电工电子实验指导内容.docx
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电工电子实验指导内容
2.3戴维南定理
一、实验目的
1.掌握线性含源二端网络等效参数的测量方法。
2.验证戴维南定理。
二、实验原理
戴维南定理指出:
任何一个线性含源二端网络,对于外电路而言,总可以用一个理想电压源和电阻的串联形式来代替,理想电压源的电压等于原含源二端网络的开路电压UOC,其电阻(又称等效内阻)等于网络中所有独立源置零时输入端等效电阻Req,见图2.3-1。
图2.3-1线性含源二端网络等效电路图2.3-2补偿法测量电路
1.开路电压的测量方法
方法一:
直接测量法。
当有源二端网络的等效内阻Req与电压表的内阻Rv相比可以忽略不计时,可以直接用电压表测量开路电压。
方法二:
补偿法。
其测量电路如图2.3-2所示,E为高精度的标准电压源,R为标准分压电阻箱,G为高灵敏度检流计。
调节电阻箱的分压比,c、d两端的电压随之改变,当Ucd=Uab时,流过检流计G的电流为零,因此
Ucd=Uab=
E=KE
式中,K=
为电阻箱的分压比。
根据标准电压E和分压比K就可求得开路电压Uab,因为电路平衡时IG=0,不消耗电能,所以此法测量精度较高。
2.等效电阻Req的测量方法
对于已知的线性有源一端口网络,其输入端等效电阻Req可以从原网络计算得出,也可以通过实验测出,下面介绍几种测量方法:
方法一:
将有源二端口网络中的独立源都去掉,在ab端外加一已知电压U,测量一端口的总电流I总,则等效电阻Req=
实际的电压源和电流源都具有一定的内阻,它并不能与店员本身分开,因此在去掉电源的同时,也把电源的内阻去掉了,无法将电源内阻保留下来,这将影响测量精度,因而这种方法只适用于电压源内阻较小和电流源内阻较大的情况。
方法二:
测量ab端的开路电压Uoc及短路电流ISC则等效电阻
Req=
图2.3-3测量电路图图2.3-4戴维南等效电路
这种方法适用于ab端等效电阻Req较大,而短路电流不超过额定值的情况,否则有损坏电源的危险
方法三:
半电压测量法
测量电路如图2.3-3所示,第一次测量最ab端的开路UOC,第二次在ab端接一已知电阻RL(负载电阻),测量此时a、b端的负载电压U,则a、b端的有效电阻Req为:
Req=(
-1)RL
第三种方法克服了前两种方法的缺点和局限性,在实际测量中常被采用。
3.如果用电压等于开路电压UOC的理想电压源与等效电阻Req相串联的电路(称为戴维南等效电路,参见图2.4-4)来代替原有源二端网络,则它的外特性U=f(I)应与有源二端网络的外特性完全相同。
实验原理电路见图2.3-5b。
(a)有源二端网络(b)等效电路
图2.3-5实验原理电路
一、预习内容
在图2.3-5(a)中设E1=3V,E2=6V,R1=R2=1KΩ,根据戴维南定理将AB以左的电路简化为戴维南等效电路。
即计算图示虚线部分的开路电压Uoc及等效内阻Req值。
二、仪器设备
1.模拟/数字电路实验箱
2.直流毫安表
3.数字万用表
4.直流稳压电源
三、实验内容与步骤
1.测定有源二端网络的开路电压UOC和等效电阻Req
按图2.4-5(a)接线,经检查无误后,采用直接测量法测定有源二端网络的开路电压UOC。
电压表内阻应远大于二端网络的等效电阻Req。
测定有源二端网络的等效电阻Req
在图2.3-5(a)中移去RL及E1、E2用短路线代替,用万用表欧姆档测量b、c两端电阻Req=
2.测定有源二端网络的外特性
调节电位器R4即改变负载电阻RL之值,在不同负载的情况下,测量相应的负载端电UL,共取五个点将数据记入表2.3-1中。
3.测定戴维南等效电路的外特性
将另一路直流稳压电源的输出电压调节到等于实测的开路电压UOC值,以此作为理想电压源,调节电位器R6,使R5+R6=Req,并保持不变,以此作为等效内阻,将两者串联起来组成戴维南等效电路。
