《电工电子学》实验指导书卓越班年版.docx
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《电工电子学》实验指导书卓越班年版
《电工电子学》实验指导书
（适用于卓越班或创新班）
信息学院实验中心
2013年3月
基本训练性实验
实验一验证直流电路基本定律
一、实验目的
1．验证基氏定律（KCL、KVL）
2．验证迭加定理和戴维南定理
3．加深对电流、电压参考方向的理解
二、仪器设备
1．TPE—DG2电路分析实验箱1台
2．台式万用表1台
三、预习内容
1．认真阅读TPE—DG2电路分析实验箱使用说明（见PPT）
2．预习实验内容步骤；写预习报告，设计测量表格并计算理论值
3．根据TPE—DG2电路分析实验箱设计好连接线路
四、实验原理
1．基尔霍夫电流、电压定律及叠加定理
（1）基尔霍夫电流定律（KCL）
R1
R2
R3
E1
E2
A
B
I1
I2
I3
在集总电路中，任一瞬时，流向某一结点的电流之和等于由该结点流出的电流之和。
图2-1验证基尔霍夫电流、电压定律电路原理图
电路原理图及电流的参考方向如图2-1所示。
根据KCL，当E1、E2共同作用时，流入和流出结点A的电流应有：
I1+I2-I3=0成立。
（2）基尔霍夫电压定律（KVL）
在集总电路中，任一瞬时，沿任一回路所有支路电压的代数和恒等于零。
其电路原理图及电流的参考方向如图2-1所示。
根据KVL应有：
E1-UR1-UR3=0；或E1-UR1+UR2-E2=0；或E2-UR1-UR2=0成立。
（3）叠加定理
在线性电路中，任一支路中的电流（或电压）等于电路中各个独立源分别单独作用时在该支路产生的电流（或电压）的代数和。
所谓一个电源单独作用是指除了该电源外其他所有电源的作用都去掉，即理想电压源所在处用短路代替，理想电流源所在处用开路代替，但保留它们的内阻，且电路结构不作改变。
由于功率是电压或电流的二次函数，因此叠加定理不能用来直接计算功率。
电路原理图及电流的参考方向如图2-1所示。
分别测量E1、E2共同作用下的电流I1、I2、I3；E1单独作用下的电流I1'、I2'、I3′和E2单独作用下的电流I1''、I2''、I3''。
根据叠加原理应有：
I1=I1'+I1''；I2=I2'+I2''；I3=I3′+I3''成立。
2．戴维南定理
线性有源二端网络
a
b
等效成
+
-
a
b
UOC
Req
任何一个线性有源二端口网络，对于外电路而言，总可以用一个理想电压源和电阻的串联形式来代替。
理想电压源的电压等于原二端口网络的开路电压UOC，其电阻（又称等效电阻）等于网络中所有电压源短路、电流源开路时的入端等效电阻Req，见图2-2。
图2-2戴维南定理示意图
（1）开路电压的测量方法
a．直接测量法：
当有源二端网络的等效电阻Req与电压表的内阻相比可以忽略不计时，可以直接用电压表测量开路电压。
b．零示法：
在测量具有高内阻有源二端网络的开路电压时，用电压表直接测量会造成较大误差。
为了消除电压表内阻的影响，采用零示法。
即用一个低内阻的稳压电源与被测有源二端网络进行比较，当稳压电源的输出电压与二端网络的开路电压相等时，电压表的读数将为0。
然后将电路断开，测量此时稳压电源的输出电压，即为二端网络的开路电压UOC。
（2）等效电阻的测量方法
a．短路电流法：
用电压表测得开路电压UOC后，将开路端短路，测其短路电流ISC，则等效电阻Req=UOC/ISC。
此方法测量简便，但可能因短路电流过大会损坏电路内部的元件，对于等效电阻较小的二端网络，一般不宜采用。
b．两次电压测量法：
先测开路电压UOC，再在开路端接一个已知负载电阻RL，测RL两端的电压UL，则等效电阻
。
c．半电压测量法：
调电位器RL大小，当其两端的电压等于二端网络开路电压的一半时，RL的阻值即为等效电阻Req的值。
d．直接测量法：
当二端网络的等效电阻与万用表内阻相比可忽略不计时，可用万用表欧姆档直接测量二端网络的等效电阻Req。
五、实验内容与步骤
1、验证基尔霍夫电流（KCL）、电压（KVL）定律
实验线路中取的E1=3V、E2=6V，R1=R2=R3=1kΩ，连接电路，测量各支路电流及各元件两端的电压值，验证结果，自拟表格。
