电工电子实验(一)讲稿.doc
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电工电子实验
（一）讲稿
南京郵電大學
实验名称：
基尔霍夫定律KCLKVL
教材名称：
《电工电子实验技术上册》河海大学出版社 2005年9月第2版
《电工电子实验手册》南京邮电大学电工电子实验中心2004年
实验目的：
1.熟练使用万用表，了解各档位特点
2.验证基尔霍夫定律
3.加深电位和电位差的概念
4.学会用multisim软件进行仿真。
实验原理：
图5.2.1是实验电路，它有6条支路，4个节点，3个网孔和7个回路。
根据KCL可知，汇集在电路任一节点的电流的代数和等于零。
由KVL可知，沿电路任一闭合回路循行一周电压的代数和为零。
本实验验证汇集于节点c的电流的代数和以及回路agfdcba和agehcba回路电压的代数和为零。
实验的第二部分分别以e，a，c为参考点，测量其余各点的电位，并依次计算各节点间的电位差。
加深理解电位和电位差的概念。
图5.2.2的（a），（b）分别为图5.2.1电路中电位器RP的电路图符号和结构外形。
ac端是一个固定电阻，b点是电阻上的可调动点，由转动轴控制。
当反时针旋转到底时，ab间电阻为零，bc间电阻等于ac间电阻；顺时针旋转到底时，bc间电阻为零，ab间电阻等于ac间电阻。
ab间和bc间电阻的分配关系由转轴转动后的位置确定。
图5.2.1实验电路
a
b
dd
f
h
e
g
a
c
（a）
（b）
图2.2.2电位器符号及结构外形
b
实验任务与步骤：
1．未接电路之前，检测电位器及电阻,并将测量值记录于表5.2.1中。
2．按图5.2.1电路接线，但不接电源，其中ab，df，he分别用短路线连接。
调整电位器RP时测量电位器fg间的电阻Rfg，使其达到最小值（通常为零欧姆）。
3．测量ae间电阻，是否与预习中的计算值相等，通常误差不大于5%，否则接线或理论值计算有误。
4．实验板接通电源，调整Vs=5V（以万用表直流5V档测量为准），依次测量直流电压并将其值记录于表5.2.1中。
5．验证Vaf+Vfc+Vca=V，Vaf+Vfe+Vec+Vca=V。
理论上应为零。
表5.2.1
Rp
R1
R2
R3
R4
Vaf
Vfc
Vca
Vfe
Vec
6．按表5.2.2要求测量和记录各点电位，并根据所测得电位计算电位差。
参考点
Va
Vc
Vd
Ve
计
Vac
Vcd
Vce
Vad
e
算
a
值
c
表5.2.2
7．去掉ab、df、he三根短路线。
三块万用表均置直流250mA档，替代三根短路线，一起接入相应位置。
注意接入时电表极性。
测量Iab=_____mA，Ifd=_____mA，Ieh=_____mA。
8．验证Iab+Ifd+Ieh=_______mA。
理论上应等于零。
9．拆下万用表，恢复原电路（接回三根短路线）。
测量Vcf，并调整电位器RP使Vcf=0。
10．去掉df短路线。
用直流电流最高灵敏度档测量Idf=_____μA。
理论上Idf=0。
实验提示：
一、注意事项
1.如何正确使用万用表欧姆档位
1）看测量选择开关是否置于被测参数的量程档位上
2）选择正确的档位，并调零
3）先粗略测一次，看指针偏转情况，指针指示在中值电阻附近测量较准确
4）测试中不能转换量程开关，严禁带电转换开关
5）不能用电流档或欧姆档测电压
6）不能带电测量电阻
7）注意被测电阻是否连接在电路中，否则需从电路中断开单独测量
2.如何正确使用万用表电流档
1）在测量低阻值支路的电流时，万用表的接入对被测支路的电流影响较大。
这是万用表直流档的等效内阻造成的，使用中应予以考虑。
电流档各档等效内阻
档位
灵敏度
内阻
50uA
0.1V
2kΩ
2.5mA
0.25V
100Ω
25mA
0.25V
10Ω
250mA
0.25V
1Ω
2）测量直流电流时，应将万用表串接在被测电路之中进行测量，并要求电流从红色测试棒流入，黑色测试棒流出，否则指针反偏。
3）测量之前应估计被测电流的大小，置万用表的测量选择开关到“mA”的适当量程档位。
直流电流的量值在“VmA”刻度上读出（与直流电压共用刻度），满偏值。
二、实验连接线图。
要求只用8根导线，包括电源线
讨论题：
