电工学实验

电工技术实验

4.2 实验二 戴维南定理

4.2.1 实验目的

1．掌握直流电路参数的测量方法。 2．验证基尔霍夫电压定律。

3．学习线性有源单端口网络等效电路参数的测量方法。 4．验证戴维南定理，加深对该定理的理解。

4.2.2 实验原理

戴维南定理指出：任何一个线性有源二端网络，对外电路的作用，都可以用一个实际电压源来等效替代。该含源支路的电压源电压等于有源二端网络的开路电压Uoc，其电阻等于有源二端网络化成无源网络后的入端电阻Ri。如图4-2-1所示。

所谓等效，是指它们的外部特性，即负载两端的电压和通过负载的电流不变。

(a) （b） 图4-2-1 戴维南定理等效电路 (a)线性有源单端口网络 （b）等效电路

可以用实验方法测定该有源单端口网络的开路电压Uoc和入端电阻Ri。正确测量Uoc和Ri的数值是获得等效电路参数的关键，但实际电压表和电流表都有一定的内阻，在测量时，由于改变了被测电路的工作状态，因而会给测量结果带来一定的误差。

⑴开路电压Uoc的测量

在线性有源单端口输出开路时，用电压表直接测量输出端的开路电压Uoc。 ⑵入端电阻Ri的测量方法

测量有源二端网络入端电阻Ri的方法有多种。如果测量出线性有源二端网络的开路电压Uoc和短路电流Isc，则可计算出该网络的等效内阻Ri=Uoc/Isc。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），不能采用此方法。通常采用以下两种方法：

①半电压法

测量电路如图4-2-2所示，调节负载电阻RL，当电压表的读数为开路电压Uoc的一半时，此时负载电阻RL即为所求网络的入端电阻Ri。

图4-2-2 半电压法测量Ri电路 图4-2-3 第2次测量R L 上电压URL的电路

②二次电压测量法

1

测量电路如图4-2-3所示，在a、b端口处接一个已知阻值的负载电阻RL，然后测量负载电阻两端的电压URL。因为

UOCURL?RL

Ri?RL所以入端电阻Ri为： Ri?(UOC?1)RL

URL4.2.3 实验设备及所用组件箱

名称 电工直流实验箱 数字式万用表 模拟万用表 直流电流表 直流电压表 表笔、导线 数量 1 1 1 1 1 若干 备注 4.2.4 实验任务

1．验证戴维南定理 ⑴开路电压的测量

在电工直流实验箱上搭建如图4-2-4所示电路，电源用实验箱上12V直流电源，电阻在基本元件采集区选择，将电路图中a、b两点连线到信号采集区，注意电路的极性，用直流电压表测量，表笔插入到a、b两端的大插孔，观察并将测得的电压数据(a、b两点的开路电压)Uoc填入表4.2.1中。

图4-2-4 有源线性单端口网络 图4-2-5 戴维南定理等效电路

表4.2.1有源线性二端网络等效参数的测量值

Uoc(V) 半电压法测量Ri(Ω) 万用表电阻档测量电阻Rab (Ω)

⑵半电压法测量Ri 在图4-2-4电路的a、b两端连接精密可调电阻箱RL，电阻箱的量程在 (0～9999)之间（注意接入电路时电阻箱的阻值不能为零），调节负载电阻RL，当电压表的读数为开路电压Uoc的一半时，此时负载电阻RL即为所求网络的入端电阻Ri，将测量数值填入表4.2.1中。

⑶将电压源U去掉，即用一根导线代替它（短路），直接用万用表电阻档测量a、b两点间的电阻Rab，该电阻即为网络的入端电阻，将测量数值填入表4.2.1中。可与实验任务⑴半电压法测量出的等效电阻Ri进行比较。

⑷将直流电流表和电阻箱RL串联后连接在图4-2-4的a、b两点，将直流电压表并接在a、b两点，注意表的极性，按表4.2.2中的要求逐渐改变RL的值，将测量得的的电压、电流值填入表4.2.2的1、2两行中。

2

⑸在电工直流实验箱搭建如图4-2-5所示电路，图4-2-5是电路4.2.4根据戴维南定理的等效电路图，UOC由可调直流稳压电源调出，Ri取100Ω（图4.2.4网络等效内阻接近100Ω）。按表4.2.2中的要求，逐渐改变RL的值，将测量的电压、电流值填入表4.2.2的3、4两行中。 并与步骤⑷所测得的数值进行比较，应是一一对应的关系，从而验证戴维南定理。

表4.2.2戴维南定理等效电路实验数据记录表

测量项目 负载电阻RL/Ω 有源线性单端口网络 UAB/V IL/mA UAB/V 戴维南等效电路 IL/mA 30 60 100 测量值 130 160 200 250 300 350 400 4.2.5 注意事项

1．万用表电流档、欧姆档不能测量电压。

2．直流稳压电源输出端不能短路，其输出电压须用万用表电压档或电压表相应量程校对。

3．利用实验箱上的信号采集区将直流电压表、直流电流表固定在实验电路中，方便参数的测定与读数。

4．注意测量时仪表量程应及时更换，以免损坏仪表。 5．万用表使用完毕后，将转换开关旋至交流500V位置。

4.2.6 实验报告要求

1．记录实验任务1的测量数据，并与公式计算值相比较。 2．记录实验任务2的测量数据，验证戴维南定理的正确性。 3．回答思考题。

4.2.7 思考题

1．计算本实验任务中负载RL为何值时，RL上才能从网络得到最大功率，为什么？ 2．解释图4-2-2、4-2-3中用半电压法、二次电压测量法求Ri的原理。

4.4 实验四 日光灯电路及功率因素的提高

4.4.1实验目的

1．观察并研究电容与感性支路并联时电路中的谐振现象。 2．掌握功率表的使用方法，理解提高功率因数的意义。

4.4.2 实验原理

1．提高功率因数的方法

由于供电系统功率因数低的原因是由感性负载造成的，其电流在相位上滞后于电压。因此，通常在感性负载的两端并联一个适当容量的电容（或采用同步补偿器），用电容元件上的无功功率来补偿原感性负载中无功功率，从而使总的无功功率减小，线路电流减小。其电路原理图和相量图如图4-4-1所示。

?为： 由图4-4-1可知，并联电容以前，线路上的电流I3

??U?0) I?IRL?IRL???RL (设U?..?变为： 并联电容以后，由于U不变，因此IRL不变，此时线路上的电流II?IRL?IC?I???

