电路理论实验指导书.docx
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电路理论实验指导书
实验一电阻元件伏安特性的测绘
一．实验目的
1．掌握线性电阻、非线性电阻元件伏安特性的逐点测试法；
2．学习恒电源、直流电压表、电流表的使用方法。
二．原理说明
1
任一二端电阻元件的特性可用该元件上的端电压U与通过该元件的电流I之间的函数关系U＝f（I）来表示，即用U－I平面上的一条曲线来表征，这条曲线称为该电阻元件的伏安特性曲线。
根据伏安特性的不同，电阻元件分两大类：
线性电阻和非线性电阻。
线性电阻元件的伏安特性曲线是一条通过坐标原点的直线，如图1－1中（a）所示，该直线的斜率只由电阻元件的电阻值R决定，其阻值为常数，与元件两端的电压U和通过该元件的电流I无关；非线性电阻元件的伏安特性是一条经过坐标原点的曲线，其阻值R不是常数，即在不同的电压作用
下，电阻值是不同的，常见的非线性电阻如白炽灯丝、普通二极管、稳压二极管等，它们的伏安特性如图1－1中（b）、（c）、（d）。
在图1－1中，U〉0的部分为正向特性，U〈0的部分为反向特性。
绘制伏安特性曲线通常采用逐点测试法，即在不同的端电压作用下，测量出相应的电流，然后逐点绘制出伏安特性曲线，根据伏安特性曲线便可计算其电阻值。
三．实验设备
1．数字万用表。
2．KHDL-1电路原理实验箱。
四．实验内容
1．测定线性电阻的伏安特性
按图1－2接线，图中的电源U选用恒压源的可调稳压输出端，通过直流数字毫安表与1kΩ线性电阻相连，电阻两端的电压用直流数字电压表测量。
调节恒压源可调稳压电源的输出电压U，从0伏开始缓慢地增加（不能超过10V），在表5－1中记下相应的电压表和电流表的读数。
表1－1线性电阻伏安特性数据
U（V）
0
2
4
6
8
10
I（mA）
2．测定半导体二极管的伏安特性
按图1—3接线，Ｒ为限流电阻，取200Ω（十进制可变电阻箱），二极管的型号为1N4007。
测二极管的正向特性时，其正向电流不得超过25mA，二极管ＶＤ的正向压降可在0～0.75V之间取值。
特别是在0.5～0.75之间更应取几个测量点；测反向特性时，将可调稳压电源的输出端正、负连线互换，调节可调稳压输出电压U，从0伏开始缓慢地增加（不能超过－30V），将数据分别记入表1－3和表1－4中。
表1－3二极管正向特性实验数据
U（V）
0
0.2
0.4
0.45
0.5
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
I（mA）
表1－4二极管反向特性实验数据
U（V）
0
－5
－10
－15
－20
－25
－30
I（mA）
3．测定稳压管的伏安特性
将图1—3中的二极管1N4007换成稳压管2CW51，重复实验内容2的测量，其正、反向电流不得超过±20mA，将数据分别记入表1－５和表1－６中。
表1－5稳压管正向特性实验数据
U（V）
0
0.2
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
I（mA）
表1－6稳压管反向特性实验数据
U（V）
0
－2
－2.6
－3.
