电工电子实验0315.docx

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电工电子实验0315

实验

实验一：

基尔霍夫定律的验证

实验三：

日光灯电路功率因数的提高

实验五：

三相鼠笼式异步电动机正反转

实验六：

常用电子仪器的使用

实验七：

组合逻辑电路

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，加深对定律的理解；

2、使用练习控制屏上的电压表、电流表，为以后实验作准备；

3、学习分析、检查判断简单的电路故障。

二、实验基本原理

基尔霍夫电流定律KCL说明了电路中某一节点中各电流之间的相互关系。

定律指出：

在任何瞬间，流入和流出任一节点的电流代数和恒等于零。

用数学式子表达为：

KCL不仅使用于任一节点，而且可以推广应用到电流的某一闭合面。

基尔霍夫电压定律KVL说明了电路中任一闭合回路中各部分电压之间的相互关系。

定律指出：

在任一瞬间环绕电路中任一闭合回路，所得各段电压的代数和恒等于零。

数学表达式为：

三、实验设备

1、直流稳压电源（6V、12V切换）1个、可调直流稳压电源（0-30V）1个。

2、直流数字电压表1个、直流数字毫安表1个、万用表1块。

3、DJG-3电压、电位测定实验板。

四、实验内容

1、按DGJ-03上的叠加原理实验线路连线。

如图1-1所示。

图1-1基尔霍夫定律和叠加定律实验电路图

2、任意设定各支路电流的参考方向。

如图中I1，I2，I3。

3、分别将两路直流稳压电源接入电路，E1用固定输出6V电压源，E2用可调电源将其调出12V。

4、用电流插头和数字毫安表测量各支路电流，填入表1-1中。

5、用数字电压表测量各段电压值，记入表1-1中。

6、按表1-1中要求进行数据计算处理。

表1-1基尔霍夫定律数据表

被测值

计算值

测量值

相对误差

五、注意事项

1、电压表与被测电路并联，电流表串入被测电路，注意表的极性。

1kΩ

2、防止电压源两端短路。

3、所有读数以数字电压表测量读数为准，而不应以电源盘指示值为准。

4、实验过程中可能会测量到负的电压电流值，此时应检查电压表或电流表是否接反，如果没有接反，则负值是由于选择的参考方向引起的；如果表接反，此时测量值应为正。

六、预习和思考题

1、根据图1-1的电路参数，计算出I1，I2，I3值，填入表1中，以便实验测量时，可以准确地判断毫安表和电压表的量程。

2、在图1-1的电路中，可以列出几个回路电压方程，它们与绕行方向有无关系？

七、实验报告要求

1、根据实验数据，选择电路中任一节点，验证KCL的正确性。

2、根据实验数据，选择电路中任一闭合回路，验证KVL的正确性。

3、分析误差存在的原因。

实验三：

日光灯电路功率因数的提高

一、实验目的

1、研究正弦稳态电路中电压、电流相量之间的关系；

2、重点掌握日光灯线路的连接；

3、理解改善电路功率因数的意义并掌握其方法。

二、实验基本原理

1、日光灯线路

图3-1所示为日光灯线路，可等效为图3-2。

A为日光灯管（假设为纯电阻，其阻值为R），L为镇流器，S为启辉器，C为补偿电容器，用以改善电路的功率因数cosφ。

日光灯是一感性负载，功率因数cosφ较小，为了提高其功率团数，可用并联电容器的方法。

（1）未本并联电容前，总电流

等于负载电流

，

，由于是电感性负载，

滞后

的角度是φ1。

（2）并联电容后，总电流

，如图3-2所示。

由于

不变，流过负载的电流

也不会发生变化，

因超前

90。

，并联电容后总电流

有效值将减小，且总电压与总电流的相位差也减小（φ2＜φ1），因而提高了电路的功率因数。

从相量图3-3可知，流过电容器的无功电流分量与感性负载中的无功电流分量相互补偿，使总电流的无功分量减小。

图3-1日光灯线路图3-2日光灯线路等效电路图3-3相量图

2、日光灯电路工作原理

日光灯管工作时，可以认为是一个电阻负载。

镇流器是一个铁芯线圈，可以认为是一个很大的感性负载，两者串联起来构成一个RL串联电路。

当电源接通后，启辉器内的双金属卡与定片间的气隙被击穿而连续发生火花。

使双金属片受热伸张而与定片接触，于是灯管的灯丝接通。

灯丝预热而发射电子，这时双金属片逐渐冷却而与定片分开。

镇流器线圈因电路突然断开而感应出很高的感应电动势，它和电源电压串联加到灯管的两端，使管内的气体电离产生弧光放电而发光。

这时启辉器停止工作，镇流器起降压限流作用。

30W和40W的灯管点燃后的管压降仅100V左右，8W日光灯的管压降为60V左右。

三、实验设备

1、单相交流电源（0～200V）一台，三相自耦调压器一个。

2、交流电压表一个，交流电流表一个。

3、日光灯（30W）一根，镇流器（与灯管30W配用）一个，启辉器（与灯管30W配用）一个。

4、电容器：

1μF、2μF、4.7μF/450W各一个。

四、实验内容

1、连接日光灯电路

按图3-4连接实验线路，经指导教师检查后，接至三相调压器输出端的一相，调节自耦调压器的输出，使其输出电压调至220V，测量U、UL、UA及I等值，验证电压、电流相量关系。