2、验证叠加定理
测量E1、E2单独作用和共同作用时，各支路的电流值。
数据填入表2-1。
表2-1验证叠加定理
I1（mA）
I2（mA）
I3（mA）
计算
测量
误差
计算
测量
误差
计算
测量
误差
E1作用
E2作用
E1、E2作用
3、验证戴维南定理
用戴维南定理测量R3支路的电流I3。
按实验原理，选择合适的测量方法测量开路电压UOC和等效电阻Req的值。
然后用直流电压源和可变电位器分别调出UOC和Req的值，再串上R3支路，测量R3支路的电流I3。
六、提高内容
叠加原理实验中，如果在电路的某一位置串联一个二极管元件，通过实验测量验证叠加原理是否还成立。
自行设计电路。
注意：
1．一定要接好线后再开电源，切勿带电接线。
2．选定参考方向后，按参考方向插入指针式万用表表笔。
测量电压或电流时，如果指针正偏，测量值为正，电压或电流的实际方向与参考方向一致；如指针反偏，则必须调换万用表表笔极性，重新测量，此时，测量值为负正，说明电压或电流的实际方向与参考方向相反。
七、实验报告要求
1．数据分析：
用你所测得的实验数据如何验证定律及定理？
2．与计算值比较，分析误差原因。
3．请回答问题：
1）你是如何通过电流表的串入，测试并理解参考方向这一概念的？
2）在验证戴维南定理的实验中，如果线性二端网络的内阻和你所用的万用电表内阻接近时，
应选用实验原理中讲述的哪种方法测量Req值？
实验二三相交流电与异步电动机控制
一、实验目的
1．熟悉三相交流电路中负载星形和三角形联接时线电压和相电压、线电流和相电流之间的关系。
2．观察和了解三相四线制中中线的作用。
3．了解按钮、交流接触器和热继电器等几种常用控制电器的结构，并熟悉它们的接用方法。
4．加深对三相异步电动机直接起动和正反转控制线路工作原理及各环节作用的理解和掌握。
5．学会检查线路故障的方法，培养分析和排除故障的能力。
二、实验仪器
电机与电力控制实验装置一台
数字万用表一块
A3380系列钳型表一台
三、预习要求
1．复习三相交流电路的相关内容，熟悉实验步骤，写预习报告。
2．根据负载（灯泡25w，230V）的参数估算电路中负载电流的大小。
3.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及交流接触器的工作原理和接线方法
四、实验内容及步骤
（一）三相交流电的测量
1．电灯负载作Y形联接，如图2-1：
（负载为25w，230V灯泡）
图2-1负载作Y形联接
（1）每相开3盏灯构成对称负载，当电源电压为线电压380V时，分别在有中线和无中线两种情况下测量各负载上的相电压、相电流及中线电流I0、填入下表。
（2）每相分别开1、2、3盏灯构成不对称负载，分别在下面两种情况下测量各负载上的相电压、相电流及中线电流I0，填入下表，比较两种情况下，每相之间灯的亮度有无变化。
量名
相电压
中线
各相电流及灯亮度
灯数
亮度比较
灯数
亮度比较
灯数
亮度比较
对称
有中线380V
无中线380V
不对称
有中线380V
无中线220V
2．电灯负载作△形联接，如图2-2：
（负载为25w，230V灯泡）
电源电压为线电压220V，负载作三角形联接，分别在对称负载（每相3盏灯）及不对称负载（1．2．3盏灯）两种情况下，测量每相的线电流及相电流，并观察两种情况下，每相之间灯的亮度变化。
图2-2负载作△形联接
线电流
相电流
IA
IB
IC
IAB
IBC
ICA
对称
不对称
3．用二瓦表法测三相有功功率
三相三线制供电系统中，无论三相负载是否对称，也无论负载是Y接还是△接，都可用二瓦表法测量三相负载的总有功功率。
实验电路如图2-3所示。
测量Y接对称负载时的功率，数据填入下表。
连线时注意功率表的电流线圈要串联在电路中，电压线圈要并联在电路中。
图2-3
负载情况
测量数据
P1（W）
P2（W）
P总（W）
Y接对称负载380V
测量时如功率表显示负值，应将功率表电流线圈两个端子对调（不能调换电压线圈端子），同时读数应记为负值。
（二）三相异步电动机启动与控制
认识实验装置上复式按钮、交流接触器和热继电器等电器的结构、图形符号、接线方法；认真
查看异步电动机铭牌上的数据，按铭牌要求将三相定子绕组接成△接。