－3.5
－3.8
－4
－4.5
－5.0
I（mA）
五．实验注意事项
1．测量时，可调稳压电源的输出电压由0缓慢逐渐增加，应时刻注意电压表和电流表，不能超过规定值。
2．稳压电源输出端切勿碰线短路。
3．测量中，随时注意电流表读数，及时更换电流表量程，勿使仪表超量程。
六．预习与思考题
1．线性电阻与非线性电阻的伏安特性有何区别？
它们的电阻值与通过的电流有无关系？
3．请举例说明哪些元件是线性电阻，哪些元件是非线性电阻，它们的伏安特性曲线是什么形状？
4．以电阻元件的伏安特性函数式为I＝f（U），如何用逐点测试法绘制出伏安特性曲线。
七．实验报告要求
1．根据实验数据，分别在方格纸上绘制出各个电阻的伏安特性曲线。
2．根据伏安特性曲线，计算线性电阻的电阻值，并与实际电阻值比较。
实验二验证基尔霍夫定律
一、实验目的
1、加深理解KCL、KVL定律。
2、掌握基本电子工具的使用（万用表、电阻箱、直流稳压电源、毫安表）。
二、实验原理
1.KCL原理：
2.KVL原理：
三、实验设备
1.直流稳压电源HT-1712G型0――30V双路一台
2.直流毫安表C31-mA型100mA――1000mA一台
3.数字万用表DT9202型31/2位一块
4.交流/直流电阻箱ZX38A/10型0――11111.1型一台
5.通用实验板附：
电阻150Ω、51Ω、82Ω、91Ω（1W）各一个
四、实验步骤：
1.如图所示，接线。
在每个支路（测量），接入电流表（毫安表），再打开电源。
读取电流表的数值，填入对应的表1中（请注意电流的方向）。
2.如图2-1所示，在通电的情况下，用万用表测量对应元器件的电压，填入对应的表1中（请注意电压的方向）。
3.将实测值和理论值相比较。
被测量
R1
R2
R3
US1
US2
I
U
表1
I1
I2
R1
I3
＋
510Ω
US1
－
12V
图2-1
五、注意事项
1.不能带电操作，所有同学，接线完毕后，经老师检查后，方可通电。
2.电压源不能短路。
六、思考题
1．电路中两个电动势均增大一倍，各支路的电流、电压如何变化？
如果电路中只有一个电动势增大一倍，而另一个不变，各支路的电流、电压如何又如何变化？
实验三叠加原理的验证
一．实验目的
验证线性电路的叠加原理的正确性,从而加深对线性电路的叠加性和齐次性的认识和理解。
二．实验原理
叠加原理:
在有几个独立源共同作用下的线性电路中,通过每一个元件的电流或其两端的电压,可以看成是由每一个独立源单独作用是在该元件上所产生的电流或电压的代数和.
线性电路的齐次性是指当激励信号（与独立源的值）增加或减小K倍时,电路的响应（即在电路其他各电阻元件上所建立的电流和电压值）也将增加或减小K倍.
三．实验器材
KHDL-1型电路原理实验箱、直流稳压电源（+6V、+12V），直流数字毫安表,直流数字电压表。
四．实验内容
1、按实验电路图3－１接线，取Ｅ1＝＋１２Ｖ，Ｅ2＝＋６Ｖ。
2、令Ｅ1电源单独作用时，用数字万用表的电压档和毫安表测量各支路电流及各电阻元件两端电压，数据记入表格中。
3、令Ｅ2电源单独作用时，重复实验步骤２的测量和记录。
4、令Ｅ1和Ｅ2共同作用时，重复上述的测量和记录。
5、将Ｅ2的数值调到＋１２Ｖ，重复上述第３项的测量并记录。
测量项目
实验内容
E1
（V）
E2
（V）
I1
（mA）
I2
（mA）
I3
（mA）
UAB
（V）
UBC
（V）
UCD
（V）
UDA
（V）
UBD
（V）
E1单独作用
12
/
E2单独作用
/
6
E1\E2共同作用
12
6
2E2单独作用
/
12
（表格1）
五．实验注意事项
1、测量各支路电流时，应注意仪表的极性，在数据表中用＋、－号记录。
2、注意仪表的量程和及时换挡。
六．实验报告
1、根据实验数据验证线性电路的叠加性和齐次性。
2、各电阻器所消耗的功率能否用叠加原理计算得出？
试用上述数据进行计算并作结论。
七．实验预习思考
1、叠加原理中Ｅ1、Ｅ2分别单独作用，在实验中应如何操作？
可否直接将不作用的电源（Ｅ1或Ｅ2）置零（短接）？
为什么？
实验电路中，若有一个电阻器改为二极管，叠加原理的叠加性与齐次性还成立吗？
为什么？
实验四戴维南定理
一．实验目的
1．验证戴维宁定理的正确性，加深对该定理的理解；
2．掌握测量有源二端网络等效参数的一般方法。
二．实验原理
