实验一指针式仪表内阻的测量及.docx

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实验一指针式仪表内阻的测量及

电工技术实验指导书

齐鲁理工学院

一、基本电工仪表的使用及测量误差的计算………………………………………………１

二、电路元件伏安特性的测绘………………………………………………………………５

三、电位、电压的测定及电路电位图的绘制…………………………………………………8

四、基尔霍夫定律的验证…………………………………………………………10

五、叠加原理的验证……………………………………………………………………12

六、戴维南定理和诺顿定理的验证…………………………………………………………15

七、R、L、C元件阻抗特性的测定……………………………………………………………19

八、正弦稳态交流电路相量的研究…………………………………………………………21

实验一　基本电工仪表的使用及测量误差的计算

一、实验目的

1.熟悉实验台上各类电源及各类测量仪表的布局和使用方法。

2.掌握指针式电压表、电流表内阻的测量方法。

3.熟悉电工仪表测量误差的计算方法。

二、原理说明

　　1.为了准确地测量电路中实际的电压和电流，必须保证仪表接入电路后不会改变被测电路的工作状态。

这就要求电压表的内阻为无穷大；电流表的内阻为零。

而实际使用的指针式电工仪表都不能满足上述要求。

因此，当测量仪表一旦接入电路，就会改变电路原有的工作状态，这就导致仪表的读数值与电路原有的实际值之间出现误差。

误差的大小与仪表本身内阻的大小密切相关。

只要测出仪表的内阻，即可计算出由其产生的测量误差。

以下介绍几种测量指针式仪表内阻的方法。

2.用“分流法”测量电流表的内阻

如图1-1所示。

A为被测内阻（RA）的直流电流

表。

测量时先断开开关S，调节电流源的输出电流I

使A表指针满偏转。

然后合上开关S，并保持I值不

变，调节电阻箱RB的阻值，使电流表的指针指在1/2

满偏转位置，此时有

IA＝IS＝I/2

∴RA＝RB∥R1可调电流源

R1为固定电阻器之值，RB可由电阻箱的刻度盘上读得。

图1-1

3.用分压法测量电压表的内阻。

如图1-2所示。

V为被测内阻（RV）的电压表。

测量时先将开关S闭合，调节直流稳压电源的

输出电压，使电压表V的指针为满偏转。

然后

断开开关S，调节RB使电压表V的指示值减半。

此时有：

RV＝RB＋R1

电压表的灵敏度为：

S＝RV/U（Ω/V）。

式

中U为电压表满偏时的电压值。

4.仪表内阻引起的测量误差（通常称之为方可调稳压源

法误差，而仪表本身结构引起的误差称为仪表基图1-2

本误差）的计算。

（1）以图1-3所示电路为例，R1上的电压为

R11

UR1＝───U，若R1＝R2，则UR1＝─U。

R1＋R22

现用一内阻为RV的电压表来测量UR1值，当

RVR1

RV与R1并联后，RAB＝───，以此来替代

RV＋R1

RVR1

────

RV＋R1

上式中的R1，则得U'R1＝──────U图1-3

RVR1

───＋R2

RV＋R1

RVR1

────

RV＋R1R1

绝对误差为△U＝U'R1－UR1＝U（─────—－────）

RVR1R1＋R2

───＋R2

RV＋R1

－R21R2U

化简后得△U＝─────────────────

RV（R21＋2R1R2＋R22）＋R1R2（R1＋R2）

U

若R1＝R2＝RV，则得△U＝－─

6

U'R1－UR1-U/6

相对误差△U％＝─────×100％＝──×100％＝－%

UR1U/2

由此可见，当电压表的内阻与被则电路的电阻相近时，测量的误差是非常大的。

（2）伏安法测量电阻的原理为：

测出流过被测电阻RX的电流IR及其两端的电压降UR，则其阻值RX=UR/IR。

实际测量时，有两种测量线路，即：

相对于电源而言，①电流表A（内阻为RA）接在电压表V（内阻为RV）的内侧；②A接在V的外测。

两种线路见图1-4（a）、（b）。

由线路（a）可知，只有当RX＜＜RV时，RV的分流作用才可忽略不计，A的读数接近于实际流过RX的电流值。

图（a）的接法称为电流表的内接法。

