EWB仿真实验.docx

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EWB仿真实验

EWB仿真实验指导

时述有主编

装备与材料学院

实验一基尔霍夫电压定律

一、实验目的

1、测量串联电阻电路的等效电阻并比较测量值和计算值。

2、确定串联电阻电路中流过每个电阻的电流。

3、确定串联电阻电路中每个电阻两端的电压。

4、根据电路的电流和电压确定串联电阻电路的等效电阻。

5、验证基尔霍夫电压定律。

二、实验器材

直流电压源1个

数字万用表1个

电压表3个

电流表3个

电阻3个

三、实验原理及实验电路

两个或两个以上的元件首尾依次连在一起称为串联，串联电路中流过每一个元件的电流相等。

若串联的元件是电阻，则总电阻等于各个电阻值和。

因此，在图1—1所示电阻串联电路中R=R1+R2+R3。

图1—1电阻串联电路

串联电路的等效电阻确定以后，由欧姆定律，用串联电阻两端的电压U除以等效电阻R，便可求出电流I，即I=U/R。

基尔霍夫电压定律指出，在电路中环绕任意闭合路径一周，所有电压降的代数和必须等于所有电压升的代数和。

这就是说，在图1—2所示电路中，串联电阻两端电压降之和必须等于串联电路所加的电源电压之和。

因此，由基尔霍夫电压定律有：

U1=Ubc+Ude+Ufo式中，Ubc=IR1，Ude=IR2，Ufo=IR3。

图1—2基尔霍夫电压定律实验电路

四、实验步骤

1、建立如图1—1所示的电阻串联实验电路。

2、用鼠标左键单击仿真电源开关，激活实验电路，用数字万用表测量串联电路的等效电阻R，记录测量值，并与计算值比较。

3、建立如图1—2所示的基尔霍夫电压定律实验电路。

4、用鼠标左键单击仿真电源开关，激活实验电路，记录电流Iab、Icd、Ief及电压Ube、Ude、Ufo。

5、利用等效电阻R，计算电源电压U1和电流I。

6、用R1两端的电压计算流过电阻R1的电流IR1。

7、用R2两端的电压计算流过电阻R2的电流IR2。

8、用R3两端的电压计算流过电阻R3的电流IR3。

9、利用电路电流Iab和电源电压U1计算串联电路的等效电阻R。

10、计算电压Ubc、Ude、Ufo之和。

五、思考题

1、等效电阻R的计算值和测量值比较情况如何？

2、电源电流的计算值Iab与电流测量值比较情况如何？

3、将电流Iab、Icd、Ief相比较可得出什么结论？

4、电源电压U1与Ubc+Ude+Ufo有什么关系？

这个结果能证实基尔霍夫电压定律吗？

六、该实验的仿真电路见EWB5.0中《基尔霍夫电压定律》

 实验二基尔霍夫电流定律

一、实验目的

1、测量并联电阻电路的等效电阻并比较测量值和计算值。

2、确定并联电阻电路中流过每个电阻的电流。

3、确定并联电阻电路中每个电阻两端的电压。

4、由电路的电流和电压确定并联电阻电路的等效电阻。

5、验证基尔霍夫电流定律。

二、实验器材

直流电压源1个

数字万用表1个

电压表3个

电流表4个

电阻3个

三、实验原理及实验电路

两个或两个以上的元件首首相接和尾尾相接称为并联，并联电路每个元件两端的电压都相同。

