概念是什么?
电阻器与二极管的伏安特性有何区别?
2.设某器件伏安特性曲线的函数式为I=f(U),试问在逐点绘制曲线时,其坐标变量应如何放置?
3.在图1-3中,设U=2V,UD+=0.7V,则mA表读数为多少?
七、实验报告
1.根据各实验数据,分别在方格纸上绘制出光滑的伏安特性曲线。
(其中二极管的正、反向特性要求画在同一张图中,正、反向电压可取为不同的比例尺)
2.根据实验结果,总结、归纳被测各元件的特性。
3.必要的误差分析。
4.心得体会及其他。
实验二 基尔霍夫定律和戴维宁定理
一、实验目的
1.验证基尔霍夫定律的正确性,加深对基尔霍夫定律的理解。
2.学会用电流插头、插座测量各支路电流。
3.验证戴维南定理的正确性,加深对该定理的理解。
4.掌握测量有源二端网络等效参数的一般方法。
二、原理说明
1.基尔霍夫定律是电路的基本定律。
测量某电路的各支路电流及每个元件两端的电压,应能分别满足基尔霍夫电流定律(KCL)和电压定律(KVL)。
即对电路中的任一个节点而言,应有ΣI=0;对任何一个闭合回路而言,应有ΣU=0。
运用上述定律时必须注意各支路或闭合回路中电流的正方向,此方向可预先任意设定。
2.任何一个线性含源网络,如果仅研究其中一条支路的电压和电流,则可将电路的其余部分看作是一个有源二端网络(或称为含源一端口网络)。
戴维南定理指出:
任何一个线性有源网络,总可以用一个电压源与一个电阻的串联来等效代替,此电压源的电动势Us等于这个有源二端网络的开路电压Uoc,其等效内阻R0等于该网络中所有独立源均置零(理想电压源视为短接,理想电流源视为开路)时的等效电阻。
Uoc(Us)和R0称为有源二端网络的等效参数。
3.有源二端网络等效参数的测量方法
(1)开路电压、短路电流法测R0
在有源二端网络输出端开路时,用电压表直接测其输出端的开路电压Uoc,然后再将其输出端短路,用电流表测其短路电流Isc,则等效内阻为
Uoc
R0=──
Isc
如果二端网络的内阻很小,若将其输出端口短路
则易损坏其内部元件,因此不宜用此法。
(2)伏安法测R0
用电压表、电流表测出有源二端网
络的外特性曲线,如图2-1所示。
根据
外特性曲线求出斜率tgφ,则内阻图2-1
△U Uoc
R0=tgφ=──=──。
△I Isc
也可以先测量开路电压Uoc,再测量电流为额定值IN时的输出端电压值UN,
Uoc-UN
则内阻为R0=────。
IN
三、实验设备
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
可调直流稳压电源
0~30V
1
2
可调直流恒流源
0~500mA
1
3
直流数字电压表
0~200V
1
4
直流数字毫安表
0~200mA
1
5
万用表
1
自备
6
可调电阻箱
0~99999.9Ω
1
DGJ-05
7
电位器
1K/2W
1
DGJ-05
8
基尔霍夫定律戴维南定理实验电路板
1
DGJ-03
四、实验内容
(一)基尔霍夫定律
实验线路如图2—2,用DGJ-03挂箱的“基尔霍夫定律”线路。
1.实验前先任意设定三条支路和三个闭合回路的电流正方向。
图2-2中的I1、I2、I3的方向已设定。
三个闭合回路的电流正方向可设为ADEFA、BADCB和FBCEF。
图2-2
2.分别将两路直流稳压源接入电路,令U1=6V,U2=12V。
3.熟悉电流插头的结构,将电流插头的两端接至数字毫安表的“+、-”两端。
4.将电流插头分别插入三条支路的三个电流插座中,读出并记录电流值。
5.用直流数字电压表分别测量两路电源及电阻元件上的电压值,记录之。
被测量
I1(mA)
I2(mA)
I3(mA)
U1(V)
U2(V)
UFA(V)
UAB(V)
UAD(V)
UCD(V)
UDE(V)
计算值
测量值
相对误差
(二)戴维南定理
被测有源二端网络如图2-3(a)。
(a)图2-3(b)
Uoc
(v)
Isc
(mA)
R0=Uoc/Isc
(Ω)
1.用开路电压、短路电流法测定戴维南等效
电路的Uoc、R0。
按
图2-3(a)接入稳压电源Us=12V和恒流源Is=10mA,
不接入RL。
测出UOc和Isc,并计算出R0。