与此相对应的电路负载端的功率因数为cos?(?>0)，显然?< cos?>cos?Rl ，即负载端的功率因数提高了。

2．日光灯电路

本实验利用日光灯电路作为感性负载，如图4-4-1所示。日光灯灯管是一根气体放电管，管内充有一定量的隋性气体和少量的水银蒸气，内壁涂有一层荧光粉，灯管两端各有一个由钨丝绕成的灯丝作为电极。当管端电极间加以高压后，电极发射的电子能使水银蒸气电离产生辉光，辉光中的紫外线射到管壁的荧光粉上使其受到激励而发光。

日光灯在高压下才能发生辉光放电，在低电压下(如220V)使用时，必须有启动装置来产生瞬时的高电压。启动装置包括启动器（又称启辉器）和镇流器。启动器是一个充有氖气的小玻璃泡，泡内有两个距离很近的金属触头，触头之一是由两片热膨胀系数相差很大的金属粘合而成的双金属片。两个金属触头之间并联了一个小电容。镇流器是绕在硅钢片铁心上的电感线圈，其结构有单线圈式和双线圈式两种(本次实验使用单线圈式)。

图4-4-1 日光灯电路 图4-4-2 日光灯点亮后的等效电路 当接通电源时，启动器玻璃泡内气体发生辉光放电而产生高温，双金属片受热膨胀而弯

曲，与另一触头碰接，辉光放电立即停止。双金属片由于冷却复位而与另一触头分开，电路的突然断开使镇流器线圈两端在瞬间产生感应高电压，它与电源电压叠加后加到日光灯管的两个电极上，使管内气体发生辉光放电，从而点亮日光灯。日光灯点亮后，灯管两端的工作电压很低，20W的日光灯管工作电压约为60V，40W的日光灯管工作电压约为100V。在此低压下，启动器不再起作用，电源电压大部分加在镇流器线圈上，此时镇流器起到降低灯管端电压并限制电流的作用。

灯管点亮后，可以认为是一个电阻性负载，镇流器是一个铁心线圈，是一个电感量较大的感性负载，二者串联构成一个感性电路，如图4-4-2所示。

该电路所消耗的功率P为： P=UIcos?

则电路的功率因数cos?为： cos?=

P UI

.....?Rl ，则

因此，测出该电路的电压、电流和消耗的功率后，即可根据上式求得功率因数。 日光灯电路的功率因数较低。为了提高功率因数，可在电路两端并联一个适当大小的电容，如图4-4-3所示。改变并联电容的大小，当电路总电流最小时，电路的功率因数最高。

4

图4-4-3日光灯实验接线电路

在日光灯电路两端并联一个可变电容器，当电容器的容量逐渐增加时，电容支路电流Ic也随之增大，因IC导前电压U 90°，可以抵消电流IRL的一部分无功分量，结果总电流I逐渐减小，但如果电容器C增加过多（过补偿）时，IC＞I RL中的一部分无功分量则总电流又将增大。

4.4.3 实验设备及所用组件箱

名称 电工实验台 交流电路实验箱 功率（瓦特）表 电流表 电压表 导线 数量 1 1 1 1 1 若干 备注 4.4.4.实验任务

1．测量仪表的使用

在电工实验台选择功率因数组合表，其电压量程选择500V、电流量程选择0.4A；电压表量程选择250V；电流表量程选择1A，三块表的读数在不锁存位置。

用导线和电流插笔将电流表、功率表按图4-4-6连接，电压表引出二根导线X、Y。 将实验调压器手柄逆时针旋到零位，按下启动按钮，顺时针旋调压器手柄，将电压从0V调到220V，然后用实验台上三相交流电源的三块电压表进行估读。电压调整好后，按下停止按钮。

2．实验电路的连接

图4-4-6 电压表、功率表、电流表和电流插笔连接图

5

在电工实验台上有日光灯实验单元，如图4-4-7所示。首先将日光灯实验单元右下方的开关拨向实验，将交流电路实验箱中的电容开关全部打到左边断开位置(C=0)，将电工实验台上的三相可调交流电源的U相与日光灯实验单元中1端连接，2端— 8端，3端—5端，4端—6端，将实验台三相交流可调电源的N端与日光灯实验单元的9端连接，将电容箱并接在日光灯实验单元的8、9两端。

3．日光灯电路参数的测量

检查电路连线正确后，按下启动按钮接通电源，灯管发

图4-4-7 日光灯实验单元接线图 光，观察日光灯的启动情况。将图4-4-6中功率表的引线A

端与三相交流电源的N端（中性点）连接，把电流插笔插入日光灯实验单元1～2两端中间的电流插孔，此时实验台上的电流表和功率表都有读数；电流表的读数是电路流过的总电流；功率表的读数是电路消耗的总功率P。把电压表的X、Y端分别连接到日光灯实验单元的5～6、7～8两端，即可测量出灯管两端电压U1，镇流器两端电压U2，把电压表的X、Y端连接到实验台三相交流可调电源的U、N端，测量电源电压UUN，把测量的数据填入表4.4.1中，并计算表4.4.1中的各项计算值。

表4.4.1测量数据1

测量值 P/W I/A UUN/V U1/V U2/V cos? 计算值 R1/Ω R2/Ω XL/Ω 4．功率因素的提高 把交流电路实验箱中的电容开关打向右方，可改变可变电容箱的电容值。逐渐增加电容C的数值，测量各支路的电流和总电流。将电容按0.47μF 、1.0μF、1.47μF、 2.0μF、2.47μF 、3.0μF、3.47μF、4.0μF、4.47μF、5.0μF、5.47μF、6.0μF的规律逐渐增加，观察总功率P、电源电压U、总电流I、灯管支路电流IRL及电容支路电流IC的变化情况，记录P、U、I、IRL、IC的数据，填入表4.4.2中。方法如下：

把电流插笔插入日光灯实验单元1～2两端中的电流插孔，此时实验台上的电流表和功率表都有读数，即电流表的读数是电路流过的总电流；功率表的读数是电路消耗的总功率P。把电压表的X、Y端连接到三相可调交流电源的U、N端，测量电源电压UUN，按表4.4.2中电容的数值逐渐增加，观察功率表、电压表、电流表数值的变化情况。功率表的读数不变(电容消耗无功功率，总有功功率P不变)；电压表的读数不变(电容并联在UUN的两端，对电路总电压没有影响)；电流表的读数即总电流I的变化趋势是先减小后增大，电流最小的点是电路的谐振点。

把电流表插笔插入日光灯实验单元7～8两端中间的电流插孔，按表4.4.2中电容的数值逐渐增加，观察灯管支路电流IRL的变化情况。（电流IRL的大小基本不变。）

把电流表插笔插入交流电路实验箱中的电容两端的电流插孔，按表4.4.2中电容的数值逐渐增加，观察电容支路电流IC的变化情况。（电流IC的变化趋势是：随着电容容量的增加逐渐增加。）

实验过程中千万不能按下电容箱的放电按钮。

测量结束，将调压器手柄左旋至0位，使输出电压为0V。按下电源的停止按钮，切断电源后，再进行拆线整理。

实验结束，把实验箱放入实验桌的下方，导线放入中间抽屉，实验桌整理干净。

6

表4.4.2 测量数据2

C/μF 0.47 1.0 1.47 2.0 2.47 3.0 3.47 4.0 4.47 5.0 6.0 测量结果 P/W UUN/V I/A IRL/A IC/A 计算结果 cos? 4.4.5注意事项

1．强电实验，注意人身安全和设备仪器。 2．日光灯管功率（本实验中日光灯标称功率20W）及镇流器所消耗功率都随温度而变，在不同环境温度下及接通电路后不同时间中功率会有所变化。

3．日光灯启动电压随环境温度会有所改变，一般在180V左右可启动，日光灯启动时电流较大（约0.6A），工作时电流约0.37A，注意仪表量程选择。

4．灯管两端电压及镇流器两端电压可在板上接线插口处测量。

5．功率表的同名端按标准接法连接在一起，否则功率表的指针反向偏转，数字表则无显示。使用功率表测量时必须按下相应电压、电流量限开关。

6．本实验中使用的电压表、电流表、功率表采用开机延时工作方式，仪表通电后约10秒钟自动进入同步显示。

4.4.6实验报告

1．由C=0时的实验数据，计算感性支路的参数RL、L。 2．根据表4.4.2的数据，计算相应的功率因数cos?的值。

3．根据测出的数据，找出谐振点。比较谐振时（或谐振点附近）的总电流和各支路中电流的大小，做出曲线cos?－C及I－C，并加以讨论。

4．回答思考题。

4.4.7思考题

1．当与日光灯并联的电容值由小逐渐增大时，I=f(C)、cos?＝(C)曲线是怎样变化的？为什么？总电流I的变化规律又是什么?

