THHE1型高性能电工电子实验台实验指导书docx.docx
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THHE1型高性能电工电子实验台实验指导书docx
一、基本电工仪表的使用及测量误差的计算2
二、减小仪表测量误差的方法5
三、电流表、电压表的设计及量程扩展8
四、指针式欧姆表的设计和测试11
五、已知和未知电阻元件伏安特性的测绘14
六、电位、电压的测定及电位图描绘17
七、基尔霍夫定律的验证18
八、线性电路叠加原理和齐次性的验证20
九、电压源与电流源的等效变换21
十、戴维宁定理和诺顿定理的验证23
十一、等效网络变换原理与测试26
十二、最大功率传输条件的测定27
十三、受控源的设计和研究29
十四、直流双口网络测试32
十五、止弦稳态交流电路相量的研究35
十六、典型电信号的观察与测量37
十七、RC-阶电路的响应测试39
十八、二阶动态电路响应的研究41
十九、R、L、C元件阻抗特性的测定43
二十、交流电路频率特性的测试44
二十一、交流串联电路的研究46
二十二、负阻抗变换器49
二十三、回转器51
二十四、RC网络频率特性的测试54
二十五、R、L、C串联揩振电路的研究56
二十六、不同波形电压有效值、平均值、峰值的测试59
二十七、互感电路测量61
二十八、单相铁心变压器特性的测试63
二十九、单相电度表的校验65
三十、功率因数及相序的测量68
D鼻
图1-1
可调稳压源
图1・2
U'r\=
RvR\
v1+/?
.Rv+R\
绝对误无为△U=U，r]—Uri=
实验一基本电工仪表的使用及测量误差的计算
一、实验目的
1.熟悉实验台上各类电源及各类测最仪表的布局和使用方法。
2.掌握指针式电压表、电流表内阻的测量方法。
3.熟悉电工仪表测量误差的计算方法。
二、原理说明
1.为了准确地测量电路屮实际的电压和电流，必须保证仪表接入电路厉不会改变被测电路的工作状态。
这就要求电压表的内阻为无穷人、电流表的内阻为零。
而实际使用的指针式电工仪表都不能满足上述要求。
因此，当测量仪表一旦接入电路，就会改变电路原有的工作状态，这就导致仪表的读数值与电路原有的实际值之间出现谋差。
这种测量谋差值的人小与仪表木身内阻值的人小密切相关。
只要测出仪表的内阻，即可计算出由其产生的测量课差。
以卜•介绍儿种测量指针式仪表内阻的方法。
2.用“分流法”测量电流表的内阻
如图1・1所示。
A为被测内阻（RJ的直流电流表。
测量时先断开开关S,调节电流源的输出电流I使A表指针满偏转。
然后合上开关S,并保持I值不变，调节电阻箱Rb的阻值，使电流表的指针指在1/2满偏转位置，此时有
Ia=Is="2
Ra=Rb〃Ri
R.为固定电阻器之值，RBHJrtl电阻箱的刻度盘上读得。
3.用分压法测量电压表的内阻。
如图1-2所示。
V为被测内阻（Rv）的电压表。
测量时先将开关S闭合，调节直流稳压电源的输出电压，使电压表V的指针为满偏转。
然厉断开开关S,调节Rb使电压表V的指示值减半。
此时有：
Rv=Rb+Ri电压表的灵敏度为：
S=R\，/U（Q/V）o式屮U为电压表满偏时的电压值。
4•仪表内阻引入的测量课差（通常称之为方法课
差，而仪表本身结构引起的误差称为仪表基本误差）的计算。
（1）以图1・3所示电路为例，R】上的电压为UR1=-^—
R\+R2
现用一内阻为Rv的电压表來测量Uri值，当Rv与R1并联后,
Rab=-^^，以此来替代上式中的R],则得
Rv+&
Rv$
-叶R2U
+2/?
]/?
2+Z?
