电路分析实验指导书.docx
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电路分析实验指导书
《电路分析》实验指导书
深圳大学机电与控制工程学院
2012年04月修订
目录
实验一基本电工仪表的使用与典型电信号的观察1
实验二基尔霍夫定律的验证5
实验三戴维南定理8
实验四受控源实验12
实验五RC一阶电路的响应测试17
实验六R、L、C元件阻抗特性的测定21
实验七R、L、C串联谐振电路的研究24
实验八三相交流电路电压、电流的测量27
实验一基本电工仪表的使用与典型电信号的观察
一、实验目的
1、熟悉实验台上各类电源、测量仪表的布局及使用方法
2、掌握电压表、电流表内电阻的测量方法
3、熟悉常用电工仪表及设备的使用方法,包括万用表、电源、信号发生器、示波器、电压与电流表等等。
二、实验说明
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实际工作状态,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,这种测量误差值的大小与仪表本身内阻值的的大小密切相关。
2、本实验测量电流的内阻采用“分流法”,如图1-1所示。
图1-1可调电流源
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,使电流表指在1/2满偏转位置,此时有
所以RA=RB//R1
R1为固定电阻之值,RB由电阻箱的刻度盘上读得。
3、测量电压表的内阻采用分压法,如图1-2所示。
图1-2可调稳压源
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
电阻箱刻度盘读出值RB加上固定电阻R1,即为被测电压表的内阻值。
电压表的灵敏度为
S=RV/U(Ω/v)
4、仪表内阻引入的测量误差(通常称之为方法误差,而仪表本身构造上引起的误差称为仪表基本误差)的计算。
以图1-3所示电路为例
图1-3
R1上的电压为
UR1=
U,若R1=R2,则UR1=1/2U
现用一内阻为RV的电压表来测量UR1的值,当RV与R1并联后,
RAB=
,以此来代替上式中的R1,则得U‘R1=
绝对误差为△U=U‘R1—UR1=U(
)
化简后得△U=
,若R1=R2=RV,则得
△U=
相对误差△U%=
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
1
DG04
2
可调恒流源
1
DG04
3
万用表
FM-30或其他
1
4
可调电阻箱
0~9999.9Ω
1
DG04
5
电阻器
8.2Ω,10KΩ
DG04
6
信号发生器、示波器
1
四、实验内容
1、根据“分流法”原理测定万用表直流毫安表的内阻,线路如图1-1所示。
被测电流表量程
S断开时的IA
(mA)
S闭合时的I,A
(mA)
RB
(Ω)
R1
(Ω)
计算内阻RA
(Ω)
2、根据“分压法”原理按图1-2接线,测定万用表直流电压表的内阻。
被测电压表量程
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)
3、使用示波器观察信号发生器的各种输出波形,并测量信号幅值、周期或频率。
五、实验注意事项
1、本实验重点是熟悉常用电工仪表及设备的使用方法,特别是示波器的操作。
2、实验台上提供所有实验的电源,直流稳压源和恒流源均可通过粗调(分段调)旋钮和细调(连续调)旋钮调节其输出量,并由数字电压表和数字毫安表显示其输出量的大小,启动实验台电源之前,应使其输出旋钮置于零位,实验时再缓慢地、减输出。
3、稳压源的输出不允许短路,恒流源的输出不允许开路。
4、电压表应与电路并联使用,电流表与电路串联使用,并且都要注意极性与量程的合理选择。
六、思考题
