電路基礎(chǔ)試驗講義版

1、1線性與非線性元件伏安特性的測定一.實驗?zāi)康? 學習直讀式儀表和直流穩(wěn)壓電源等儀器的使用方法2掌握線性電阻元件、非線性電阻元件的伏安特性的測試技能3加深對線性電阻元件、非線性電阻元件伏安特性的理解驗證歐姆定律二實驗原理電阻元件是一種對電流呈現(xiàn)阻力的元件，有阻礙電流流動的性能。 當電流通過電阻元件時，電阻元件將電能轉(zhuǎn)換成其它形式的能量.并沿著電流流動的方向產(chǎn)生電壓降。電壓降的大小等于電流的大小與電阻的乘積。電壓降和電流及電阻的這一關(guān)系稱為歐姆定律。U=IR上式的前提條件是電壓 U和電流I的參考方向相關(guān)聯(lián).亦即參考方向一致。如果參考方 向相反則歐姆定律的形式應(yīng)為U = -IR電阻上的電壓和流過它的

2、電流是同時并存的.也就是說，任何時刻電阻兩端的電壓降只由該時刻流過電阻的電流所確定，與該時刻前的電流的大小無關(guān)，因此，電阻元件又被稱為“無記憶”元件。當電阻元件R的值不隨電壓或電流大小的變化而改變時，則電阻R兩端的電壓與流過它的電流成正比例。 我們把符合這種條件的元件稱為線性電阻元件。反之.不符合上述條件的電阻元件被叫做非線性電阻元件。電阻元件的特性除了用電壓和電流的方程式表示外，還可以用其電流和電壓的關(guān)系圖形來表示，該圖形稱為此元件的伏安特性曲線。線性電阻的伏安特性曲線為一條通過坐標原點的直線，該直線的斜率即為電阻值，它是一個常數(shù)。如圖1-1所示。半導體二極管是一種非線性電阻元件。它的電阻值

3、隨著流過它的電流的大小而變化。半導體二極管的電路符號用 牛表示.其伏安特性如圖 1-2所示。由此可見半導體二極管的伏 安特性為非對稱曲線。圖1-1線性電阻的伏安特性圖1-2半導體二極管伏安特性對比圖1-1和圖1-2可以發(fā)現(xiàn)，線性電阻的伏安特性對稱于坐標原點。這種性質(zhì)稱為雙 向性，為所有線性電阻元件所具備。半導體二極管的伏安特性不但是非線性的.而且對于坐標原點來說是非對稱性的，又稱非雙向性。這種性質(zhì)為多數(shù)非線性電阻元件所具備。半導體二極管的電阻隨著其端電壓的大小和極性的不同而不同，當外加電壓的極性和二極管的極性相同時，其電阻值很小，反之二極管的電阻很大。 半導體二極管的這一性能稱為單向?qū)щ娦裕?

4、利用單向?qū)щ娦钥梢园呀涣麟娮儞Q成為直流電。三.實驗內(nèi)容和步驟1 測定線性電阻的伏安特性本實驗在九孔實驗方板上進行。分立元件R=200 Q和R=2000 Q電阻作為被測元件.井按圖1-3接好線路。經(jīng)檢查無誤后打開直流穩(wěn)壓電源開關(guān)。依次調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源的輸出 電壓為表1-11中所列數(shù)值。并將相對應(yīng)的電流值記錄在表1-1中。穩(wěn)壓電源30圖1-3測量電阻的伏安特性電路圖表1-1測定線性電阻的伏安特性U(V)0246810R=200 QI(mA)R=2000 QI(mA)2測量半導體二極管(1) 正向特性圖1-4(a)測量半導體二極管正向伏安特性電路圖按圖1-4(a)接好線路。經(jīng)檢查無誤后，開啟穩(wěn)壓電源

5、輸山電壓調(diào)至R，使電壓表讀數(shù)分別為表1-2中數(shù)值，井將相對應(yīng)的電流表讀數(shù)記于表作圖，在曲線彎曲部分可適當多取幾個測量點。2v。調(diào)節(jié)電位器1-2中，為了便于U(V)00.10.20.30.40.50.550.60.650.70.75I(mA)表1-2測定二極管的正向伏安特性反向特性圖1-4(b)測量半導體二極管反向伏安特性電路圖按圖1-4(b)接好線路。經(jīng)檢查無誤后，開啟穩(wěn)壓電源輸山電壓調(diào)至20v。調(diào)節(jié)可變電阻器使電壓的讀數(shù)分別為表1-3中所列數(shù)值，井將相對應(yīng)的電流表讀數(shù)記入表1-3中。表1-3測定二極管的反向伏安特性U(V)05101520I(mA)3.測定小燈泡燈絲的伏安特性穩(wěn)壓電源名稱數(shù)量