(测UOC
时,不接入mA表。
)
2.负载实验
按图2-3(a)接入RL。
改变RL阻值,测量有源二端网络的外特性曲线。
U(v)
I(mA)
3.验证戴维南定理:
从电阻箱上取得按步骤“1”所得的等效电阻R0之值,然后令其与直流稳压电源(调到步骤“1”时所测得的开路电压Uoc之值)相串联,如图2-3(b)所示,仿照步骤“2”测其外特性,对戴氏定理进行验证。
U(v)
I(mA)
五、实验注意事项
1.本实验线路板系多个实验通用。
DG05上的K3应拨向330Ω侧,三个故障按键均不得按下。
2.所有需要测量的电压值,均以电压表测量的读数为准。
U1、U2也需测量,不应取电源本身的显示值。
3.防止稳压电源两个输出端碰线短路。
4.用指针式电压表或电流表测量电压或电流时,如果仪表指针反偏,则必须调换仪表极性,重新测量。
此时指针正偏,可读得电压或电流值。
若用数显电压表或电流表测量,则可直接读出电压或电流值。
但应注意:
所读得的电压或电流值的正确正、负号应根据设定的电流参考方向来判断。
5.测量时应注意电流表量程的更换。
六、预习思考题
1.根据图2-2的电路参数,计算出待测的电流I1、I2、I3和各电阻上的电压值,记入表中,以便实验测量时,可正确地选定毫安表和电压表的量程。
2.实验中,若用指针式万用表直流毫安档测各支路电流,在什么情况下可能出现指针反偏,应如何处理?
在记录数据时应注意什么?
若用直流数字毫安表进行测量时,则会有什么显示呢?
3.在求戴维南或诺顿等效电路时,作短路试验,测ISC的条件是什么?
在本实验中可否直接作负载短路实验?
请实验前对线路2-3(a)预先作好计算,以便调整实验线路及测量时可准确地选取电表的量程。
七、实验报告
1.根据实验数据,选定节点A,验证KCL的正确性。
2.根据实验数据,选定实验电路中的任一个闭合回路,验证KVL的正确性。
3.将支路和闭合回路的电流方向重新设定,重复1、2两项验证。
4.根据步骤2、3,分别绘出曲线,验证戴维南定理的正确性,并分析产生误差的原因。
5.误差原因分析。
6.心得体会及其他。
实验三 一阶过渡过程
一、实验目的
1.测定RC一阶电路的零输入响应、零状态响应及完全响应。
2.学习电路时间常数的测量方法。
3.掌握有关微分电路和积分电路的概念。
4.进一步学会用示波器观测波形。
二、原理说明
1.动态网络的过渡过程是十分短暂的单次变化过程。
要用普通示波器观察过渡过程和测量有关的参数,就必须使这种单次变化的过程重复出现。
为此,我们利用信号发生器输出的方波来模拟阶跃激励信号,即利用方波输出的上升沿作为零状态响应的正阶跃激励信号;利用方波的下降沿作为零输入响应的负阶跃激励信号。
只要选择方波的重复周期远大于电路的时间常数τ,那么电路在这样的方波序列脉冲信号的激励下,它的响应就和直流电接通与断开的过渡过程是基本相同的。
2.图3-1(b)所示的RC一阶电路的零输入响应和零状态响应分别按指数规律衰减和增长,其变化的快慢决定于电路的时间常数τ。
3.时间常数τ的测定方法:
用示波器测量零输入响应的波形如图3-1(a)所示。
根据一阶微分方程的求解得知uc=Ume-t/RC=Ume-t/τ。
当t=τ时,Uc(τ)=0.368Um。
此时所对应的时间就等于τ。
亦可用零状态响应波形增加到0.632Um所对应的时间测得,如图3-1(c)所示。
τ
τ
(a)零输入响应(b)RC一阶电路(c)零状态响应
图3-1
4.微分电路和积分电路是RC一阶电路中较典型的电路,它对电路元件参数和输入信号的周期有着特定的要求。
一个简单的RC串联电路,在方波序列脉冲的重复激励下,当满足τ=RC<<
时(T为方波脉冲的重复周期),且由R两端的电压作为响应输出,则该电路就是一个微分电路。
因为此时电路的输出信号电压与输入信号电压的微分成正比。
如图3-2(a)所示。
利用微分电路可以将方波转变成尖脉冲。
(a)微分电路(b)积分电路
图3-2
若将图3-2(a)中的R与C位置调换一下,如图3-2(b)所示,由C两端的电压作为响应输出,且当电路的参数满足τ=RC>>
,则该RC电路称为积分电路。
因为此时电路的输出信号电压与输入信号电压的积分成正比。