并计算出P、cosφ。

实验数据记入表3-l。

图3-4日光灯正常工作实验电路

表3-1日光灯正常工作值

工作状态

U（V）

UL（V）

UA（V）

I（A）

P（W）

cosφ

正常工作值

2、并联电容以改善电路的功率因数。

按图3-5接电路，经指导教师检查后，接通电源（U＝220V），分别测出接C1、C2、C3时的U、UA、I及IL等值。

并计算出P、cosφ。

数据记入表3-2。

图3-5日光灯功率因数提高实验电路

表3-2日光灯功率因数提高数据表

电容值

（μF）

测量值

计算值

U（V）

UA（V）

I（A）

IL（A）

IC（A）

P（W）

cosφ

1

2.2

4.7

6.9

五、注意事项

1、本实验用交流电220V，务必注意用电和人身安全。

2、接通电源前，应将自耦调压器手柄置在零位上。

3、如线路接线正确，日光灯不能启辉时，应检查启辉器及其接触是否良好。

4、改接线路时，一定要关掉电源。

六、预习和思考题

1、参阅课外资料，了解日光灯的工作原理。

2、为提高电路的功率因数采用并联电容的方法，使总电路的电流如何变化？

此时感性元件上的电流和功率是否改变？

3、为什么不采用串联电容的方法提高功率因数？

并联电容时，电容器的值是不是越大越好？

七、实验报告要求

1、根据表格中的数据进行计算，并进行必要的误差分析。

2、归纳总结实验结果。

3、根据实验数据，分别画出电压、电流相量图，验证相量形式的基尔霍夫定律。

4、论述改善电路功率因数的方法及意义。

实验五：

三相鼠笼式异步电动机正反转控制

一、实验目的

1、通过对三相鼠笼式异步电动机正反转控制线路安装接线，掌握由电气原理图接成实际操作电路的方法。

2、加深对电气控制系统各种保护、自锁、互锁等环节的理解。

3、学会分析、排除继电-接触控制线路故障的方法。

4、理解点动控制和自锁的特点。

二、实验基本原理

继电-接触控制在各类生产机械中得到广泛地应用，凡是需要进行前后、上下、左右、进退等运动形式的生产机械，均采用传统的典型的正、反转继电-接触控制。

三相交流电动机继电-接触控制电路的主要设备是交流接触器，其作用原理示意图如图5-1所示。

图5-1交流接触器作用原理示意图

主要构造有以下部分：

（1）电磁机构：

电磁机构由线圈、动铁心（衔铁）和静铁心组成。

（2）触头系统：

交流接触器的触头系统包括主触头和辅助触头。

主触头用于通断主电路，有3对或4对常开触头；辅助触头用于控制电路，起电气联锁或控制作用，通常有两对常开和两对常闭触头。

（3）灭弧装置：

容量在10A以上的接触器都有灭弧装置。

对于小容量的接触器，常采用双断口桥形触头以利于灭弧；对于大容量的接触器，常采用纵缝灭弧罩及栅片灭弧结构。

（4）其他部件：

包括反作用弹簧、缓冲弹簧、触头压力弹簧、传动机构及外壳等。

交流接触器的主触头主要用于主回路，控制主回路的通断。

在控制回路中用辅助触头实现自锁和互锁控制。