6、1.直流可調(diào)電壓 0-30V板12 電阻33 電位器14二極管15燈座和燈泡16標準型導線若干7標準型短接橋若干8九孔實驗方板1塊9交直流電壓電流表2塊四實驗設(shè)備圖1-5測最小燈泡燈絲伏安特性電路圖本實驗采用低壓小燈泡做為測試對象。接圖1-5接好線路經(jīng)檢查無誤后打開直流穩(wěn)壓電源開關(guān)。依次調(diào)節(jié)電源輸山電壓為 表24所列數(shù)值。井將相對應(yīng)的電流值記錄在表1 -4中。表1-4測定小燈泡燈絲的伏安特性U(V)00. 40. 81 . 21 . 6234568I(mA)MC104610Q X 1 , 200Q X 1, 2k Q X 11k Q X 112V/0,1A X 1200mm X 300mmMC

7、1102 , MC1108五分析與討論1按報告單上所列項日認真填寫實驗報告。2根據(jù)實驗中所得數(shù)據(jù)，在坐標紙上繪制兩個線性電阻、半導體二極管、小燈泡燈絲的伏 安特性曲線。3分析實驗結(jié)果，并得出相應(yīng)結(jié)論。4回答下列思考題：(1 )試說明圖1-4(a)、(b)中電壓表和電流表接法的區(qū)別，為什么 ？( 2)通過比較線性電阻與燈絲的伏安特性曲線分析這兩種元什性質(zhì)的異同。( 3)什么叫雙向元件 ?白熾燈燈絲是雙向元件嗎?2基爾霍夫定律的驗證一 實驗?zāi)康?1通過實驗驗證基爾霍夫電流定律和電壓定律，鞏固所學理論知識 2加深對參考方向概念的理解二 實驗原理基爾霍夫定律是電路理論中最基本也是最重要的定律之一。 它

8、概括了電路中電流和電壓分別遵循的基本規(guī)律。 它包括基爾霍夫節(jié)點電流定律 (KCL) 和基爾霍夫回路電壓定律 (KVL) 。基爾霍夫節(jié)點電流定律：電路中任意時刻流進(或流出 )任一節(jié)點的電流的代數(shù)和等于零。其數(shù)學表達式為：刀 1=0。此定律闡述了電路任一節(jié)點上各支路電流間的約束關(guān)系， 這種關(guān)系與各支路上元件的性 質(zhì)無關(guān)，不論元什是線性的或是非線性的，含源的或是無源的，時變的或時不變的?；鶢柣舴蚧芈冯妷憾?；電路中任意時刻沿任一閉合回路，電壓的代數(shù)和為零。其數(shù) 學表達式為刀 U=0。此定闡明了任一閉合回路中各電壓間的約束關(guān)系。這種關(guān)系僅與電路的結(jié)構(gòu)有關(guān)而 與構(gòu)成回路的各元件的性質(zhì)無關(guān)。 不論這些元

9、件是線性的或非線性的， 含源的或無源的， 時 變的或時不變的。參考方向：KCL 和 KVI 表達式中的電流和電壓都是代數(shù)量。它們除具有大小之外，還有其方向， 其方向是以它量值的正、 負表示的。 為研究問題方便， 人們通常在電路中假定一個方向為參 考稱為參考方向。當電路中的電流(或電壓)的實際方向與參考方向相同時取正值，其實際方向與參考方向相反時取負值。例如，測量某節(jié)點各支路電流時， 可以設(shè)流入該節(jié)點的電流方向為參考方向 (反之亦可 )。 將電流表負極接到該節(jié)點上， 而將電流表的正極分別串入各條支路， 當電流為正值， 表示電 流方向與參考方向相同；當電流為負值，表示電流方向與參考方向相反。測量某

10、閉合電路各電壓時， 也應(yīng)假定某一繞行方向為參考方向。按繞行方向測量各電壓時，若電壓為正值，表示電壓方向與參考方向相同；當電壓為負值，表示電壓方向與參考方 向相反。三 實驗內(nèi)容和步驟1 驗證基爾霍夫電流定律 (KCL) 。本實驗在九孔實驗方板上進行按圖 2-1 接好線路，圖中 x1、 x2、 x3， X4、 x5、 x6 為 節(jié)點 B 的三條支路電流測量接口 (三條支路自己定義 )。在實驗過程中 先將此六個節(jié)點用短接橋連接，在測量某個支路電流時， 將電流表接在該支路接口上，然后拔掉此支路接口上的（反之也可），2-1 中。短接橋即可測量此處的電流。驗證KCL定律時，可假定流入該節(jié)點的電流為正并將表

11、筆負極接在節(jié)點接口上，表筆正極接到支路接口上。將測量的結(jié)果填入表豈 *50 iL X2 B X& 涓 1K:CZZI_匕丫El:治WC1D34TBIZ1046.1 »J 二圖2-1實驗電路圖表2-1驗證基爾霍夫電流定律計算值測量值絕對誤差I(lǐng)1(mA)I2(mA)I3(mA)刀 I(mA)2 驗證基爾霍夫回路電壓定律 （KVL）。-實驗電路與圖2-1相同，用短接橋?qū)⑷齻€電流接口短接。取兩個驗證同路：回路1為ABEFA，同路2為BCDEB。用電壓表依次測取 ABEFA同路中各支路電壓 UAB、UBE、UEF 和UFA : BCDEB回路中各支路電壓 UBC、UCD、UDE、UEB