按图2.3-5(b)接线,经检查无误后,重复上述步骤测出负载电压U’L,并将数据记入表2.3-1中。
表2.3-1实验数据
RL
图3-5(a)UL
图3-5(a)U’L
4.按图2.3-5(b)电路,测量RL支路的电压,利用IL=UL/RL计算IL。
改变RL值,测出所对应的URL值,计算出相应的功率PRL(=URL×IL)。
(一个线性含源二端网络,当所接的负载RL等于其等效内阻Req时,则负载获得最大功率。
)所测数据填入自拟表格中。
四、实验报告要求
1.在同一坐标纸上作出两种情况下的外特性曲线,做适当分析。
判断戴维南定理的正确性。
2.绘制功率特性曲线р=ƒ(RL),并分析得出结论。
2.4频率特性及RLC串联交流电路
一、实验目的
1.通过实验掌握串联谐振时的特点,了解电路参数对谐振特性的影响。
2.测定R、L、C串联谐振电路的频率特性曲线。
3.了解品质因数对谐振曲线的影响。
4.正确使用双踪示波器。
二、实验原理
1.R、L、C串联电路(图2.4-1)的阻抗是电源频率的函数,即:
Z=R+j(ωL-
)=
当ωL=
时,电路呈现电阻性,US一定时,电流达最大,这种现象称为串联谐振,谐振时的频率称为谐振频率,也称电路的固有频率。
即
或
上式表明谐振频率仅与元件参数L、C有关,而与电阻R无关。
图2.4-1
2.电路处于谐振状态时的特征:
1复阻抗Z达最小,电路呈电阻性,电流与输入电压同相。
2电感电压与电容电压数值相等,相位相反。
此时电感电压(或电容电压)为电源电压的Q倍,Q称为品质因数,即
在L和C为定值时,Q值仅由回路电阻R的大小来决定。
③在激励电压有效值不变时,回路中的电流达最大值,即:
3.串联谐振电路的频率特性:
①回路的电流与电源角频率的关系称为电流的幅频特性,表明其关系的图形称为串联谐振曲线。
电流与角频率的关系为:
当L、C一定时,改变回路的电阻R值,即可得到不同Q值下的电流的幅频特性曲线。
显然Q值越大,曲线越尖锐。
有时为了方便,常以
为横坐标,
为纵坐标画电流的幅频特性曲线(这称为通用幅频特性),图2.4-2画出了不同Q值下的幅频特性曲线。
回路的品质因数Q值越大,在一定的频偏下
下降的越厉害,电路的选择性就越好。
为了衡量谐振电路对不同频率的选择能力引进通频带的概念,把通用幅频特性的幅值从峰值1下降到0.707时所对应的上、下频率之间的宽度称为通频带(以BW表示)即:
Q值越大,通频带越窄,电路的的选择性越好。
3激励电压与响应电流的相位差
角和激励电源角频率ω的关系称为相频特性,即:
显然,当电源频率ω从0变到ω0时,电抗X由-∞变到0时,
角从
变到0,电路为容性。
当ω从ω0增大到∞时,电抗X由0增到∞,
角从0增到
,电路为感性。
相角
与
的关系称为通用相频特性。
图2.4-2
谐振电路的幅频特性和相频特性是衡量电路特性的重要标志。
三、仪器设备
1.模拟/数字电路实验箱
2.信号发生器
3.交流毫伏表
4.双踪示波器
四、实验内容及步骤
按图2.4-3连接线路,电源US为低频信号发生器。
将电源的输出电压接示波器的YA插座,输出电流从R两端取出,接到示波器YB插座以观察信号波形,取L=0.01H,C=0.47μF,R=10Ω,电源的输出电压US=1V。
图2.4-3实验线路图
1.改变信号源频率,找出电路谐振频率f0,一般可采用如下两种方法。
①电阻电压UR达到最大值的办法确定f0
将US调到1伏,然后改变频率f,此时UR也将随着变化,用毫伏表检测UR,当UR出现最大值时所对应的f既为f0(为什么,学生自己分析)。
②用双踪示波器找f0
按图2.4-3接线,US实际上代表着串联电路的电流I,调节信号源的f,当看到示波器中US和UR两波形同相位时,此时的f既f0(这又是为什么)