2．日光灯电路并联电容进行补偿后，功率表的读数及日光灯支路电流是否改变，为什么？

3．观察分析当并联电容不断增大时，总电流I的变化趋势是先减小后增大；灯管支路电流IRL不变；电容支路电流IC随着电容增加而增加，为什么？试分析其原因。

7

4.5 实验五 三相电路的测量

4.5.1实验目的

1．熟悉三相负载的星形连接方法以及三相四线制供电系统中线的作用。 2．掌握三相电路中测量对称与非对称负载功率测量的几种方法。

3．验证对称三相电路负载星形连接时线电压与相电压、线电流与相电流之间的关系。

4.5.2实验原理

1．三相负载的连接

三相负载的基本连接方法有Y连接和△连接。对于Y连接，按其有无中线，又可分为三相四线制和三相三线制。根据三相电路的负载的不同，三相电路又分为对称三相电路和不对称三相电路。一般情况下，在实际三相电路中的三相电源是对称的，三条端线阻抗也是对称的，但负载不一定对称。在对称三相电路中，对于三角形连接，其线电流IL是相电流IP的3倍；对于星形连接的三相负载，线电压UL是相电压UP的3倍。

2．三相电路中的功率测量

工业生产中经常要测量对称三相电路和不对称三相电路的有功功率，在对称三相四线制电路中，因各相负载所吸收的功率相等，只要用一只功率表测量出任一相负载的功率，其三倍就是三相负载吸收的总功率P=3P相。在不对称三相四线制电路中，各相负载吸收的功率不相等，可用三只功率表测量出各相负载吸收的功率PU、 PV及PW，或用一只功率表分别测量出各相负载吸收的功率，然后再相加即得三相负载的总功率：P=PU+ PV+PW。这种测量方法称为三表法，其接线如图4-5-1所示。

图4-5-1 三表法测量三相功率示意图 图4-5-2 二表法测量三相功率示意图

在三相三线制电路中，不论电路是否对称，常采用二表法来测量三相功率。如图4-5-2所示，两个功率表读数的代数和即为三相负载的总功率。在三相四线制电路中，一般不采用二表法。

3．中线的作用

对于Y连接的三相负载，当负载不对称时，若没有中线，则负载的相电压将不再对称，使负载不能正常工作。因此，对于不对称的三相负载作Y连接时，应该连接中线，即采用三相四线制。

接中线后，负载中性点与电源中性点被强制为等电位，各相负载的相电压与相应的电源相电压相等。因为电源电压对称，所以负载的相电压也是对称，从而可以保证各相负载能够正常工作。

4.5.3实验设备及所用组件箱

名称 电工实验台 交流电路实验箱 导线 数量 1 1 若干 备注 8

4.5.4实验任务

1．测量仪表的使用

在电工实验台选择功率因数组合表，电压量程选择500V、电流量程选择0.4A；电压表量程选择500V；电流表量程选择0.2A，三块表的读数在不锁存位置。用导线和电流插笔将电流表、功率表按图4-5-3连接，电压表引出二根导线。

图4-5-3 电压表、功率表、电流表和电流插笔连接图

2．实验电路的连接

图4-5-4 三相电路负载接线图

将实验调压器手柄旋至零位，按下启动按钮，右旋调压器手柄，将电压从0V调到220V，用实验台上三相交流可调电源的三块电压表进行估读。电压调整好后，按下停止按钮。

在交流电路实验箱上三相负载连接成如图4-5-4所示，每只灯泡的控制开关分别为K1、K2、K3，电路中有线电流、相电流和中线电流的测量孔。三相负载星形连接，首先将电工实验台上三相交流电源的U、V、W端分别与实验箱上的三相电路U、V、W端连接，每相的N1、N2、N3端连接在一起为N'点， 电路连接完毕后，必须认真检查，确认无误后才能通电。

3．电路参数的测量

根据表4.5.1的要求进行测量。用实验台上的电压表、电流表和功率表分别读出功率P、电流I、电压U。将测量数据填入表4.5.1中。

实验步骤如下：

⑴有中线时对称负载星形连接（各相有3盏灯）

接通电源，观察各相灯泡的亮度。将电压表引出的两根导线连接到相应的点，分别测出各线电压(UUV、UVW及UWU)、相电压（UUN′、UVN′及UWN′）、中性点电压(UN′N)。

①三表法测量

测量电路如图4-5-1所示。将图4-5-3中导线A端连接到实验台三相交流可调电源的N

9

端，电流插笔分别插到实验电路U、V、W三相的线电流插孔，此时实验台上的电流表、功率表都有读数，电流表的读数分别是线电流IU、IV及IW，功率表的读数分别是各相负载消耗的功率PU、PV、PW。电路消耗的总功率P= PU+PV+PW。

②两表法测量

测量电路如图4-5-2所示。将图4-5-3中导线A端连接到实验台三相交流可调电源的W端，电流插笔分别插到实验电路U、V两相的线电流插孔，此时实验台上的功率表、电流表有读数，可测量出功率P1和P2。电路消耗的总功率P=P1+P2。

③将测量结果PU、PV、PW及P1和P2填入表4.5.1中，并将两种测量方法测出的总功率P进行比较，其误差应在10W以内，否则测量方法有误。

④将电流插笔插到中线电流(IN′N)插孔，电流表的读数为中线电流IN′N。 ⑵无中线时对称负载星形连接（各相有3盏灯）

上述实验步骤做完后，把实验台上三相电源的N端与实验装置端N'连接的导线断开，接通电源，观察各相灯泡的亮度，将电压表引出的两根导线连接到相应的点，测量各线电压(UUV、UVW及UWU)、相电压(UUN′、UVN′及UWN′)和中线电压(UN′N)。

测量电路如图4-5-2所示。将图4-5-3中导线A端连接到实验台三相交流可调电源的W端，电流插笔分别插到实验电路U、V二相的线电流插孔，此时实验台上的电流表、功率表都有读数，电流表的读数分别是线电流IU、IV，功率表的读数分别是P1和P2，电路消耗的总功率P=P1+P2。把电流插笔插入实验电路W相的线电流插孔，测量线电流IW。注意观察各相灯泡亮度与有中线时相比有无变化。

⑶有中线时不对称负载星形连接

利用开关K1、K2、K3控制灯，使每相灯的盏数符合表4.5.1的要求。U相接三盏灯、V相接两盏灯、W相接一盏灯（各相灯的数量选择可自行定义，只要三相灯的数量不等即可）。