2""）+&尺2（R]+Rj）
若Ri=R2=Rv，则得AU=-—
6
相对槪气严XI。
吩幫®%十3.3%
由此nJ见，当电压表的内阻与被测电路的电阻相近时，测得值的误差是非常大的。
（2）伏安法测量电阻的原理为:
Ur,则其阻值RX=Ur/IroK1-4（a）、（b）为伏安法测量电阻的两种电路。
设所用电压表和电流表的内阻分别为Rv=20KQ,Ra二100Q,电源U二20V,假定Rx的实际值为R=10KQ。
现在來计算用此两电路测量结果的谋差。
测出流过被测电阻Rx的电流Ir及具两端的电压降
20
电路（a）：
U
RVRX心+v%心+心
0.1+
10x20
10+20
=2.96（加1）
5
19.73
"2.96
=6.666
（KQ）。
相对误并M=鱼泸=666^10X1°0%"34%
电路（b）:
/^=—-—二」2_“.98（曲），UR=U=20（V）Ra+Rx0.1+10
g牛哉"（KQ）。
相对误差4罟XI。
。
％"%
由此例，既可看出仪表内阻对测量结果的影响，也可看出采用正确的测量电路也可获得较满意的结果。
三、实验设备
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
nJ调直流稳压电源
0〜30V
二路
2
可调恒流源
0〜500mA
1
3
指针式万用表
MF-47或其他
1
口备
4
可调电阻箱
0〜9999.9Q
1
HE-19
5
电阻器
按需选择
HE-11A
四、实验内容
1.根据“分流法”原理测定指针式力川表（MF・47型或其他型号）直流电流0.5mA和5mA档量限的内阻。
线路如图1・1所示。
Rb可选用HE・19中的电阻箱（下同）。
被测电流表量限
S断开时的表读数（mA）
S闭合时的表读数（mA）
Rb
（Q）
Ri
（Q）
计算内阻Ra
（Q）
0.5mA
5mA
2.根据“分压法”原理按图1・2接线，测定指针式万用表直流电压2.5V和10V档最限的内阻。
被测电压表量限
S闭合时表读数（V）
S断开时表读数（V）
Rb（KQ）
R】（KQ）
计算内阻Rv（KQ）
S（Q/V）
2.5V
10V
3.用指针式万用表直流电压10V档量程测量图1-3电路中&上的电压UbZ值，并计算测量的绝对误差与相对误差。
U
r2
Ri
Riov（KQ）
计算值Uri
（V）
实测值Ub
（V）
绝对误差
AU
相对误差
（AU/UR1）X100%
12V
10KQ
50KQ
五、实验注意事项
L实验台上配冇实验所需的怛流源，在开启电源开关前，应将恒流源的输出粗调拨到
2mA档，输出细调旋钮应调至最小。
按通电源后，再根据需要缓慢调节。
2.当恒流源输出端接冇负载时，如果需要将其粗调旋钮由低档位向高档位切换时，必须先将其细调旋钮调至绘小。
否则输出电流会突增，可能会损坏外接器件。
3.实验前应认真阅读直流稳压电源的使用说明书，以便在实验中能正确使用。
4.电压农应与被测电路并联使用，电流农应与被测电路串联使用，并且都要注意极性与量程的合理选择。
5.本实验仅测试指针式仪表的内阻。
由于所选指针表的型号不同，本实验中所列的电流、电压量程及选用的Rb、&等均会不同。
实验时请按选定的表型自行确定。
六、思考题
1.根据实验内容1和2,若已求出0.5mA档和2.5V档的内阻，可否直接计算得出5mA档和10V档的内阻？
2.用量程为10A的电流表测实际值为8A的电流时，实际读数为8.1A,求测量的绝对误差和相対误差。
七、实验报告
1.列表记录实验数据，并计算各被测仪表的内阻值。
2.计算实验内容3的绝对误差与相对误差。
3.对思考题的计算。
4.其他（包括实验的心得、体会及意见等）。
实验二减小仪表测量误差的方法
一、实验目的
1.进一步了解电压表、电流表的内阻在测量过程中产生的谋差及其分析方法。
2.掌握减小因仪表内阻所引起的测量课差的方法。
二、原理说明
减小因仪表内阻而产牛的测量误差的方法有以下两种:
1.