1、根据实验内容1和2,若已求出1mA和10V档的内阻,可否直接计算得出10mA档和25V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8.1A,求测量的绝对误差和相对误差。
3、如图1-4(a)、(b)为伏安法测量电阻的两种电路,被测电阻的实际值为Rx,电压表的内阻为RV,电流表的内阻为RA,求两种电路测电阻Rx的相对误差。
图1-4
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、记录示波器观察到的波形,并说明测量幅值和频率的方法。
3、对思考题的计算与回答。
4、其他(包括实验的心得、体会及意见)。
实验二基尔霍夫定律的验证
一.实验目的
1.验证基尔霍夫定律,加深对基尔霍夫定律的理解;
2.掌握直流电流表的使用以及学会用电流插头、插座测量各支路电流的方法;
3.学习检查、分析电路简单故障的能力。
二.原理说明
基尔霍夫定律
基尔霍夫电流定律和电压定律是电路的基本定律,它们分别用来描述结点电流和回路电压,即对电路中的任一结点而言,在设定电流的参考方向下,应有ΣI=0,一般流出结点的电流取负号,流入结点的电流取正号;对任何一个闭合回路而言,在设定电压的参考方向下,绕行一周,应有ΣU=0,一般电压方向与绕行方向一致的电压取正号,电压方向与绕行方向相反的电压取负号。
在实验前,必须设定电路中所有电流、电压的参考方向,其中电阻上的电压方向应与电流方向一致,见图3-1所示。
三.实验设备
1.直流数字电压表、直流数字电流表
2.恒压源(双路0~30V可调)
3.NEEL-11下组件或EEL-53或MEEL—06
四.实验内容
实验电路如图3-1所示,图中的电源US1用恒压源
路0~+30V可调电压输出端,并将输出电压调到+6V,US2用恒压源
路0~+30V可调电压输出端,并将输出电压调到+12V(以直流数字电压表读数为准)。
开关S1投向US1侧,开关S2投向US2侧,开关S3投向R3侧。
实验前先设定三条支路的电流参考方向,如图中的I1、I2、I3所示,并熟悉线路结构,掌握各开关的操作使用方法。
1.熟悉电流插头的结构,将电流插头的红接线端插入数字电流表的红(正)接线端,电流插头的黑接线端插入数字电流表的黑(负)接线端。
2.测量支路电流
将电流插头分别插入三条支路的三个电流插座中,读出各个电流值。
按规定:
在结点A,电流表读数为‘+’,表示电流流入结点,读数为‘-’,表示电流流出结点,然后根据图3-1中的电流参考方向,确定各支路电流的正、负号,并记入表3-1中。
表3-1支路电流数据
支路电流(mA)
I1
I2
I3
计算值
测量值
相对误差
3.测量元件电压
用直流数字电压表分别测量两个电源及电阻元件上的电压值,将数据记入表3-2中。
测量时电压表的红(正)接线端应插入被测电压参考方向的高电位端,黑(负)接线端插入被测电压参考方向的低电位端。
表3-2各元件电压数据
各元件电压(V)
US1
US2
UR1
UR2
UR3
UR4
UR5
计算值(V)
测量值(V)
相对误差
五.实验注意事项
1.所有需要测量的电压值,均以电压表测量的读数为准,不以电源表盘指示值为准。
2.防止电源两端碰线短路。
3.若用指针式电流表进行测量时,要识别电流插头所接电流表的“+、-”极性,倘若不换接极性,则电表指针可能反偏而损坏设备(电流为负值时),此时必须调换电流表极性,重新测量,此时指针正偏,但读得的电流值必须冠以负号。
六.预习与思考题
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3-2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.在图3-1的电路中,A、D两结点的电流方程是否相同?
为什么?
3.在图3-1的电路中可以列几个电压方程?
它们与绕行方向有无关系?