1．根据步骤2和5测得的数据，计算各支路电流，，，并与步骤8测得的数据进行比较，看哪组数据更接近电路中的实际值。
本题的数据能否用于验证KCL？
为什么？
答：
根据步骤2和5测得的数据更接近电路中的实际值。
本题的数据能用于验证KCL。
其原因是电压档位的内阻大于大于被测电阻，所以测得的电压值相当精确，计算得到的电流值也就更接近该支路的实际值。
2.如果R1、R2、R3、R4的阻值均大于数十kΩ，用步骤5的方法所测得的电压值能否用于验证KVL？
为什么？
答：
由于此时电压表的内阻与被测电阻的阻值相差不大，使得测量的电压值误差很大（分流作用），所以这样测出的电压值不能验证KVL。
3.如果万用表25mA直流档的电阻很大（与被测支路电阻相比不可忽略），仍用步骤8的方法能否验证KCL？
请说明原因（假设表针仍明确指示读数）。
答：
能。
其原因是流入节点的电流等于流出节点的电流。
实验名称：
非线性电阻伏安特性
教材名称：
《电工电子实验技术上册》河海大学出版社 2005年9月第2版
《电工电子实验手册》南京邮电大学电工电子实验中心2004年
实验目的：
1．学会并熟练使用万用表。
2．掌握测量非线性器件的伏安特性的方法。
3．对非线性元器件有初步了解。
3．初步掌握万用表等效电阻对被测电路的影响及其分析方法。
实验原理：
非线性器件的伏安特性反映在以电压为横坐标，电流为纵坐标的平面上，其伏安特性曲线不是一条通过坐标原点的直线。
也就是说其电压与电流的比值不是常数，而是随着工作点的变动而变化的。
因此，通常情况下用它的伏安特性曲线来表示其特性。
线性和非线性伏安特性曲线分别如图5.1.1和5.1.2所示。
稳压管的特性是接正向电压时其等效电阻很小，且电流在较大范围内变化时，其正向电压变化量很小。
接反向电压时等效电阻很大，且电压在较大范围内变化时，反向电流变化量很小，当达到某一电压时，电流增加很快，此时电压在一定范围内基本不变。
这就是所谓的稳压。
图5.1.3（a）是稳压管的正向连接，（b）是稳压管的反向连接。
I
U
I
U
图5.1.1线性器件伏安特性曲线
图5.1.2非线性器件伏安特性曲线
图5.1.3稳压管的正反连接
（b）
（a）
实验任务与步骤：
1．测量发光二极管正、反向伏安特性
（1）图5.1.4（a）电路接线，按表5.1.1给定的电流值测量发光二极管的正向特性，电压值记录于表5.1.1中。
（2）按图5.1.4（b）电路接线，按表5.1.1给定的电压值测量发光二极管的反向特性，电流值记录于表5.1.1中。
（a）
（b）
图5.1.4实验电路
表5.1.1
正向
连接
Id（mA）
0
1
3
5
10
15
20
Vd（V）
0
反向
连接
Vd（V）
0
－1
－2
－3
－5
－8
－10
Id（mA）
0
2．测稳压管的伏安特性
（1）用万用表判断稳压管的正、负极性，测量稳压管的正、反向电阻。
正向R=____Ω（R×10档）反向R＞_____MΩ（R×10k档）
（2）按图5.1.5（a）电路接线，根据表5.1.2给定的电流值，测量稳压管的正向压降，并计算稳压管的直流电阻一并记录于表5.1.2中。
（3）按图5.1.5（b）电路接线，先按表5.1.2给定的电压值，测量稳压管的反向电流，然后按给定的电流值测量反向电压记录于表5.1.2。
（a）
（b）
图5.1.5实验电路
表5.1.2
正向
连接
Id（mA）
0
1
2
3
5
10
15
20
Vd（V）
0
RD
反向
连接
Vd（V）
0
－3
Id（mA）
0
－1
－3
－5
－8
－10
－15
3．根据实际测量的数据，绘制发光二极管和稳压管的伏安特性曲线图。
实验提示：
1.测量发光管和稳压二极管的正反向特性时，要弄清楚它们的正极和负极。
2.需用两块万用表，一块作为电流表串联在电路中，一块作为电压表，并联在电路中，要注意整反向时的表的连接。
讨论题：
1．稳压管的稳压功能是利用特性曲线的哪一部分，在伏安特性曲线上标出，为什么？
2．若给出一个线性电阻元件和一个非线性二端元件的伏安特性曲线，试用图解法画出这两个元件串联后的伏安特性曲线。
3.能否用图5.1.6（a），（b）的电路分别测量稳压管的正、反向特性，与图5.1.5（a），（b）相比较，并参照前面的测试结果详细分析其原因。
（主要考虑万用表以不同的连接方式接入电路后对被测电路的影响及影响程度。