不同量限两次测量计算法
当电压表的灵敏度不够高或电流表的内阻太人时，nJ利用多量限仪表对同一被测量用不同量限进行两次测量，用所得读数经计算后可得到较准确的结果。
如图2・1所示电路，欲测量具有较人内阻&）的电动势Us的开路电压Uo时，如果所用电压表的内阻&与Ro相差不大时，将会产牛很大的测量误差。
设电压表有两档量限，3、6分别为在这两个不同量限下测得的电压值，令Rh和2分别为这两个相应量限的内阻，则由图2・1可得岀
5=—XUs
Rq+Rv2
由以上两式可解得Us和R。
。
其屮5（即U。
）为：
5="5（心2-心1）
（/］心2一卩2心1
山此式可知，当电源内阻R。
与电压表的内阻R、，相差不大时，通过上述的两次测量,
即可计算出开路电压U。
的大小，口其准确度要比单次测量好得多。
对于电流表，当其内阻较大时，也可用
类似的方法测得较准确的结果。
如图2-2所示电路，—
不接入电流表时的电流为\=且o接入内阻为斗匕
R-
Ra的电流表a时，电路中的电流变为r=5,—
R+Ra
如果Ra=R，贝dI-I/2,出现很大的误差。
图2-2
R+Ra2
如果用有不同内阻Rai、Ra2的两档量限的电流表作两次测量并经简单的计算就可得到较准确的电流值。
按图2・2电路，两次测量得1|=丄」
r+ra\
rh以上两式可解得Us和r,进而可得：
1=冬=/山（心厂心2）
R人尺和_，2尺人2
2•同一量限两次测量计算法
如果电压表（或电流表）只有一档量限，•口.电压表的内阻较小（或电流表的内阻较大）时，町用同一量限两次测量法减
小测量课差。
其屮，第一次测量与一般的测量并无两样。
第二次测量时必须在电路中串入一个已知阻值的附加电阻。
（1）
图2-3
电压测量——测量如图2-3所示电路的开路电压U。
。
设电压表的内阻为心。
第一次测量，电压表的读数为3。
第二次测量时应与电压表串接一个已知阻值的电阻器R,电压表读数为U2。
由图可知:
5=2
/?
（）+/?
+Ry
由此两式可解得E和
R。
则Us（即U。
）为:
Us=U°=
RU\U2
心（S"）
（2）电流测罠——测最如图2-4所示电路的电流Io
设电流表的内阻为RAo第一次测量电流表的读数为h。
第二次测量墜与电流表串接一个已知阻值的电阻器R,电流表读数为【2。
由图可知：
I尸壬A5
R+Ra〜r+ra+r
rh以上两式nJ解得Us和r（）,从而可得：
1=空=——
R人（心+R）—/局
由以上分析可知，当所用仪表的内阻与被测线路的电阻相差不大时，采用多量限仪表不同量限两次测量法或单量限仪表两次测量法，通过计算就可得到比单次测量准确得多的结果。
三、实验设备
序号
名称
型号与规格
数U
备注
1
直流稳压电源
0〜30V
1
屏上
2
指针式万用表
MF-47或其他
1
自备
3
直流电流表
0〜2000mA
1
屏上
4
可调电阻箱
0〜9999.9Q
1
HE-19
5
电阻器
按需选择
HE-11A
四、实验内容
1.双量限电压表两次测量法
按图2・3电路，实验中利用实验台上的一•路直流稳圧电源，取Us=2.5V,R。
选用50KQ（取自电阻箱）。
用指针式万用表的直流电压2.5V和10V两档量限进行两次测量，最厉算出开路电压U，。
之值。
万用农电压量限
（V）
内阻值
（KQ）
两个量限的测量值U
（V）
电路计算值Uo
（V）
两次测量计算值
5
（V）
U的相对误差值
（%）
ITo的相对误差
（%）
2.5
10
R_2.5V和RlOV参照实验一的结果。
2.单量限电压表两次测量法
实验线路同上。
先用上述万用表直流电压2.5Vfi限档直接测量，得5。
然后串接R
=1OKQ的附加电阻器再一次测量,得5。
计算开路电压之值。
实际计算值
两次测量值
测量计算值
U1的相
对谋差
ITo的相对误差
（%）
Uo（V）
U1（V）
5（V）
肌（V）
（%）
3.双量限电流表两次测量法
按图2・2线路进行实验,Us=O.3V,R=3OOQ（取自电阻箱），用万用表0.5mA和5mA
两档电流量限进行两次测量，计算出电路的电流值I'。
万用表电流量限
内阻值
（Q）
两个量限的测量值h（mA）
电路计算值I（mA）
两次测量计算值F
（mA）
Ii的相对误差
（%）
/的相对误差
（%）
0.5mA
5mA
R（）.5mA和R.5mA参照实验-的结果。
4.单量限电流表两次测量法
实验线路同3。
先用万用表0.5mA电流量限育接测量，得I】。
再串联附加电阻R=30Q
进行第二次测量，得J求出电路中的实际电流I之值。
实际计算值