所谓自锁，是交流接触线圈得电后能自动保持动作后的状态，通常采用动合触头与启动按钮相并联来实现自锁，以保持电动机的长期运行状态，这一动合触头称为“自锁触头”。

所谓互锁是使两个电器不能同时得电动作的控制，如何避免正、反转两个接触器同时得电而造成三相电源短路事故，必须设置互锁控制。

通常在具有正反转控制的线路中既有接触器的动断辅助触头的电气互锁，又有复合按钮机械互锁的双重互锁控制环节。

电动机在运行时，应对可能出现的故障进行保护。

其方法有：

在主回路中串入熔断器作短路保护，当电路发生短路故障时，熔体迅速熔断，达到保护线路和电源的目的。

另一种方法是采用热继电器实现过载保护，使电动机免受长期过载之危害。

在电气控制线路中，最常见的故障发生在接触器上，线路电压等级分为220V、380V，使用时必须认清，切勿弄错，否则电压过高易烧毁线圈；电压过低易吸力不够，不易吸合或吸合频繁，不仅产生很大的噪声，也因磁路气隙增大，致使电流大，也易烧毁线圈。

生产上的许多设备如磨合、吊床等等，工作时需要前后、左右等两个方向的往复运动，这样对拖动它们的电动机也要求能向正反两方向旋转。

实现电动机正反转的方法很多，最简单的可以用手动电器（刀开关、转换开关或专用于正反转的倒顺开关等）进行控制。

本实验采用两只交流接触器（或可逆磁力起动器）组成正反转控制线路，如图5-4所示。

两个主回路上的相序不同，电动机的旋转方向不同。

其工作过程如下：

正转时，按下正转启动按钮SB1,正转交流接触器KM1线圈通电，三个主触头KM1闭合，电动机正转，与SB1并联的常开辅助触头KM1闭合，实现自锁。

常闭辅助触头KM1断开，以防止反转触发器KM2得电而实现互锁。

停转时，按下停止按钮SB3，控制回路断电，KM1线圈断电，主触头断开，切断电动机电源，电机停转。

反转时，按下反转启动按钮SB2，反转交流接触器KM2线圈通电，三个主触头KM2闭合，电动机反转，与SB2并联的常开辅助触头KM2闭合，实现自锁。

常闭辅助触头KM2断开，以防止正转触发器KM1得电而实现互锁。

三、实验设备

1、三相交流电源（200V）一台，三相自耦调压器一个。

2、三相鼠笼式异步电动机（DJ24）一台。

3、交流接触器（CJ1010）1个。

4、按钮一个。

5、热继电器（JR16B-20/3D）一个。

6、交流电流表一个。

四、实验内容

1、认识实验各电气的结构，图形符号，接线方法；认真查看异步电动机铭牌上的数据，按铭牌要求将电动机定子三相绕组接成Y型。

三相调压器线电压调至220V。

2、点动控制

开启电源控制屏总开关，按启动按钮，调节调压器输出线电压220V后，按停止按钮，断开三相电源。

按图5-2点动控制线路接线，先接主电路，即从三相调压输出端U、V、W开始，经接触器KM的主触点，热继电器FR的热元件到异步电机M的三个定子绕组端，用导线按顺序串联起来。

主电路检查无误后，再连接控制回路，即从三相调压输出端的某相（如V）开始，经过热继电器FR的常闭触点、接触器KM的线圈、常开按钮SB1到三相调压输出的另一相（如W）。