若并联元件是电阻，则并联电阻的等效电阻R的倒数等于每个电阻的倒数之和。

因此，在图2—1电阻并联电路中：

图2—1电阻并联电路

在图2—2所示的电路中，由欧姆定律，用并联电阻两端的电压U1除以流过并联电阻的总电流Iab，便可求出等效电阻R，即R=U1/Iab

图2—2基尔霍夫电流定律实验电路

基尔霍夫电流定律指出，在电路的任何一个节点上，流入节点的所有电流的代数和必须等于流出节点的所有电流的代数和。

这就是说，在图2—2电路中，流入各个电阻支路的电流之和必须等于流出电阻并联电路的总电流。

所以

Iab=Ibc+Ibd+Ibe

式中，Ibc=U1/R1，Ibd=U1/R2,Ibe=U1/R3。

四、实验步骤

1、建立图2—1电阻并联实验电路。

2、以鼠标左键单击仿真电源开关，激活实验电路，用数字万用表测量R1、R2和R3并联电路的等效电阻R。

3、用公式计算出这三个并联电阻的等效电阻R。

4、建立如图2—2所示的实验电路。

5、以鼠标左键单击仿真电源开关，激活实验电路，记录电流Iab、Ibc、Ibd、Ibe。

6、用步骤3计算的等效电阻R及电源电压U1，计算电源电流Iab。

7、用R1两端的电压及R1的电阻值，计算流过R1的电流Ibc。

8、用R2两端的电压及R2的电阻值，计算流过R2的电流Ibd。

9、用R3两端的电压及R3的电阻值，计算流过R3的电流Ibe。

10、用电路电流Iab及电压U1，计算并联电路的等效电阻R。

11、计算电流Ibc、Ibd、Ibe之和。

五、思考题

电流Iab与电流Ibc、Ibd、Ibe之和有什么关系？

应用这个结论能证实基尔霍夫电流定律的正确性吗？

六、该实验的仿真实验见EWB5.0《基尔霍夫电流定律》。

实验三、戴维南定理和诺顿定理的研究

一、实验目的

1、求出一个已知网络的戴维南等效电路。

2、求出一个已知网络的诺顿等效电路。

3、验证戴维南定理和诺顿定理的正确性。

二、实验器材

直流电压源1个

电压表1个

电流表1个

电阻3个

三、实验原理及实验电路

1、戴维南定理

任何一个具有固定电阻和电源的线性二端网络，都可以用一个串联电阻的等效电压源来代替。

这个等效电压源的电压可称为戴维南电压Uth，它等于原网络开路时的端电压Uoc，如图3－1所示为测量二端网络开路端电压实验电路。

串联电阻可称为戴维南电阻Rth，它等于原网络两端的开路电压Uoc除以短路电流Isc。

所以Uth=UocRth＝Uoc／Isc

图3—1测试二端网络开路端电压

短路电流Isc可在原网络两端连接一个电流表来测量，如图3—2所示为测试二端网络短路电流实验电路。

短路电流Isc也可在原网络的输出端连接一条短路线来计算。

图3—2测试二端网络短路电流

确定戴维南电阻Rth的另一种方法是，将含源网络中所有的电压源用短路线代替，把所有的电流源断路，这时输出端的等效电阻就是Rth。

在实验室里对一个未知网络确定确定其戴维南电阻Rth的最好方法是，在未知网络两端连接一个可变电阻，然后调整阻值至端电压等于开路电压Uoc的一半，这时可变电阻的阻值就等于戴维南电阻th。