利用积分电路可以将方波转变成三角波。
从输入输出波形来看,上述两个电路均起着波形变换的作用,请在实验过程仔细观察与记录。
三、实验设备
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
函数信号发生器
1
2
双踪示波器
1
自备
3
动态电路实验板
1
DGJ-03
四、实验内容
实验线路板的器件组件,如图3-3所示,请认清R、C元件的布局及其标称值,各开关的通断位置等。
1.从电路板上选R=10KΩ,C=6800pF组成如图3-1(b)所示的RC充放电电路。
ui为脉冲信号发生器输出的Um=3V、f=1KHz的方波电压信号,并通过两根同轴电缆线,将激励源ui和响应uC的信号分别连至示波器的两个输入口YA和YB。
这时可在示波器的屏幕上观察到激励与响应的变化规律,请测算出时间常数τ,并用方格纸按1:
1的比例描绘波形。
少量地改变电容值或电阻值,定性地观察对响应的影响,记录观察到的现象。
2.令R=10KΩ,C=0.1μF,观察并描绘响应的波形,继续增大C之值,定性地观察对响应的影响。
3.令C=0.01μF,R=100Ω,组成
如图3-2(a)所示的微分电路。
在同样的方
波激励信号(Um=3V,f=1KHz)作用下,
观测并描绘激励与响应的波形。
增减R之值,定性地观察对响应的影响,
并作记录。
当R增至1MΩ时,输入输出波
形有何本质上的区别?
五、实验注意事项
1.调节电子仪器各旋钮时,动作不要过快、
过猛。
实验前,需熟读双踪示波器的使用说明
书。
观察双踪时,要特别注意相应开关、旋钮图3-3动态电路、选频电路实验板
的操作与调节。
2.信号源的接地端与示波器的接地端要连在一起(称共地),以防外界干扰而影响测量的准确性。
3.示波器的辉度不应过亮,尤其是光点长期停留在荧光屏上不动时,应将辉度调暗,以延长示波管的使用寿命。
六、预习思考题
1.什么样的电信号可作为RC一阶电路零输入响应、零状态响应和完全响应的激励源?
2.已知RC一阶电路R=10KΩ,C=0.1μF,试计算时间常数τ,并根据τ值的物理意义,拟定测量τ的方案。
3.何谓积分电路和微分电路,它们必须具备什么条件?
它们在方波序列脉冲的激励下,其输出信号波形的变化规律如何?
这两种电路有何功用?
4.预习要求:
熟读仪器使用说明,回答上述问题,准备方格纸。
七、实验报告
1.根据实验观测结果,在方格纸上绘出RC一阶电路充放电时uC的变化曲线,由曲线测得τ值,并与参数值的计算结果作比较,分析误差原因。
2.根据实验观测结果,归纳、总结积分电路和微分电路的形成条件,阐明波形变换的特征。
3.心得体会及其他。
实验四日光灯电路
一、实验目的
1.研究正弦稳态交流电路中电压、电流相量之间的关系。
2.掌握日光灯线路的接线。
3.理解改善电路功率因数的意义并掌握其方法。
二、原理说明图4-1
1.在单相正弦交流电路中,用交流电流表测得
各支路的电流值,用交流电压表测得回路各元件两
端的电压值,它们之间的关系满足相量形式的基尔
霍夫定律,即ΣI=0和ΣU=0。
2.图4-1所示的RC串联电路,在正弦稳态信
号U的激励下,UR与UC保持有90º的相位差,即当图4-2
R阻值改变时,UR的相量轨迹是一个半园。
U、UC与UR三者形成一个直角形的电压三
角形,如图4-2所示。
R值改变时,可改
变φ角的大小,从而达到移相的目的。
3.日光灯线路如图4-3所示,图中A
是日光灯管,L是镇流器,S是启辉器,图4-3
C是补偿电容器,用以改善电路的功率因数(cosφ值)。
有关日光灯的工作原理请自行翻阅有关资料。
三、实验设备
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
交流电压表
0~500V
1
2
交流电流表
0~5A
1
3
功率表
1
(DGJ-07)
4
自耦调压器
1
5
镇流器、启辉器
与40W灯管配用
各1
DGJ-04
6
日光灯灯管
40W
1
屏内
7
电容器
1μF,2.2μF,4.7μF/500V
各1
DGJ-05
8
白炽灯及灯座
220V,15W
1~3
DGJ-04
9