12、 ,。將測量結(jié)果填入表 2-2中。 測量時可選順時針方向為繞行方向，并注意被測電壓的極性。表2-2驗證基爾霍夫電壓定律單位：vUABUBEUEFUFA回路刀UUBCUCDUDEUEB回路刀U計算值測量值誤差四實驗設(shè)備 名稱數(shù)量型號1 直流可調(diào)電壓030V扳1MCI0462 4-15V及恒流源200mA扳1MC10343 電阻5430 QX 1 , 620 QX 1, 680 QX 14 交直流電壓電流表1MC1108 或 MC1102j標準型導線若干6標準型短接橋若干7九孔實驗方扳1塊200mm x 300mm五分析與討論1. 利用表2-1和表2-2中的測量結(jié)果驗證基爾霍夫兩個定律。2利用電路

13、中所給數(shù)據(jù)，計算各支路電壓和電流，并計算刪量值與計算值之問的誤差，分 析誤差產(chǎn)生的原因。3 回答下列問題1) 已知某支路電流約為 3mA，現(xiàn)有一電流表分別有 20mA,200mA和2A三擋量程.你將使 用電流表的哪檔量程進行測量？為什么？2) 改變電流或電壓的參考方向，對驗證基爾霍犬定律有影響嗎？為什么？3 戴維南定理和諾頓定理實驗一 實驗?zāi)康腎通過實驗驗證戴維南定理和諾頓定理加深對等效電路概念的理解2學習用補償法測量開路電壓。二實驗原理1 對任何一個線性含源一端口網(wǎng)絡(luò)(如圖3-1(a)，根據(jù)戴維南定理，可以用圖3-1(b)所示電路代替；根據(jù)諾頓定理，可以用圖3-1(c)所示電路代替。其等效條

14、件是：UOC是含源一_“c廠=5_c l p一端口網(wǎng)絡(luò)C、D兩端的開路電壓；ISC是含源一端口網(wǎng)絡(luò) C、D兩端短路后的短路電流； 電阻R是把含源一端口網(wǎng)絡(luò)化成無源網(wǎng)絡(luò)后的入端電阻。& D DL_._-_1_J.-D D(a)含源一端口網(wǎng)絡(luò)(b)用戴維南定理等效替代(c)用諾頓定理等效替代圖3-I等效電源定理用等效電路替代一端口含源網(wǎng)絡(luò)的等效性，在于保持外電路中的電流和電壓不變， 即替代前后兩者引出端鈕間的電壓相等時， 流出(或流入)引出端鈕的電流也必須相等 (伏安特性相 同)。2. 含源一端口網(wǎng)絡(luò)開路電壓的測量方法。(1) 直接測量法：當含源一端口網(wǎng)絡(luò)的入端等效電阻Ri與電壓表內(nèi)阻 R

15、v相比可以忽略不計時，可以直接用電壓表測量其開路電壓Uoc。(2) 補償法當一端口網(wǎng)絡(luò)的入端電阻Ri與電壓表內(nèi)阻 Rv相比不可忽略時，用電壓表直接測量開路電壓，就會影響被測電路的原工作狀態(tài)，使所測電壓與實際值間有較大的誤著。補償法可以排除電壓表內(nèi)阻對測量所造成的影響。圖3-2是用補償法測量電壓的電路，測量步驟如下：1) 用電壓表初測一端口網(wǎng)絡(luò)的開路電壓，井調(diào)整補償電路中分壓器的電壓，使它近似等丁初測的開路電壓，2) 將C、D與C' D'對應(yīng)相接.再細調(diào)補償電路中分壓器的輸出電壓.使檢流計G的指示為零。因為 G中無電流通過，這時電壓表指示的電壓等于被測電壓并且補償電路的接入沒有影

16、響被刪電路的工作狀態(tài)。圖3-2補償法測一端口網(wǎng)絡(luò)的開路電壓3. 端口網(wǎng)絡(luò)入端等效電阻Ri的實驗求法：入端等效電阻 Ri，可根據(jù)一端口網(wǎng)絡(luò)除源 （電壓源短路、電流源開路，保留內(nèi)阻）后的無源網(wǎng)絡(luò)通過計算求得也可通過實驗的辦法求出。1）測量含源一端口網(wǎng)絡(luò)的開路電壓Uoc和短路電流Isc,貝UUoc1 SC2）將含源一端口網(wǎng)絡(luò)除源，化為無源網(wǎng)絡(luò)P,然后按圖33接線，測量Us和I,則Usp® Q D圖3-3測量一端口無源網(wǎng)絡(luò)輸入端電阻三.實驗內(nèi)容和步驟本實驗在九孔方板上進行，按圖34接線使U1=25V，本實驗選擇 C、D兩端左側(cè)為一端口含源網(wǎng)絡(luò)。300 RjK*庇O1 IQ1. _F305E4