用导线把实验台上三相电源的N端与实验装置的N'端连接，接通电源，观察各相灯的亮度。将电压表引出的两根导线连接到相应的点，测量各线电压(UUV、UVW及UWU)、相电压(UUN′、UVN′及UWN′)和中线电压(UN′N)。

测量电路如图4-5-1所示。将图4-5-3中导线A端连接到实验台三相交流可调电源的N端，电流插笔分别插到实验电路U、V、W三相的线电流插孔，此时实验台上的电流表、功率表都有读数，电流表的读数分别是线电流IU、IV及IW，功率表的读数分别是各相负载消耗的功率PU、PV、PW。电路消耗的总功率P= PU+PV+PW。注意观察各相灯泡亮度。

④将电流插笔插到中线电流插孔，电流表的读数为中线电流IN′N。 ⑷无中线时不对称负载星形连接

把实验台上三相可调电源的N端与实验装置N'端连接的导线断开，接通电源，将电压表引出的两根导线连接到相应的点，测量各线电压(UUV、UVW及UWU)、相电压(UUN′、 UVN′及UWN′)和中线电压(UN′N)，注意中线电压UN′N的测量，方法是将电压表引出的两根导线分别连接到实验台上三相电源的N端和实验装置N'端。

测量电路如图4-5-2所示。将图4-5-3中导线A端连接到实验台三相交流电源的W端，电流插笔分别插到实验电路U、V二相的线电流插孔，此时实验台上的电流表、功率表都有读数，电流表的读数分别是线电流IU、IV，功率表的读数分别是各相负载消耗的功率P1和P2，电路消耗的总功率P=P1+P2。把电流插笔插入实验电路W相的线电流插孔，测量线电流IW。注意观察各相灯泡亮度与有中线时相比有无变化。

10

表4.5.1实验数据

负载情况 对称Y有中线 对称Y无中线 不对称Y有中线 不对称Y无中线 3 2 1 3 2 1 3 3 3 3 3 3 灯泡只数 线电压/V 相电压/V 线电流/mA 中线电中线电流/mA 压/V IN′N 功率/W(三表法) 功率/W(二表法) P U V W UUV UVW UWU UUN UVN UWN IU IV IW UN′N PU PV PW P P1 P2 测量结束，将调压器手柄左旋至0位，使输出电压为0V。按下电源的停止按钮，切断

电源后，再进行拆线整理。

实验结束，应将实验桌整理干净。

4.5.5注意事项

1．本次实验中电源电压高达380V，一定要注意安全。

2．接线、拆线或检查线路必须先切断电源。严禁带电接线、拆线和带电检查线路。 3．功率表的同名端按标准接法联结在一起，否则功率表中模拟指针会反向偏转，数字表则无显示。使用功率表测量必须按下相应电压、电流量程开关，否则可能会有不适当的显示。

4.5.6实验报告

1．总结对称三相电路、不对称三相电路的特点。根据测量结果，计算相应的三相总功率P，并比较各种情况下相、线各量之间的关系。

2．总结在三相电路中负载对称与否对中线电流的影响，中线在什么情况下起作用？起什么作用？

3．总结三表法与二表法各自的适用范围和使用中应注意的问题。 4．回答思考题。

4.5.7思考题

1．试说明在三相四线制电路中(对称三相电源)负载对称与否对中线电流的影响。 2．总结对称三相电路和不对称三相电路的特点。 3．总结三表法与二表法各自的适用范围。

11

4.8 实验八 具有自动往返的继电接触器控制系统设计实验 4.8.1实验目的

1．掌握行程开关、时间继电器的作用和使用 2．掌握行程控制的原则。

4.8.2实验原理

自动往返的可逆运行通常是利用行程开关来检测往返运动的相对位置，进而控制电动机的正反转来实现生产机械的往复运动。

图4-8-1 小车自动往返运动控制电路

图4-8-1a)所示为小车自动往返运动示意图。行程开关SQl、SQ2分别安装在A、B两地，表明运动的始点与终点。图4-8-1b)所示为主电路，图4-8-1c)所示为控制线路。

工作原理分析如下：

12

实际工作中，换向可能因行程开关失灵而无法实现，故一般在SQl、SQ2两边各加一个极限开关SQ3、SQ4实现极限保护，避免运动部件超出极限位置而发生事故。

上述用行程开关来控制小车行程位置的方法，称为行程控制原则。行程控制原则是机械设备自动化和生产过程自动化中应用最广泛的控制方法之一。

4.8.3实验设备及所用组件箱

名称 电工实验台 电动机继电控制箱 三相异步电动机 导线 数量 1 1 1 若干 备注 4.8.4实验任务

按图4-8-1小车自动往返运动控制电路连线，整定时间继电器KT1、KT2的延时时间，分别为3s、5s，检查电路接线无误后，通电实现正常运行。

测量结束，将调压器手柄左旋至0位，使输出电压为0V。按下电源的停止按钮，切断电源后，再进行拆线整理。

实验结束，将实验桌面清理干净，仪器设备摆放整齐。

4.8.5注意事项

1．认真检查接线，注意安全。

2．实验中电路出现短路、过流、仪表超量程现象，系统将自动报警，并在计算机中记录出现次数，此数据作为教师考评学生实验成绩的参考依据之一。

4.8.6实验报告要求

1．画出实验电路，并简述电路中各电器的工作顺序。

2．分析讨论实验中所观察到的现象，实验中故障的检查和排除。

3．实验过程中有无出现故障？是什么性质的故障？你是如何检查和排除的?

4.8.7思考题

1．说明图4-8-1控制电路中哪些是自锁？自锁的作用是什么？ 2．图4-8-1中哪些是互锁环节？互锁的作用是什么？？

3．如果某电动机要求既能单方向连续运行，又随时可以实现点动运行，应怎样连接控制电路？

13

（a） (b) 图6-4-1 电容的充电、放电波形 （a）充电曲线 (b)放电曲线

6.4 实验四 一阶电路的时域响应

6.4.1实验目的

1．利用仿真软件Multisim10设计和完成RC一阶电路、微分、积分电路实验。

2．通过实验加深对时间常数概念的理解，了解RC一阶电路中电容的充、放电过程，并掌握电容充、放电时间常数的计算和测量方法。

3．了解微分电路和积分电路的组成，并能掌握选择和计算参数值。

6.4.2实验任务及步骤

电路从一个稳态到另一个稳态的变化过程称为电路的过渡过程，也称为暂态过程。暂态过程的产生，是由于电路中存在电容、电感等储能元件，而储能元件所存储的能量在电路换路的瞬间不能发生突变，所以电容两端的电压和流过电感的电流不能发生突变。

电路中只有一个独立储能元件的电路，称为一阶电路。一阶电路的暂态响应按指数规律变化。当电路换路时，加在电容两端的电压发生改变，由于电容两端的电压不能突变，电路从原先的稳态过渡到新的稳态，这个过程持续的时间由时间常数τ=RC决定。τ越大，持续时间越长。