两次测量值
测量计算值
Ii的相对谋差
I'的相对谋差
I
（mA）
11
（mA）
12
（mA）
r
（mA）
（%）
（%）
五、实验注意事项
1.同实验一。
2.采用不同量限两次测量法时，应选用相邻的两个量限，且被测值应接近于低量限的满偏值。
否则，当用高量限测量较低的被测值时，测量谋差会较人。
3.在实验内容3和4中，电路电流的计算值为崩=lmA,却用力用表0.5mA档去测量该电流，这纯为实验所需。
因为实验中，已知力用k0.5mA档的内阻＞300Q,接入电路后总电流V0.5mA,故可如此用。
在实际工程测量中，一般应先用最高暈程档去测量被测值，粗知被测值后再选用合适的档位进行准确测量。
4.实验屮所用的MF-47型力用表属于较精确的仪表。
在人多数情况下，直接测量谋差不会太大。
只有当被测电压源的内阻＞1/5电压表内阻或者被测电流源内阻＜5倍电流表内阻时，釆用本实验的测量、计算法才能得到较满意的结果。
六、实验报告
1.完成各项实验内容的计算
2.实验的收获与体会。
3.其他
实验三电流表、电压表的设计及量程扩展
1.实验目的
1、了解指针式电流表、电压表电路设计的基础知识及设计计算方法。
2、掌握电流表、电压表量程扩展的方法。
TgRg
二、原理说明0—=@
一只指针式电流表表头（本实验以MF47型指针式力用表图3_1
表头为例），在不添加其他元件和电路时，能测量的满刻度电
流值称为该电流表的某木量程，用Ig表示。
该表有一定的内阻，用Rg表示，这就是一个“基本表”。
其等效电路如图3・1。
由于Ug=RgIg,而皿不变，因此基本表可用來测量电流，也可用来测量电压。
为了便于读数，指针式电流表或电压表的标尺刻度的满度值都収5或10的整数倍。
同样，基本表的Ig也常取1、2或5的整数倍，常用的有1、2、5、10、20、50、100（UA或mA）等。
由于加工差异，同一规格的各表，Ig不可能完全一致。
再考试到方便设计，通常Ig都略小于满度刻值。
如MF47表头Ig—般在45〜48uA,而满刻值为50uA。
同理，作电压表使用时，IgRg值也稍少于满刻度值。
Ig或IgRgAi满度值Z间的差异可在量程扩展时予以修止。
设计电流表或电压表时，应根据所需要的测量精度来选择合适的表头。
当配套器件相
同时，Ig越小（价格就越贵），所做成的测量仪表的测量精度就越高。
ob
图3-2
图3-3
基本表所能测量的电流和电压值都很小。
要测量较大的电流或电压，就必须扩展基本表的量程。
扩展后的量程首先耍满足测量需要，其次要易于按原有刻度读得测量值。
例如，满度值为50uA的表头，就可扩展为0.5、
5或50（mA）等的电流量程或1、25、10、50（V）等的电压量程。
电流表量程的扩展见图3-2,要测量人于坨的电流I,必须用分流电阻Ra与基本衣并联。
Ra的值按下式计算：
RA=IgRg/（I-IJ
（1）
电压表血量程扩展见图3・3。
要测量大于的电压
U,必须串联电阻Rv进行分压。
Rv的值按下式计算：
$1——
D1
—W
!
“D2
Rv=（U/Ig）・兀
（2）
应注意，为了保证量程扩展后仪农的测量精度，对分流或分压电阻的精度和稳定性都有严格的要求。
此外，为了保护表头，常在基本表的两端并接电容C和二极管DI、D2,见图34电容C既可减缓被测信号对表头的冲击，且在测量交流信号时
图3-4
起滤波作用。
DI、D2则可使基本表两端的压降W0.7V,避免过压烧坏表头。
基本表述对用来设计制作交流电压表。
普通万用衣中测量交流电压采取一种最简单的办法，即：
将被测交流电压经分压厉再用二极管整流、电容C滤波转变成直流电压来测量。
通常用导通压降较小的错二极管作整流。
由于二极管的伏安特性曲线在低压段是非线性的，因此，测量较小的交流电压时误差较大。
严格地说，交流电压或交流电流有止弦波、三角波、方波等不同波形，每种波形述町能有不同的频率。
简单线路的交流电压表或电流表只适于测量频率在400Hz以下的正弦波。
交流电压表的线路见图3・5（滤波电容C未画出）。
由于线路中冇半波整流、电容滤波，加Z表头偏转线圈的电感、表头内部的磁场等，因此其分压电阻Rvc的计算较复杂，此处从略。
一般Rvc可通过实验确定，详见实验内容4。
用基本表设计制作交流电流表的最简单方法是I-U转换法，既让被测交流电流流过取样电阻R，再用交流电压扌专来测量R两端的电压。
此法的缺点是：
被测交流电流较小时,需要较大阻值的取样电阻，既影响被测线路，测量•误差也较大；而当被测电流较大时，则需要大功率的取样电阻。
故一般普及型指针万用表中都不设交流电流档。