电流插座
3
DGJ-04
图17-3
四、实验内容
1.按图4-1接线。
R为220V、15W的白炽灯泡,电容器为4.7μF/450V。
经指导教师检查后,接通实验台电源,将自耦调压器输出(即U)调至220V。
记录U、UR、UC值,验证电压三角形关系。
测量值
计算值
U(V)
UR(V)
UC(V)
U’(与UR,UC组成Rt△)
(U’=
)
△U=U’-U(V)
△U/U(%)
2.日光灯线路接线与测量。
图4-4
按图4-4接线。
经指导教师检查后接通实验台电源,调节自耦调压器的输出,使其输出电压缓慢增大,直到日光灯刚启辉点亮为止,记下三表的指示值。
然后将电压调至220V,测量功率P,电流I,电压U,UL,UA等值,验证电压、电流相量关系。
测量数值
计算值
P(W)
Cosφ
I(A)
U(V)
UL(V)
UA(V)
r(Ω)
Cosφ
启辉值
正常工作值
3.并联电路──电路功率因数的改善。
按图4-5组成实验线路。
经指导老师检查后,接通实验台电源,将自耦调压器的输出调至220V,记录功率表、电压表读数。
通过一只电流表和三个电流插座分别测得三条支路的电流,改变电容值,进行三次重复测量。
数据记入下页表中。
五、实验注意事项
1.本实验用交流市电220V,务必注意用电和人身安全。
2.功率表要正确接入电路。
3.线路接线正确,日光灯不能启辉时,应检查启辉器及其接触是否良好。
ic
图4-5
电容值
测量数值
计算值
(μF)
P(W)
COSφ
U(V)
I(A)
IL(A)
IC(A)
I’(A)
Cosφ
0
1
2.2
4.7
六、思考题
1.为了改善电路的功率因数,常在感性负载上并联电容器,此时增加了一条电流支路,试问电路的总电流是增大还是减小,此时感性元件上的电流和功率是否改变?
2.提高线路功率因数为什么只采用并联电容器法,而不用串联法?
所并的电容器是否越大越好?
七、实验报告
1.完成数据表格中的计算,进行必要的误差分析。
2.根据实验数据,分别绘出电压、电流相量图,验证相量形式的基尔霍夫定律。
3.讨论改善电路功率因数的意义和方法。
4.装接日光灯线路的心得体会及其他。
实验五 正弦电路的参数测定
一、实验目的
1.验证电阻、感抗、容抗与频率的关系,测定R~f、XL~f及Xc~f特性曲线。
2.加深理解R、L、C元件端电压与电流间的相位关系。
二、原理说明
1.在正弦交变信号作用下,R、L、C电路元件在电路中的抗流作用与信号的频率有关,它们的阻抗频率特性R~f,XL~f,Xc~f曲线如图5-1所示。
2.元件阻抗频率特性的测量电路如图5-2所示。
图5-1图5-2
图中的r是提供测量回路电流用的标准小电阻,由于r的阻值远小于被测元件的阻抗值,因此可以认为AB之间的电压就是被测元件R、L或C两端的电压,流过被测元件的电流则可由r两端的电压除以r所得。
若用双踪示波器同时观察r与被测元件两端的电压,亦就展现出被测元件两端的电压和流过该元件电流的波形,从而可在荧光屏上测出电压与电流的幅值及它们之间的相位
差。
φ
1.将元件R、L、C串联或并联相接,
亦可用同样的方法测得Z串与Z并的阻抗频
率特性Z~f,根据电压、电流的相位差可
判断Z串或Z并是 感性还是容性负载。
2.元件的阻抗角(即相位差φ)随输
入信号的频率变化而改变,将各个不同频
率下的相位差画在以频率f为横坐标、阻
抗角φ为纵座标的座标纸上,并用光滑的曲
线连接这些点,即得到阻抗角的频率特性曲线。
图5-3
用双踪示波器测量阻抗角的方法如图5-3所示。
从荧光屏上数得一个周期占n格,相位差占m格,则实际的相位差φ(阻抗角)为
φ=m×
(度)。
三、实验设备
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
函数信号发生器
1
2
交流毫伏表
0~600V
1
3
双踪示波器
1
自备
4
频率计
1
5
实验线路元件
R=1KΩ,r=51Ω,C=1μF,L约10mH
1
DGJ-05
四、实验内容
1.测量
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- 电路 分析 实验 指导书