电容的充、放电过程曲线如图6-4-1所示。

一阶电路的全响应是零输入响应和零状态响应的叠加，即从初始值开始按指数规律变化一直到新的稳态建立的响应全过程，由于电容全部充好电到达稳态时间很长，理论上时间应该是∞。RC电路充放电的时间常数τ可以从响应波形中估算出来。对于充电曲线来说，幅值上升到终了值的63.2％所对应的时间即为一个τ（见图6-4-1a）图中用RC标出）。对于放电曲线，幅值下降到初始值的36.8％所对应的时间即为一个τ（见图6-4-1b）图中用RC标出）。

同样，在工程中电容放电过程也同样定义为经过（3～5）倍的时间常数放电过程结束。

14

微分电路和积分电路是RC一阶电路中较典型的电路，它对电路元件参数和输入信号的周期有特定的要求。一个简单的RC串联电路，在序列方波脉冲的激励下，当满足τ= RC＜＜T(方波脉冲周期)，且由R端作为输出，如图6-4-2a)所示，即构成微分电路；若将图6-4-2a)中的R与C的位置交换一下，即由C端作为响应输出，且当电路参数的选择τ=RC＞＞T条件时，如图6-4-2b)所示，即构成积分电路。

(a) (b) 图6-4-2 微分、积分电路及波形

(a)微分电路 (b)积分电路

图6-4-3 是一阶RC电路，电路中用开关J1来控制电压源V1是否接入电路。当V1接入电路时，电容C1充电；当电压源V1未接入电路时，电容C1放电。

图6-4-3 一阶RC实验电路图

1．编辑电路图

双击Multisim10图标，打开Multisim10的界面。 ⑴函数信号发生器（Function Generator）的选择

单击仪表工具栏中的（Function Generator）图标，如图6-4-4a）所示，将其拖到工作区合适位置单击左键，函数信号发生器即被放置在电路工作区。单击左键选中函数信号发生器图标，然后单击右键，在弹出的菜单中选择 “Flip Horizontal”项，使函数信号发生器进行左右旋转，以满足实验电路中函数信号发生器放置的要求，图标如图6-4-4 a）所示。

（a） （b）

6-4-4函数信号发生器图标及面板

（a） 函数信号发生器图标 （b）函数信号发生器面板

双击函数信号发生器图标，将弹出参数设置对话框（如图6-4-4b）所示)，如设置函数信号发生器输出为方波，频率为10HZ、电压UP为10V，占空比为50％。

⑵在电路的工作区放置元件和仪表，如图6-4-5所示。在仿真软件Multisim10软件基本

15

界面上构建如图6-4-3所示的测试电路。

图6-4-5 放置在电路工作区中的元件件和仪表

2．操作步骤如下： ⑴RC一阶电路

①设置电路参数，R1=1k、R2=1k、C1=10μF。将示波器A通道连线的颜色设置为红色，将示波器的面板放大，使A通道Channel A的灵敏度为5V/div，扫描速度Timebase为20ms/div， 按下仿真按钮

，在激活电路后，单击开关 J1的动臂，使开关 J1打开和闭

合，在示波器上可观察到如图6-4-6所示的红色波形。

充电时间常数的测量

图6-4-6 RC电路的充放电暂态过程 图6-4-7 电容减小后RC电路充放电暂态过程及

图6-4-8 RC电路放电时间常数的测量

②把电容C1换成5μF，重新激活电路，单击开关 J1的动臂，并反复单击开关 J1的动臂，使开关 J1反复打开和闭合，在示波器上可观察到如图6-4-7所示的红色波形。

从图6-4-6和图6-4-7的结果看出，电容减小后，时间常数τ减小，充放电时间都减小，因此波形的上升和下降时间减小。

③按暂停仿真按钮，将波形锁定，根据电容充电到稳定值电压的63.2％左右所对应的时间就是一阶电路电容充电时间常数τ的定义，0.632U1≈6.3V，拉出示波器屏幕上两边的两条读数指针即游标1和2，在充电起始点使1号游标与“A”通道信号的交点VA1为最

16

小值，2号游标与“A”通道信号的交点VA2为6.3V，此时游标1与游标2之间的时间差t2-t1即示波器屏幕下方“t2-t1”栏的数据为该电路的充电时间常数τ充＝_______ms，如图6-4-7所示。

④根据电容放电到零输入初始电压的36.8％时所对应的时间为电容放电时间常数τ的定义，参照上述方法，在示波器屏幕上调出相应的波形和读数指针的位置。移动两个游标，在放电起始点使1号游标与“A”通道信号的交点VA1为最大值，2号游标与“A”通道信号的交点VA2为电源电压U1的36.8％即3.68V，此时游标1与游标2之间的时间差t2-t1即在示波器屏幕下方“t2-t1”栏的数据为该电路的放电时间常数τ放＝_______ms，如图6-4-8所示，试与计算结果相比较，

⑤将波形和测量数据放入实验报告中。 ⑵RC电路在脉冲序列作用下的响应 ① 积分电路

在软件Multisim10软件基本界面上建立如图6-4-9所示的积分电路。

图6-4-9 RC积分实验电路 图6-4-10 RC电路的积分波形

a．设置电路参数，R1=50kΩ、C1=1μF。按图6-4-9所示电路接线。

b．双击函数信号发生器图标，将它设置成10Hz、10V的对称方波。将示波器A通道连线的颜色设置为红色，B通道连线的颜色设置为蓝色。(选中导线单击右键，选择Color Segment项即可)

c．双击示波器图标，将示波器的面板放大，使A通道Channel A的灵敏度为10V/div，使B通道Channel B的灵敏度为5V/div，扫描速度Time base为50ms/div。按下仿真按钮，待电路稳定后，按下暂停按钮

，示波器放大面板的屏幕上可以看到积分波形，如图

6-4-10所示。

d．根据以上条件，请选择元件参数和方波信号频率，设计另一个积分电路，并仿真之。 ②微分电路

a．将R和C交换位置，使R=10k?，C=1?F，信号源选择频率为10Hz，幅值为10V的方波信号, 按图6-4-11所示电路接线。

b．双击函数信号发生器图标，将示波器A通道连线的颜色设置为红色，B通道连线的颜色设置为蓝色。

c．双击示波器图标，将示波器的面板放大，使A通道Channel A的灵敏度为5V/div，使B通道Channel B的灵敏度为10V/div，扫描速度Time base为50ms/div。按下仿真按钮，待电路稳定后，按下暂停按钮分波形，如图6-4-12所示。

17

，将波形锁定，从示波器放大面板的屏幕上可以看到微

d．根据以上条件，请选择元件参数和方波信号频率，设计另一个微分电路，并仿真之。

图6-4-11 RC微分实验电路 图6-4-12 RC电路的微分波形

电子技术实验

5.2 实验二 单级交流放大电路

5.2.1实验目的

1．学习放大电路静态工作点的调试方法，分析静态工作点对放大电路性能的影响。 2．学习测量放大电路电压放大倍数及最大不失真输出电压的方法。 3．进一步熟悉各种电子仪器的使用。

5.2.2实验原理

1．单级交流放大电路简介

如图5-2-1所示为电阻分压式偏置共射级电压放大电路，该电路中的晶体管能把输入回路（基极—发射极）中微小的电流信号在输出回路中（集电极—发射极）放大为一定大小的电流信号。晶体管在电路中实际上起着电流控制作用。它的偏置电路采用RB1=Rp1+R1和RB2=Rp2+R2组成的分压电路，并在发射级中接有电阻RE，用来稳定静态工作点。发射极电容C2对集电极电流的交流分量提供了交流通路；C1、C3能够隔离直流、通过交流电流，起到隔直流通交流的作用，它们分别把交流信号电流输入基极以及把放大后的交流信号电压送到负载，而不影响晶体管的直流工作状态。当在放大电路输入端输入信号ui后，在放大电路输出端便可得到与ui相位相反、被放大了的输出信号uo，实现了电压放大。