接好线路，经指导教师检查后，方可进行通电操作。

（1）按电源控制屏启动按钮，接通220V三相交流电源。

（2）按下按钮SB1，对异步电机M进行点动操作，比较按下SB1与松开SB1时，电机和接触器的运行情况。

（3）实验完毕，按电源控制屏停止按钮，切断电源。

图5-2三相鼠笼式异步电动机的点动控制

3、自锁控制

图5-3所示为自锁控制线路，它与图5-2的不同点在于控制电路中多串联了一个常闭按钮SB2，同时在SB1上并联一个接触器KM的常开触点，它起自锁作用。

图5-3三相鼠笼式异步电动机的自锁控制

按图5-3接线，经指导教师检查后，方可进行通电操作。

（1）按电源控制屏启动按钮，接通220V三相交流电源。

（2）按起动按钮SB1，松手后观察电机M是否继续运转。

（3）按停止按钮SB2，松手后观察电机M是否停止运转。

4、正反转控制

图5-4为正反转控制线路，按图接线，经指导教师检查后，方可通电进行如下操作：

（1）按电源控制屏启动按钮，接通220V三相交流电源。

（2）按正向起动按钮SB1，观察并记录电机的转向和接触器的运行情况。

（3）按停止按钮SB3，电机停止运行后，按反向起动按钮SB2，观察并记录电机和接触器的运行情况。

（4）实验完毕，按电源控制屏停止按钮，切断三相交流电源，拆除导线。

图5-4三相鼠笼式异步电动机的正反转控制

五、注意事项

1、接线要牢靠。

2、每次接线完毕，同学先自检，后经指导老师检查后才可接通电源，实验完毕后，先断电再拆线。

3、操作即大胆，又要细心，不能用手触摸导电部分及电动机转动部分

六、预习和思考题

1、复习三相异步电动机直接启动和正反转控制线路的工作原理，并理解自锁、互锁及点动的概念，以及短路保护、过载保护和零压保护的概念。

2、复习交流接触器的工作原理。

3、自锁控制线路在长期工作后，可能会失去自锁作用，试分析产生的原因？

4、在电动机正反转控制线路中，为什么必须保证两个接触器不能同时工作？

采用那些措施可以解决此问题？

七、实验报告要求

1、用观察到的现象，总结实验结果。

2、心得体会及其他。

实验六：

常用电子仪器的使用

一、实验目的

1、学习电子电路实验中常用的电子仪器——示波器、函数信号发生器、直流稳压电源、交流毫伏表、频率计等的主要技术指标、性能及正确使用方法。

2、初步掌握用双踪示波器观察正弦信号波形和读取波形参数的方法。

二、实验基本原理

在模拟电子电路实验中，经常使用的电子仪器有示波器、函数信号发生器、直流稳压电源、交流毫伏表及频率计等。

它们和万用电表一起，可以完成对模拟电子电路的静态和动态工作情况的测试。

实验中要对各种电子仪器进行综合使用，可按照信号流向，以连线简捷，调节顺手，观察与读数方便等原则进行合理布局，各仪器与被测实验装置之间的布局与连接如图6-1所示。

接线时应注意，为防止外界干扰，各仪器的共公接地端应连接在一起，称共地。

信号源和交流毫伏表的引线通常用屏蔽线或专用电缆线，示波器接线使用专用电缆线，直流电源的接线用普通导线。

图6-1模拟电子电路中常用电子仪器布局图

1、示波器

示波器是一种用途很广的电子测量仪器，它既能直接显示电信号的波形，又能对电信号进行各种参数的测量。

现着重指出下列几点：

（1）寻找扫描光迹

开机预热后，若在显示屏上不出现光点和扫描基线，可按下列操作去找到扫描线：

①适当调节亮度旋钮（INTEN）。

②触发方式开关置“自动”。

③适当调节垂直

（

）、水平（

）“位移”旋钮，使扫描光迹位于屏幕中央。

（若示波器设有“寻迹”按键，可按下“寻迹”按键，判断光迹偏移基线的方向。

）

（2）双踪示波器一般有五种显示方式，即“CH1”、“CH2”、“ADD”三种单踪显示方式和“交替ALT”“断续CHOP”二种双踪显示方式。

作双踪显示时，通常采用“交替”显示方式，只有当被观察输入信号频率较底时（如几十赫兹一下时），一般使用“断续”显示方式。

