30学时《电路实验》教材封面和正文内容12版教学大纲.docx

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30学时《电路实验》教材封面和正文内容12版教学大纲

实验一直流电路的测试与研究

一、实验目的

1、学会测量电源内阻及开路电压的方法；

2、验证叠加定理与戴维南定理；

3、通过实验证明负载上获得最大功率的条件。

二、原理说明

1、叠加定理：

在线性电路中，任一支路电流（或电压）都是电路中每一个独立源单独作用时，在该支路中产生的电流（或电压）的代数和。

（图1-1）。

图1—1

当某一独立源单独作用时，其他独立源应为零值，独立电压源用短路线替换；独立电流源用开路替换。

对实际电源的内阻（或内电导）必须保留在原电路中。

在线性电路中，功率是电压或电流的二次函数，所以，叠加定理不适用于功率分析与计算。

2、戴维南定理：

任何一个线性有源二端（即一端口）网络，对外部电路而言。

总可以用一个理想电压源和电阻串联的有源支路来代替。

如图1-2，其理想电压源的电压等于原网络端口的开路电压Uoc，其电阻等于原网络中所有独立电源为零值时的入端等效电阻Ri。

图1—2

应用戴维南定理时，被变换的一端口网络必须是线性的，可以包括独立电源或受控电源，但是与外部电路之间除直接相联系外，不允许存在任何耦合，例如通过受控电源的耦合或者是互感的耦合等。

外部电路可以是线性非线性或时变元件，也可以是由它们组合成的网络。

3、对于已知的线性有源一端口网络，其入端等效电阻Ri可以从原网络计算得出，也可以通过实验手段测出。

下面介绍几种测量方法：

（1）由戴维南定理可知：

因此，只要测出有源一端口网络的开路电压Uoc和短路电流Isc，Ri就可得出，这种方法最简便，但是，对于不允许将外部电路直接短路的网络（例如有可能因短路电流过大而损坏网络内部的器件时），不能采用此法。

（2）测出有源一端口网络的开路电压Uoc以后，在端口处接一负载电阻RL，然后再测出负载电阻的端电压URL。

因

，则入端等效电阻为：

（3）把有源一端口网络中的独立电源置零，然后在端口处加一给定电压u，测得流入端口的电流i，则Ri=

。

4、补偿法测量开路电压UOC。

该法测量精度较高，因为测量输出电压时，有源一端口网络输出电流可以做到为零。

测量线路如图1-3所示，通过调整R2或U2使电流表的读数为零，此时测得电压表的读数即为UOC。

图1—3

三、实验任务

1、叠加定理的验证

实验电路如图1-4。

U1、U2分别由两台直流稳压电源提供。

K1、K2为两个转换开关，当它们合向1-1′时，表示电源已接入电路，若K1、K2合向短路线2-2′侧时，则表示该电源等于零。

（即短路）

调整U1=6V，U2=12V，分别测量，U1单独作用时（U2=0），电路各支路电流I1′I2′I3′；U2单独作用时（U1=0），电路各支路电流I1″I2″I3″；U1和U2同时作用时，电路各支路电流I1、I2、I3。

数据记入自拟表格；电表读数要注意用物理量的参考、实际方向决定其正负。

图1—4

2、有源一端口网络实验

（1）伏安特性及最大功率输出条件

实验线路如图1-5所示，调整U1=20V，由小到大改变电阻RL阻值，测量有源一端口网络输出电流及电压填入表1-1中。

为保证测量精度，必须将电压表并接在RL两端时读取电流，这样计算的RL阻值将包括电压表的内阻在内，将所测得U除以I便得RL之值。

（2）用原理说明中3、4项的测量方法测量图1-5所示被测有源一端口网络的开路电压和等效电阻。

自拟记录表格。

3、有源一端口网络的等效电压源——验证戴维南定理

利用稳压电源和电阻相串联，组成一实际电压源，调整稳压电源的输出电压U=Uoc（第2项实验中所测开路电压），电阻利用原被测一端口网络的电阻组成，如图1-6所示，依次改变负载电阻RL的阻值（如表1-2中所示），测量I和U，填入表1-2中。

Ω

图1—5

表1-1

RL（Ω参考值）

0

I（mA）

U（V）

RL=U/I（Ω）

PL=UI（W）

图1—6

表1-2

RL（Ω参考值）

0

I（mA）

U（V）

四、实验设备

1、稳压电源2.4V、2A二台

2、直流毫安表0-150mA一只

3、直流电压表0-30V一只

4、变阻器一台

5、其他元件若干

五、实验报告

1、实验要求及线路；

2、由实验1数据验证叠加定理，并与理论计算值进行比较；

3、绘制有源一端口网络的伏安特性及P=f（RL）关系曲线，计算Uoc和Ro，及验证最大的功率匹配条件。

4、用表1-1、1-2数据绘制等效电压源的伏安特性，验证戴维南定理；

5、用原理3、4中方法测得的Uoc及Ri与伏安特性法所测得数据列表比较。

实验三　数字电子仪器使用

一、实验目的

1、学习使用DDS数字信号发生器，初步掌握常用信号输出的调节方法。

2、学习使用数字存储示波器，初步掌握常用信号参数的观测方法。

二、设备简介

三、实验任务

１、调节DDS信号发生器使其输出3MHz、1.00Vp-p正弦交流信号，并用数字示波器：

①手动测量该信号电压的峰峰值Vp-p、频率Freq；

②自动测量该信号电压的峰峰值Vp-p、最大值Vmax、最小值Vmin、周期平均值Mean、平均值Vmea、周期均方根值（周期有效值）Crms、均方根值（有效值）Vrms、频率Freq、周期Prd。