三、实验设备
序号
名称
型号规格
数量
备注
1
直流电压表
0-300V
1
屏上
2
直流电流表
0〜2000mA
1
屏上
3
直流稳压电源
0-30V
2
屏上
4
直流恒流源
0〜500mA
1
屏上
5
基木表
MF47
1
HE-11A
6
电阻箱
0〜99999.9Q
1
HE-19
7
台式力用表
CDM8045等
1
自备
8
函数信号发牛
TH-SG01P
1
屏上
四、实验内容
实验询先将HEJ1A实验箱放平，用小螺批将MF47表头细心进行机械调零。
Is
图3-6
1、测量MF47表头的满量程电流Ig和内阻Rg
（1）先将屏上恒流源的输出粗调开关拨至2mA档，并使恒流源输出电流为0,然后按图3・6接线。
W先不接入，UA表用台式万用表的200PA档。
缓慢调节恒流源的输出，直至指针表头指
示满度，则UA表的读数即为指针表头的Igo
（2）将HE-11A±的10K电位器（W）阻值调至最大后接入图3-5虚线处。
缓慢调小
W的阻值，直至指针表头指示半满度值。
断开W连接线，用台式力用表测量W的阻值即为指针表的内阻Rg。
2、设计直流毫安表
（1）按
（1）式计算出BA量程吋基本表的分流电阻R八］。
（2）按图3・2接线，用Rai（取自HE・19电阻箱）代替Ra。
（3）令恒流源输出电流I为衣1所列值接入图3-2中a、b两端，依次读岀基本表的相应指示值，记入表1。
（4）将量程扩展为10mA,重复
（1）〜（3）步。
表1（单位：
mA）
I
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
基本表读数
I
2
4
6
8
10
基本衣读数
3、设计直流电压表
（1）按
（2）式计算10V量程的电压表的分压电阻R\“
（2）按图3・3接线,fflRvi（用HE-11A的200KQ加HE-19电阻箱）代替Rv。
（3）令稳压电源输出电压U为表2所列值接入图3・3中的a、b两端，依次读出基本表的相应指示值，记入表2。
（4）将量程扩展为50V,重复
（1）〜（3）步。
Rv用HE-11A中的1MQ加HE-19的电阻箱。
将两个0〜30V稳圧电源串联使用，可输出0〜60V。
表2（单位：
V）
U
2
4
6
8
10
基本表读数
U
10
20
30
40
50
棊本表读数
4、设计交流电压表
（1）取交流电压的重程为10V,按
（2）式计算Rv。
（2）按图3・5接线，Rvc暂取Rv/2（用HE・19电阻箱）。
（3）从函数信号发牛器的功率输出接口输岀10V（用台式万用表测量）的止弦波，接入图3-5的中Uac两端。
（4）调节Rvc阻值，使基本表指示满度值。
（5）令函数信号发生器的输出电压依次为表3所列值，相应记录基本表读数，并根据两者的偏差再调整Rvc值，直至在整个量程内测得值的偏差为最小（可能要测调2〜3次）。
表3（单位：
V）
Vac
0
2
4
6
8
10
Rvc（Q）
基木农读数1
基本表读数2
基本表读数3
5、设计交流电流表
在10V量程的交流电压表的Uac两端并上100Q的取样电阻,即成为量程为100mA的交流电流表。
山于没有对调的交流电流源，故只能用函数发生器输出电压来测试。
用台式万用交流20V档测量取样电阻100Q两端的电压，调节函数信号发生器的输出电压，使台式万用表的读数为表4所列值，并记录基本表的相应指示值。
表4
台式表读数（V）
0
2
4
6
8
10
相应电流（mA）
0
20
40
60
80
100
基木表读数
五、实验注意事项
1、电阻箱的阻值在进位或减位吋，一般都应先大后小，例如：
从9.9K升到10K,则
应9.9K—19.9K—10K。
而从10K降至9.9K,则应10K—19.9K—9.9K。
2、直流信号接入基本表时，应注意极性，以免指针反偏而打坏。
六、预习思考题
1、在设计电压表或电流表时，一般应考虑哪些方面？
2、要用一只棊本表设计冇三个电流量程和三个电压量程的电压电流表，用一只多档位开关來切换测量量程，请画出英电路原理示意图。
七、实验报告
1、总结电表设计和量程扩展的原理和计算方法。
2、分析实验数据中误差及其产牛的原因。
3、完成预习思考题2。
实验四
指针式欧姆表的设计及测试
一、实验目的
学会指针欧姆表的设计、计算方法，加强对欧姆定律的理解及实际应用能力。
二、原理说明
指针式欧姆表的设计原理是基于欧姆定理。
即在被测电阻R
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