）
4．有两只稳压二极管VZ1、VZ2，其稳定电压分别为UZ1=6V、UZ2=10V，正向导通压降均为0.7V。
如果将它们以不同方式串联后接入电路，可能得到几种不同的电压值？
试画出相应的串联电路。
（a）
（b）
图5.1.6
答：
1.见图5.1.2所示的反向曲线A-B段。
其原因是该段内电流变化较大，而电压基本不变，这正是我们需要的；正向曲线虽说也有这个特性，但稳定电压太小0.7V左右，一般不太适用。
2.作图提示：
串联网络的电流相同，电压为串联元件的电压之和。
并联是电压相同，电流是各元件支路的电流之和。
3.不能。
主要是考虑表内阻对测量电路的影响。
（a）图是所测得的电压为两个部分；（b）图是所测得的电流为两个部分。
两个电路都不能正确反映稳压管的特性。
4.有4种连接方式
实验名称：
代维宁定理和诺顿定理
教材名称：
《电工电子实验技术上册》河海大学出版社 2005年9月第2版
《电工电子实验手册》南京邮电大学电工电子实验中心2004年
实验目的：
1．学习几种常用的等效电源测量方法。
2．比较各种测量方法所适用的情况。
3．分析各种方法的误差大小及其产生的原因。
实验原理：
代维宁定理指出，任何一个线性有源一端口网络如图5.3.2（a），对外部电路来说，总可以用一个理想电压源与电阻串联组合来代替，如图5.3.2（b）所示。
其理想电压源的电压等于原网络端口的开路电压Voc，电阻等于原网络中所有独立源为零值时的入端等效电阻Ro。
任意负载
任意负载
任意负载
线性有源一端口网络
（a）
b
a
I
+
+
+
+
－
－
－
－
I
Ro
Voc
Vb
a
b
（b）
Isc
Go
I
a
b
（c）
V
Vb
图5.3.2代维宁定理和诺顿定理等效电路
诺顿定理是代维宁定理的对偶形式，它指出任何一个线性有源一端口网络，对外部电路来说，总可以用一个理想电流源与电导并联组合来代替，如图5.3.2（c）所示。
其理想电流源的电流等于原网络端口的短路电流Isc，电导等于原网络中所有独立源为零值时的入端等值电导Go（Go=1/Ro）。
上述参数Voc，Ro，Isc，Go可用实验的方法测定，根据Voc=IscRo可知，只要测得前三个中的两个，便可求得另两个参数。
求得等效电源的方法很多。
最简便的方法是用电压表直接测量图5.3.2（a）电路a，b间的开路电压Voc和用电流表测量a，b间的短路电流Isc，再由Ro=Voc/Isc求得Ro。
但各种方法都有一定的适用范围。
要根据电路的实际情况，分析测试方法可能造成的误差。
比如，用电压表直接测量开路电压时万用表的等效电阻应远大于电源的等效内阻，否则就称不上测开路电压，必须另想办法解决测试方法造成的误差。
实验任务与步骤：
1．直接测量：
按图5.3.1接线，先不接电源。
1，2端用短路线连接。
用万用表欧姆档适当量程测3，4端电阻Ro（只适用于无源或能令独立源置零的情况。
），填入表5.3.1。
2．加压定流：
按图5.3.3接线（实验板上接线不变，3，4端接上电流表，电压表和电源），调整电源电压，使电流表读数为10mA。
记录电压表读数V于表5.3.1。
图5.3.4实验接线图二
+
+
+
+
－
－
－
－
Vs
1
2
3
4
No
A
V
V
+
+
+
－
－
－
图5.3.3实验接线图一
1
2
3
4
No
Vs
V
A
3．开、短路法：
去掉1，2端短路线后如图5.3.1接线，调整Vs=8V，测3、4端开路电
压（用直流电压5V档）和短路电流（用直流电流50mA档）记录于表5.3.1。
4．半电压法：
接续步骤3，3、4端接上电阻箱，作为负载电阻，调整阻值，使负载上的电压等于Voca/2，此时电阻箱的阻值就等于等效电源的内阻。
记录RO于表5.3.1。
5.拆除3，4端电阻箱，稳压电源置双路工作方式，按图5.3.4接线（3，4端接上电流表，电压表和另一路直流电压V），调整V，使得电流表读数为零（最小量程档），则这时电压表的读数即为开路电压Vocb。
记录Vocb于表5.3.1。
应有Voca约等于Vocb。
表5.3.1
步骤
参数
1
2
3
4
5
V
VocaVocb
Isca
Ro
实验提示：
注意测量中产生误差的原因。
讨论题：
1．步骤5中如果将电压表的“+”端接实验板的3端测电压，Vocb结果如何?