2、诺顿定理

任何具有固定电阻和电源的线性二端网络都可用一个并联电阻的等效电流源来代替。

这个等效电流源的电流称为诺顿电流In，并等于原网络两端之间的短路电流Isc。

并联电阻称为诺顿电阻Rn，并等于戴维南等效电路里的戴维南电阻Rth。

这个并联电阻的求法也与戴维南电阻Rth的求法一样。

在图3—3中，当电阻RL连接在网络两端时，端电压Uab与在戴维南等效电路两端连接RL时的电压是一样的。

RL连接在诺顿等效电路的两端情况也相同。

如图3—4、图3—5所示。

图3—3电阻RL连接在网络两端。

图3—4电阻RL连接在戴维南等效电路两端

图3—5电阻RL连接在诺顿等效电路两端

四、实验步骤

1、建立如图3—1所示测量二端口网络开路端电压实验电路。

2、用鼠标左键单击仿真电源开关，激活该电路，测量a、o两端开路电压Uoc。

3、根据图3—1所示的电路元件值，计算a、o两端的电压Uoc。

4、建立如图3—2所示的测量二端网络短路电流实验电路。

5、用鼠标左键单击仿真电源开关，激活该电路，测量a、o两端的短路电流Isc。

6、根据图3—2所示的电路元件值，计算短路电流Isc。

7、根据Uoc和Isc的测量值，计算戴维南电压Uth和戴维南电阻Rth。

8、根据步骤7的计算值，画出戴维南等效电路。

9、在图3—2所示的电路中，断开电流表，以一条短路线代替电压源V1，用这个电路计算原网络的戴维南电阻Rth。

10、根据Uoc和Isc的测量值，计算诺顿电流In和诺顿电阻Rn。

画出诺顿等效电路。

11、建立如图3—3所示的电阻RL连接在网络两端实验电路。

并建立图3—4、图3—5所示的等效后的实验电路。

12、以鼠标左键单击仿真电源开关，激活该电路，测量电压Uao。

13、根据图3—3、图3—4、图3—5所示的电路的元件值，计算电压Uao。

14、以步骤8中的戴维南等效电路代替图3—3中a、o端左边的电路，用这个电路求出电压Uao。

15、以步骤11中诺顿等效电路代替图3—3中a、o端左边的电路，用这个电路求出电压Uao。

五、思考题

将上述所测得数据与计算出的相应数据比较，情况如何？

找出误差所在。

六、该实验的仿真线路见EWB5.0《戴维南定理和诺顿定理的研究》

实验四受控源研究

一、实验目的

1、通过实验加深对受控源概念的理解。

2、通过对电压控制电压源（VCVS）和电压控制电流源（VCCS）的测试，加深对两种受控源的受控特性及负载特性的认识。

3、通过实验熟悉运算放大器的使用。

二、实验器材

直流电压源1个

电流表1个

直流电压表1个

电阻数个

运算放大器1个

三、实验原理及实验电路

受控源是对某些电路元件物理特性的模拟，反映电路中某条支路的电压或电流受另一条支路的电压或电流的控制的关系。

测量受控量与控制量之间的关系，就可以掌握受控源输入量与输出量间的变化规律。

受控源具有独立源的特性，受控源的受控量仅随控制量的变化而变化，与外加负载无关。

根据控制量与受控量的不同，受控源可分为四种类型。

即：

电压控制电压源（VCVS）、电流控制电压源（CCVS）、电压控制电流源（VCCS）、电流控制电流源（CCCS）。

1、受控源可以用运算放大器来实现。

运算放大器是一种高增益，高输入阻抗和低输出阻抗的放大器。

它有两个输入端、一个输出端和电源端。

两个输入端中一个叫同相输入端，另一个叫反相输入端。

所谓同相输入端是指：

当反向输入端电压为零时，输出电压的极性和输入端的电压极性相同，所谓反相输入端是指：

当同相输入端电压为零时，输出电压的极性和该输入端电压的极性相反。

并且，两个输入端可以认为是等电位，通常称为“虚短路”。

运算放大器的输入端电流等于零，通常称为“虚断路”。

2、如图4—1所示电路为由运算放大器构成的电压控制电压源（VCVS）。

由于以上所述运算放大器的特点，所以有：

U1＝I1R1

I2＝I1

U2＝－

这说明运算放大器的输出电压U2受输入电压U1的控制，其电压比

µ＝－

。

图4—1电压控制电压源

3、图4—2所示为由运算放大器组成的电压控制电流源。

由图可见：

I2＝I1＝

＝gmU1。

上式说明负载电流I2受输入电压U1的控制，其大小与负载电阻RL无关，这种关系说明此电路的特性是一个电压控制电流源。

其比例系数gm＝

＝

。

图4—2电压控制电流源

四、实验步骤

1、建立如图4—1电压控制电压源电路，测试电压控制电压源的受控特性和负载特性。

2、用鼠标左键单击仿真电源开关，激活该电路。

不断改变U1的电压值，测量U2的大小。

3、在步骤2中，保持U1＝3V不变，改变RL的阻值，测量U2的变化情况。

4、建立如图4—2电压控制电流源电路，测试电压控制电流源的受控特性和负载特性。

5、用鼠标左键单击仿真电源开关，激活该电路。

不断改变U1的电压值，测量I2的大小。

6、在步骤5中，保持U1＝5V不变，改变RL的阻值，测量I2的变化情况。

五、思考题

根据所测试的数据，说明电压控制电压源和电压控制电流源的受控特性是什么？

负载特性是什么？

六、该实验电路的仿真实验见EWB5.0《受控源特性的研究》。

实验五一阶电路实验

一、实验目的

1、观察一阶电路的过渡过程，研究元件参数改变时对过渡过程的影响。

2、测量并画出电压曲线图和电流曲线图。

3、测量RC电路的时间常数并比较测量值与计算值。

二、实验器材

示波器1台

电容2个

电阻2个

三、实验原理及实验电路

如图5—1所示为一阶电路电容充电放电电压波形测量电路。

图5—2所示为电容充电放电电流测量电路。

在以上两个RC电路中，时间常数τ可以用电阻R和电容C的乘积来计算。

即：

τ＝RC

图5—1电容充电放电电压波形测量电路

图5—2电容充电放电电压波形图

在电容器充电、放电过程中电压和电流都会发生变化，只要在充电或放电曲线图上确定产生总量变化63％所需要的时间，就能测出时间常数。

用电容器充电电压曲线图测量的时间常数的另一种方法是，假定在整个充电期间电容器两端的电压以初充电时的速率持续增加，当增大到充满电的电压值时，这个时间间隔就等于时间常数。