1.在谐振情况下用晶体管毫伏表测量US,UC,UL,UR及UL-C(注意毫伏表量程),并记录入表2.4-1
表2.4-1谐振测量数据
f0(KHz)
US
UC
UL
UL-C
UR
Q
3.以f0为中心两边对称取点,保持US=1V不变,改变f逐点测量,在f0附近,应多取些测试点。
用交流毫伏表测试每个测试点的UR值,电流I是通过测量UR值,由I=UR/R换算而得,记入表格2.4-2中。
表2.4-2R1=10Ω,R2=50Ω,L与C维持不变
f(Hz)
f0
UR1(V)
I1(mA)
UR2(V)
I2(mA)
4.任选一组参数(R1或R2)用示波器分别观察f>f0及f 五、实验报告要求 1.根据实验数据,在方格纸上绘出I(f)曲线 2.通过实验总结R、L、C串联谐振电路的主要特点。 3.讨论问题: 实验中,当R、L、C串联电路发生谐振时,是否有UC=UL及UR=US? 若关系不成立,试分析其原因。 2.5一阶RC电路的矩形脉冲响应 一、实验目的 1.学习用示波器观察和分析RC电路的时域响应。 2.加强对一阶电路动态过程的了解,掌握一阶电路时间常数的测定方法。 3.增强对微分电路、积分电路和耦合电路的认识。 搞清楚时间常数与矩形脉冲宽度的关系。 二、仪器设备 1.模拟/数字电路实验箱 2.示波器 3.晶体管毫伏表 三.预习要求 1.复习课本中一阶RC电路的充电和放电过程的有关内容。 2.分清微分电路、积分电路耦合电路成立的条件。 按实验步骤中给出的参数,考虑表2.5-2中应选的参数值。 3.了解脉冲信号发生器原理,掌握矩形脉冲的调整方法。 4.分析图2.5-2、图2.5-3的Ui为矩形脉冲时,当电路的时间常数τ不同时,对输出波形的影响。 四.实验内容说明 1.图2.5-1所示的矩形脉冲电压Ui,可以看成是按一定规律定时接通和关断的直流电压源U。 若将此电压Ui加在RC串联电路上(图2.5-2),则会产生一系列的电容连续充电和放电的动态过程。 在Ui的上升沿为电容的充电过程,而在Ui下降沿为电容的放电过程。 实质上,电容电压初始值为零的RC电路的矩形脉冲响应就是RC电路的阶跃响应和零输入响应的连续。 矩形脉冲电压Ui的脉冲宽度tw与RC串联电路的时间常数τ有十分密切的关系。 当tw不变时,而适当选取不同的参数以改变时间常数τ,会使电路特性发生质的变化。 图2.5-1矩形脉冲电压波形图2.5-2测常数和积分电路接线 2.微分电路 如图2.5-3所示电路,将RC串联电路的电阻电压作为输出U0,且满足τ‹‹tw的条件,则该电路就构成了微分电路。 此时,输出电压U0近似地与输入电压Ui呈微分关系。 图2.5-3微分电路和耦合电路接线图2.5-4微分电路波形 微分电路的输出波形为正负相同的尖脉冲。 其输入、输出电压波形的对应关系如图2.5-4所示。 在数字电路中,经常用微分来将矩形脉冲波形变换成尖脉冲作为触发信号。 3.积分电路 积分电路与微分电路的区别是: 积分电路取RC串联电路的电容电压作为输出U0,如图2.5-2所不电路,且时间常数满τ››tw。 此时只要取τ=RC››tw,则输出电压U0近似地与输入电压Ui成积分关系,即 积分电路的输出波形为锯齿波。 当电路处于稳态时,其波形对应关系如图7-5所示。 注意: Ui的幅度值很小,实验中观察该波形时要调小示波器Y轴档位。 图2.5-5积分电路波形图2.5-6耦合电路波形 4.耦合电路 RC微分电路只有在满足时间常数τ=RC‹‹tw的条件下,才能在输出端获得尖脉冲。 如果时间常数τ=RC››tw,则输出波形已不再是尖脉冲,而是非常接近输出电压Ui的波形,这就是RC耦合电路,而不再是微分电路。 这里电容C称为耦合电容,常应用在多级交流放大电路中做级间耦合,起沟通交流、隔断直流的作用。 其波形对应关系如图2.5-6所示。 注意比较输入、输出电压波形的区别。 五.实验步骤 1.