1．戴维宁定理
戴维宁定理指出：
任何一个有源二端网络，总可以用一个电压源US和一个电阻RS串联组成的实际电压源来代替，其中：
电压源US等于这个有源二端网络的开路电压UOC,内阻RS等于该网络中所有独立电源均置零（电压源短接，电流源开路）后的等效电阻RO。
US、RS和IS、RS称为有源二端网络的等效参数。
2．有源二端网络等效参数的测量方法
（1）开路电压、短路电流法
4
在有源二端网络输出端开路时，用电压表直接测其输出端的开路电压UOC,然后再将其输出端短路，测其短路电流ISＣ，且内阻为：
。
若有源二端网络的内阻值很低时，则不宜测其短路电流。
（2）伏安法
一种方法是用电压表、电流表测出有源二端网络的
外特性曲线，如图4－1所示。
开路电压为UOC，根据
外特性曲线求出斜率tgφ，则内阻为：
。
另一种方法是测量有源二端网络的开路电压UOC，以及额定电流IN和对应的输出端额定电压UN，如图4－1所示，则内阻为：
。
（3）半电压法
如图4－2所示，当负载电压为被测网络开路电压UOC一半时，负载电阻RL的大小
（由电阻箱的读数确定）即为被测有源二端网络的等效内阻RS数值。
4
4
（4）零示法
在测量具有高内阻有源二端网络的开路电压时，用电压表进行直接测量会造成较大的误差，为了消除电压表内阻的影响，往往采用零示测量法，如图4－3所示。
零示法测量原理是用一低内阻的恒压源与被测有源二端网络进行比较，当恒压源的输出电压与有源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，测量此时恒压源的输出电压U，即为被测有源二端网络的开路电压。
三．实验设备
1．数字万用表；
2．KHDL-1电路原理实验箱。
四．实验内容
A．被测有源二端网络与负载电阻RL（用电阻箱）连接，如图4－4（a）所示。
1．开路电压、短路电流法测量有源二端网络的UOC、RS等效参数。
4
测开路电压UOC：
在图4－4（a）电路中，断开负载RL，用电压表测量1、2两端电压，
将数据记入表4－1中。
测短路电流ISＣ：
在图4－4（a）电路中，将负载RL短路，用电流表测量电流，将数据
记入表4－1中。
测量有源二端网络的等效参数US和RS。
表4－1开路电压、短路电流数据
UOC（V）
ISＣ（mA）
RS=UOC/ISＣ
2．负载实验
按图4-5改变RＬ阻值，测量有源二端网络的外特性。
RL（）
0
1K
2K
3K
4K
5K
6K
7K
8K
9K
10K
U12（V）
I（mA）
3．验证戴维宁定理：
用一只1K可调电位器，将其阻值调整到等于步骤“1”实验中所测的等效电阻“RS”之值，然后令其与直流稳压UOC（调整“1”步骤时所得的开路电压“UOC”之值）相串联，如图4-4（b）所示，仿照步骤“2”测量其外特性，对证戴维宁定理进行验证。
表4－2有源二端网络外特性数据
RL（）
0
1K
2K
3K
4K
5K
6K
7K
8K
9K
10K
U12（V）
0
3.07
I（mA）
0
3.1
五、实验注意事项
1．测量时注意电流表量程的更换
2．改接线路时，要关掉电源。
六．实验报告要求
1．根据步骤2和3,分别绘出曲线,验证戴维南定理的正确性,并分析产生误差的原因。
实验五RC一阶电路响应测试
一、实验目的
1、学会使用示波器观测波形。
2、测定RC一阶电路的零输入响应、零状态响应及完全响应。
3、学习电路时间常数的测量方法。
4、掌握有关微分电路和积分电路的概念。
二、实验原理
1、动态网络的过渡过程是十分短暂的单次变化过程。
要用普通示波器观察过渡过程和测量有关的参数，就必须使这种单次变化的过程重复出现。
为此，我们利用信号发生器输出的方波来模拟阶跃激励信号，即利用方波输出的上升沿作为零状态响应的正阶跃激励信号；利用方波的下降沿作为零输入响应的负阶跃激励信号。
只要选择方波的重复周期远大于电路的时间常数τ，那么电路在这样的方波序列脉冲信号的激励下，它的响应就和直流电接通与断开的过渡过程是基本相同的。
（a）
（b）（c）
图5-1
2、图5-1（a）所示的RC一阶电路的零输入响应和零状态响应分别按指数规律衰减和增长，其变化的快慢决定于电路的时间常数τ。
3、时间常数τ的测定方法:
用示波器测量零输入响应的波形如图5-1（b）所示。
根据一阶微分方程的求解得知：