或者用电容放电电压曲线来测量，假定在整个放电期间电容器两端的电压以初放电时的速率持续减少，当减少到零时，这个时间间隔也等于时间常数。

图5—3中流过电阻R1的电流IR与流过电容器的电流IC相同，这个电流可用电阻两端的电压UR除以电阻R1来计算。

因此IR＝IC＝UR／R1

图5—4所示电容充放电电流波形图。

图5—3电容充电放电电流波形测量电路

图5—4电容充放电电流波形测量图

四、实验步骤

1、建立如图5—1所示的实验电路，信号发生器的设置可如图进行。

2、用鼠标左键单击仿真开关，激活实验电路，双击示波器图标弹出面板，观察和记录示波器的波形，如图5—2所示。

在U—T坐标上画出电容电压随时间变化的曲线图。

3、根据图5—1所示的R、C元件值，计算RC电路的时间常数τ。

4、建立如图5—3所示的实验电路，信号发生器的设置可如图进行。

5、用鼠标左键单击仿真开关，激活实验电路，双击示波器图标弹出面板，观察和记录示波器的波形，如图5—4所示。

在U—T坐标上画出电容电流随时间变化的曲线图。

6、根据R的电阻值和曲线的电压读数，计算开始充电时流经电容的电流Ic。

7、根据R的电阻值和曲线的电压读数，计算开始放电时流经电容的电流Ic。

8、用曲线图测量RC电路的时间常数τ。

9、将R改为2KΩ。

单击仿真电源开关，激活电路进行动态分析。

用曲线测量新的时间常数τ。

10、根据新的电阻值R，计算图5—3所示的RC电路新的时间常数τ。

11、将C改为0.2μF，信号发生器的频率改为500Hz。

单击仿真电源开关进行动态分析。

从曲线图测量新的时间常数τ。

12、根据R和C的新值，计算图5—3所示的RC电路的新的时间常数τ

五、思考题

1、 在步骤1中，当充满电后电容器两端的电压U有多大？

2、 在步骤2、3中，时间常数τ的测量值与计算值比较情况如何？

六、该电路的仿真实验见EWB5.0《一阶电路实验》

实验六RLC电路的过渡过程

一、实验目的

1、 观察R、L、C串联电路的过渡过程。

2、 确定RLC串联电路的阻尼因子和谐振频率。

3、 确定R的阻值改变时对RLC串联电路阻尼因子的影响。

4、 确定C的容量改变时对欠阻尼RLC电路振荡频率的影响。

二、实验器材

示波器1台

信号发生器1台

10mH电感1个

0.01μF、0.1μF电容各1个

200Ω、400Ω、1KΩ电阻各1个

三、实验原理及实验电路

如图6—1所示为RLC串联实验电路，其阻尼因子可用下式计算：

α=

LC串联电路的谐振频率ω0计算式为：

ω0=

当阻尼因子α等于谐振频率ω0时，RLC串联电路称为临界阻尼。

即：

R=2

。

当阻尼因子α大于谐振频率ω0时，RLC串联电路称为过阻尼。

即：

R>2

。

当阻尼因子α小于谐振频率ω0时，RLC串联电路称为欠阻尼。

即：

R<2

。

通过实验观测欠阻尼RLC电路的电流经过多长时间衰减为零，可近似测定阻尼因子α。

电流衰减为零的时间大约等于5倍的时间常数。

一倍的时间常数可由下式求出：

τ=1/α

欠阻尼RLC电路的振荡频率ω可用下式计算：

ω=

图6—1RLC串联实验电路

图6—2RLC串联电路欠阻尼波形

如图6—2所示为欠阻尼情况下RLC串联电路的振荡波形。

四、实验步骤

1、 建立如图6—1所示的实验电路，信号发生器按图设置。

2、  单击仿真电源开关，激活电路进行动态分析。

观察记录示波器显示的输入输出波形，在U—T坐标上作出电阻电压U随时间变化的曲线，标出峰值电压。

