电路分析基础实验指导书.docx
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电路分析基础实验指导书
电路分析基础实验
指导书
课程名称：
电路分析基础实验
英文名称：
FundamentalExperimentsBasicofCircuitAnalyse
课程编号：
CS04003
主讲教师：
吴建辉
学分：
3.0
学时：
16
开课学期：
秋季
一、本课程的目的与任务
本课程是电子信息类，物联网与智能等专业必修的一门重要的专业基础课。
在学习数学、物理课程之后，电路分析是电子信息类、电气工程与自动化等专业本科生接触的第一门专业基础课，而实验是该课程教学的重要内容，是理论联系实际的重要手段。
学生通过实验可以验证和巩固所学的理论知识，熟悉有关仿真工具及各源器件的原理和使用方法，训练学生进行电路实验的基本技能，培养学生分析、归纳、总结实验数据和实验现象的能力，进而进行综合性实验和设计性实验，增强创新意识和解决实际工程问题的能力。
二、本课程实验内容及具体要求
1、实验理论方面：
理解各实验原理、主要仿真工具组成原理和测试原理。
2、实验教学方面：
掌握仿真工具WORKBENCH中示波器、信号源、直流电源的使用方法及各种电量和参数的测量方法。
3、对学生能力培养的要求：
能根据基本理论、实验仪器和设施，设计一些简单的实验，并能测试相关参数加以核对。
三、基本教学内容
1.基本技能训练
常用元器件、集成电路的性能和参数。
电路的直流分析，电路的时域频域分析，交流电路测量；常用基本电路的原理及特性；电子仪器仪表和常用电器设备使用训练；
2．综合设计训练
设计典型综合电路：
如加法器，负阻抗电路设计，RC移相电路等，直流电源；应用计算机辅助设计、分析；在仿真工具上绘制电路，分析和排除实验故障；验证设计,测试、记录实验现象参数。
3.工程综合实践
常见仿真软件的特点及使用（如WORKBENCH）；应用WORKBENCH完成系统设计的整个过程：
电路设计输入，计算机仿真分析，在电路图中验证（或部分验证）；调试测量；设计报告。
四、实验项目与学时分配
序号
实验项目
学时数
实验类型
1
WorkBench软件学习
1
验证性实验
2
KCL与KVL的验证
1
验证性实验
3
回路法或网孔法求支路电流（电压）
1
验证性实验
4
节点法求支路电流（电压）
1
验证性实验
5
加法运算放大器设计
1
设计性实验
6
电路叠加原理
1
验证性实验
7
替换原理的验证
1
设计性实验
8
单口网络测试
1
验证性实验
9
戴维南、诺顿定理的定量验证
2
设计性实验
10
一阶电路的零输入、零状态、全响应响应验证
2
验证性实验
11
相量模型的网孔分析
1
验证性实验
12
正弦稳态最大功率传递定理的验证
1
验证性实验
13
理想变压器的分析和验证
2
验证性实验
总计
16学时
五、授课计划与学时安排
本课程实验16学时，基本覆盖本课程所有讲解内容，采取课程全部授课完毕后实验温习验证本课程所涉及知识的方式。
六、实验考核与评分方法
1、学生进实验室要求有预习报告并检查；
2、实验做完后对每一学生完成情况和解决问题的能力进行考核，并提出相应存在问题进行质疑；
3、对实验报告给予评分（特别要求总结存在哪些问题，如何解决）；
4、综合每项实验状况给出成绩。
目录
一、本课程的目的与任务1
二、本课程实验内容及具体要求1
三、基本教学内容1
四、实验项目与学时分配2
五、授课计划与学时安排3
六、实验考核与评分方法3
实验一WORKBENCH软件学习6
一．基本知识点6
二．实验概述6
三．实验内容7
四．引申题9
实验二KCL与KVL的验证10
一．实验目的10
二．基本知识点10
三．实验内容10
四．引申题11
实验三回路法或网孔法求支路电流（电压）12
一．实验目的12
二．基本知识点12
三．实验内容12
四．引申题13
实验四节点法求支路电流（电压）14
一．实验目的14
二．基本知识点14
三．实验内容14
四．引申题15
实验五加法运算放大器设计16
一．实验目的16
二．基本知识点16
三．实验内容16
四．引申题17
实验六电路叠加原理18
一．实验目的18
二．基本知识点18
三．实验内容19
四．引申题19
实验七替换原理的验证21
一．实验目的21
二．基本知识点21
三．实验内容21
四．引申题22
实验八单口网络测试23
一．实验目的23
二．基本知识点23
三．实验内容23
四．引申题23