当电压uc=0.368Um时，所对应的时间就等于τ。
亦可用零状态响应波形，如图5-1（c）所示。
当uc增加到0.632Um时，所对应的时间为τ。
4、微分电路和积分电路是RC一阶电路中较典型的电路，它对电路元件参数和输入信号的周期有着特定的要求。
一个简单的RC串联电路，在方波序列脉冲的重复激励下，当电路的参数满足：
时（T为方波的周期），且由R两端的电压uR作为响应输出，则该电路就是一个微分电路。
因为此时电路的输出信号电压与输入信号电压的微分成正比。
如图5-2（a）所示。
利用微分电路可以将方波转变成尖脉冲。
（a）微分电路（b）积分电路
图5-2
若将图5—2（a）中的R与C位置调换一下，如图5—2（b）所示，由C两端的电压作为响应输出，且当电路的参数满足：
时，且由C两端的电压uc作为响应输出，则该RC电路称为积分电路。
因为此时电路的输出信号电压与输入信号电压的积分成正比。
利用积分电路可以将方波转变成三角波。
微分电路和积分电路的输入、输出关系如图4—3所示。
从输入输出波形来看，上述两个电路均起着波形变换的作用，请在实验过程中仔细观察和记录。
图5-3
三、实验设备
1、电路原理实验箱
2、双踪示波器
3、万用表
四、实验内容
实验线路板的器件组件，如图5-4所示，请认清R、C元件的布局及其标称值，认清各开关的通断位置等。
图5-4
内容1、示波器、函数电源的使用
（1）分别用示波器观察函数电源输出的正弦波、方波和三角波。
体会函数电源及示波器各旋钮的用途。
（2）分别用示波器测量正弦波、方波和三角波的周期和频率，并与函数电源显示的频率比较。
（3）将函数电源输出信号的频率调至100Hz，分别用示波器测量正弦波、方波和三角波的峰－峰值，将其调至2伏。
用交流电压表测量这些信号的有效值并与理论值比较。
测量结果记入表1。
（有效值计算公式：
）
表1
f=100Hz
正弦波
方波
三角波
峰－峰值
2V
2V
2V
有效值（实测）
有效值（理论值）
内容2、时间常数τ的测定
从电路板上选R＝10kΩ，C＝3300pF，组成如图4-1（a）所示的RC充、放电电路。
ui为函数信号发生器输出的Um＝6V、f＝1kHz的方波电压信号，并通过两根同轴电缆线，将激励源ui和响应uC的信号分别连至示波器的两个输入口YA和YB。
这时可在示波器的屏幕上观察到激励与响应的变化规律，测算时间常数τ，并记录波形。
内容3、积分电路
令R＝10kΩ，C＝0.01μF，组成如图4-2（b）所示的积分电路。
在方波激励信号（Um＝6V，f＝1kHz）作用下，观察并描绘响应uC的波形，继续增大C之值，观察C值改变（即τ增大）对响应uC的影响，并做记录。
内容4、微分电路
令R＝1kΩ，C＝0.01μF，组成如图4-2（a）所示的微分电路。
在同样的方波激励信号（Um＝6V，f＝1kHz）作用下，观测并描绘激励ui与响应uR的波形。
增、减R之值，观察τ的变化对响应uR的影响，并作记录。
当R增至1MΩ时，输入输出波形有何本质上的区别？
五、注意事项
1.示波器两个输入通道CH1和CH2探头的公共端必须联在同一点上。
在本实验各步骤中，CH1、CH2探头公共端均应与函数电源的接地端（黑端）相连。
2.切记函数电源的各输出端不可短接，更不可将其直接联到其它交流或直流电源上。
3.先将函数电源的输出调到零，待电路接好检查无误后，再将函数电源的输出调至所需数值。
4.示波器旋钮较易损坏，使用时应轻轻旋动。
可将示波器的探头打到×1位置测量。
六、实验报告要求
1、根据实验观测结果，在纸上绘出RC一阶电路充放电时uC的变化曲线，由曲线测得τ值，并与理论计算结果进行比较，分析误差原因。
2、根据实验观测结果，归纳、总结积分电路和微分电路的形成条件，阐明波形变换的特征。
实验六用三表法测量交流电路等效参数
一、实验目的
1.学会用交流电压表、交流电流表和功率表测量元件的交流等效参数的方法。
2.学会功率表的接法和使用。
二、原理说明:
1.正弦交流信号激励下的元件值或阻抗值，可以用交流电压表、交流电流表及功率表分别测量出元件两端的电压U、流过该元件的电流I和它所消耗的功率P，然后通过计算得到所求的各值，这种方法称为三表法，是用以测量50Hz交流电路参数的基本方法。
计算的基本公式为：
阻抗的模
，电路的功率因数cosφ＝
等效电阻R＝
＝│Z│cosφ，等效电抗X＝│Z│sinφ