4.实验中,若用指针万用表直流毫安档测各支路电流,什么情况下可能出现毫安表指针反偏,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.实验报告要求
1.回答思考题;
2.根据实验数据,选定实验电路中的任一个结点,验证基尔霍夫电流定律(KVL)的正确性;
3.根据实验数据,选定实验电路中的任一个闭合回路,验证基尔霍夫电压定律(KCL)的正确性;
4.列出求解电压UEA和UCA的电压方程,并根据实验数据求出它们的数值;
5.写出实验中检查、分析电路故障的方法,总结查找故障的体会。
实验三戴维南定理
——有源二端网络等效参数的测定——
一.实验目的
1.验证戴维南定理、诺顿定理的正确性,加深对该定理的理解;
2.掌握测量有源二端网络等效参数的一般方法。
二.实验原理
1.戴维南定理和诺顿定理
戴维南定理指出:
任何一个有源二端网络,总可以用一个电压源US和一个电阻RS串联组成的实际电压源来代替,其中:
电压源US等于这个有源二端网络的开路电压UOC,内阻RS等于该网络中所有独立电源均置零(电压源短接,电流源开路)后的等效电阻RO。
诺顿定理指出:
任何一个有源二端网络,总可以用一个电流源IS和一个电阻RS并联组成的实际电流源来代替,其中:
电流源IS等于这个有源二端网络的短路电源ISC,内阻RS等于该网络中所有独立电源均置零(电压源短接,电流源开路)后的等效电阻RO。
US、RS和IS、RS称为有源二端网络的等效参数。
2.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
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,测其短路电流ISC,且内阻为:
。
若有源二端网络的内阻值很低时,则不宜测其短路电流。
(2)伏安法
一种方法是用电压表、电流表测出有源二端网络的外特性曲线,如图6-1所示。
开路电压为UOC,根据外特性曲线求出斜率tg,则内阻为:
。
另一种方法是测量有源二端网络的开路电压UOC,以及额定电流IN和对应的输出端额定电压
UN,如图6-1所示,则内阻为:
。
(3)半电压法
如图6-2所示,当负载电压为被测网络开路电压UOC一半时,负载电阻RL的大小(由电阻箱的读数确定)即为被测有源二端网络的等效内阻RS数值。
(4)零示法
在测量具有高内阻有源二端网络的开路电压时,用电压表进行直接测量会造成较大的误差,为了消除电压表内阻的影响,往往采用零示测量法,如图6-3所示。
零示法测量原理是用一低内阻的恒压源与被测有源二端网络进行比较,当恒压源的输出电压与有源二端网络的开路电压相等时,电压表的读数将为“0”,然后将电路断开,测量此时恒压源的输出电压U,即为被测有源二端网络的开路电压。
三.实验设备
1.直流数字电压表、直流数字电流表
2.恒压源(双路0~30V可调。
)
3.恒源流(0~200mA可调)
4.NEEL-11下组件或EEL-51、EEL-52、EEL-53或MEEL—05、MEEL—06
四.实验内容
被测有源二端网络如图6-4所示.
1.图6-4线路接入恒压源US=12V和恒流源IS=20mA及可变电阻RL。
测开路电压UOC:
在图6-4电路中,断开负载RL,用电压表测量开路电压UOC,将数据记入表6-1中。
测短路电流ISC:
在图6-5电路中,将负载RL短路,用电流表测量短路电流ISC,将数据记入表6-1中。
表6-1
Uoc(V)
Isc(mA)
Rs=Uoc/Isc
2.负载实验
测量有源二端网络的外特性:
在图6-4电路中,改变负载电阻RL的阻值,逐点测量对应的电压、电流,将数据记入表6-2中。
并计算有源二端网络的等效参数US和RS
表6-2
RL()
990
900
800
700
600
500
400
300
200
100
U(V)
I(mA)
3.验证戴维南定理
测量有源二端网络等效电压源的外特性:
图6-5(a)电路是图6-4的等效电压源电路,图中,电压源US用恒压源的可调稳压输出端,调整到表6-1中的UOC数值,内阻RS按表6-1中计算出来的RS(取整)选取固定电阻。
然后,用电阻箱改变负载电阻RL的阻值,逐点测量对应的电压、电流,将数据记入表6-3中。
表6-3有源二端网络等效电流源的外特性数据
RL()
990
900
800
700
600
500
400
300
200
100
U(V)
I(mA)
测量有源二端网络等效电流源的外特性:
图6-5(b)电路是图6—4的等效电流源电路,图中,电流源IS用恒流源,并调整到表6-1中的ISC数值,内阻RS按表6-1中计算出来的RS(取整)选取固定电阻。
然后,用电阻箱改变负载电阻RL的阻值,逐点测量对应的电压、电流,将数据记入表6-4中。
表6-4有源二端网络等效电流源的外特性数据
RL()
990
900
800
700
600
500
400
300
200
100
UAB(V)
I(mA)
4.测定有源二端网络等效电阻(又称入端电阻)的其它方法:
将被测有源网络内的所有独立源置零(将电流源IS去掉,也去掉电压源,并在原电压端所接的两点用一根短路导线相连),然后用伏安法或者直接用万用表的欧姆档去测定负载RL开路后A,B两点间的电阻,此即为被测网络的等效内阻Req或称网络的入端电阻R1。
Req==()
5.用半电压法和零示法测量被测网络的等效内阻RS及其开路电压Uoc.