三相调压器输出端U、V、W调为线电压220V。
1.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2-1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2-1三相鼠笼式异步电动机的点动控制
2.自锁控制
图2-2所示为自锁控制线路，它与图2-1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
2-2三相鼠笼式异步电动机的自锁控制
按图2-2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。
3．正反转控制
图2-3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2-3三相鼠笼式异步电动机的正反转控制
五、实验报告要求
1．用实验数据说明在什么情况下电压、电流的线、相量间有
关系？
2．在什么情况下才能取消中线？
3．以星形连接的负载为例，主回路中如果只串联两个发热元件时，是否也能起到保护？
4．热继电器是否也能起到短路保护？
实验三基本仪器设备及元器件的认知
一、实验目的
1．熟悉掌握常用电工电子仪器仪表的原理及使用
2．学习各基本电量的测量方法
3．掌握各实验箱的功能及使用方法
二、仪器设备
1．TFG6040DDS函数信号发生器1台
2．RIGOL数字示波器1台
3．SA5051台式数字万用表1台
4．电路分析实验箱、模拟电路实验箱、数字电路实验箱1台
三、预习内容
1．认真阅读示波器、函数信号发生器及台式万用表的使用说明和PPT课件
2．预习常用电子元器件的使用及测量方法
四、实验原理
在电工电子实验中，经常使用的仪器设备有示波器、函数信号发生器、直流稳压电源及万用表等。
利用这些仪器设备可以完成电子电路中各电量参数及波形的测试，如图3-1示。
图3-1
注意：
各仪器在进行综合使用时，为防止外界干扰，应将公共接地端连在一起，称为共地。
且实验中不要反复开、关仪器电源，待实验结束经教师检查数据正确后，方可关闭电源。
以下是实验室常用电子仪器、仪表、实验设备及常用电子元器件，其详细功能及使用方法，请参考附录及PPT课件。
（一）常用电子仪器、仪表
1．TFG6040DDS函数信号发生器
TFG6040DDS函数信号发生器具有双路独立输出或线性相加输出；可以输出32种波形，具有频率扫描、幅度扫描、脉冲信号源和谐波信号源等功能；可为被测实验电路提供幅值、频率均可调的多种波形电信号。
仪器前面板图如右图所示。
注意事项：
不能将输出端短路（输出电缆线的两个夹子相连）。
2．RIGOL数字示波器
示波器是一种既可以用于观察各种电信号波形，也可定量测量电信号一些参数的测量仪器。
该数字示波器具有双通道和一个外部触发输入通道。
为加速调整，便于测量，直接使用AUTO键时，便立即获得适合的波形显示和档位设置。
此外，还具有1GSa/s的实时采样、25GSa/s的等效采样率及强大的触发和分析能力，可更快、更细致地观察、捕获和分析波形。
3.SA5051台式数字万用表
SA5051台式数字万用表具有五位半的精确度，是一款快速、高精度、多功能，精确自动测量电压、电流、电阻、频率、电容等的测试仪器。
（二）实验设备
1.电路分析实验箱
电路分析实验箱采用单元化模块设计，共有12个实验单元。
同时具有双路、可调范围0V~20V的直流稳压电源，和50mA、100mA两档的直流恒流源。
可完成电工原理、电路分析等课程的15个实验项目。
2.模拟电路实验箱
模拟电路实验箱同样采用单元化模块设计，可以完成21个模拟电子技术课程的实验。
3.数字电路实验箱
数字电路实验箱具有脉冲源、三态逻辑笔、直流稳压电源及逻辑电平和逻辑显示等功能。
可以完成数字电路课程的所有实验项目。
（三）常用电子元器件
1.电阻器
电阻器是电路中应用最多的一种元件。
其作用是稳定和调节电路中的电流、电压，用做分流器、分压器、负载和阻抗匹配等。
电阻器分为固定电阻器和可变电阻器两大类，分别用符号R和RP表示。
固定电阻器即阻值固定不变，按制作材料和工艺的不同，可分为以下四种：
薄膜电阻器：