为什么？
2．实验步骤5的方法避免了电压表内阻对测量开路电压的影响。
类似地，如果电流表内阻与等效电源内阻相比较不能忽略时，仍用电流表直接测量短路电流Isc，必将产生很大的误差。
为避免这种误差可采用什么方法?
画出测试电路并简要说明测试方法。
答：
1.Vocb减小，原因是电压表内阻的分流。
2.消除电流表内阻对测量产生误差的一种方法如下图所示
+
+
+
+
－
－
－
－
Vs
1
2
3
4
No
A
V
V
调整v使电压表读数为零，此时电流表的
读数即为短路电流
实验名称：
受控源的实验研究
教材名称：
《电工电子实验技术上册》河海大学出版社 2005年9月第2版
《电工电子实验手册》南京邮电大学电工电子实验中心2004年
实验目的：
1．测试受控源的外特性，进一步理解受控源的物理概念，加深对受控源的认识。
2．获得运算放大器和有源器件的感性认识，了解运算放大器组成受控源的方法。
实验原理：
1．运算放大器的基本电路
V－
V＋
Ri=¥
Ro=0
Ao（V＋－V－）
输出端
同相输入端
反相输入端
运算放大器电路符号
理想运放模型
图2.5.1
图2.5.2
+
+
+
－
－
－
+Ec
（a）
2
3
LM358
8
Vo2
7
6
V2+
5
4
1
V1+
V1-
Vo1
V2-
+Ec
8
4
3
2
1
LM358型运算放大器引出端功能
+
-
图2.5.3
（b）
运算放大器是一种有源二端元件，图2.5.1表示它的电路符号。
它有两个输入端，一个输出端，还有一个相对输入、输出信号的参考地线端。
信号从“－”端输入时，输出信号与输入信号反相，故称“－”端为反相输入端。
从“+”端输入时，输出信号与输入信号同相，故称“+”端为同相输入端。
除了两个输入端一个参考地端外，运算放大器还有相对地端的工作电源端。
多数运算放大器具有正电源端和负电源端，运算放大器只有在接有正、负电源的情况下才能正常工作。
也有些运算放大器只有一个工作电源端，即单电源工作的运算放大器。
不管是双还是单电源工作的运算放大器，其基本电路模型是一样的。
如图2.5.2所示。
其中V＋和V—分别为同相输入端和反相输入端的对地电压，Vo是输出端对地电压，Ao是运算放大器的开环电压放大倍数，在理想情况下Ao和输入端的电阻Ri为无穷大，输出电阻Ro为零。
根据输出电压Vo=（V＋－V－）Ao式可见，当输出电压Vo为有限值时，则有V＋=V－，且有
i＋=V＋/Ri=0，i－=V－/Ri=0
由这些式子可引出两个重要的结论：
（1）运算放大器的“+”端和“－”端之间等电位。
若其中一个输入端是接地的，则另一个输入端虽未接地，也可以认为是零电位。
故称此端为“虚地”，或把同相输入端和反相输入端之间标为“虚短路”。
（2）运算放大器的输入端电流等于零。
这两个重要性质是简化分析含有运算放大器网络的依据。
理想运算放大器的电路模型实为一个受控源。
它的外部接入不同的电路元件，可以实现对信号的模拟运算或模拟变换，它的应用极其广泛。
因为运算放大器具有工作电源端，只有在一定工作电压情况下才能正常工作，所以含有运算放大器的电路是一种有源网络，在电路实验中主要研究它的端口特性，以了解其功能。
本实验将研究由运算放大器组成的四种受控源电路的端口特性。
选用LM358型单电源工作的集成运算放大器，LM358亦是一片双运放（一块集成片内含有两个性能相近的运算放大器且共用一组工作电压）。
各引脚功能如图2.4.3所示。
其中8脚为其工作电源端，一般接+15V电压方可工作。
2．电压控制电压源（VCVS）
图2.4.4所示电路是一个电压控制电压源。
由图可知：
V＋=V－=V1，i＋=i－=0，if=i2=V－/R2=V1/R2
所以
V2=ifRf+i2R2=（Rf+R2）V1/R2=（1+Rf/R2）V1
令
μ=1+Rf/R2
则
V2=μV1
其中m是无量纲的常数，称为电压转移系数（或称电压放大倍数）。
图2.5.5为VCVS理想电路模型。
3．电压控制电流源（VCCS）
V+
V-
V1
+
R2
i2
Rf