五.实验注意事项
1.测量时,注意电流表量程的更换
2.改接线路时,要关掉电源。
六.预习与思考题
1.如何测量有源二端网络的开路电压和短路电流,在什么情况下不能直接测量开路电压和短路电流?
2.说明测量有源二端网络开路电压及等效内阻的几种方法,并比较其优缺点。
七.实验报告要求
1.回答思考题;
2.根据表6-1和表6-2的数据,计算有源二端网络的等效参数US和RS;
3.根据半电压法和零示法测量的数据,计算有源二端网络的等效参数US和RS;
4.实验中用各种方法测得的UOC和RS是否相等?
试分析其原因;
5.根据表6-2、表6-3和表6-4的数据,绘出有源二端网络和有源二端网络等效电路的外特性曲线,验证戴维南定理和诺顿定理的正确性;
6.说明戴维南定理和诺顿定理的应用场合。
实验四受控源实验
一.实验目的
1.加深对受控源的理解;
2.熟悉由运算放大器组成受控源电路的分析方法,了解运算放大器的应用;
3.掌握受控源特性的测量方法。
二.实验原理
1.受控源
受控源向外电路提供的电压或电流是受其它支路的电压或电流控制,因而受控源是双口元件:
一个为控制端口,或称输入端口,输入控制量(电压或电流),另一个为受控端口或称输出端口,向外电路提供电压或电流。
受控端口的电压或电流,受控制端口的电压或电流的控制。
根据控制变量与受控变量的不同组合,受控源可分为四类:
(1)电压控制电压源(VCVS),如图8-1(a)所示,其特性为:
其中:
称为转移电压比(即电压放大倍数)。
(2)电压控制电流源(VCCS),
如图8-1(b)所示,其特性为:
其中:
称为转移电导。
(3)电流控制电压源(CCVS)
如图8-1(c)所示,其特性为:
其中:
称为转移电阻。
(4)电流控制电流源(CCCS),如图8-1(d)所示,其特性为:
其中:
称为转移电流比(即电流放大倍数)。
2.用运算放大器组成的受控源
运算放大器的电路符号如图8-2所示,具有两个输入端:
同相输入端u+和反相输入端u-,一个输出端uo,放大倍数为A,则uo=A(u+-u-)。
对于理想运算放大器,放大倍数A为∞,输入电阻为∞,输出电阻为0,由此可得出两个特性:
特性1:
u+=u-;
特性2:
i+=i-=0。
(1)电压控制电压源(VCVS)
电压控制电压源电路如图8-3所示。
由运算放大器的特性1可知:
则
由运算放大器的特性2可知:
代入
、
得:
可见,运算放大器的输出电压u2受输入电压u1控制,其电路模型如图8-1(a)所示,转移电压比:
。
(2)电压控制电流源(VCCS)
电压控制电流源电路如图8-4所示。
由运算放大器的特性1可知:
则
由运算放大器的特性2可知:
即i2只受输入电压u1控制,与负载RL无关(实际上要求RL为有限值)。
其电路模型如图8-1(b)所示。
转移电导为:
(3)电流控制电压源(CCVS)
电流控制电压源电路如图8-5所示。
由运算放大器的特性1可知:
u2=RXiR
由运算放大器的特性2可知:
代入上式,得:
即输出电压u2受输入电流i1的控制。
其电路模型如图8-1(c)所示。
转移电阻为:
(4)电流控制电流源(CCCS)
电流控制电流源电路如图8-6所示。
由运算放大器的特性1可知:
由运算放大器的特性2可知:
代入上式,
即输出电流i2只受输入电流i1的控制。
与负载RL无关。
它的电路模型如图8-1(d)所示。
转移电流比
三.实验设备
1.直流数字电压表、直流数字电流表
2.恒压源(双路0~30V可调。
)
3.恒流源(0~200mA可调)
4.NEEL-24或NEEL—54A或MEEL—04
四.实验任务
1.测试电压控制电流源(VCCS)特性
实验电路如图8-1(b)所示,图中,U1用恒压源的可调电压输出端,i2两端接负载RL=2kΩ(用电阻箱)。
(1)测试VCCS的转移特性I2=f(U1)