由线路（b）可知，只有当RX＞＞RA时，RA的分压作用才可忽略不计，V的读数接近于RX两端的电压值。

图（b）的接法称为电流表的外接法。

实际应用时，应根据不同情况选用合适的测量线路，才能获得较准确的测量结果。

以下举一实例。

在图1-4中，设：

U=20V，RA=100Ω，RV=20KΩ。

假定RX的实际值为10KΩ。

如果采用线路（a）测量，经计算，A、V的读数分别为和，故

RX=÷=（KΩ）,相对误差为：

（－10）÷10×100=－（%）

如果采用线路（b）测量，经计算，A、V的读数分别为和20V，故

RX=20÷=（KΩ）,相对误差为：

（－10）÷10×100=1（%）

（a）图1-4（b）

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

二路

2

可调恒流源

0~200mA

1

3

指针式万用表

MF-47或其他

1

自备

4

可调电阻箱

0~Ω

1

DGJ-05

5

电阻器

按需选择

DGJ-05

四、实验内容

1.根据“分流法”原理测定指针式万用表（MF-47型或其他型号）直流电流

和5mA档量限的内阻。

线路如图1-1所示。

RB可选用DGJ-05中的电阻箱（下同）。

被测电流表量限

S断开时的表读数（mA）

S闭合时的表读数（mA）

RB（Ω）

R1（Ω）

计算内阻RA

（Ω）

mA

5mA

2.根据“分压法”原理按图1-2接线，测定指针式万用表直流电压和10V档量限的内阻。

被测电压表

量限

S闭合时表读数（V）

S断开时表读数（V）

RB

（KΩ）

R1

（KΩ）

计算内阻RV（KΩ）

S

（Ω/V）

10V

3.用指针式万用表直流电压10V档量程测量图1-3电路中R1上的电压U’R1之值，并计算测量的绝对误差与相对误差。

U

R2

R1

R10V

（KΩ）

计算值UR1

（V）

实测值U’R1

（V）

绝对误差

ΔU

相对误差

（ΔU/U）×100%

12V

10KΩ

50KΩ

五、实验注意事项

1.在开启直流稳压电源的电源开关前，应将两路电压源的输出调节旋钮调至最小（逆时针旋到厎），并将恒流源的输出粗调旋钮拨到2mA档，输出细调旋钮应调至最小。

接通电源后，再根据需要缓慢调节。

2.当恒流源输出端接有负载时，如果需要将其粗调旋钮由低档位向高档位切换时，必须先将其细调旋钮调至最小。

否则输出电流会突增，可能会损坏外接器件。

3.电压表应与被测电路并接，电流表应与被测电路串接，并且都要注意正、负极性与量程的合理选择。

4.实验内容1、2中，R1的取值应与RB相近。

5.本实验仅测试指针式仪表的内阻。

由于所选指针表的型号不同，本实验中所列的电流、电压量程及选用的RB、R1等均会不同。

实验时应按选定的表型自行确定。

六、思考题

　1.根据实验内容1和2，若已求出档和档的内阻，可否直接计算得出5mA档和10V档的内阻？

　　2.用量程为10A的电流表测实际值为8A的电流时，实际读数为，求测量的绝对误差和相对误差。

七、实验报告

　　1.列表记录实验数据，并计算各被测仪表的内阻值。

　　2.分析实验结果，总结应用场合。

　　3.对思考题的计算。

4.其他（包括实验的心得、体会及意见等）。

实验二　电路元件伏安特性的测绘

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2-1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2-1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2-1中c所示。

图2-1

正向压降很小（一般的锗管约为～，

硅管约为～），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。

4.稳压二极管是一种特殊的半导体二极管，其正向特性与普通二极管类似，但其反向特性较特别，如图2-1中d所示。

在反向电压开始增加时，其反向电流几乎为零，但当电压增加到某一数值时（称为管子的稳压值，有各种不同稳压值的稳压管）电流将突然增加，以后它的端电压将基本维持恒定，当外加的反向电压继续升高时其端电压仅有少量增加。