实验九戴维南和诺顿定理的验证25
一．实验目的25
二．基本知识点25
三．实验内容25
四．引申题26
实验十一阶电路的零输入、零状态、全响应验证27
一．实验目的27
二．基本知识点27
三．实验内容28
四．思考题29
实验十一相量模型的网孔分析30
一．实验目的30
二．基本知识点30
三．实验内容31
实验十二正弦稳态最大功率传递定理的验证32
一．实验目的32
二．基本知识点32
三．实验内容33
实验十三理想变压器的分析与验证34
一．实验目的34
二．基本知识点34
三．实验内容34
四．思考题35
实验一WORKBENCH软件学习
1．基本知识点
学习WORKBENCH软件基本操作方法及直流工作点分析、交流频率分析、瞬态分析，参数扫描分析四种分析法
2．实验概述
EWB是ElectronicsWorkbench（电子工作平台）的简称，是加拿大InteractiveImageTechnologies公司于1988年推出的一种电子设计、电路仿真软件。
它采用原理图输入方式，为设计者提供了各种常用的电子元器件、测量仪器和分析工具，是目前应用较广泛的一种EDA软件。
学习掌握EWB对我们学习电路分析基础这门课程有着实践上的推进作用，也为对电路分析仿真提供了很好的切入平台。
1.EWB窗口介绍
运行EWB软件将弹出如下窗口：
主窗口中包括菜单栏、工具栏、元件库三个子窗口。
菜单栏包括file、Edit、Circuit、Analysis、Window和Help六个下拉式菜单。
工具栏提供一些常用功能的快捷按钮，每个快捷按钮都和菜单栏中的某一项相对应。
元件库包含了EWB软件所能提供的所有元件，用以进行分析的电路图就是从这些元件库中选出合适的元件连接而成的。
最左端的一个元件库
是用户定制的，可以将一些常用元件放置其中，再次使用时就不必到其他元件库中去逐个寻找。
方法是在EWB提供的元件库中找出想要的元件，鼠标放置其上按右键，选中“AddtoFavorites”，此元件就被加入到了最左端的“Favorites”元件库中。
用户在图形显示区域内编辑进行分析的电路图。
EWB有12个元器件库，如下图从左至右依次为：
电源库、基本元件库、二极管库、晶体管库、模拟集成电路库、混合集成电路库、数字集成电路库、逻辑门库、数字器件库、指示器件库、控制器件库、其他器件库等。
各个元器件库中的元器件还望同学们自己熟悉。
2.元器件属性的设置
用鼠标双击需要进行属性设置的元器件，则会出现元器件属性的设置对话框，在对话框中进行属性设置，其中Label标签下的Label框中输入的内容即为元器件的名称，其他数量单位之类的设置同学们可以自己尝试。
3.元器件位置与方向的调整
位置调整：
用鼠标单击元器件，拖动鼠标至合适位置即可。
方向调整：
用鼠标选中某个或多个元器件，单击工具栏中的按钮
（分别为旋转按钮、水平按钮、垂直按钮），可调整元器件的方向。
4.元器件的连接
将光标移近某个元器件的连接点时，该连接点处会出现一个黑点。
此时按住鼠标左键，移动光标到另一个器件的连接点上，在此连接点处出现另一个黑点时放开鼠标，两个连接点就连好了。
3．实验内容
1.直流工作点分析
直流工作点的分析是对电路进行进一步分析的基础。
在分析直流工作点之前，要选择“Circuit”菜单下“SchematicOption”中“shownode”项，以把电路的节点号显示在电路上。
试简单运用直流工作点分析分析以下电路：
2.交流频率分析
交流频率分析是分析电路的频率特性。
需先选定被分析的电路的节点，在分析时，电路的直流源将自动置零，交流信号源、电容、电感等均处于交流模式，输入信号也设定为正弦波形式。
创建好上述电路图，执行“ACfrequency”命令，其中SweepType提供了三种不同的AC扫描方式，其中Linear表示线性扫描，选择好开始频率、终止频率、扫描点数；Verticalscale表述输出图像纵坐标标尺；最后选择需要分析的点。
单击“Simulate”按钮运行。
3.瞬态分析
瞬态分析观察所选定的节点在整个显示周期中每一个时刻的电压波形。
在进行瞬态分析时，直流电源保持常数，交流信号源随着时间而改变，电容和电感都是储能元件。
创建下述电路图：
执行“Transient”命令，弹出对话框后，提供了三种初始值，选择好开始时间、终止时间、步长，最后选择要分析的节点。
运行绘制瞬态响应图。
4.参数扫描
方法分析电路，可以观察某元件参数在一定范围内变化时对电路特性的影响，若采用下图作为待分析的电路图，选择“Analysis“下”ParameterSweep“项选择改变R1的参数，选取变化范围为0.5-1.5，增量选0.5，绘制瞬态响应图。