17、30圖3 4實驗電路1.測量含源一端口網(wǎng)絡(luò)的外部伏安特性：調(diào)節(jié)一端口網(wǎng)絡(luò)外接電阻 RL的數(shù)值.使其分別為表3 一 I中的數(shù)值.測量通過RL 的電流(X5和X6電流接口處電流表讀數(shù))和CD兩端電壓，將測量結(jié)果填入表3 1中.其 中RL=0時的電流稱為短路電流。表3 一 I測量含源一端口網(wǎng)絡(luò)的外部伏安特性RL( Q)05101k1.5k2k2.5k開路I(mA)U(V)2驗證戴維南定理(1) 分別用直接測量法和補償法測量C、D端口網(wǎng)絡(luò)的開路電壓 UOC ;(2) 用補償法(或直接測量法)所測得的開路電壓UOC和步驟1中測得的短路電流(RL=O)ISC，計算C、D端入端等效電阻UOCRCD RiI

18、SC(3) 按圖3 一 l(b)構(gòu)成戴維南等效電路，其中電壓源用直流穩(wěn)壓電源代替，調(diào)節(jié)電源輸出電壓，使之等于 UOC, Ri用電阻箱代替，在 C、D端接入負載電阻 RL,如圖3-5所示。 按表3 一 I中相同的電阻值，測取電流和電壓，填入表32。圖35戴維南定理的驗證(4)將表3 一 I和表3-2中的數(shù)據(jù)進行比較，驗證戴維南定理。 表3-2驗證戴維南定理RL( Q)05101k1.5k2k2.5k開路I(mA)U(V)3驗證諾頓定理圖3-6諾頓定理的驗證按圖3-6接線，構(gòu)成諾頓等效電路， 其中Isc需要用可調(diào)電流源與 Ri并聯(lián)，接上負載電 阻RL,使其阻值分別為表 3-1中的值，測量電流和電壓

19、填入表 3-3，比較表3 1和表3-3中 的數(shù)據(jù)，驗證諾頓定理。表3-3驗證諾頓定理RL( Q)05101k1.5k2k2.5k開路l(mA)U(V)四實驗設(shè)備名稱數(shù)量型號l直流可調(diào)電壓030V板1MCI0462± 15V電壓源和200mA恒流源1MCI0343 電阻5430 Q X 1, 620Q X l ,680QX 1,820 Q X 1 1k Q X 14電位器15.1k Q X5交直流電壓電流表1MC1102 或 MC11086標準型導線若干7 標準型短接橋若干8九孔實驗方板1塊200mm X 300mm五分析與討論1.在同一張坐標紙上畫出原一端口網(wǎng)絡(luò)和各等效網(wǎng)絡(luò)的伏安特性

20、曲線，并做分析比較，說明如何驗證戴維南定理和諾頓定理。2 同答問題對于圖3-2，如果在補償法測量開路電壓時，將C'和D相接，D '與C相接，能否達到測量電壓UOC的目的？為什么？4 .電壓源與電流源的等效變換一.實驗?zāi)康? 通過實驗加深對電流源及其外特性的認識2 掌握電流源和電壓源進行等效變換的條件二實驗原理電流源是除電壓源以外的另一種形式的電源.它可以給外電路提供電流。電流源可分為理想電流源和實際電流源 （實際電流源通常簡稱電流源 ），理想電流源可以向外電路提供一個 恒值電流，不論外電路電阻的大小如何。理想電流源具有兩個基本性質(zhì)：第一，它的電流是 恒值的.而與其端電壓的大小無

21、關(guān)；第二，理想電流源的端電壓井不能由它本身決定，而是 由與之相聯(lián)接的外電路確定的。理想電流源的伏安特性曲線如圖4 一 I所示-當實際電流源的端電壓增加時，通過外電路的電流并非恒定值，而是要減小。端電壓越高，電流下降得越多；相反，端電壓越低，通過外電路的電流越大.當端電壓為零時，流過 外電路的電流最大，為 I s。實際電流源可以用一個理想電流源I s種一個內(nèi)阻Rs相并聯(lián)的電路模型表示。實際電流源的電路模型及伏安特性如圖4 2所示圖4. 2實際電流源及其伏安特性某些器件的伏安特性具有近似理想電流源的性質(zhì)，如硅光電池.晶體三極管輸出特性等。本實驗中的電流源是用晶體管來實現(xiàn)的。晶體三極管在共基極聯(lián)接時

22、集電極電流Ic和集電極與基極間的電壓UCB的關(guān)系如圖4-3所示。由圖可見lc=f(UCB)關(guān)系曲線的平坦部分具有恒流特性，當 UCB在一定范圍變化時，集電極電流Ic近乎恒定值，可以近似地將其視為理想電流源。圖4_3三極管伏安特性電源的等效變換：一個實際的電源，就其外部特性而言. 既可以看成是一個電壓源， 也可以看成是一個電流源。原理證明如下：設(shè)有一個電壓源和一個電流源分別與相同阻值的外電阻R相接，如圖44所示。對于電壓源來說電阻 R兩端的電壓U和流過R的電流I間的關(guān)系表示為：U 二Us -IRsUs -U二 R圖4-4實際電源的兩種等效電路對于電流源電路來說，電阻R兩端的電壓U和流過它的電流I