（3）为了显示稳定的被测信号波形，注意示波器面板上的下列几个控制开关的位置。

①“扫描速率（TIME/DIV）”开关-----它的位置应根据被观察信号的周期来确定。

②“触发源选择（SOURCE）”开关（内、外）------一般选为“内”触发。

③“内触发源选择（INTTRIG）”开关------通常置于常态（VERTMODE）。

此时对单一从CH1或CH2输入的信号均能同步。

在此做双路显示时，为比较两个波形的相对位置，才将其置于X-Y位置，此时触发信号仅取自CH2，故仅对CH2输入的信号同步。

④“触发方式（SWEEPMODE）”开关------通常先置于“自动（AUTO）”位置，以便找到扫描线或波形，如波形文档情况较差，再置于“常态（NOMR）”或“单次（SINGL）”位置，但必须同时调节电平旋钮，使波形稳定。

（4）适当调节“扫描速率”开关及“Y轴灵敏度”开关使屏幕上显示一～二个周期的被测信号波形。

在测量幅值时，应注意将“Y轴灵敏度微调”旋钮置于“校准”位置，即顺时针旋到底，且听到关的声音。

在测量周期时，应注意将“X轴扫速微调”旋钮置于“校准”位置，即顺时针旋到底，且听到关的声音。

还要注意“扩展”旋钮的位置。

根据被测波形在屏幕坐标刻度上垂直方向所占的格数（div或cm）与“Y轴灵敏度”开关指示值（v/div）的乘积，即可算得信号幅值的实测值。

根据被测信号波形一个周期在屏幕坐标刻度水平方向所占的格数（div或cm）与“扫速”开关指示值（t/div）的乘积，即可算得信号频率的实测值。

2、函数信号发生器

函数信号发生器按需要输出正弦波、方波、三角波三种信号波形。

使用时只要开启“函数信号发生器”开关，此信号源即进入工作状态。

通过输出幅度调节旋钮，可使输出电压在毫伏级到伏级范围内连续调节。

函数信号发生器的输出信号频率可以通过频率分档开关进行调节。

函数信号发生器作为信号源，它的输出端不允许短路。

3、交流毫伏表

交流毫伏表只能在其工作频率范围之内，用来测量正弦交流电压的有效值。

为了防止过载而损坏，测量前一般先把量程开关置于量程较大位置上，然后在测量中逐档减小量程。

4、频率计

频率计是用来测量交流信号频率值的仪表。

在实验板上只要开启“函数信号发生器”开关，频率计即进入工作状态。

三、实验设备与器件

1、函数信号发生器。

2、双踪示波器。

3、交流毫伏表。

4、电阻器、电容器若干。

四、实验内容

1、测量示波器内的校准信号。

用示波器内校准信号（方波f=1kHz±2%，电压幅度（0.5V±30%））对示波器进行自检。

（1）调出“校准信号”波形

将示波器校准信号输出端通过专用电缆线与CH1（或CH2）输入插口接通，调节各示波器开关旋钮，将触发方式开关置“自动”位置，触发源选择开关置“内”，内触发选择开关置“常态”，对校准信号的频率和幅值正确地选择扫描开关（T/DIV）及Y轴灵敏度开关（V/DIV）的位置，则在荧光屏上显示出一个或数个周期的方波。

分别将触发方式开关置“单次”和“常态”位置，并同时调节触发电平旋钮，调出稳定波形。

体会三种触发方式的操作特点。

（2）测量“校准信号”幅度

将“Y轴灵敏度微调”旋钮置“校准”位置，“Y轴灵敏度”开关置适当位置，读取校准信号幅度，记入表6－1中。

（3）测量“校准信号”周期

将“扫速微调”旋钮置“校准”位置，“扫速”开关置适当位置，读取校准信号周期，并用频率计进行校核，记入表6-1。

（4）测量“校准信号”的上升时间和下降时间

调节“Y轴灵敏度”开关及微调旋钮，并移动波形，使方波波形在垂直方向上正好占据中心轴上，且上、下对称，便于阅读。

通过扫速开关逐级提高扫描速度，使波形在X轴方向扩展（必要时可以利用“扫速扩展”开关将波形再扩展10倍），并同时调节触发电平旋钮，从显示屏上清楚的读出上升时间和下降时间，记入表6-1。