4．引申题
1.EWB虚拟仪表工具的使用及相关参数的设置
2.运用上面所述知识验证自己设计电路的运行结果是否正确
3.测试下面电路图各个支路的电流电压
实验二KCL与KVL的验证
一．实验目的
1.熟悉EWB软件的使用
2.学习实验EWB软件测量电路中电流电压
3.验证基尔霍夫定理的正确性
二．基本知识点
KCL：
对于任意一个总电路中的任一节点，在任一时刻，流进（或流出）该节点的所有支路电流的代数和为零
KVL：
对于任意一个总电路中的任一回路，在任一时刻，沿着该回路的所有支路电压降的代数和为零。
三．实验内容
1.验证KCL，电路图如下所示：
2.验证KVL，电路图如下所示：
四．引申题
1.换用万能表测试电流电压。
2.验证下图的KCL与KVL
实验三回路法或网孔法求支路电流（电压）
一．实验目的
1.熟悉EWB软件的使用
2.学习实验EWB软件测量电路中电流电压
3.验证网孔分析法的正确性
二．基本知识点
网孔分析是以网孔电流作为第一步求解的对象，又称为网孔电流法。
所谓网孔电流是一种沿着网孔边界流动的假想电流，列出KVL和支路的VCR从而解得各个支路电流电压的方法。
其公式可以用如下表示：
三．实验内容
电路图如下所示，验证网孔分析法的正确性：
四．引申题
1.验证下列电路图的网孔分析法
2.各种受控源的电路分析
实验四节点法求支路电流（电压）
一．实验目的
1.熟悉EWB软件的使用
2.学习实验EWB软件测量电路中电流电压
3.验证节点分析法的正确性
二．基本知识点
节点分析是以节点电压作为第一步求解的对象，又称为节点电压法。
它的做法一般为在电路中任选一个节点作为参考点，其余的每一个节点到参考点的电压降，称为这个节点的节点电压，求解节点电压所需的方程组来源于KCL及支路VCR。
其公式参照如下：
三．实验内容
电路图如下所示，验证节点分析法的正确性：
四．引申题
1.如何验证下面所示电路图的节点分析法
2.各种受控源的电路分析
实验五加法运算放大器设计
一．实验目的
1.学习使用EWB软件设计加法器
2.验证设计运算放大器是否满足需求
二．基本知识点
运算放大器是一种有着十分广泛用途的电子器件。
最早开始应用于1940年，1960年后，随着集成电路技术的发展，运算放大器逐步集成化，大大降低了成本，获得了越来越广泛的应用，其电路结构如下图所示：
三．实验内容
按下图所示，实现一个加法运算放大器。
电阻参数自拟。
根据所学知识原理计算各节点电压参数，然后用软件测试对应节点的电压，最后计算误差。
四．引申题
1.多个输入端加法器的设计
2.电路图如下，参数自行设计，验证uo=-（Rf/R1ui1+Rf/R2ui2+Rf/R3ui3）
实验六电路叠加原理
一．实验目的
1.进一步熟悉电路元件外特性的测试方法
2.验证电路叠加原理
二．基本知识点
在线性电路中，任一支路的电流（或电压）可以看成是电路中每一个独立电源单独作用于电路时，在该支路产生的电流（或电压）的代数和。
三．实验内容
如下图所示，用叠加定理求出
的电压和通过它们的电流
四．引申题
1.电路图如下所示，用叠加原理求流过2欧电阻的电流
3.电路图如下所示，欲使R两端电压为0，则U的电压为多少？
实验七替换原理的验证
一．实验目的
1.验证替换原理的正确性
2.熟悉电路被替换后的等效电路
二．基本知识点
对于给定的任意一个电路，若某一支路电压为uk、电流为ik，那么这条支路就可以用一个电压等于uk的独立电压源，或者用一个电流等于ik的独立电流源，或用一R=uk/ik的电阻来替代，替代后电路中全部电压和电流均保持原有值（解答唯一）。
三．实验内容
试用替换定理替换下列电路图中的某个电阻，并使得其支路电流值保持不变。
建立下图所对应的电路图分析各支路电流，并替换电压源
四．引申题
试置换以下电路：
实验八单口网络测试
一．实验目的
1.学习单口网络的划分方法
2.掌握子网络的替换方法
二．基本知识点
对复杂网络运用节点或网孔分析时，特别是只对其中某一支路的电压、电流或其中某些局部的电压、电流感兴趣时，我们可能仍嫌联立方程太多，解决这一问题的一种办法便是把这个大网络分解为若干个小网络，即若干个子网络，对于这些子网络逐一求解从而得出所需的结果。
其一般分解步骤如下所示：
（1）把给定网络划分为两个单口网络N1和N2
（2）分别求出N1和N2的VCR
（3）联立两者的VCR或由它们伏安特性曲线的交点，求得N1和N2的端口电压、电流。