3、  根据实验电路所给的RLC元件值，计算阻尼因子α。

4、  根据实验电路所给的RLC元件值，计算谐振频率ω0。

5、  将实验电路中的R值改为400Ω，再次单击仿真电源开关，激活电路进行动态分析。

在U—T坐标上作出电阻电压随时间变化的曲线图，注意在图中表明电流衰减为0所需要的时间。

6、  根据R的新阻值，计算阻尼因子α。

7、  根据R的新阻值，计算电流衰减为0所需要的时间。

8、  将实验电路中的R值改为200Ω，再次单击仿真电源开关，激活电路进行动态分析。

在U—T坐标上作出电阻电压U随时间变化的曲线图，注意在图中表明电流衰减为0所需要的时间。

9、  根据R的新阻值，计算阻尼因子α。

10、据R的新阻值，计算电流衰减为0所需要的时间。

11、根据计算的阻尼因子α和谐振频率ω0，计算欠阻尼RLC电流曲线的振荡频率ω。

12、将实验电路中的C值改为0.01μF，再次单击仿真电源开关，激活电路进行动态分析。

在U—T坐标上作出电阻电压U随时间变化曲线图。

13、根据C的新值，计算谐振频率ω0。

14、根据计算的阻尼因子α和谐振频率ω0计算欠阻尼RLC电流曲线图的振荡频率ω0。

五、思考题

1、 根据上述步骤计算各种情况下的α和谐振频率ω0，判断RLC串联电路的阻尼状态。

2、 R和C数值的变化对RLC串联电路的电流曲线图有什么影响。

六、该实验电路的仿真电路见EWB5.0《RLC电路的过渡过程》

实验七RLC串联谐振实验

一、实验目的

1、测量RLC串联电路的谐振曲线，通过实验进一步掌握串联谐振的条件和特点。

2、研究电路参数对谐振特性曲线的影响。

二、实验器材

信号发生器1台

频率特性测试仪1台

示波器1台

电阻、电容、电感各1个

三、实验原理

如图7—1所示为RLC串联电路，当输入电压的频率为某一值ω0时，电阻上的电压等于输入电压达到最大值，我们把此时的频率称为中心频率或谐振频率。

此时，电路的电抗为零。

阻抗值最小，等于电路中的电阻，电路成为纯电阻性电路。

并且电路中的电流达到最大值，电流与输入的电压同相位。

我们把电路的这种工作状态称为串联谐振。

电路达到谐振状态的条件是：

f0=

。

在该电路的幅频特性曲线中，当振幅下降到原来的0.707时对应的两个频率f1和f2叫做3分贝频率。

两个频率之差称为该网络的通频带，理论上可推出通频带宽为R/L。

图7—1串联谐振电路

当电路发生串联谐振时，XL=XC。

且当XL=XC>R时，UL=UC>>U1。

（U1为输入电压）

该电路的幅频特性曲线如图7—2所示。

图7—2幅频特性曲线

四、实验步骤

1、建立如图7—1所示的串联谐振电路。

仪器设置如图所示。

2、单击仿真电源开关，激活电路进行动态分析。

观察扫频仪的频率特性曲线，滑动游标，找出谐振频率。

3、改变R1的阻值，观察电阻在不同的阻值下频率特性曲线的的形状，测出通频带带宽。

4、分别改变L、C的大小，观察在不同数值的L、C情况下，频率特性曲线的形状，找出谐振频率。

从而得出L、C对RLC串联电路谐振频率的影响。

5、双击示波器图标，打开示波器分别测量各种情况下UR、UL、UC的波形。

6、双击信号发生器，改变信号发生器的频率，用示波器观察UR随L、C数值的改变而变化情况，从而确定谐振频率。

五、思考题

1、 实验中怎样判断电路已经处于谐振状态？

2、 通过实验获得的谐振曲线分析电路参数对它的影响。

3、 怎样利用实验中获得的谐振曲线求出其通频带？