或X＝XL＝2πfL，X＝Xc＝
2.阻抗性质的判别方法：
可用在被测元件两端并联电容或将被测元件与电容串联的方法来判别。
其原理如下：
（1）在被测元件两端并联一只适当容量的试验电容,若串接在电路中电流表的读数增大，则被测阻抗为容性，电流减小则为感性。
图10-1并联电容测量法
图10-1（a）中，Z为待测定的元件，C'为试验电容器。
（b）图是（a）的等效电路，图中G、B为待测阻抗Z的电导和电纳，B'为并联电容C'的电纳。
在端电压有效值不变的条件下，按下面两种情况进行分析：
①设B＋B'＝B"，若B'增大，B"也增大，则电路中电流I将单调地上升，故可判断B为容性元件。
②设B＋B'＝B"，若B'增大，而B"先减小而后再增大，电流I也是先减小后上升，如图16-2所示，则可判断B为感性元件。
由以上分析可见，当B为容性元件时，对并联电
容C'值无特殊要求；而当B为感性元件时，B'<│2B│
才有判定为感性的意义。
B'>│2B│时，电流单调上升，
与B为容性时相同，并不能说明电路是感性的。
因此
B'<│2B│是判断电路性质的可靠条件，
由此得判定条件为
＜
图10-2
（2）与被测元件串联一个适当容量的试验电容，若被测阻抗的端电压下降，则判为容性，端压上升则为感性，判定条件为
＜│2X│式中X为被测阻抗的电抗值，C'为串联试验电容值，此关系式可自行证明。
判断待测元件的性质，除上述借助于试验电容C'测定法外，还可以利用该元件的电流i与电压u之间的相位关系来判断。
若i超前于u，为容性；i滞后于u，则为感性。
3.本实验所用的功率表为智能交流功率表，其电压接线端应与负载并联，电流接线端应与负载串联。
三、实验设备:
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
交流电压表
0～500V
1
D33
2
交流电流表
０～5A
1
D32
3
功率表
1
4
自耦调压器
1
DG01
5
镇流器（电感线圈）
与40W日光灯配用
1
DG09
6
电容器
1μF,4.7μF/500V
1
DG09
7
白炽灯
15W/220V
3
四、实验内容:
测试线路如图10-3所示。
1.按图10-3接线，并经指导教师
检查后，方可接通市电电源。
2.分别测量15W白炽灯（R）、40W
日
图16-3
光灯镇流器（L）和4.7μF电容器（C）的
等效参数。
图10-3
3.测量L、C串联与并联后的等效参数。
被测阻抗
测量值
计算值
电路等效参数
U
（V）
I
（A）
P
（W）
cosφ
Z
（Ω）
cosφ
R
（Ω）
L
（mH）
C
（μF）
15W白炽灯R
电感线圈L
电容器C
L与C串联
L与C并联
4.验证用串、并试验电容法判别负载性质的正确性。
实验线路同图10-3，但不必接功率表，按下表内容进行测量和记录。
被测元件
串1μF电容
并1μF电容
串前端电压（V）
串后端电压（V）
并前电流（A）
并后电流（A）
R
（三只15W白炽灯）
C（4.7μF）
L（1H）
五、实验注意事项:
1.本实验直接用市电220V交流电源供电实验中要特别注意人身安全,不可用手直接触摸通电线路的裸露部分,以免触电。
2.自耦调压器在接通电源前，应将其手柄置在零位上，调节时，使其输出电压从零开始逐渐升高。
每次改接实验线路、换拨黑匣子上的开关及实验完毕，都必须先将其旋柄慢慢调回零位，再断电源。
必须严格遵守这一安全操作规程。
3.实验前应详细阅读智能交流功率表的使用说明书，熟悉其使用方法。
六、预习思考题:
1.在50Hz的交流电路中，测得一只铁心线圈的P、I和U，如何算得它的阻值及电感量？
答：
P=U*I*cosφcosφ=P/（U*I）IL=I*sinφ=I*√（1-cos^2φ）=√（U^2*I^2-P^2）/U
XL=U/IL=2*π*f*LL=U/（2*π*f*IL）=U^2/[2*π*f*√（U^2*I^2-P^2）]
2.如何用串联电容的方法来判别阻抗的性质？
试用I随X'C（串联容抗）的变化关系作定性分析，证明串联试验时，C'满足
＜│2X│。
答：
例如要测量某一个用电器。
你可以给他串联一个大小合适的电容，串联之前和之后分别测量一下通电
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