23、間的關(guān)系可表示為:Rs或 U = I sRs - IRs如果兩種電源的參數(shù)滿足以下關(guān)系:UsRs(4-1)(4-2)Rs = Rs則電壓源電路的二個表達式可以寫成:U "s - IRs=I s Rs _ IRsUs-URs可見表達式與電流源電路的表達式是完全相同的，也就是說，在滿足(4-1)式和(4-2)式的條件下，兩種電源對外電路電阻R是完全等效的。若將兩種電源互相替換，對外電路將不發(fā)生任何影響。(4-1)式和(4-2)式為電源等效互換的條件。利用它可以很方便的把一個參數(shù)為Us和Rs 的電壓源變換為一個參數(shù)為 I s二歸 和Rs的等效電流源；反之也可以容易地把一個電流Rs源轉(zhuǎn)換成一

24、個等效的電壓源。三.實驗內(nèi)容和步驟4-5(a)接好電路，其等效電路如圖4-5(b)所示。1 測試理想電流源的伏安特性。此實驗在九孔方板上進行。按圖實驗電路(b)等效電路圖4-5測量電源伏安特性的實驗電路及等效電路圖中Ee和Ec由雙路直流穩(wěn)壓電源提供.調(diào)節(jié)電位器Re.使lc=8mA。按表4一 I中的數(shù)值從小到人依次調(diào)節(jié)電阻RL的值，記錄電流相對應(yīng)的讀數(shù).填入表 4 1中。表41測試理想電流源的伏安特性RL( Q)02004006008001kIc(mA)U(V)2測試實際電流源的伏安特性。將圖45(a)中與RS串聯(lián)的開關(guān)閉合其實際電路如圖4 5(a)所示，其等效電路如圖45(b)所示，其中 RS

25、=lk Q。調(diào)節(jié)Re使lc=8mA ,改變RL使其分別為表42中數(shù)值.記錄相對應(yīng)的IL值填入表中。 表4-2測試實際電流源的伏安特性RL( Q)02004006008001kIc(mA)U(V)3.電流源與電壓源的等效變換。根據(jù)電源等效變換的條件，圖46(a)所示電流源可以變換成一個電壓源，其參數(shù)為Us=lc x Rs=8mA x 1kQ =8V ,等效電路如圖46所示，按圖4組成電路。其中Us由直流穩(wěn) 壓電源提供(要用實驗用電壓表測量),RL用電阻箱，Rs用1kQ固定電阻。RL為表4 3中 數(shù)值，記錄對應(yīng)的電流值 IL ,填入表4 3中。比較表4 2和表4 3中的數(shù)據(jù).驗證實際 電流源(圖4

26、 6)與實際電壓源(圖47)的等效性。圖4 6 等效性驗證表43電流源與電壓源的等效變換RL( Q)02004006008001klc(mA)U(V)四實驗設(shè)備名稱數(shù)量型號L.直流可調(diào)電壓 030V板1MCI0462 .土 15V電壓源和200mA恒流源lMCI0343 電阻箱2ZX2I4電阻2300Q X 1, 1kQ X 15 電位器21kQ X 1, 5.1kQ X6 三極管190137交直流電壓電流表1MC1108 或 MC1102&標準型導線若干9 .標準型短接橋若干10 九孔實驗方板1塊200mm X 300mm五分析與討論1.根據(jù)表4-1，表4-2，表4-3中的實驗數(shù)據(jù)繪

27、制理想電流源、實際電流源以及電壓源的伏 安特性曲線。2 比較兩種電源等效變換后的結(jié)果，井分析產(chǎn)生誤差的原因。3 回答下列問題：(1) 電壓源和電流源等效變換的條件是什么？(2) 理想電流源和理想電壓源是否能夠進行等效變換？為什么？5.階電路實驗.實驗?zāi)康? 觀察一階電路的過渡過程研究元件參數(shù)改變時對過渡過程的影響2 學習函數(shù)信號發(fā)生器和示渡器的使用方法二實驗原理RC電路在脈沖信號的作用下，電容器充電，電容器上的電壓按指數(shù)規(guī)律上升，即(51)Uc(t)二U(1-e")Uc隨時間上升的規(guī)律可用曲線表示，如圖圖5 1RC充電過渡過程圖5 2 RC放電過渡過程電路達到穩(wěn)態(tài)后將電源短路，電容器

28、放電，其電壓按指數(shù)規(guī)律衰減，即(52)Uc(t) =Ue2/Uc隨時間衰減的規(guī)律可以用曲線表示。如圖5 2所示。其中-=RC稱為電路的時間常數(shù)，它的太小決定了過渡過程進行的快慢。其物理意義是電路零輸入相應(yīng)衰減到初始值的36.8 %所需要地時間，或者是電路零狀態(tài)相應(yīng)上升到穩(wěn)定值的63.2 %所需要的時間，雖然真正到達穩(wěn)態(tài)所需要的時間無限大，但通常認為經(jīng)過(35)的時間，過渡過程就基本結(jié)束，電路進入穩(wěn)態(tài)。對于一般電路時間常數(shù)均較小，在毫秒甚至微秒級，電路會很快達到穩(wěn)態(tài)。一般儀表 尚來不及反應(yīng)，過渡過程已經(jīng)消失。因此，用普通儀表難以觀測到電壓隨時間的變化規(guī)律。 示波器可以觀測到周期變化的電壓波形，如