２、调节DDS信号发生器，使其输出50ＫＨz、500mVp-p方波信号，并用数字示波器：

①手动测量该信号电压的峰峰值Vp-p、频率Freq；

②自动测量该信号电压的峰峰值Vp-p、最大值Vmax、最小值Vmin、周期平均值Mean、平均值Vmea、周期均方根值（周期有效值）Crms、均方根值（有效值）Vrms、频率Freq、周期Prd、脉宽Bwid、正占空比+Dut、负占空比-Dut。

３、调节DDS信号发生器，使其输出2ＫＨz、2.00Vp-p脉冲信号，并用数字示波器测量该信号电压占空比为30％和80％时的：

①手动测量该信号电压的峰峰值Vp-p、频率Freq；

②自动测量该信号电压的峰峰值Vp-p、最大值Vmax、最小值Vmin、周期平均值Mean、平均值Vmea、周期均方根值（周期有效值）Crms、均方根值（有效值）Vrms、频率Freq、周期Prd、脉宽Bwid、正占空比+Dut、负占空比-Dut。

４、调节DDS信号发生器，使其输出100ＫＨz、3.00Vp-p三角波信号，并用数字示波器：

①手动测量该信号电压的峰峰值Vp-p、频率Freq；

②自动测量该信号电压的峰峰值Vp-p、最大值Vmax、最小值Vmin、周期平均值Mean、平均值Vmea、周期均方根值（周期有效值）Crms、均方根值（有效值）Vrms、频率Freq、周期Prd。

5、*（选做）调节DDS信号发生器，使其输出１KHz、含有0.2V直流偏置分量的1.00Vp-p正弦波信号，并用数字示波器：

①手动测量该信号电压的峰峰值Vp-p、频率Freq；

②自动测量该信号电压的峰峰值Vp-p、最大值Vmax、最小值Vmin、周期平均值Mean、平均值Vmea、周期均方根值（周期有效值）Crms、均方根值（有效值）Vrms、频率Freq、周期Prd。

6、（选做）**调节DDS信号发生器，使其输出１00Hz/1Vp-p、调制深度为30%和80%的正弦调幅波信号，并用数字示波器：

①手动测量该信号电压的最大值Vmax、频率Freq1、Freq2；

②自动测量该信号电压的峰峰值Vp-p、最大值Vmax、最小值Vmin、平均值Vmea、均方根值（有效值）Vrms。

7、（选做）***调节DDS信号发生器，使其CH1输出１KHz/1Vp-p、初相位Phase=0º正弦波；CH2输出１KHz/2Vp-p、初相位Phase=300º或60º正弦波，并用数字示波器分别手动和自动测定两正弦信号的相位差Φ角。

8、（选做）****用示波器观测正弦交流电路的参数

按图3-1接线:

调节函数信号发生器，使它的输出信号波形为正弦波，信号的频率分别为1KHz、2kHz、5kHz，信号的有效值为1V；

用示波器显示波形。

分别测量电阻R上电压VRp-p、周期TR及us与uR之间的相位差，记入表3-1内,并计算出频率和有效值：

表3-1

信号波形

信号频率（KHz）

示波器测量值

计算值

uR的

周期

（ms）

uRp-p

（v）

us与uR

之间

相位差

（°）

频率（KHz）

有效值（v）

正弦波

1

2

5

四、仪器设备

DDS数字信号发生器1台

数字存储示波器1台

五、报告要求

1、观察到的各个波形分别画在坐标纸上。

2、结合电路元件参数进行分析讨论。

3、分析表3-1数据，总结：

当电路元件参数不变，电路激励信号幅值不变，改变电路激励信号频率，电路中示波器测量参数变化规律。

实验四一阶动态电路时域响应的测试与研究

一、实验目的

1、学习用示波器观测和研究一阶动态电路时域响应的方法；

2、测定RC一阶电路的零输入响应、零状态响应,研究其规律和特点；

3、测定RC一阶电路的零输入响应、零状态响应,研究其规律和特点；

4、学习一阶电路时间常数的测量方法，了解电路参数对时间常数的影响；

5、了解微分电路和积分电路的特点。

二、原理说明

观测一阶动态电路时域响应就是观测电路响应信号随时间变化的曲线（即波形图）。

1、RC一阶电路的零状态响应

RC一阶电路如图4－1所示，开关S在‘1’的位置，ｕC＝0，处于零状态，当开关S合向‘2’的位置时，电源通过R向电容C充电，ｕC（ｔ）称为零状态响应:

t≥0

ｕC变化曲线如图3－2所示，当ｕC上升到0.632Us所需要的时间称为时间常数τ，τ=RC。

2、RC一阶电路的零输入响应

在图4－1中，开关S在‘2’的位置电路稳定后Uc=Us，再合向‘1’的位置时，电容C通过R放电，ｕC（ｔ）称为零输入响应:

t≥0

ｕC变化曲线如图3－3所示，当ｕC下降到0.368Us所需要的时间称为时间常数τ，τ=RC。

3、测量RC一阶电路时间常数和时域响应曲线（即波形图）

图4－1电路的上述暂态过程很难观察，为了用普通示波器观察电路的暂态过程，可采用图4－4所示的周期性方波ｕS作为电路的激励信号，方波信号的周期为T，只要满足

T/2≥5τ

便可在示波器的荧光屏上形成能够重复出现的RC一阶电路的零输入响应、零状态响应的响应波形。

这是因为方波的前沿相当于给电路加了一阶跃输入，相当于图4－1中的开关S由1处合向2处，其响应就是零状态响应；方波的后沿相当于在电容具有初值uc（0_）时把电源用短路置换（即图4－1中的开关S由2处合向1处），电路响应转换成零输入响应。

把电阻R、电容C串联与方波发生器的输出端连接，用双踪示波器观察电容电压ｕC，便可观察到稳定的指数曲线，如图4－5所示，在荧光屏上测得电容电压最大值Ucm=a（cm）；取b=0.632a（cm），与指数曲线交点对应时间ｔ轴的X点，则根据时间ｔ轴比例尺（即ｔ轴灵敏度s/cm），该电路的时间常数：

τ=x（cm）*时间轴灵敏度（s/cm）

上述方法求出的τ，也就是D点的时间轴坐标t1，D点的电压轴坐标uc1由下式求得:

uc1=b（cm）*电压轴灵敏度（v/cm）=0.632a（cm）*电压轴灵敏度（v/cm）

D点坐标：

D（t1,uc1）。

同样，按照D点坐标的测定办法，可测定图4－1所示RC电路暂态过程波形图上其它点的坐标，在坐标纸上定量绘出一阶动态电路时域响应曲线（即波形图）。

4、微分电路和积分电路

在方波信号ｕS作用的R、C串联电路中，当满足电路时间常数远远小于方波周期T的条件时，电阻两端（输出）的电压ｕR与方波输入信号ｕS呈微分关系，

该电路称为微分电路。

当满足电路时间常数远远大于方波周期T的条件时，电容C两端（输出）的电压ｕC与方波输入信号ｕS呈积分关系，

该电路称为积分电路。

微分电路和积分电路的输出、输入关系如图4－6（ａ）、（ｂ）所示。

三、实验任务

1、实验电路联接图：

见图4－7a测量uR、图4－7b测量uC

图4－7a

图4－7b

2、分别测绘R=1K、C=0.1μF的RC串联电路在峰－峰值为VP-P＝2V，f=100Hz、1KHz的方波激励下的电压响应ｕR、ｕC波形图。

并求出电路时间常数τ。

3、分别测绘

（1）R=10K、C=0.1μF；

（2）R=100、C=0.1μF的RC串联电路在峰－峰值为VP-P＝2V，f=1KHz的方波激励下的电压响应ｕR、ｕC波形图。

并求出电路时间常数τ。

4、激励信号方波的峰－峰值VP-P＝２V，f=100Hz、1KHz、10KHz

（1）积分电路：

取R*C››T，用示波器观察激励ｕS与响应ｕC的变化规律；

（2）微分电路：

取R*C‹‹T，用示波器观察激励ｕS与响应ｕR的变化规律。

5、操作步骤：

（1）在实验板上找到实验所须元件，按图4－7接线；

▲注意：

示波器CH1、CH2的接地点（两探头黑夹子）统一。

（2）打开信号发生器并调节有关旋钮，使其输出实验所需的信号；

（3）用示波器观测电路激励、响应信号，绘出电路时域响应曲线（波形图）。

（4）根据对不同电路参数的电路时域响应曲线（波形图）的对比分析，找出规律，得出结论

四、预习与思考题

1、用示波器观察RC一阶电路零输入响应和零状态响应时，为什么激励必须是方波信号？

2、已知RC一阶电路的R=10KΩ，C＝0.0１μF，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、在RC一阶电路中，当R、C的大小变化时，对电路的响应有何影响？

4、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？

这两种电路有何功能？

五、仪器设备

1、低频信号发生器XD-22一台

2、示波器一台

3、电感若干

4、电容若干

5、电阻箱一只

五、报告要求

1、把观察各组响应波形分别画在坐标上，并作必要的结论说明。

（元件，参数，频率，波形的幅度及时间关系）。

2、从响应波形中估算出电路时间常数

和元件参数C，并与计算值比较。

3、回答思考题。