[碳膜（型号RT）、金属膜（型号RJ）、金属氧化膜（型号RY）]
合金电阻器：
[线绕（型号RX）、精密合金箔（RJ）]
合成电阻器：
[金属玻璃釉（RI）、实芯（型号RS）、合成膜（型号RH）]
特殊电阻器：
[光敏（型号MG）、热敏（型号MF）]
可变电阻器（电位器）有3个引出端，其阻值可在一定范围内连续可调。
按材料可分为薄膜电位器（WT）和线绕电位器（WX）两种；按调节机构的运动方式可分为旋转式和直滑式等。
详细介绍请参考PPT内容。
2.电容器
电容器在电路中具有通交流、阻直流的特性，是储能元件。
通常在电路中用于滤波、调谐、级间耦合、波形变换及定时等。
电容器按结构可分为固定电容器、可调电容器和微调电容器。
按介质材料可分为有机介质电容器、无机介质电容器和电解电容器等。
详细介绍请参考PPT内容。
3.电感器
电感器在电子电路中也是储能元件，具有通直流、阻交流的特点。
通常用于调谐、振荡、滤波、耦合、匹配、补偿等。
电感器分为两大类，一类是用于自感作用的电感线圈，另一类是用于互感作用的变压器。
因电感器形式众多，用途各异，所以无法进行统一命名。
详细介绍请参考PPT内容。
4.二极管
二极管是由一个PN结构成的器件，其P端引出线为正极，N端引出线为负极。
二极管具有单向导电性，可用于整流、检波、稳压和混频电路中。
常用的有普通二极管、发光二极管、稳压管二极管、变容二极管等。
详细介绍请参考PPT内容。
5.三极管（双极晶体三极管）
三极管是由两个组合在一起的PN结构成的电流控制型半导体器件，在电路中主要起电流放大作用和控制电流通断的开关作用。
6.场效应晶体管
场效应晶体管是一种电压控制电流器件。
具有输入电阻高、噪声低等特点，通常用于放大器的前置级，可起到阻抗转移的作用。
根据结构的不同，可分为结型场效应晶体管（JFET）和绝缘栅场效应晶体管（MOS管）两大类。
7.晶闸管
晶闸管（可控硅）是一种大功率开关型半导体器件。
内部由PNPN四层半导体材料构成了3个PN结，其3个电极分别是：
阳极A、阴极K和控制极G。
晶闸管可以在高电压、大电流条件下工作，具有耐压高、电容量大、体积小等特点。
通常用于整流、逆变电路、功率开关和电机控制等电路中。
可分为单向晶闸管和双向晶闸管。
8.集成电路器件
集成电路是将半导体器件、电阻、电容以及电路的连接导线都集成在一块半导体硅片上，形成一个具有一定功能的电子电路，然后封装成一个整体的电子器件。
与分立元件相比，集成电路具有体积小、质量小、性能好、可靠性高、损耗小、成本低等优点。
数字集成电路中，常见的TTL集成电路型号有74××、74LS××、54××等系列；常见CMOS集成电路型号有40××、4××、74HC××等系列。
模拟集成电路中，常用的有运算放大器μA741、LM324、三端稳压器CW7805等。
数/模（D/A）转换器、模/数（A/D）转换器、NE555定时器等为数模混合型集成电路。
五、实验内容
1．用示波器测量波形的幅值
函数信号发生器调出Upp＝3V、f＝1kHz的方波信号，分别加在图（a）和图（b）的ui端，用示波器观察uR和uC端的波形，并用示波器测量峰峰值。
（a）（b）
2．用示波器测量波形的相位差值
在图（b）的ui端加入Upp＝3V、f＝1kHz的正弦波信号，用示波器观察ui和uC端的波形，并通过波形测量相位差值。
3．常用电子元器件的测量与选择
通过实际测量，掌握常用电阻、电容、二极管和三极管等元器件的功能及其选择方法。
附件基本电量的测量方法
在电工电子实验中，经常要测量各种电参数。
由于各参数的性质不同，所以，在选择测量仪器和测量方法时也有所不同。
目前，实验室普遍使用的测量仪器有万用表、交流毫伏表、示波器和钳形电流表等。
以下将针对这些常用仪器，介绍一些基本电量的测量方法。
电压的测量
一、直流电压
1．用万用表测量
用指针式万用表（以MF10型为例）测量时，先检查表针是否指示零位，如偏离零位时，可用螺丝刀调节表头上的机械调零旋钮。
将黑表笔插入“∗”或“―”插孔，红表笔插入“+”插孔，功能选择开关置直流电压挡V的合适量程，表笔并联接在被测元件两端或待测电源、负载上，便可由表头读出被测直流电压值的大小。
