2013级电路分析基础实验指导书-2

电路分析基础

实验指导书

杨杰 编写

东莞理工学院电子系 二00五年八月

电路分析基础实验指导书

目 录

实验一 基尔霍夫定律的验证┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈2 实验二 电压源与电流源的等效变换┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈5 实验三 叠加定理的验证┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈8 实验四 戴维宁定理和诺顿定理的验证┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈13 实验五 一阶RC电路的动态响应┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈18 实验六 正弦稳态交流电路相量的研究┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈22 实验七 设计性实验——电阻变化量线性输出电路设计┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈25

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实验一 基尔霍夫定律的验证

实验一 基尔霍夫定律的验证

一、实验目的

1. 验证基尔霍夫定律的正确性，加深对基尔霍夫定律的理解。 2. 掌握使用直流电工仪表测量电流、电压的方法。

3. 学会应用电路的基本定律，分析、查找电路故障的一般方法。 二、实验原理

1. 基尔霍夫定律是电路的基本定律。测量某电路的各支路电流及多个元件两端的电压，应能分别满足基尔霍夫电流定律和电压定律。即： 对电路中任何一个节点而言，应满足ΣI＝0； 对电路中任何一个闭合回路而言，应满足ΣU＝0。

运用上述定律时，必须注意电流、电压的实际方向和参考方向的关系。 2. 依据基尔霍夫定律和欧姆定律可对电路的故障现象进行分析，准确定位故障点。若在一个接有电源的闭合回路中，电路的电流为零，则可能存在开路故障；若某元件上有电压而无电流，则说明该元件开路；若某元件上有电流而无电压，说明该元件出现了短路故障。 三、实验内容

1. 先任意设定三条支路的电流参考方向，如图1-2所示。三个回路的正方向可设为ADEFA、BADCB、FBCEF。

2. 分别将两路直流稳压源接入电路，令E1＝6V，E2＝12V。

3. 将电流插头的两端接至数字毫安表的“＋、－”两端, 将电流插头分别插入三条支路的三个电流插座中，读出并记录各电流值。图1－2是电流插头插座的用法示意。

FI1+U1R1510AR21KI2BI3K1R3510R4E_R5330K2+_U2 K3 DC1N4007图1-1 实验电路

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实验一 基尔霍夫定律的验证

4. 用直流数字电压表分别测量、并记录两路电源及电阻元件上的电压值。 5. 分别按下故障开关A、B、C，借助电压表、电流表，找出电路的故障性质和故障点。

表1－1 测量数据及计算值

被测量 计算值 测量值 相对误差 I1 1.925 I2 5.988 I3 7.913 E1 6.0 E2 12.0 UFA UAB UAD UCD UDE 电流插座电流插头mA图1-2 使用插头插座测量电流

0.982 -5.988 4.046 -1.976 0.982 电流单位： mA 电压单位： V

表1－2 故障分析记录

故障开关 A B C

四、实验设备

序号 1 2 3 4 名 称 直流可调稳压电源 直流数字电压表 直流数字毫安表 实验电路板 型号与规格 0－30V/1A 0－200V 0－200mA 图1－1

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故障性质 故障位置 数量 2 1 1 1 备 注 实验台自配 实验台自配 实验台自配 DGJ-03自配 实验一 基尔霍夫定律的验证

五、注意事项

1. 测量验证基尔霍夫定律的数据时，三个故障开关均不按下，即不设人为故障。

2. 实验电路中的开关K3应向上，拨向330Ω侧。

3. 测量电压时应注意表棒的使用。测UAB，应该用数字直流电压表的正表棒（红色）接A点，负表棒（黑色）接B点，否则记录测出的数值时，必须添加一负号。

4. 电源电压也以电压表实际测量的读数为准。 六、实验思考

1. 根据图示的电路参数，计算出待测的各支路电流和各电阻上的电压值，记入表1-1中，以便实际测量时，正确地选定毫安表和电压表的量程。

2. 本实验中判断电路的简单故障时，是否需要记录具体的电流、电压数据？ 七、实验报告要求

1. 根据实验数据验证基尔霍夫定律的正确性。 2. 完成数据表格中的计算，对误差作必要的分析。 3. 分析故障现象，说明定位故障点的理由。

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实验四 戴维宁定理和诺顿定理的验证

三、实验内容

被测有源二端网络如图4－3所示。 R4R1R3510ΩIS10mAV+mA-1KΩ330Ω戴维南等效电路RL+mA_RL+UOC_V 510ΩR0US12V+-R10Ω 图4－3 有源二端网络及其戴维南等效电路