29、果使電路的過渡過程按一定周期重復出現(xiàn)，在示波器熒光屏上就可以觀察到穩(wěn)定的過渡過程波形.本實驗用函數(shù)信號發(fā)生器作實驗電源，由它產(chǎn)生一個周定頻率的方波，模擬階躍信號。在方波的前沿相當于接通直流電源，電容器通過電阻充電，如圖 5 1;方波后沿相當于電源短路，電容器通過電阻放電.如圖5 2。方波周期性重復出現(xiàn)，電路就不斷地進行充電、放電。將電容器兩端接到示波器輸入端，就可 觀察到一階電路充電、放電的過渡過程。用同樣的辦法也可以觀察到RL電路的過渡過程。三.實驗內(nèi)容和步驟1 觀察并記錄RC電路的過渡過程(1) 觀察并記錄電容器上的過渡過程按圖5 3接好電路。調(diào)節(jié)方波頻率為IkHz .并使占空比為I: I

30、，方波幅值為2 5V，圖中R=300 Q , C=0.1卩F。觀察示波器上的波形。調(diào)節(jié)示波器的放大倍率，放大過渡曲線，從 波形圖上測量電路的時間常數(shù) ，計算測量誤差，然后與用電路參數(shù)的計算時間常數(shù)相比 較，分析二者不同的原因。脈沖信號源-cmp-dC o-lu F-1"揺請波晏圖5-3 實驗電路1(2) 觀察并記錄參數(shù)改變對Uc(t)過渡過程的影響將電路參數(shù)改為 R=820 Q , C=0.1卩F,重復步驟的實驗內(nèi)容。(3) 按圖5-4接好電路，觀察并記錄電阻上電壓隨時間的變化規(guī)律UR(t)C 0. Ip fUn (t)圖5-4 實驗電路2R= 300 Q , C=0.1 u F ,

31、調(diào)整方波頻率為IkHz ,方波幅值為2. 5V,觀察電阻上電壓 UR(t) 的波形，井川坐標紙記錄下所觀察到的波形。(4) 將電路參數(shù)改為 R=820 Q . C=0.1 u F .重復的實驗內(nèi)容。2 觀察并記錄RL電路的過渡過程(1) 按圖5-5接好電路，調(diào)節(jié)頻率為1kHz .方波幅值為2.5V，占空比1: 1 ;使R=300 Q ,L=22mH，觀察并記錄電感上的電壓波形UL(t)。脈沖信號源K 30Di?.圖5-5實驗電路3(2) 改變參數(shù)，使 R=820 Q , L=22mH，重復步驟(1)的實驗內(nèi)容。(3) 按圖5 6接線.使R=300 Q . L=22mH，觀察并記錄電阻 R上的電

32、壓波形 uR(t)(4) 改變參數(shù)值 R=820 Q , L=22mH .重復步驟的實驗內(nèi)容。圖5-6 實驗電路4四實驗設(shè)備名稱數(shù)量型號函數(shù)信號發(fā)生器1TFG2006 DDS示波器1CS 一 4125A電阻2300 Q X 1 ,820 Q X 1電容電感標準型導線11若干0.1u FX 122mH標準型短接橋若干九孔實驗方板1塊200mm x 300mm五分析與討論1 用坐標紙繪制所觀察到的各種波形。2 說明元件參數(shù)的變化對過渡過程的影響.3 為什么實驗中要使 RC電路的時間常數(shù)較方波的周期小很多？如果方波周期較 RC電路時間常數(shù)小很多，會出現(xiàn)什么情況 ？6 二階電路過渡過程實驗 一.實驗?zāi)?/p>

33、的1 .觀察R、L、C串聯(lián)電路的過渡過程2了解二階電路參數(shù)與過渡過程類型的關(guān)系3 學習從波形中測量固有振蕩周期和衰減系數(shù)的方法 二實驗原理R、L、C串聯(lián)電路如圖6 一 1所示，它可以用線性二階常系數(shù)微分方程描述其規(guī)律:.d2uC , duC.(6-1)lc1F rc1T Uc uUMUcT c圖6-1 RLC串聯(lián)電路其微分方程的解等于對應(yīng)的齊次方程的通解uC和它的特解UC之和，即Uc 二 UuC其中 Uc =Us , Uc = AetAze't即Uc = Ae55' Aee't Us(62)A1和A2是由初始條件決定的常數(shù)；si和S2是特征方程的根，由電路的參數(shù)決定。由

