电路分析实验8个实验上海交大出版社主编李秀平主审胡耀华.docx

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电路分析实验8个实验上海交大出版社主编李秀平主审胡耀华

实验一基尔霍夫定律的验证

一、实验目的

1.验证基尔霍夫定律的正确性，加深对基尔霍夫定律的理解。

2.掌握使用直流电工仪表测量电流、电压的方法。

3.学会应用电路的基本定律，分析、查找电路故障的一般方法。

二、实验原理

1．基尔霍夫定律是电路的基本定律。

测量某电路的各支路电流及多个元件两端的电压，应能分别满足基尔霍夫电流定律和电压定律。

即：

对电路中任何一个节点而言，应满足ΣI＝0；

对电路中任何一个闭合回路而言，应满足ΣU＝0。

运用上述定律时，必须注意电流、电压的实际方向和参考方向的关系。

2.依据基尔霍夫定律和欧姆定律可对电路的故障现象进行分析，准确定位故障点。

若在一个接有电源的闭合回路中，电路的电流为零，则可能存在开路故障；若某元件上有电压而无电流，则说明该元件开路；若某元件上有电流而无电压，说明该元件出现了短路故障。

三、实验内容

1.先任意设定三条支路的电流参考方向，如图1-2所示。

三个回路的正方向可设为ADEFA、BADCB、FBCEF。

图1-1实验电路

2.将两路直流稳压源同时接入电路，令US1＝6V，US2＝12V。

3.将电流插头的两端接至数字毫安表的“＋、－”两端,将电流插头分别插入三条支路的三个电流插座中，读出并记录各电流值。

图1－2是电流插头插座的用法示意。

4.用直流数字电压表分别测量、并记录两路电源及电阻元件上的电压值。

5.分别按下故障开关，借助电压表、电流表，找出电路的故障性质和故障点。

被测量

I1

I2

I3

E1

E2

UFA

UAB

UAD

UCD

UDE

计算值

测量值

相对误差

图1-2使用插头插座测量电流

表1－1测量数据及计算值

电流单位：

电压单位：

表1－2故障分析记录

故障开关

故障性质

故障位置

A

四、实验设备

序号

名称

型号与规格

数量

备注

1

直流可调稳压电源

0－30V/1A

2

实验台自配

2

直流数字电压表

0－200V

1

实验台自配

3

直流数字毫安表

0－200mA

1

实验台自配

4

实验电路板

图1－1

1

DGJ-03自配

五、注意事项

1.测量验证基尔霍夫定律的数据时，三个故障开关均不按下，即不设人为故障。

2.实验电路中的开关S3应向右，拨向510Ω侧。

3.测量电压时应注意表棒的使用。

测UAB，应该用数字直流电压表的正表棒（红色）接A点，负表棒（黑色）接B点，否则记录测出的数值时，必须添加一负号。

4.电源电压也以电压表实际测量的读数为准。

六、实验思考

1.根据图示的电路参数，计算出待测的各支路电流和各电阻上的电压值，记入表1-1中，以便实际测量时，正确地选定毫安表和电压表的量程。

2.本实验中判断电路的简单故障时，是否需要记录具体的电流、电压数据？

七、实验报告要求

1.根据实验数据验证基尔霍夫定律的正确性。

2.完成数据表格中的计算，对误差作必要的分析。

3．分析故障现象，说明定位故障点的理由。

实验二叠加原理的验证

一、实验目的

1.验证线性电路中叠加原理的正确性，加深对线性电路的叠加性和齐次性的理解。

2.掌握叠加原理的适用范围。

二、实验原理

叠加原理指出：

在有几个独立电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时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（某独立源的值）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、实验内容

1.实验线路如图2－1。

分别将两路直流稳压电源接入电路，令US1＝12V，US2＝6V。

2.将实验电路中的开关S3向右，即拨向510Ω侧。

进行步骤3－6的测量。

图2－1叠加原理实验电路

3.令US1电源单独作用（US1＝12V，US2＝0V），即将开关S1投向US1侧，开关S2投向短路侧，用直流数字电压表和直流数字毫安表（接电流插头）测量各支路电流及各电阻元件两端的电压，数据记入表格2－1。