调节脉冲信号发生器,使输出峰值电压U=4.5V,周期T=5ms(f=200Hz),脉冲宽度tw=T/2=2.5ms的矩形脉冲电压Ui(图2.5-1)。 将此矩形脉冲电压Ui从示波器Y轴输入(开关置于DC档),观察并校准该波形后描述下来。 2.按图2.5-2组成串联电路,取R=1KΩ,C=0.47uf,并按图2.5-7接线。 注意信号发生器的金属屏蔽线(既地线)必须与示波器的屏蔽线相连接。 计算这个RC充放电电路的时间常数,并用UC的波形在示波器上测定电路的时间常数,具体做法如下: 调节示波器,使屏幕上呈现出一个稳定的指数曲线,如图2.5-8所示。 取波形幅值的63.2%处所对应的时间轴的刻度就可测出电路的时间常数: τ=“扫描时间(ms/cm)×op(cm)。 图2.5-7仪器与实验板的连接 图2.5-8时间常数曲线 其中,扫描时间是示波器上X轴扫描速度开关“t/div”的指示值。 OP是示波器上的读出该度(div),参见图2.5-8波形。 注意读数时要把“t/div”开关的“微调”置于“校准”位置上。 将时间常数τ的计算值、测量值和波形记录在表2.5-1中。 表2.5-1测量数据 计算值 测量值 波形 R(KΩ) C(µF) 扫描时间(ms/cm) Op(cm) τ= τ= 3.积分电路 (1)按图2.5-4接好线路,R=10KΩ,C=0.47µF,使τ‹‹tw,则输出应为一锯齿波,记录波形于表2.5-2。 (2)将R改为1KΩ,即减少电阻以改变常数τ,观察对积分电路的影响,并测定之,记录于表2.5-2。 4.微分电路 (1)按图2.5-3接好线路,选取R=0.5KΩ,C=0.47µF,观察尖脉冲波形,将波形、脉冲幅度、泳宽和τ刻录于表2.5-2中。 (2)C不变,将R改为5KΩ,观察对电路的影响,并测试之。 表2.5-2测量数据 电路性质 组别 脉冲幅度 (V) τ/ms 波形图 τ的计算值 微分电路 R=0.5KΩ C=0.47µF R=5KΩ C=0.47µF 积分电路 R=10KΩ C=0.47µF R=1KΩ C=0.47µF 六.实验报告 1.写出RC充电电路上电容电压的动态过程的时间函数表达式,并据此说明为什么实验中到电容电压波形幅值的0.632倍处对应的时间轴刻度就是该电路的时间常数? 2.根据实验结果说明构成微分电路和积分电路条件。 3.将实验中观测到的矩形脉冲电压、UC的充放电、微分电路、积分电路和耦合电路的波形集中按相同比例对应画出。 2.7单管放大电路 一、实验目的 1.熟悉电子元件和模拟电路实验箱。 2.掌握放大器静态工作点的调试方法及其对放大器性能的影响。 3.学习测量放大器Q点,Av,ri,ro的方法,了解共射极电路的特性。 4.学习放大器的动态性能。 二、实验仪器 1.示波器 2.信号发生器 3.数字万用表 4.模拟/数字电路实验箱 三.预习要求 1.熟悉分压式偏置放大器的工作原理,了解元器件参数对放大器性能的影响。 2.熟悉放大器的动态及静态测量方法。 四.实验内容及步骤 1.连接电路如下图 图2.7-1单级放大电路 (1)用万用表判断实验箱上三极管的好坏,电解电容的好坏。 (2)按图2.7-1所示,连接电路(注意: 接线前先测量+12V电源,关断电源后再连线),将RP的阻值调到最大位置。 2.调节静态工作点 将放大器的输入端短路,接通稳压电源,调节RW使VCE=1/2VCC,测量晶体管各极对地电压UB、UC和UE,通过计算得,并填入表2.7-1 UCE=UC-UE UBE=UB-UE IC=IE=UE/RE 表2.7-1静态工作点实验数据 UC UE UB UCE UBE IC IE 4.电压放大倍数的测量 放大器的输出端接负载电阻,接通函数信号发生器电源,调节函数信号发生器,使f=1KHZ,正弦波,衰减20∽40Db,使放大器的输入信号Ui=10mV。 观察当输出信号波形不失真时,用毫伏表测输出电压,计算放大倍数,并记录于表2.7-2中。 