18

图5-2-1共射级单级交流放大电路原理图

2．静态工作点的测量与调试 当外加输入信号为零时，在直流电源的作用下，基极和集电极回路的直流电流和电压分别用IBQ、UBEQ、ICQ 、UCEQ表示，并在其输入和输出特性上各自对应一个点，称为静态工作点。此时电路的直流通路如图5-2-2所示。

假设I1?IBQ，UBE?0.7V，则有：

UBQ?RB2UCC （5.2.1）

RB1?RB2IEQ?UB?UBEUE （5.2.2）

?RERE

图5-2-2 电压放大电路的直流通路

IBQIEQ （5.2.3） ?1??由于ICQ?IEQ，则：

UCEQ?UCC?ICQ(RC?RE) （5.2.4）

放大电路的基本任务是在不失真的前提下，对输入信号进行放大，故设置放大电路静态工作点的原则是：保证输出波形不失真并使放大电路具有较高的电压放大倍数。

19

(a) (b) (c) (d)

图5-2-3 放大电路输出波形示意图

(a)输入波形 (b)不失真 (c)饱和失真 (d)截止失真

改变电路参数UCC、RC、RB都将引起静态工作点的变化，通常以调节基极上偏置电阻取得一合适的静态工作点，如图5-2-1中调节RP1，则RB1减小使得IC增加，使静态工作点偏高，放大电路容易产生饱和失真，如图5-2-3c）所示，U0负半周被削顶。当RB1增加，则IC减小，使工作点偏低，放大电路容易产生截止失真，如图5-2-3d)所示。U0正半周被缩顶。适当调节RB1可得到合适的静态工作点。

3．电压放大倍数的测量

如把放大电路看作一个“黑盒子”，在输出端断开（空载）及接通负载电阻RL（负载）两种情况下测定Ui及Uo，求出它们的比值Au，该比值称为放大电路的电压放大倍数。

电压放大倍数

AU?其中

U0R//RL （5.2.5） ???CUi?berbe?300?(1??)26(mV) （5.2.6）

IE(mA)4．最大不失真输出电压的测量

为了在动态时获得最大不失真输出电压，静态工作点应尽可能选在交流负载线中点，因此在上述调试静态工作点的基础上，应尽量加大Ui，同时适当调节偏置电阻RB1（RP1），若加大Ui先出现饱和失真，说明静态工作点太高，应将RB1增大，降低基极电位，使IC减小，即静态工作点低下来。若加大Ui时先出现截止失真，则说明静态工作点太低，应减小RB1使IC增大。直至当Ui增大时截止失真和饱和失真几乎同时出现，此时的静态工作点即在交流负载线中点，说明输入信号过大。这时应慢慢减小Ui，当刚刚出现输出电压不失真时，此时的输出电压即为最大不失真输出。

5.2.3实验设备及所用组件箱

名 称 模拟（模数综合）电子技术实验箱 数字式万用表 函数信号发生器 双踪电子示波器 数 量 1 1 1 1 备 注 5.2.4实验步骤

1．连接线路、简单测量。

⑴用万用表判断实验箱上三极管V的极性和好坏，电解电容C的极性和好坏。

⑵如图5-2-4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RP1的阻值调到最大位置。连接并检查线路无误后再接通+12V的电源。（注意：接电源时一定不要忘记接地，即Vcc接+12V、COM接GND）

20

图5-2-4单级交流放大电路接线图

2．静态工作点测试

调节Rp1，使URC=4V（测量URC即测量RC两端的电压，β=100）。将测量数据记录入表5.2.1。

表5.2.1 直流通路参数值

测量值 UC /V UB /V UE /V IC /mA 计算值 UCE /V IB /μA 3．电压放大倍数的测量

⑴负载变化对于电压放大倍数的影响

保持URC=4V，调节函数信号发生器，使其输出电压信号为ui。ui为正弦波，频率为f=1kHz，有效值为5mV。把信号加在输入端和GND之间，同时用万用表测量输出信号Uo的值（用数字万用表交流电压“V”档）。改变负载RL（RL应在输出端与GND之间）测量下述三种情况下的Uo值，并计算电压放大倍数AU。记入表5.2.2中。用示波器观察ui、uo间的相位关系，并描绘在数据记录纸上。

表5.2.2 电压放大倍数测量1

U RL Ui Uo AU ? 5.1kΩ 1kΩ ⑵静态工作点变化对于电压放大倍数的影响

使RL=5.1 kΩ，保持输入信号不变，重复第2步，改变URC，测量下述三种情况下的uo

值，记入表5.2.3。用示波器观察ui、uo之间的相位关系，并描绘在数据记录纸上。

表5.2.3 电压放大倍数测量2

U URC ui uo AU 3V 4V 5V 4．最大不失真输出电压的测量

使RL = ?，尽量加大ui，同时调节RP1改变静态工作点，使uo波形同时出现截止失真和饱和失真，再稍许减小ui，使uo无明显失真（即为最大不失真），测量此时的uimax和uomx及URC

21

值。记入表5.2.4。

表5.2.4最大不失真输出电压测量数据

URC /V Uimax /mV Uomax /V AU 5.2.5实验报告

1．整理实验中所测得的实验数据。

2．根据电路参数估算AU（取IC = 2mA，?＝100），将实验值与理论估算值相比较，分析差异原因。

3．总结静态工作点对放大电路性能的影响。如何判断放大器的截止和饱和失真？当出现这些失真时应如何调整静态工作点？

4．讨论在调试过程中出现的问题。

VCC=10VRC=2kΩRB=220kΩBCVEVBB=4V5.2.6 思考题

1．重设图5-2-2中的参数，令ICQ=1.5mA。 设Vcc=+12V，UBE=0.7V，β=100。

2．已知电路如图5-2-5所示，设UBE=0.7V， β=200。求IB、IC、IE、UCE。

图5-2-5 思考题2电路图

5.3 实验三 集成运算放大电路的应用

5.3.1实验目的

1．掌握集成运算放大器作为加法器、减法器、比例器、积分器、微分器的各种原理及运算功能。

2．掌握以上各种应用电路的组成及测试方法，学会用示波器测量信号波形的方法。

5.3.2实验原理

1．集成运算放大器简介

集成运算放大器（简称集成运放）是一种高增益、高输入阻抗、低输出阻抗的直流放大器。集成运放有二个信号输入端，根据输入电路的不同，有同相输入、反相输入和差动输入三种方式。在实际应用中都必须用外接负反馈网络构成闭环，用以实现各种模拟运算。本实验采用集成运放UA741CN KBD851，其封装形式如图5-3-1所示。实验所用的UA741CN KBD851用塑料封装、双列直插式。引线脚顺序确定：将引脚朝下，缺口朝向左侧，从芯片左下角起，以逆时针方向计数，依次为1、2、3……8脚。引脚排列如图5-3-2所示，2脚和3脚为反相和同相输入端，6脚为输出端，7脚和4脚为正、负电源端，1脚和5脚为失调调零端，1、5脚之间可接入一只几十kΩ的电位器并将滑动触头接到负电源端。8脚为空脚。