4.令US2电源单独作用（US1＝0V，US2＝6V），即将开关S2投向US2侧，开关S1投向短路侧，用直流数字电压表和直流数字毫安表测量各支路电流及各电阻元件两端的电压，数据记入表格2－1。

5.令US1、US2电源共同作用（US1＝12V，US2＝6V），即将开关S1投向US1侧，开关S2投向US2侧，用直流数字电压表和直流数字毫安表测量各支路电流及各电阻元件两端的电压，数据记入表格2－1。

6.令US2电源整为原先的两倍并令其单独作用（US1＝0V，US2＝12V），即将开关S2投向US2侧，开关S1投向短路侧，用直流数字电压表和直流数字毫安表测量各支路电流及各电阻元件两端的电压，数据记入表格2－1。

表2－1无非线性元件时的测量数据

测量内容

US1

US2

I1

I2

I3

UAB

UCD

UAD

UDE

UFA

E1单独作用

E2单独作用

E1E2共同作用

2E2单独作用

电流单位：

电压单位：

7.将实验电路中的S3向左，拨向IN4007侧，即电路中接入非线性元件（二极管，型号为1N4007），重复第三步至第六步的测量过程，数据记入表格2－2，验证叠加原理或齐次性原理是否成立。

表2－2含非线性元件时的测量数据

测量内容

US1

US2

I1

I2

I3

UAB

UCD

UAD

UDE

UFA

E1单独作用

E2单独作用

E1E2共同作用

2E2单独作用

电流单位：

电压单位：

序号

名称

型号与规格

数量

备注

1

直流可调稳压电源

0－30V/1A

2

实验台自配

2

直流数字电压表

0－200V

1

实验台自配

3

直流数字毫安表

0－200mA

1

实验台自配

4

实验电路板

图2－1

1

DGJ-03

四、实验设备

五、注意事项

1.测量各电流、电压时，应注意仪表的极性及数据表格中“+、－”号的记录。

2.注意仪表量程的选择。

六、实验思考

1.叠加原理中E1、E2分别单独作用，在实验中应如何实现？

可否直接将不作用的电源（E1或E2）短接？

2.实验电路中，若将一个电阻器改为二极管（非线性元件），电路的叠加性和齐次性还成立吗？

为什么？

七、实验报告要求

1.根据实验数据验证叠加原理的正确性和适用范围。

2.根据实验数据验证齐次性原理的正确性和适用范围。

3.根据实验数据,检验电阻所消耗的功率是否符合叠加原理。

实验三电压源与电流源的等效变换

一、实验目的

1.掌握电源外特性的测试方法。

2.验证电压源与电流源等效变换的条件。

二、实验原理

1.一个直流稳压电源在一定的电流范围内，其内阻很小。

故在实用中，常将它视为一个理想的电压源，即认为输出电压不随负载电流而变，其伏安特性V＝f（I）是一条平行于I轴的直线。

同样，一个实际的恒流源在实用中，在一定的电压范围内，可视为一个理想的电流源。

2.一个实际的电压源（或电流源），其端电压（或输出电流）不可能不随负载而变，因它具有一定的内阻值。

故在实验中，用一个小阻值的电阻与稳压源相串联来摸拟一个实际的电压源，用一个大电阻与恒流源并联来模拟实际的电流源。

3.一个实际的电源，就其外部特性而言，即可以看成是一个电压源，又可以看成是一个电流源。

若视为电压源，则可用一个理想的电压源ES与一个电阻R0相串联的组合来表示；若视为电流源，则可用一个理想电流源IS与一电导g0相并联的组合来表示。

若它们能向同样的负载提供出同样大小的电流和端电压，则称这两个电源是等效的，它们具有相同的外特性。

一个电压源与一个电流源等效变换的条件为:

图3－1电压源与电流源的等效变换

三、实验内容

1.测定直流稳压电源与电压源的外特性

（1）按图3－2接线，US为＋6V直流稳压电源，R1=200Ω，R2=470Ω。

调节R2，令其阻值由大至小变化，记录两表的读数于表3－1。

图3－2直流稳压电源的外特性测量

R2

∞

500

400

300

200

100

0

U

I

表3－1直流稳压电源的外特性测量数据

电流单位：

电压单位：

电阻单位：

Ω

（2）按图3－3接线，虚线框可模拟为一个实际的电压源，调节电位器R2，令其阻值由大至小变化，记录两表的数据于3－2。

图3－3实际的电压源的外特性测量

表3－2实际的电压源的外特性测量数据

R2

∞

500

400

300

200

100

0

U

I

电流单位：

电压单位：

电阻单位：

Ω

2.测定电流源的外特性

按图3－4接线，IS为直流恒流源，调节其输出为10mA，令RS分别为1KΩ和∞，（即接入或断开），调节电位器RL（从0至470Ω），测出这两种情况下的电压表和电流表的读数,记录实验数据于表3－3和表3－4。

图3－4电流源的外特性测量

表3－3电流源内阻RS=∞时的外特性

RL（Ω）

0

100

200

300

400

500

IS（mA）

U（V）

表3－4电流源内阻RS=1KΩ时的外特性

RL（Ω）

0

100

200

300

400

500

IS（mA）

U（V）

3.测定电源等效变换的条件

首先按图3－5a线路接线，读取其中两表的读数。

然后按图3-5b线路接线，调节其中恒流源IS（取R'S＝RS），直至两表的读数与左边线路的数值相等，记录IS等数值于表3－5，验证电源等效变换条件的正确性。

图3－5a图3－5b

电压源供电时U（V）

电压源供电时I（mA）

保持U、I不变所需的电流源IS（mA）

表3－5电压源与电流源等效条件的验证

四、实验设备

序号

名称

型号与规格

数量

备注

1

直流可调稳压电源

0－30V/1A

1

实验台自配

2

直流可调恒流源电源

0－200mA

1

实验台自配

3

直流数字电压表

0－200V

1

实验台自配

4

直流数字毫安表

0－200mA

1

实验台自配

5

电阻器

1KΩ等

若干

DGJ-05

6

可调电阻箱

0－99999.9Ω

1

DGJ-05

五、注意事项

1.实验中使用的恒压源的输出需要在负载开路时实际测出，恒流源的输出也同样需在负载短路时把数据测出。

注意恒流源负载电压不可超过20伏，负载更不可开路。

2.改接线路时，必须关闭电源开关。

3.直流仪表的接入应注意量程与极性，以保证数据的正确性。

六、实验思考

1.直流稳压电源的输出端为什么不允许短路？

直流恒流源的输出端为什么不允许开路？

2.电压源与电流源的外特性为什么呈下降变化趋势，稳压源和恒流源的输出在任何负载下是否保持恒值？

七、实验报告要求

1.根据实验数据，验证电源等效变换的条件。

2.根据实验数据，绘出实际电源的外特性曲线，并与理想电源的特性曲线作比较。

实验四戴维南定理和诺顿定理的验证

一、实验目的

1.验证戴维南定理和诺顿定理的正确性，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.任何一个线性含源网络，如果仅研究其中一条支路的电压和电流，则可将电路的其余部分看作是一个有源二端网络（或称为含源一端口网络）。

戴维南定理指出：

任何一个线性有源网络，就其对外效果而言，总可以用一个等效电压源来代替，此电压源的电动势ES等于这个有源二端网络的开路电压U0C，其等效内阻R0等于该网络中所有独立源均置零（理想电压源视为短接，理想电流源视为开路）时的等效入端电阻。

诺顿定理指出：

任何一个线性有源网络，就其对外效果而言，总可以用一个等效电流源来代替，此电流源的电流IS等于这个有源二端网络的短路电流ISC，其等效内阻R0等于该网络中所有独立源均置零（理想电压源视为短接，理想电流源视为开路）时的等效入端电阻。

ES（U0C）、IS（ISC）和R0（Req）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、短路电流法测R0

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U0C，然后再将其输出端短路，用电流表测其短路电流ISC，则内阻为

若二端网络的内阻值很低时，则不宜测其短路电流。

（2）伏安法测R0

用电压表、电流表测出有源二端网络的外特性如图4－1所示。

根据外特性曲线求出斜率tgφ，则内阻

图4－1有源二端网络的外特性

用伏安法，主要是测量开路电压及电流为额定值IN时的输出端电压值UN，则内阻为：

（3）半电压法测R0

如上图所示，当负载电压为被测网络开路电压一半时，负载电阻（由电阻箱的读数确定）即为被测有源二端网络的等效内阻值。

（4）零示法测U0C

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4－2所示。

图4－2零示法测量有源二端网络的开路电压

零示法测量原理是用一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，测量此时稳压电源的输出电压，即为被测有源二端网络的开路电压U0C。