1. 用开路电压、短路电流法测有源二端网络的等效参数

按图4－3线路接入稳压电源ES=12V和恒流源IS=10mA,不接入RL，测定U0C和 ISC,并计算R0（测U0C时，不接入毫安表）。数据记录于表4－1。

表4－1 有源二端网络的等效参数

理论计算值 测量计算值 2. 负载实验：

按图4-3（左图）接入RL（电位器），改变RL的阻值，测量有源二端网络的外特性曲线。数据记录于表4－2。

表4－2 有源二端网络的外特性

RL U(V) I(mA) 50Ω 100Ω 200Ω 500Ω 1KΩ U0C (V) 17 ISC (mA) 32.7 R0= U0C/ ISC (Ω) 519.88 3. 验证戴维宁定理：

从电阻箱上取得按步骤“1”所得的等效电阻R0之值， 然后令其与直流稳压电源（调到步骤“1”时所测得的开路电压U0C之值）相串联，如图4-3（右图）所示，仿照步骤“2”测其外特性，对戴氏定理进行验证。

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实验四 戴维宁定理和诺顿定理的验证

表4－3 戴维南等效电路的外特性

RL U(V) I(mA) 50Ω 100Ω 200Ω 500Ω 1KΩ 4. 验证诺顿定理：

从电阻箱上取得按步骤“1”所得的等效电阻R0之值， 然后令其与直流恒流源（调到步骤“1”时所测得的短路电流ISC之值）相并联，如图4－4所示，仿照步骤“2”测其外特性，对诺顿定理进行验证。

图4－4 诺顿等效电路的外特性验证 表4－4 诺顿等效电路的外特性

RL U(V) I(mA) 50Ω 100Ω 200Ω 500Ω 1KΩ +_mA+IS_RsRLV5. 有源二端网络等效电阻（又称入端电阻）的直接测量法：对实验电路，将该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R0或称网络的入端电阻Ri。

6. 用半电压法和零示法测量被测网络的等效内阻R0及其开路电压U0C，线路及数据表格自拟。

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实验四 戴维宁定理和诺顿定理的验证

四、实验设备 序号 1 2 3 4 5 6 7 8

五、注意事项

1. 注意测量时，电表量程要及时更换并注意极性。 2. 步骤“5”中，电源置零时不可将稳压源短接。

3. 用万用表直接测R0时，网络内的独立源必须先置零。同时，如用指针式万用表，欧姆档必须每次调零后再进行测量。

4. 改接线路时，应关掉电源。 六、实验思考

1. 比较测量有源二端网络开路电压及等效内阻的几种方法，并分析其优缺点。

2. 预先完成理论计算值的计算。 七、实验报告要求

1. 根据实验数据戴维宁定理和诺顿定理的正确性，并分析误差产生的原因。 2. 整理用半电压法和零示法测量等效电路参数的数据结果。

3．比较几种测量测R0方法的结果，并与理论计算值作比较。

名称 直流可调稳压电源 直流可调恒流源 直流数字电压表 直流数字毫安表 实验电路板 可调电阻箱 电位器 万用表 型号与规格 0－30V/1A 0－200mA 0－200V 0－200mA 图4－3等 0－99999.9Ω 1K/5W UT58B 数量 1 1 1 1 1 1 1 1 备注 实验台自配 实验台自配 实验台自配 实验台自配 DGJ-03 DGJ-05 DGJ-05 另备 17