22

(a)双列直插式 (b)圆壳式 (c)扁平式 图5-3-1 集成运算放大器的三种封装方式

图5-3-2μA741CN KBD851外引线功能端排列图

2．理想运算放大器特性

在大多数情况下，将运放视为理想运放，就是将运放的各项技术指标理想化，满足下列条件的运算放大器称为理想运放。

开环电压增益 Aud=∞ 输入阻抗 ri=∞ 输出阻抗 ro=0 带宽 fBW=∞ 失调与漂移均为零等。

理想运放在线性应用时的两个重要特性： ⑴输出电压uO与输入电压ui之间满足关系式 UO＝Aud（U+－U-）

由于Aud=∞，而UO为有限值，因此，U+－U-≈0。即U+≈U-，称为“虚短”。 ⑵由于ri=∞，故流入运放两个输入端的电流可视为零，即IIB≈0，称为“虚断”。这说明运放对其前级吸取电流极小，带负载能力很强。

上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则，可简化运放电路的计算。 3．基本运算电路

⑴反相输入加法运算电路

图5-3-3为反相输入加法运算电路，简称加法器。它是一个反相放大器，当输入端A、B同时加入ui1、ui2信号时，在理想条件下，则其输出电压为：

uo??(RfR1ui1?RfR2ui2) （5.3.1）

图中：R3为平衡电阻，且R3＝R1// R2// Rf。

23

ABR1ui1R2ui2RfRf AR1ui1R2ui2-+R3u0-+R3u0B

图5-3-3 加法运算电路原理图 图5-3-4 减法运算电路原理图

⑵减法运算电路

图5-3-4为减法运算电路。当输入端A、B同时加入信号电压ui1、ui2时，在理想条件下，且满足R1 = Rf，R2= R3=时，其输出电压为

u0?ui2?ui1 （5.3.2）

⑶反相比例运算电路

图5-3-5为反相比例运算电路，用它可实现反相比例运算。当输入端加入信号电压ui

时，其输出电压为

u0??RfR1ui （5.3.3）

RFRFui-u0R1uiR1'R1R1'图5-3-5反相比例运算电路原理图 图5-3-6同相比例运算电路原理图

⑷同相比例运算电路

图5-3-6为同相比例运算电路，用它可实现同相比例运算。当输入端加入信号电压ui

时，在理想条件下，且R1 = Rf，其输出电压为

⑸积分运算电路

图5-3-7为积分运算电路，在理想条件下，且电容两端的初始电压为零，若输入端A加一输入信号ui，则输出电压为

若ui为一幅值等于Ui的负阶跃电压，则

输出电压在有效积分时间内随时间t线性增长。

24

+u0?(1?RfR1u0(t)??u0(t)??-

+u0

)ui

（5.3.4）

1?ui(t)dt （5.3.5） RCUi1tt （5.3.6） ?0Uidt??RCRC⑹微分运算电路

图5-3-8为微分运算电路，在理想条件下，若输入端加一输入信号ui，则输出电压为：

uo(t)??RCdui(t) （5.3.7） dtR CCRui-+u0ui-+u0

图5-3-7 积分运算电路原理图 图5-3-8 微分运算电路原理图

5.3.3实验设备及所用组件箱

名 称 模拟（模数综合）电子技术实验箱 双踪示波器 函数信号发生器 数字万用表 运算放大器?A741 数 量 1 1 1 1 1 设备编号 5.3.4实验步骤

1．反相输入加法运算

⑴按图5-3-9连接电路，接通电源。

⑵Ui输入为一方波信号，频率为1kHZ，幅度为0.5V（由函数信号发生器调节得到，其幅值直接用示波器测量）。在A、B端同时输入该交流信号。

⑶用示波器观测输入、输出电压波形，分析其关系。注意：输入信号大小要适当掌握，避免进入饱和区。

2．减法运算

⑴按图5-3-10连接电路，接通电源。

⑵在A端输入0.2V直流信号，在B端输入0.5V直流信号。（可由直流电源及适当阻值的电阻分压调得）

⑶用万用表测量输出电压Uo值，分析其关系。 3．反相比例运算

⑴按图5-3-11连接电路，接通电源。

⑵Ui输入为一方波信号，频率为1kHZ，幅度为0.5V(直接用示波器测量)。 ⑶用示波器观测输入、输出电压波形，分析其关系。

25

Aui1Bui210KΩR1 20KΩR2 20KΩRf Rf 100KΩ-27+12VA4610KΩui1ui2R1 10KΩR2 -27+12V+3R3 5.1KΩu0B+346u0-12V-12VR3 100KΩ

RFR1ui

图5-3-9 加法运算电路接线图 图5-3-10 减法运算电路接线图

20kΩ+12V2746RF20KΩR110KΩ20KΩ5.1kΩ图5-3-11 反相比例运算电路接线图 图5-3-12 同相比例运算电路接线图

4．同相比例运算

⑴按图5-3-12连接电路，接通电源。

⑵Ui输入为一方波信号，频率为1kHZ，幅度为0.5V（直接用示波器测量）。 ⑶用示波器观测输入输出、电压波形，分析其关系。 5．积分运算

⑴按图5-3-13连接电路，接通电源。

⑵Ui输入为一方波信号，频率为1kHZ，幅度为0.5V（直接用示波器测量）。 ⑶用示波器观察输入、输出波形，并绘出波形图，分析其关系。 ⑷测量并记录Uo的频率与幅度值，填入自拟表格中。 ⑸改变积分时间常数τ，重复上述步骤,观察时间常数的大小对微分器输出波形的影响。 6．微分运算

⑴按图5-3-14连接电路，接通电源。

⑵Ui输入为一方波信号，频率为1kHZ，幅度为0.5V（直接用示波器测量）。 ⑶用示波器观察输入、输出波形，并绘出波形图，分析其关系。

⑷测量并记录Uo的频率与幅度值，填入自拟表格中。 ⑸改变微分时间常数τ，重复上述步骤，观察时间常数的大小对微分器输出波形的影响。

Rf 100KΩC 0.01μF20KΩuiR1 100KΩ100KΩ390рFui+12V276-+3-12VR2 20KΩ图5-3-13 积分运算电路接线图 图5-3-14 微分运算电路接线图

26

+10kΩR1'u0ui-27+12V3-12V Rf 100KΩR1'+436u0-12V

-4u0R1 -2C Rf +12V746+3R2 10KΩu0-12V

5.3.5实验报告

1．画出各实验线路图，整理实验数据及结果，总结集成运算放大电路的各种运算功能。 2．整理实验数据计算有关量，并与理论值进行比较，正确画出积分运算时各输入、输出信号对应的电压波形，并与理论值比较。