用数字万用表（以UT54型为例）测量时，将黑表笔插入“COM”插孔，红表笔插入“VΩHz”插孔，功能选择开关置直流电压量程挡“V”的合适量程，便可在显示屏上显示出被测直流电压的大小。
如被测值前有“―”号，表示黑表笔测试端为高电位，红表笔测试端为低电位。
反之，显示值前无“―”号。
注意：
①在无法预知被测电压大小时，为防止打坏表针，应选择最大量程挡，然后再调整到合适量程上测量。
不可带电转换量程开关。
②数字表测量时，如显示屏只显示“1”，则表示超量程，应增大量程范围。
2．用示波器测量（以KENWOODCS-4125A模拟双踪示波器为例）
测量前，将示波器垂直工作方式置于交替（ALT），扫描方式置于自动（AUTO），使荧光屏上显示两条扫描基线，调节示波器Y轴灵敏度的微调旋钮，将其旋置校准状态，按以下步骤测量：
1）将垂直输入耦合开关置于“丄”位置，然后根据被测电压极性，调节垂直位移旋钮，使扫描基线位于合适的位置，以此基线作为零电平基准线。
2）将垂直输入耦合开关置于“DC”位置。
3）将被测电压经探头接入示波器Y轴输入端，从荧光屏上读出此时扫描线偏离零电平基准线的垂直距离H（cm），如图2.1.1所示，以及示波器Y轴灵敏度挡位的指示值SY（V/cm）。
则被测直流电压为：
被测直流电压（V）=H（cm）×SY（V/cm）
如果探头衰减切换开关置于10的位置，则被测直流电压为：
被测直流电压（V）=H（cm）×SY（V/cm）×10
图2.1.1示波器测量直流电压
二、交流电压
1．用万用表测量
无论用指针式万用表或数字万用表测量时，其表笔接法均同上，将功能选择开关置交流电压挡“V~”的合适量程，即可测出被测交流电压值。
注意：
万用表测交流电压时，被测电压的频率范围应在40Hz~400Hz之间，高于此范围时，测量误差将很大，应改用交流毫伏表测量。
另外，测得的电压值是被测交流电压的有效值。
2．用示波器测量
1）用示波器测量交流电压的峰峰值（Vpp）。
其测量方法如下：
①将垂直输入耦合开关置于“AC”位置。
②调节示波器Y轴灵敏度的微调旋钮，将其旋置校准状态。
③将被测电压经探头接入示波器Y轴输入端，根据被测电压的幅度和频率，适当改变Y轴灵敏度和扫描时间的挡位。
④调“触发电平”旋钮，使波形稳定，如图2.1.2所示。
⑤读出荧光屏上被测波形峰峰值的坐标刻度A（cm）、Y轴灵敏度挡位的指示值SY（V/cm），则被测交流电压的峰峰值为：
Vpp=A（cm）×SY（V/cm）；如果探头衰减切换开关置于10的位置，则被测交流电压的峰峰值为：
Vpp=H（cm）×SY（V/cm）×10。
如被测信号是正弦波，则根据有效值与峰峰值的关系，可计算出被测交流电压的有效值为：
有效值V=Vpp/2
图2.1.2示波器测量交流流电压的峰峰值
2）用示波器测量交流电压的瞬时值。
如要测量的交流电压是含有直流分量的某点的电压瞬时值时，其测量方法如下：
①将垂直输入耦合开关置于“丄”位置，调整扫描基线，确定零电平基准线。
②将垂直输入耦合开关置于“DC”位置。
③其他步骤同上，读出荧光屏上被测点与零电平基准线间的坐标刻度B（cm）、Y轴灵敏度挡位的指示值SY（V/cm），如图2.1.3所示，则可算出R点的电压瞬时值为：
νR=B（cm）×SY（V/cm）
图2.1.3示波器测量交流流电压的瞬时值
3．用交流毫伏表测量（NY4520型双通道交流毫伏表为例）
交流毫伏表测量的是正弦交流电压的有效值。
其测量方法如下：
1）开机前，调节机械调零旋钮，使指针指示零位。
2）按被测电压的大小选择合适的量程，使指针偏转至满刻度的2/3以上区域。
如不能预知被测电压的小，应将量程调到最大挡，然后再逐渐减小。
3）接入被测电压，根据量程的挡位按对应的刻度线读数。
例如，选择3V量程，应在刻度盘上读满刻度为3的刻度，此时，如果指针指在2的位置，则被测交流电压的有效值即为2V。
电流的测量
一、直流电流
实验中，通常用万用表来测量直流电流。
用指针式万用表测量时，与测量直流电压的方法一样，先进行机械调零。
然后将黑表笔插入“―”插孔，红表笔插入“+”或“*”插孔，功能选择开关置直流电流挡的合适量程，表笔串联接入被测负载回路里，便可由表头读
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