实验六 一阶RC电路的动态响应

实验五 一阶RC电路的动态响应

一、实验目的

1. 测定一阶RC电路的零输入响应、零状态响应和全响应。 2. 学习时间常数的测量方法。

3. 掌握有关微分电路、积分电路的概念。 4. 进一步学会用示波器观测波形。 二、实验原理

1. 动态电路的过渡过程是十分短暂的单次变化过程，对时间常数τ较大的电路，可用慢扫描长余辉示波器观察光点移动的轨迹。如果用一般的双踪示波器观察过渡过程和测量有关的参数，必须使这种单次变化的过程重复出现。为此，可利用信号发生器输出的方波来模拟阶跃激励信号，即令方波输出的上升沿作为零状态响应的正阶跃激励信号；方波下降沿作为零输入响应的负阶跃激励信号，只要选择方波的重复周期远大于电路的时间常数τ那么电路在这样的方波序列脉冲信号的激励下，它的响应和直流接通与断开的过渡过程是基本相同的。

2.一阶RC电路的零输入响应和零状态响应分别按指数规律衰减和增长，其变化的快慢决定于电路的时间常数τ。

3. 时间常数τ的测定方法：

用示波器测得零状态响应的波形如图6－1所示。根据一阶微分方程的求解得知一阶RC电路的零状态响应为

uc?UM(1?e?t/?)

当零状态响应波形增长到0.632E所对应的时间就等于τ。

UMuR0tUM63.2％uc+u_ucCt0t 图6－1 一阶RC电路的零状态响应

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实验六 一阶RC电路的动态响应

亦可用零输入响应波形所对应的时间测得，如右下图所示。

36.8％uUM0tucUMtt0图6－2 一阶RC电路的零输入响应

当t＝τ时，Uc(τ)＝0.368E，此时所对应的时间就等于τ。

4. 微分电路和积分电路是一阶RC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着特定的要求。一个简单的一阶RC串联电路，在方波序列脉冲的重复激励下，当满足条件

2时（T为方波脉冲的重复周期)，且由R端作为响应输出（如图6－3所示），

??RC??T则该电路就成了一个微分电路，因为此时电路的输出信号电压基本与输入信号电压的微分成正比。利用微分电路可将方波转变成尖脉冲。

图6－3 RC微分电路

若将R与C位置调换一下，即由C端作为响应输出，且当电路参数的选择满足条件

uiTC微分电路??RC??T2Ruo??RC??T2

时，如图6-4所示即称为积分电路。因为此时电路的输出信号电压基本与输入信

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实验九 三相交流电路电压、电流的测量

实验七 设计性实验

——电阻变化量线性输出电路设计

一、实验目的

1. 综合运用直流电阻电路的分析及设计方法，设计出一个直流电阻电路，使其输出电压与电阻的变化量成正比；

2. 掌握直流电阻电路的设计计算方法； 3. 掌握硬件电路的实现及测量方法。 二、实验要求

对于基准电阻R?1K?，当其阻值增量?R在0?~1000?范围内变化时，电路的输出在0V~10V范围内变化。 三、实验设备及元器件

电工实验台1个，数字万用表1个，1K电阻2个，电阻箱2个，导线若干。 四、实验电路

根据实验目的和要求，自己事先设计并画出实验电路。 五、实验结果

电阻增量0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 ?R(?) 输出电压测量值(V) 六、实验报告

1. 画出实验电路； 2. 填写实验数据； 3. 总结实验心得体会。

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实验九 三相交流电路电压、电流的测量

参考电路

1. 设计思路

观察该实验的实验目的和实验要求可发现，当电阻增量为0时，电路的输出电压亦为0，所以可以考虑用电桥电路，因为电桥平衡时的输出为0。由于电阻增量的存在，所以至少有1个桥臂电阻是可变电阻。通过简单的推导可发现，当4个桥臂电阻中只有1个是可变电阻时，其输出电压与该可变电阻的增量不可能是线性关系，所以同侧的两个桥臂电阻都必需是可变电阻，且它们的阻值变化方向应相反，变化幅度相同。 2. 电路设计及理论推导

根据以上分析，可设计该电路如下图所示：

其输出电压为

R??R1???u???us2R??R?R??R???R??R1? ????us22R??u?s??R2RR??RRusuR??RR在上式中，由于us和R是给定的常数，所以输出电压u与电阻增量?R成线性关系（正比）。

取R?1000?，us?20V，则当?R?0，100?，200?，?，1000?时，其输出电压u的计算值如下表所示：

电阻增量0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 ?R(?) 输出电压计算值(V) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

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