5.3.6 思考题

1．运算电路中的输入信号能否无限制地增大?为什么? 2．总结利用示波器测量波形周期和幅值的方法。

5.7组合逻辑电路的设计

5.7.1实验目的

1．理解组合逻辑电路的特点和一般分析方法。 2．熟悉组合逻辑电路的设计方法。

3．掌握由TTL门构成组合逻辑电路的方法。

5.7.2实验原理

数字逻辑电路包括组合逻辑电路和时序逻辑电路两类，组合逻辑电路由门电路组成，其 特点是输出仅取决于该时刻的输入。而时序逻辑电路由门电路和触发器组成，其特点是输出不仅取决于该时刻的输入，而且与电路的原状态有关，即时序逻辑电路具有记忆功能。

在实际应用中，常常需要将一些基本的门电路按一定的方式组合在一起，来实现某一逻辑功能，即设计组合逻辑电路。符合逻辑电路的设计就是根据实际问题所要求的逻辑功能，设计出最简单的逻辑电路图。其步骤可用图5-7-1表示。

图5-7-1 组合逻辑电路设计步骤

①根据设计任务列出真值表；②根据真值表写出逻辑表达式（即与或表达式）；③对逻辑表达式进行化简或变换；④根据所用逻辑门的类型将化简后的逻辑表达式整理成符合要求的形式；⑤根据整理后的逻辑表达式画出逻辑图；⑥根据逻辑图连接实验电路，验证其逻辑功能是否符合设计要求。

设计电路的关键是逻辑表达式（与或式）的简化，它关系到电路结构是否最佳，所用元件的数量及种类是否最少。设计中还需从实际出发，根据现有的集成门种类，将化简的表达式进行变换，得出最易实现的电路。

5.7.3实验设备及所用组件箱

名 称 模拟（模数综合）电子技术实验箱 双踪示波器 数字万用表 74LS系列门电路芯片 数 量 1 1 1 若干 备 注 27

5.7.4实验步骤

1．用与非门实现其它逻辑门功能 ⑴用与非门实现与门电路

由与门的逻辑表达式得知：Y?AB?AB

与门可由两个与非门组成，要求画出与门电路，并进行实验。按表5.7.1对输入端电平的要求，把测出的输出结果填入表5.7.1相应的栏内。

表5.7.1与门测试结果

输入 A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 输出 Y ⑵用与非门实现与或非门电路

把“与或非”逻辑式化成“与非”表达的形式。

Y?AB?CD?________

自拟实验电路，并进行实验。把实验结果填入表5.7.2中。

表5.7.2 与或非门测量数据

A 输入 B C D 输出 F 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 2．电路设计 ⑴比较电路：设计一个能判别A、B两个一位二进制数大小的比较电路。

⑵设计一个数据选择器，逻辑控制表如表5.7.3所示，逻辑电路如图5-7-2所示。

其中：D1、D2、D3为数据输入端，A、B为数据选择控制端。D1接连续脉冲，D2接连续脉冲经过JK触发器分频Q输出，D3接高电平，A、B接逻辑开关。

表5.7.3数据选择器控制表

A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 控制信号 禁止信号输出 选通D1 选通D2 选通D3

D1D2D3A数据选择器LB28

图5-7-2数据选择器

⑶设计一个报警信号输出电路，有A、B、C三台电机，现要求： ①A开机则B也必须开机； ②B开机则C也必须开机； ③C可以单独开机。

若不满足上述要求，则发出报警信号。

⑷三人表决电路：当多数人赞成（输入为1）时，表决结果有效（输出1）。

5.7.5实验报告

1．画出实验用门电路的逻辑符号，根据实验要求分析问题，列出真值表，写出最简表达式。

2．画出门电路逻辑变换的线路图。 3．画出设计电路，整理实验结果。

5.7.6思考题

1．利用与非门设计一个带有使能端的4线-10线二-十进制译码器。 2．设计两个一位十进制数的比较电路（可自选器件）。

5.8计数器及译码显示电路

5.8.1实验目的

1．掌握集成电路计数器的逻辑功能及使用方法。 2．了解译码驱动器和数码显示器的使用方法。

5.8.2实验原理

1．计数器简介

计数器是一种时序逻辑电路，可用来累计输入脉冲的个数，除此之外，它还可用作分频器和定时器，在数字系统和计算机得到了广泛应用。

计数器根据计数体制的不同可分为二进制计数器和非二进制计数器两大类。在非二进制计数器中，最常用的是十进制计数器，其它一般称为任意进制计数器。根据计数器的增减趋势不同，计数器可分为加法计数器、减法计数器和可逆计数器三种。根据计数脉冲引入方式不同又可分为同步计数器和异步计数器。

在实际工程应用中，一般很少使用小规模的触发器去组成各种计数器，而是直接选用集成计数器产品。目前，无论是TTL集成电路还是CMOS集成电路，各种常用的计数器均有典型产品。

本实验选用中规模TTL集成电路计数器74LS390，它是具有两个二、五、十进制异步计数器的集成电路。图5-8-1为74LS390外引线排列图，其逻辑功能表如表5.8.1、表5.8.2所示。引脚处字母前冠有“1”的为第一个二、五、十进制计数器的引脚，字母前冠有“2”的为第二个计数器的引脚。图5-8-2为二、五、十进制计数器的框图。

29

Vcc162CP1152CLR142QA132CP2122QB112QC102QD9输出端QAQB QC QD74LS390二进制计数器五进制计数器11CP121CLR31QA41CP251QB61QC71QD8GNDCP1

CLR输入端CP2

图5-8-1 74LS390外引线排列图 图5-8-2为二、五、十进制计数器框图

图5-8-2可分为两部分：二进制计数器和五进制计数器，CLR为这两个计数器的公共清零端，高电平有效。通过不同的连接方式，可实现不同的逻辑功能：

⑴计数脉冲由CP1输入，QA作为输出端，仅此一级就是一个最简单的二进制计数器。 ⑵计数脉冲由CP2输入，QD、QC、QB作为输出端（其中QD为高位，QB为低位），这一级就是一个异步五进制计数器。

若将QA和CP2相连，计数脉冲由CP1输入，QD、QC、QB、QA作为输出端，则构成一个十进制异步计数器。

表5.8.1 74LS390的逻辑功能表1

输入 CLR(2/14) 1 0 计数脉冲 1 2 3 4 5 6 7 8 9 CP1(1/15) CP2(4/12) QA 0 QB 0 计数 QB 0 0 0 1 1 1 1 0 0 QC 0 1 1 0 0 1 1 0 0 QD 1 0 1 0 1 0 1 0 1 输出 QC 0 QD 0 ? ↓ QA 0 0 0 0 0 0 0 1 1 ? ↓ 表5.8.2 74LS390的逻辑功能表2

2．数码显示模块 ⑴译码器

译码器的作用是将输入代码译成一种特定的输出信号以表达它的含义。必须指出：代码的码制不同，译码电路也不同。在计数电路中，常用的译码器是七段显示译码驱动器，其功能是将输入端的四位二进制数译成驱动七段数码显示数所需要的电平信号，使它能显示出0~9的十进制数。

实验所用的译码驱动器为74LS248，图5-8-3为其外引线排列图，表5.8.3是它的逻辑功能表。从表中可看出，D（高位）、C、B，A（低位）为输入端，通常与二-十进制计数器的输出端相连，以输入二进制数码。a、b、c、d、e、f、g为输出端，通常与数码显示器相应字形段的输入端相连。LT端为灯功能测试端，当LT=“0”电平时，输出a~g全为“1”，

30

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/derg.html