六、该实验电路的仿真实验见EWB5.0《RLC串联谐振实验》

实验八、R—C选频网络实验

一、实验目的

1、 用实验的方法研究R—C选频网络的选频特性。

2、 进一步熟悉EWB中频率特性测试仪和示波器的使用方法。

3、 会用频率特性测试仪测量选频的频率。

4、 会用示波器测量对应所选频率输出电压与输入电压的幅值和相位关系。

二、实验器材

信号发生器1台

频率特性测试仪1台

示波器1台

电阻、电容各2个

三、实验原理及实验电路

如图8—1所示R—C选频网络实验电路。

图8—1R—C选频网络实验电路

R—C电路除了具有移相作用外，还具有选频作用。

当由阻容元件以串并联方式组成如图8—1所示电路并加以正弦波电压U1时，输出U2与输入电压存在着如下关系：

当f=

时，输出电压U2与输入电压U1同相位，电路成电阻性。

当使R1=R2=R；C1=C2=C且频率f=

时，

。

图8—2R—C网络频率特性曲线

图8—3频率为f时U2与U1的波形

四、实验步骤

1、 建立如图8—1所示的R—C选频网络实验电路。

2、  双击频率特性测试仪展开该仪器，单击仿真电源开关，激活电路进行动态分析。

观察频率特性测试仪的波形，确定中心频率f如图8—2所示。

3、 改变不同的R、C值重复上述步骤，观察R、C值变化对中心频率f影响。

4、  双击示波器图标，打开示波器。

单击仿真电源开关，计划电路进行动态分析。

观察对于不同的频率f，出电压U2与输入电压U1之间的关系。

测量当U2出现最大值时的f值是多少。

是否满足U2max=

U1，其相位如何？

所测波形如图8—3所示。

5、  改变R、C值重复步骤4，把所测得数据记录下来与计算值相比较。

五、思考题

1、 整理实验中测量的数据和观察到的现象，并与计算结果相比较，说明R—C选频网络的选频特性。

2、 如果保持频率不变，用什么办法可使U2、U1同相位？

六、改实验电路的仿真实验见EWB5.0《R—C选频网络实验》

实验九三相电路实验

一、实验目的

1、掌握三相电路负载的Y、△联结。

2、验证三相对称负载作Y联结时线电压和相电压的关系，△联结时线电流和相电流的关系。

3、了解不对称负载作Y联结时中性线的作用。

4、观察不对称负载作△联结时的工作情况。

二、实验器材

交流电压源3个

交流电压表4个

交流电流表6个

1KΩ、2KΩ、3KΩ电阻各1个

1H电感3个

三、实验原理及实验电路

（一）三相三线制

当负载对称时，可采用三相三线供电方式。

当负载为Y联结时，线电流I1与相电流IP相等，即：

I1=IP；线电压U1与相电压UP的关系式为：

U1=

UP。

通常三相电源的电压值是指线电压的有效值，例如三相380V电源指的是线电压，相电压则为220V。

当负载不对称时，负载中性点的电位将于电源中性线的电位不同，各相负载的端电压不再保持对称关系。

当负载为△联结时，线电压U1与相电压UP相等，即：

U1=UP；线电流I1与相电流IP关系式为：

I1=

IP。

图9—1为三相负载Y联结线电压与相电压的测量电路。

各个元器件的值如图所示，交流电源的参数设置如图所设。

图9—1三相负载Y联结线电压与相电压测量电路

图9—2为三相负载△联结线电流与相电流测量电路。

各个元器件的值如图所示，交流电源的参数设置如图所设。

图9—2三相负载△联结线电流与相电流测量电路

（二）三相四线制

不论负载对称与否，均可以采用Y联结，并有：

U1=

UP，I1=IP。

对