（4）分别求解N1和N2内部各支路电压、电流
三．实验内容
用虚线将下列电路划分成两个单口网络N1和N2，分别用理想电流表和电压表替换N1，并求出替换前和替换后通过R5的电流误差。
改变可变电阻R2的阻值，测出三组数据。
四．引申题
1.试用置换定理求下列电路图中R两端的电压。
实验九戴维南和诺顿定理的验证
一．实验目的
1.学习线性有源二端网络等效电路参数的测量方法，用实验方法测定有源二端网络N的开路电压和输入端等效电阻
2.加深对戴维南诺顿定理的理解，用实验方法验证戴维南诺顿定理
二．基本知识点
1.戴维南定理：
任何一个线性含源端口网络，对外电路来说，总可以用一个电压源和电阻的串联组合来等效置换；此电压源的电压等于外电路断开时端口处的开路电压uoc，而电阻等于端口的输入电阻（或等效电阻Req）。
2.诺顿定理
任何一个含源线性端口电路，对外电路来说，可以用一个电流源和电导（电阻）的并联组合来等效置换；电流源的电流等于该端口的短路电流，而电导（电阻）等于把该端口的全部独立电源置零后的输入电导（电阻）。
三．实验内容
求下图所示电路的戴维南等效电路
电压表数值等于uoc，如何测得电压表断开时的等效电阻。
四．引申题
1.电路图如下所示，试用诺顿定理求流过R的电流
2.如何用参数扫描法验证戴维南定理
实验十一阶电路的零输入、零状态、全响应验证
一．实验目的
1.通过实验，掌握用简单的R-C一阶电路观测零输入响应、零状态响应和完全响应的实验方法。
2.学习电路时间常数的测量方法
3.掌握有关微分电路和积分电路的概念
二．基本知识点
零输入响应：
换路后外加激励为零，仅由动态元件初始储能所产生的电压和电流。
零状态响应：
动态元件初始能量为零，由t>0电路中外加输入激励作用所产生的响应。
全响应响应：
零输入响应加上零状态响应
三．实验内容
（1）创建如下图所示的电路图。
（2）信号发生器设置为方波，参数选择自行计算
（3）调节示波器参数，观察充放点波形。
（4）选择开关按钮，启动示波器，并且按Space按键切换开关分别接通充电和放电电路，观察不同时间常数下RC电路的充放电规律。
（5）依照下表计算时间常数。
微分电路输出波形
R=10K
C的取值/uF
0.2
1
2
4
计算T的值/s
输入波形
频率50HZ，幅值0.15V占空比50%的时钟脉冲信号
输出波形
a.
创建如下图所示的电路图
b.设置与上同，参数自行选择。
c.填写下列表格
微分电路输出波形
R=10K
C的取值/uF
0.2
1
2
4
计算T的值/s
输入波形
频率50HZ，幅值0.15V占空比50%的时钟脉冲信号
输出波形
四．思考题
1.全响应电路如何设计
2.在电路中加入受控源后如何测试
3.试试多种信号源
实验十一相量模型的网孔分析
一．实验目的
1.掌握信号源的相量表示方法
2.在EWB中验证相量模型的网孔分析
3.熟悉相量表示法中的计算问题
二．基本知识点
用待定系数法求解电路微分方程的特解得出的答案，即使电路很简单，也感到非常麻烦。
当把时间t的正弦函数变换为相应的复数（相量）后，解微分方程特解的问题就可以简化为解代数方程的问题，且可运用电阻电路的分析方法来处理正弦稳态分析问题，为我们提供了方便。
三．实验内容
实验十二正弦稳态最大功率传递定理的验证
一．实验目的
1.学习在正弦稳态时负载，从电源获得最大功率的条件
2.最大功率传递定理的验证
二．基本知识点
三．实验内容
实验十三理想变压器的分析与验证
一．实验目的
1.掌握理想变压器的相关知识
2.对理想变压器所具有的性质进行验证
3.测试理想变压器理想化条件
二．基本知识点
理想变压器是实际变压器的理想化模型，是对互感元件的理想科学抽象，是极限情况下的耦合电感。
理想变压器在电路中存在各种性质：
变压、变流、变阻抗等等
理想变压器既不储能，也不耗能，在电路中只起传递信号和能量的作用。
理想变压器的特性方程为代数关系，因此它是无记忆的多端元件。
三．实验内容
电路图如下所示，双击变压器改变其参数设置，测试两边电压及电流是否满足理想变压器的要求，测五组数据并填写相应的表格。
U1
U2
I1
I2
电路图如下所示：
如何设置变压器参数使得其成为理想变压器
四．思考题
1.变压器一次侧及二次侧的电阻如何设置才能实现理想变压器。
2.一次侧两次侧含多个电阻如何处理。
........忽略此处.......
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