其余条件不变,输出端不接RL,测量输出电压,计算放大倍数,并记录于表2.7-2中。 表2.7-2电压放大倍数的测量数据 UO 计算Av Ui=10mV RL=5.1k 不接RL (3)观察静态工作点对失真的影响 使放大器的输入信号Ui=10mV。 用示波器观察放大器的输入波形。 调节RW,产生明显的饱和失真和截止失真。 描绘所观察的图形和记录刚刚出现失真时的UCE值,并记录于表2.7-3中,并计算IC值 表2.7-3实验数据 IC(mA) UCE(V) UO(波形) 饱和失真 截止失真 6.测量放大器输入,输出电阻。 (1)输入电阻测量 在输入端串接一个1K的电阻如图2.7-2,测量Us与Ui,即可计算ri。 图2.7-2输入电阻测量 (2)输出电阻测量 图2.7-3输出电阻测量 调节函数信号发生器,使放大器输入信号US=10mV,分别测量Ui和接负载电阻RL时的输出电压U0L和不接负载电阻RL时的输出电压U00,记录于表2.7-4,并计算ri和ro 表2.7-4实验数据 测输入电阻 测输出电阻 实测 测算 估算 实测 测算 估算 US(mV) Ui(mV) ri ri U0L RL=∞ U00 RL=5.1 ro(KΩ) ro(KΩ) 一、实验报告: 1.如何由输出波形判断放大器的工作状态。 2.讨论负载电阻对放大器工作特性的影响。 2.8运算放大器 一、实验目的 1.了解集成运放的基本使用方法。 2.利用运放进行反相比例,同相比例等运算。 二、使用的仪器、设备及元器件 双踪示波器 信号发生器 晶体管毫伏表 万用表 集成运算放大器LM324 直流稳压电源 三、实验原理 集成运放是高增益、高输入阻抗的直流放大电路,具有通用性强、灵活性大、体积小、耗电省和寿命长的特点,因此,得到广泛的应用。 由运放组成的基本运算电路是运放线性应用的典型电路。 在使用中,为了简化分析,常把实际的运放当作理想运放来处理。 这样对于工作在线性区的运放可认为: U_=U+ Ii=0 本实验仅对集成运放组成的若干种数学运算电路进行实验研究。 1.反相比例器 其闭环电压放大倍数 Avf=- 当Rf=R1时,可用作反相器。 图2.8-1反相比例器图2.8-2同相比例器 2.同相比例器 其闭环电压放大倍数为 AµF=1+ 当Rf=0或R1=∞(断路)时,可用作跟随器。 四、预习要求 1.复习有关集成运放的基本内容,弄清与本实验有关的各种运算电路的工作原理。 2.根据实验电路的参数,计算反相比例、同相比例等运算电路的运算关系式。 图2.8-3电源接法 五、实验步骤 集成运放的正负电源采用直流稳压电源的两路提供。 如图2.8-3所示。 2.反相比例运算 按图2.8-4连接电路,输入为Ui=500mV(f=1KHz)的正弦信号,取 RF=100KΩ,R1=10KΩ RF=100KΩ,R1=20KΩ 两组数据,测量U0并记录于表2.8-1中,比较与理论值是否相符。 图2.8-4反相比例运算 2.同相比例运算 按图2.8-5连接电路,输入为Ui=500mV(f=1KHz)的正弦波,取 RF=100KΩ,R1=10KΩ RF=100KΩ,R1=20KΩ 两组数据,测量U0并记录于表2.8-1中,比较与理论值是否相符。 表2.8-1测量数据 Ui Uo 实测AUf 理论AUf 反相 比例 Rf=100KΩ R1=10KΩ Rf=100KΩ R1=20KΩ 同相 比例 Rf=100KΩ R1=10KΩ Rf=100KΩ R1=20KΩ 3.以上两种运算可用双踪示波器同时观察Ui和Uo的波形,并比较它们的相位关系。 图2.8-5同相比例运算 六、实验报告要求 1.整理实验数据,列成表格,并与理论值相比较,分析产生误差的原因。 2.实验的心得体会。
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