注意：

流过二极管或稳压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

万用表

FM-47或其他

1

自备

3

直流数字毫安表

0~200mA

1

4

直流数字电压表

0~200V

1

5

二极管

IN4007

1

DGJ-05

6

稳压管

2CW51

1

DGJ-05

7

白炽灯

12V，

1

DGJ-05

8

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

按图2-2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。

图2-2图2-3

UR（V）

0246810

I（mA）

2.测定非线性白炽灯泡的伏安特性

将图2-2中的R换成一只12V，的灯泡，重复步骤1。

UL为灯泡的端电压。

UL（V）

1

2

3

4

5

I（mA）

3.测定半导体二极管的伏安特性

按图2-3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～之间取值。

在～之间应多取几个测量点。

测反向特性时，只需将图2-3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）

I（mA）

反向特性实验数据

　UD－（V）

0

-5

-10

-15

-20

-25

-30

I（mA）

　　4.测定稳压二极管的伏安特性

（1）正向特性实验：

将图2-3中的二极管换成稳压二极管2CW51，重复实验内容3中的正向测量。

UZ+为2CW51的正向施压。

UZ+（V）

I（mA）

（2）反向特性实验：

将图2-3中的R换成1KΩ，2CW51反接，测量2CW51的反向特性。

稳压电源的输出电压UO从0～20V，测量2CW51二端的电压UZ－及电流I，由UZ－可看出其稳压特性。

UO（V）

UZ－（V）

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.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.稳压二极管与普通二极管有何区别，其用途如何？

4.在图2-3中，设U=2V，UD+=，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。

（其中二极管和稳压管的正、反向特性均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。

实验三　电位、电压的测定及电路电位图的绘制

一、实验目的

　　1.验证电路中电位的相对性、电压的绝对性

2.掌握电路电位图的绘制方法

二、原理说明

　　在一个闭合电路中，各点电位的高低视所选的电位参考点的不同而变，但任意两点间的电位差（即电压）则是绝对的，它不因参考点的变动而改变。

电位图是一种平面坐标一、四两象限内的折线图。

其纵坐标为电位值，横坐标为各被测点。

要制作某一电路的电位图，先以一定的顺序对电路中各被测点编号。

以图4-1的电路为例，如图中的A～F,并在坐标横轴上按顺序、均匀间隔标上A、B、C、D、E、F、A。

再根据测得的各点电位值，在各点所在的垂直线上描点。

用直线依次连接相邻两个电位点，即得该电路的电位图。

在电位图中，任意两个被测点的纵坐标值之差即为该两点之间的电压值。

　　在电路中电位参考点可任意选定。

对于不同的参考点，所绘出的电位图形是不同的，但其各点电位变化的规律却是一样的。

三、实验设备

序号

名称

型号与规格

数量

备注

1

直流可调稳压电源

0~30V

二路

2

万用表

1

自备

3

直流数字电压表

0~200V

1

4

电位、电压测定实验电路板

1

DGJ-03

四、实验内容

利用DGJ-03实验挂箱上的“基尔霍夫定律/叠加原理”线路，按图3-1接线。

1.分别将两路直流稳压电源接入电路，令U1＝6V，U2＝12V。

（先调准输出电压值，再接入实验线路中。

）

2.以图3-1中的A点作为电位的参考点，分别测量B、C、D、E、F各点的电位值φ及相邻两点之间的电压值UAB、UBC、UCD、UDE、UEF及UFA，数据列于表中。

3.以D点作为参考点，重复实验内容2的测量，测得数据列于表中。

电位

参考点

φ与U

φA

φB

φC

φD

φE

φF

UAB

UBC

UCD

UDE

UEF

UFA

A

计算值

测量值

相对误差

D

计算值

测量值

相对误差

五、实验注意事项

　　1.本实验线路板系多个实验通用，本次实验中不使用电流插头。

DGJ-03上的K3应拨向330Ω侧，三个故障按键均不得按下。

2.测量电位时，用指针式万用表的直流电压档或用数字直流电压表测量时，用负表棒（黑色）接参考电位点，用正表棒（红色）接被测各点。

若指针正向偏转或数显表显示正值，则表明该点电位为正（即高于参考点电位）；若指针反向偏转或数显表显示负值，此时应调换万用表的表棒，然后读出数值，此时在电位值之前应加一负号（表明该点电位低于参考点电位）。