表6－1校准信号测试数据表

标准值

实测值

幅度

0.5Vp-p（V）

频率

1KHz

上升沿时间

≤2μS

下降沿时间

≤2μS

注：

不同型号示波器标准值有所不同，请按所使用示波器将标准值填入表格中。

2、用示波器和交流毫伏表测量信号参数

调节函数信号发生器有关旋钮，使输出频率分别为100Hz、1kHz、10kHz、100kHz，有效值均为1V（交流毫伏表测量值）的正弦波信号。

改变示波器“扫速”开关及“Y轴灵敏度”开关位置，测量信号源输出电压频率及峰峰值，记入表6－2。

表6－2正弦波信号测试数据表

信号电压频率

示波器测量值

信号电压

毫伏表读数

（V）

示波器测量值

周期（ms）

频率（Hz）

峰峰值（V）

有效值（V）

100Hz

1kHz

10kHz

100kHz

3、测量两波形间相位差

（1）观察双踪显示波形“交替”与“断续”两种显示方式的特点

　　CH1、CH2均不加输入信号，扫速开关置扫速较低挡位（如0.5s／div挡）和扫速较高挡位（如5μS／div挡），把显示方式开关分别置“交替”和“断续”位置，观察两条扫描基线的显示特点，记录之。

（2）用双踪显示测量两波形间相位差

①　按图6-2连接实验电路，将函数信号发生器的输出电压调至频率为1kHz，幅值为2V的正弦波，经RC移相网络获得频率相同但相位不同的两路信号ui和uR，分别加到双踪示波器的CH1和CH2输入端。

图6-2两波形间相位差测量电路

②把显示方式开关置“交替”挡位，将CH1和CH2输入耦合方式开关置“⊥”挡位，调节CH1和CH2的↑↓移位旋钮，使两条扫描基线重合。

再将CH1和CH2输入耦合方式开关置“AC”挡位，调节扫速开关及CH1、CH2灵敏度开关位置，使在荧屏上显示出易于观察的两个相位不同的正弦波形ui及uR，如图6-3所示。

根据两波形在水平方向差距X，及信号周期XT，则可求得两波形相位差。

图6-3双踪示波器显示两相位不同的正弦波

　　式中：

XT——一周期所占格数；

　　　　　X——两波形在X轴方向差距格数。

记录两波形相位差于表6－3。

表6－3两波形相位差

一周期格数

两波形

X轴差距格数

相位差

实测值

计算值

XT＝

X＝

θ＝

θ＝

为数读和计算方便，可适当调节扫速开关及微调旋钮，使波形一周期占整数格。

五、预习和思考题

1、阅读实验基本原理中有关示波器部分内容。

2、已知C＝0.01μf、R＝10kΩ，计算图6-2RC移相网络的阻抗角θ。

六、实验报告要求

　　1、整理实验数据，并进行分析。

　　2、问题讨论

（1）如何操纵示波器有关旋钮，以便从示波器显示屏上观察到稳定、清晰的波形？

（2）用双踪显示波形，并要求比较相位时，为在显示屏上得到稳定波形，应怎样选择下列开关的位置？

　　①显示方式选择（CH1；CH2；CH1＋CH2；交替；断续）；

　　②触发方式（常态；自动;单次）；

　　③触发源选择（内；外）；

④内触发源选择（常态；CH1、CH2）。

3、函数信号发生器有哪几种输出波形？

它的输出端能否短接，如用屏蔽线作为输出引线，则屏蔽层一端应该接在哪个接线柱上?

4、交流毫伏表是用来测量正弦波电压还是非正弦波电压？

它的表头指示值是被测信号的什么数值？

它是否可以用来测量直流电压的大小？

实验七：

组合逻辑电路

 一、实验目的

1、掌握组合逻辑电路的分析、设计方法和测试方法。

2、掌握半加器、全加器的实现方法及状态测试方法，了解输入、输出逻辑关系。

二、