调节恒压源输出电压U1(以电压表读数为准),用电流表测量对应的输出电流I2,将数据记入表8-1中。
表8-1VCCS的转移特性数据
U1/V
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
I2/mA
(2)测试VCCS的负载特性I2=f(RL)
保持U1=2V,负载电阻RL用电阻箱,并调节其大小,用电流表测量对应的输出电流I2,将数据记入表8-2中。
表8-2VCVS的负载特性数据
RL/kΩ
50
20
10
5
3
1
0.5
0.2
0.1
I2/mA
2.测试电流控制电压源(CCVS)特性
实验电路如图8-1(c)所示,图中,I1用恒流源,输出U2两端接负载RL=2kΩ(用电阻箱)。
(1)测试CCVS的转移特性U2=f(U1)
调节恒流源输出电流I1(以电流表读数为准),用电压表测量对应的输出电压U2,将数据记入表8-3中。
表8-3CCVS的转移特性数据
I1/mA
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.4
U2/V
(2)测试CCVS负载特性U2=f(RL)
保持I1=0.2mA,负载电阻RL用电阻箱,并调节其大小,用电压表测量对应的输出电压U2,将数据记入表8-4中。
表8-4CCVS的负载特性数据
RL/Ω
50
100
150
200
500
1k
2k
10k
80k
U2/V
3.测试电压控制电压源(VCVS)特性
电压控制电压源(VCVS)可由电压控制电流源(VCCS)和电流控制电压源(CCVS)串联而成。
实验电路由13-1(b)、(c)构成,将图13-1(b)的输入端u1接恒压源的可调输出端,输出端i2与图13-1(c)的输入端i1相连,图13-1(c)的输出端u2接负载RL=2kΩ(用电阻箱)。
(1)测试VCVS的转移特性U2=f(U1)
调节恒压源输出电压U1(以电压表读数为准),用电压表测量对应的输出电压U2,将数据记入表8-5中。
表8-5VCVS的转移特性数据
U1/V
0
1
2
3
4
5
6
7
8
U2/V
(2)测试VCVS的负载特性U2=f(RL)
保持U1=2V,负载电阻RL用电阻箱,并调节其大小,用电压表测量对应的输出电压U2,将数据记入表8-6中。
表8-6VCVS的负载特性数据
RL/Ω
50
70
100
200
300
400
500
1000
2000
U2/V
4.测试电流控制电流源(CCCS)特性
电流控制电流源(CCCS)可由电流控制电压源(CCVS)和电压控制电流源(VCCS)串联而成。
实验电路由13-1(c)、(b)构成,将图13-1(c)的输入端i1接恒流源,输出端u2与图13-1(c)的输入端u1相连,图13-1(b)的输出端i2接负载RL=2kΩ(用电阻箱)。
(1)测试CCCS的转移特性I2=f(I1)
调节恒流源输出电流I1(以电流表读数为准),用电流表测量对应的输出电流I2,I1、I2分别用EEL-31组件中的电流插座5-6和17-18测量,将数据记入表8-7中。
表8-7CCCS的转移特性数据
I1/mA
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.4
I2/mA
(2)测试CCCS的负载特性I2=f(RL)
保持I1=0.2mA,负载电阻RL用电阻箱,并调节其大小,用电流表测量对应的输出电流I2,将数据记入表8-8中。
表8-8CCCV的负载特性数据
RL/Ω
50
100
150
200
500
1k
2k
10k
80k
I2/mA
五.实验注意事项
1.用恒流源供电的实验中,不允许恒流源开路;
2.运
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