数显表也可不调换表棒，直接读出负值。

六、思考题

　　若以F点为参考电位点，实验测得各点的电位值；现令E点作为参考电位点，试问此时各点的电位值应有何变化？

七、实验报告

1．根据实验数据，绘制两个电位图形，并对照观察各对应两点间的电压情况。

两个电位图的参考点不同，但各点的相对顺序应一致，以便对照。

2.完成数据表格中的计算，对误差作必要的分析。

3.总结电位相对性和电压绝对性的结论。

4.心得体会及其他。

实验四　基尔霍夫定律的验证

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。

二、原理说明

　　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。

三、实验设备

　　同实验三。

四、实验内容

　　实验线路与实验四图3-1相同，用DGJ-03挂箱的“基尔霍夫定律/叠加原理”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3-1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。

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

五、实验注意事项

1.同实验三的注意1，但需用到电流插座。

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。

六、预习思考题

　　1.根据图3-1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？

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.误差原因分析。

5.心得体会及其他。

实验五　叠加原理的验证

一、实验目的

　　验证线性电路叠加原理的正确性，加深对线性电路的叠加性和齐次性的认识和理解。

二、原理说明

　　叠加原理指出：

在有多个独立源共同作用下的线性电路中，通过每一个元件的电流或其两端的电压，可以看成是由每一个独立源单独作用时在该元件上所产生的电流或电压的代数和。

　　线性电路的齐次性是指当激励信号（某独立源的值）增加或减小K倍时，电路的响应（即在电路中各电阻元件上所建立的电流和电压值）也将增加或减小K倍。

三、实验设备

序号

名称

型号与规格

数量

备注

1

直流稳压电源

0~30V可调

二路

2

万用表

1

自备

3

直流数字电压表

0~200V

1

4

直流数字毫安表

0~200mV

1

5

迭加原理实验电路板

1

DGJ-03

四、实验内容

实验线路如图5-1所示，用DGJ-03挂箱的“基尔夫定律/叠加原理”线路。

图5-1

1.将两路稳压源的输出分别调节为12V和6V，接入U1和U2处。

2.令U1电源单独作用（将开关K1投向U1侧，开关K2投向短路侧）。

用直流数字电压表和毫安表（接电流插头）测量各支路电流及各电阻元件两端的电压，数据记入表5-1。

表5-1

测量项目

实验内容

U1

（V）

U2

（V）

I1

（mA）

I2

（mA）

I3

（mA）

UAB

（V）

UCD

（V）

UAD

（V）

UDE

（V）

UFA

（V）

U1单独作用

U2单独作用

U1、U2共同作用

2U2单独作用

3.令U2电源单独作用（将开关K1投向短路侧，开关K2投向U2侧），重复实验步骤2的测量和记录，数据记入表5-1。

4.令U1和U2共同作用（开关K1和K2分别投向U1和U2侧），重复上述的测量和记录，数据记入表5-1。

5.将U2的数值调至＋12V，重复上述第3项的测量并记录，数据记入表5-1。

6.将R5（330Ω）换成二极管1N4007（即将开关K3投向二极管IN4007侧），重复1～5的测量过程，数据记入表5-2。

7.任意按下某个故障设置按键，重复实验内容4的测量和记录，再根据测量结果判断出故障的性质。

　　表5-2

测量项目

实验内容

U1

（V）

U2

（V）

I1

（mA）

I2

（mA）

I3

（mA）

UAB

（V）

UCD

（V）

UAD

（V）

UDE

（V）

UFA

（V）

U1单独作用

U2单独作用

U1、U2共同作用

2U2单独作用

五、实验注意事项

　　1.用电流插头测量各支路电流时，或者用电压表测量电压降时，应注意仪表的极性，正确判断测得值的＋、－号后，记入数据表格。

　　2.注意仪表量程的及时更换。

六、预习思考题

　　1.在叠加原理实验中，要令U1、U2分别单独作用，应如何操作？

可否直接将不作用的电源（U1或U2）短接置零？

2.