V-
V1
+
R2
i2
V1
V1
mV1
V2
m=1+Rf/R2
gmV1
RL
is
+
+
+
+
+
+
V2
-
-
-
-
+
-
-
-
-
gm=1/R2
V2
if
i+
i-
图2.5.4
图2.5.5
图2.5.6
图2.5.7
RL
V+
is
V2
+
-
-
VCVS
VCCS
将图2.5.4中的Rf看作是一个负载电阻RL，这样就构成一个电压控制电流源。
如图2.5.6所示。
由图可见受控源的输出电流
is=i2=V－/R2
=V1/R2
令
gm=1/R2
则
is=gmV1
其中gm具有电导的量纲，称为转移电导。
VCCS的理想电路模型如图2.5.7所示。
4．电流控制电压源（CCVS）
i1
E
R1
R2
i1
Rf
V2
V2
rmi1
rm=Rf
图2.5.8
图2.5.9
+
+
+
+
-
-
-
-
CCVS
图2.5.8所示电路是一个电流控制电压源。
由图可知：
V－=V＋=0，if=i1+i－=i1
所以
V2=i1Rf
令
rm=Rf
则
V2=i1rm
其中rm具有电阻的量纲，称为转移电阻。
CCVS的理想电路模型如图2.5.9所示。
5．电流控制电流源（CCCS）
图2.5.10是一个电流控制电流源的电路。
因为
if
iL
a
E
R1
R2
i1
Rf
RL
R
iR
i1
iL
RL
ai1
a=1+Rf/R
图2.5.10
图2.5.11
+
+
-
-
CCCS
Va=ifRf=i1Rf，
iR=－Va/R=－i1Rf/R
所以
iL=if－iR
=i1+i1Rf/R
=（1+Rf/R）i1。
令
α=1+Rf/R，
则
iL=αi1。
其中α无量纲，称为电流转移系数（或称电流放大倍数）。
CCCS的理想电路模型如图2.5.11所示。
实验任务与步骤：
实验操作中：
Vs=15V，正端接于J1，负端接于J3。
V1和V3根据需要而定，接线时必须注意极性。
实验电路如图2.5.12所示，实验板上的元器件符号与其一致。
J1～J10是接线柱，用于连接电源、电压表、电流表、电阻箱等。
K1～K7为电路的保护或状态转换开关。
20kW
R1
10kW
R2
10kW
R3
10kW
R4
6.8kW
R5
R6
20kW
K1
K2
K3
K4
K5
K6
K7
J1
J2
J3
J4
J5
+
+
+
+
+
+
J6
-
-
-
-
-
-
J7
J8
J9
J10
V1
V2
V3
V4
IL
I1
1
2
3
4
5
6
7
8
图2.5.12实验板电路图
1．测试VCVS的外特性（参见图2.5.4）
准备工作：
⑴K1、K4～K7置“ON”，K2、K3置“OFF”；
⑵双路直流稳压电源的一路调整为Vs=15V后接到实验板J1（接Vs正端）和J3（接Vs负端）之间；
⑶电阻箱调整阻值为RL=1kΩ后接到实验板J6和J3之间；
⑷双路直流稳压电源的另一路调整为V1=2V后接到实验板J4（接V1正端）和J3（接V1负端）之间。
1-1按表2.5.1中1-1项要求的阻值，分别调整电阻箱阻值RL，测出相应的V2（J6和J3之间）值。
作V2—RL关系曲线。
1-2固定RL=2kΩ，按表2.5.1中1-2项要求，调整V1并测出相应的V2值。
作V2—V1关系曲线，求出电压转移系数μ。
2．测试VCCS的外特性（参见图2.5.6）
准备工作（接续步骤1-2）：
⑴调整V1=2V；
⑵电阻箱调整阻值为RL=1kΩ且与电流表串联（电流表正端与电阻箱一端连接）后接到实验板J5（接电流表负极）和J6（接电阻箱的另一端）之间；
⑶K1置“OFF”。
2-1按表2.5.1中2-1项要求的阻值，分别调整电阻箱阻值RL，测出相应的电流Is。
作Is—RL关系曲线。
2-2固定RL=2kΩ，按表2.5.1中2-2项要求，调整V1并测出相应的电流Is值。
作Is—V1关系曲线，求出转移电导gm。
3．测试CCVS的外特性（参见图2.5.8）
准备工作：
⑴断开两路电源；
⑵K1～K4置“ON”，K5～K7置“OFF”；
⑶
升级会员 