34、于電路參數(shù)R、L、C之間的關(guān)系不同，電路響應(yīng)會出現(xiàn)下述三種情況。當R時，響應(yīng)是非振蕩的，稱為過阻尼情況,uC隨時間的變化曲線如圖6-2所示。(2)當R=2.；時，響應(yīng)是臨界狀態(tài)的，稱為臨界阻尼情況,uC隨時間的變化曲線如圖6-2所示。(3) 當R £2業(yè) 時，響應(yīng)時衰減振蕩的，成為欠阻尼情況,所示。uC隨時間的變化曲線如圖6-22 振蕩周期T和衰減系數(shù)3的測量方法當電路處于欠阻尼情況時，響應(yīng)uc的表達式為Uc=Us1_ e"sin(t _tg)(6-3)oo其振蕩波形如圖6-3(a)所示其中2 二T 振蕩周期，©R衰減系數(shù)(其中R為回路總電阻),2L1'&

35、#39;0固有頻率。LC在電流I的波形圖上，若第一個正峰點出現(xiàn)的對刻為t1,第二個正峰點出現(xiàn)的時刻為t2,則衰減振蕩周期T=t2-t1(6-4)(a)(b)圖6-3 RLC串聯(lián)電路欠阻尼振蕩若第一個正峰值為Im1，第二個正峰值為Im2，則有I mi 二 Ustl sin 弋 國LI m2 = Ust2 sin -t2® L所以1 m21 m2(6-5)三.實驗內(nèi)容和步驟1 按圖6 4接線，c=0.01u F, L=10mH，電阻元件用電阻箱；方波激勵信號取自函數(shù)信號示波器2 使R在04kQ間變化，用示波器觀察 uC和I在欠阻尼（衰減振蕩）、臨界阻尼和過阻尼情況下的各種波形，把三種狀態(tài)

36、下的波形描繪在坐標紙上.井根據(jù)衰減振蕩波形測量和計算衰減系數(shù)和衰減振蕩周期 （3和T）。3 .仔細觀察 R改變時波形的變化，找到臨界狀態(tài)，記錄此時的電阻值，井與計算值R=2、_L/C相比較。四實驗設(shè)備 名稱數(shù)量型號1 函數(shù)信號發(fā)生器1TFG2006 DDS2.示波器1CS-41253 電容l0.01 卩 FX 14.電感110mH5 電位器15.lk Q X l6 標準型導線若干7 標準型短接橋若干&九孔實驗方板1塊200mm X 300mm五實驗報告要求1 寫清實驗?zāi)康?，畫出實驗電路? 繪制過渡過程中的欠阻尼 （衰減振蕩）、臨界阻尼、過阻尼三種波形圖，在圖上測量并計 算3和T,井與

37、按參數(shù)值計算的結(jié)果相比較。7.研究LC元件在直流電路和交流電路中的特性實驗一.實驗?zāi)康? 研究電感元件和電容元件在直流電路和交流電路中的不同特性2. 加深正弦交流電路中向量和向量圖概念的理解二實驗原理線性電感元件上的電壓、電流關(guān)系為I di u = L dt由上式可以看出，電感元件是一個動態(tài)元件， 它在電路中（如圖7 1）顯示的性質(zhì)和通過 元件電流的變化率有關(guān)， 當電路中電流不隨時間變化時， 它兩端的電壓為零， 故電感元件在 直流穩(wěn)恒電路中相當于短路線。u圖7-1電路中的電感元件如果電感元件L接在交流電路中，則它的動態(tài)性質(zhì)就表現(xiàn)為感抗（XL= wL）的形式。感抗與頻率成正比，隨頻率的增高而增大

38、，表明電感在高頻下有較大的感抗；當w很小時，XL= wL-0，電感相當于短路線。所以，電感元件在電路中通常用做接通直流和低頻訊號，阻礙高 頻信號通過的元件。線性電容元件上的電壓和電流關(guān)系為du i 二Cdt顯然，電容元件也是一個動態(tài)元件，它在電路中（如圖72）顯示的性質(zhì)和元件上電壓的變化率有關(guān)，當電壓不隨時間變化時，電流為零，這時電容元件相當于開路，故電容元件 在穩(wěn)態(tài)直流電路中有隔斷電流 （簡稱隔直）的作用。（Xc = 1 ）的形式，容«c圖7-2電路中的電容元件如果將電容元件接在交流電路中，它的動態(tài)特性就表現(xiàn)為容抗 抗與頻率成反比。當一時，XC > 0，即相當于短路；而當用=

39、0 （直流）時，XC 、-,即電容相當于開路。所以電容元件在電路中通常用做通高頻、阻低頻、隔直流信號的元件。 在_止弦交流電路中，電壓、電流都是用向量表示的?；鶢柣舴蚨傻南蛄啃问綖?=0, U = 0對于圖7-3所示電路，如果用交直流電壓電流表測量各支路電流和元件上電壓的有效值 后，我們可以用兩種辦法建立這些量的向量芙系。U112圖7-3交流電路1 通過計算或測量，求出各元件的阻抗角，然后根據(jù)己知的阻抗角畫出電路的向量圖。電路中電阻R和燈泡均為電阻性負載，阻抗角為零，線圈具有電感L和電阻r,其阻抗角= ig1 L。我們可取某一向量 側(cè)如I2）為參考向量=畫山（超前I2相位;：角）=畫h r（

40、與U,同相位）=求和I二I, i2=畫U2（與I同相位）=畫U =U, U2。電壓和電流向量圖如圖74所示。圖7-4電壓與電流向量圖2 如果元件的阻抗角不知道，在測得|1,、|2和I之后，根據(jù)刀I =0,這三個電流應(yīng)構(gòu)成一閉合三角形，用幾何作圖法，就可以得到|1、|2和I間的向量關(guān)系，也可畫出U,、U2和U 之間的向量關(guān)系，如圖 75。圖7-5 電流向量圖三.實驗內(nèi)容和步驟11. 按圖7-6（a）接線。圖中燈泡取自三相負載單元板上的60W燈泡，串聯(lián)兩個。電容C取自電容扳（MC1060）上的2 u F 一個，實驗電源使用交直流可調(diào)電源0240V板，調(diào)節(jié)調(diào)壓器，使整流橋直流輸出電壓U=220V ,

41、將此直流電壓加到燈泡與電容的串聯(lián)電路，用交直流電壓電流表測量電流和電壓，填入表 7 1中。將一開關(guān)與電容并聯(lián)撥動開關(guān)， 觀察燈泡亮度的變化，同樣用交直流電壓電流表測量電流和電壓，填入表71中。2調(diào)節(jié)調(diào)壓器電壓輸出， 將220V交流電壓加到圖 7-6(b)所示電路上，用交直流電壓電流表 測量燈泡與電容串聯(lián)時的電流和電壓以及用開關(guān)短接電容時的電流和電壓，并觀察燈泡亮度的變化。將實驗結(jié)果填入表 7 一 I中。表7一 I測定C元件在直流和交流電路中的特性燈泡亮度電流1 (A)U1(V)U2(V)直流220V短接C串聯(lián)C交流220V短接C串聯(lián)C3. 將圖76中的電容C,換成電感L(本實驗用實驗板 MC1

42、057上的日光燈鎮(zhèn)流器， 實為L 與r串聯(lián))，重復步驟1和2的實驗內(nèi)容，將結(jié)果填入表72中。圖7-7向量關(guān)系驗證電路表72測定L元件在直流和交流電路中的特性燈泡亮度電流1 (A)U1(V)U2(V)直流220V短接L串聯(lián)L交流220V短接L串聯(lián)L4. 按圖7 7接線，取四個60W燈泡，電容C取2 u F，調(diào)節(jié)調(diào)壓器，使 U=220V ,洲量各 支路電流及各段電壓，填入表7 3中。表73測定各支路電流及各段電壓測量項目1U(V)U1(V)U2(V)I(A)I1(A)I2(A)數(shù)據(jù)四實驗設(shè)備名稱數(shù)量型號1交直流可調(diào)電壓 0240V板1MC11032.交直流電壓電流表板1MC1102 或 MC110

43、83電容板1MC10594.日光燈鎮(zhèn)流器板1MC10135.三相負載扳1MC11006.安全型導線若干7安全型短接橋若干五分析與討論1對實驗1、2、3步驟中所觀察到的現(xiàn)象及測量的數(shù)據(jù)作出解釋，說明L、C元件在直流和交流電路中表現(xiàn)出的不同特性。2. 根據(jù)實驗步驟4所測得的數(shù)據(jù)，畫出向量圖，驗證交流電路中的基爾霍夫定律8正弦交流電路中 RLC的特性實驗一.實驗?zāi)康?. 通過實驗進一步加深對對R、L、C元件在正弦交流電路中基本特性的認識2. 研究RLC元件并聯(lián)電路中總電流和各支路電流之間的關(guān)系 二實驗原理線性時不變電路在正弦信號激勵下的響應(yīng)，可以通過該電路的微分方程式來求得。其解是由對應(yīng)的齊次方程式

44、的通解和非齊次方程式的特解組成。特解即是該電路的穩(wěn)態(tài)解， 其函數(shù)形式與激勵函數(shù)一樣也是正弦量。如果運用相量法求電路的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，則可以不必列出電路的微分方程，只需列出相量的代數(shù)方程便可求出電路的穩(wěn)態(tài)解，從而使電路的運算大為簡化。1. R、L、C元件電壓與電流間的相量關(guān)系對于電阻元件來說，在正弦交流電路中的伏安關(guān)系和直流電路的形式是一樣的。其相量關(guān)系為U 二 rI（8 一 1）其中U;u, If'，分別為電壓相量和電流相量。將其代入（81）式，有U u = R I 1此式說明電壓有效值與電流有教值符合歐姆定律，井且電壓與電流同相位（，U h卩i）。電阻元件阻值大小與頻率無關(guān)。對于電容元件來說，其電壓與電流間的相量關(guān)系為:(82)132A其中，。Xc十 將其代入(8-2)式，有1U . II.； -90oC此式說明電容 C端電壓的有效值與電流的有效值之間不僅與電