三、实验内容

被测有源二端网络如图4－3所示。

图4－3有源二端网络及其戴维南等效电路

1.用开路电压、短路电流法测有源二端网络的等效参数

按图4－3线路接入稳压电源ES=12V和恒流源IS=10mA,不接入RL，测定U0C和ISC,并计算R0（测U0C时，不接入毫安表）。

数据记录于表4－1。

表4－1有源二端网络的等效参数

U0C（V）

ISC（mA）

R0=U0C/ISC（Ω）

2.负载实验：

按图4-3接入RL（电位器），改变RL的阻值，测量有源二端网络的外特性曲线。

数据记录于表4－2。

表4－2有源二端网络的外特性

U（V）

I（mA）

3.验证戴维南定理：

从电阻箱上取得按步骤“1”所得的等效电阻R0之值，然后令其与直流稳压电源（调到步骤“1”时所测得的开路电压U0C之值）相串联，如图4-3所示，仿照步骤“2”测其外特性，对戴氏定理进行验证。

表4－3戴维南等效电路的外特性

U（V）

I（mA）

4.验证诺顿定理：

从电阻箱上取得按步骤“1”所得的等效电阻R0之值，然后令其与直流恒流源（调到步骤“1”时所测得的短路电流ISC之值）相并联，如图4－4所示，仿照步骤“2”测其外特性，对诺顿定理进行验证。

图4－4诺顿等效电路的外特性验证

表4－4诺顿等效电路的外特性

U（V）

I（mA）

5.有源二端网络等效电阻（又称入端电阻）的直接测量法：

对实验电路，将该有源网络内的所有独立源置零（将电流源IS去掉，也去掉电压源，并在原电压端所接的两点用一根短路导线相连），然后用伏安法或者直接用万用表的欧姆档去测定负载RL开路后A、B两点间的电阻，此即为被测网络的等效内阻R0或称网络的入端电阻Ri。

四、实验设备

序号

名称

型号与规格

数量

备注

1

直流可调稳压电源

0－30V/1A

1

实验台自配

2

直流可调恒流源

0－200mA

1

实验台自配

3

直流数字电压表

0－200V

1

实验台自配

4

直流数字毫安表

0－200mA

1

实验台自配

5

实验电路板

图4－3等

1

DGJ-03

6

可调电阻箱

0－99999.9Ω

1

DGJ-05

7

电位器

1K/5W

1

DGJ-05

8

万用表

UT58B

1

另备

五、注意事项

1.注意测量时，电表量程要及时更换并注意极性。

2.步骤“5”中，电源置零时不可将稳压源短接。

3.用万用表直接测R0时，网络内的独立源必须先置零。

同时，如用指针式万用表，欧姆档必须每次调零后再进行测量。

4.改接线路时，应关掉电源。

六、实验思考

1.比较测量有源二端网络开路电压及等效内阻的几种方法，并分析其优缺点。

2.预先完成理论计算值的计算。

七、实验报告要求

1.根据实验数据戴维南定理和诺顿定理的正确性，并分析误差产生的原因。

2.整理用半电压法和零示法测量等效电路参数的数据结果。

3．比较几种测量测R0方法的结果，并与理论计算值作比较。

实验五最大功率传输条件的测定

一、实验目的

1.掌握负载获得最大功率的条件。

2.了解电源输出功率与发出功率的关系。

二、实验原理

1.电源与负载功率的关系

一个电源向负载输送电能的简单模型如图5－1所示。

其中R0可视为电源内阻和传输线路电阻的总和，RL为负载电阻。

RL上消耗的功率P可由下式表示：

图5－1电源向负载输送电能的简单模型

2.负载获得最大功率的条件

以RL作为自变量，负载功率P为应变量，用数学求最大值的方法，易求出：

当满足RL=R0时，负载可从电源获得最大功率，其值为：

这时，称此电路处于“匹配”工作状态。

3.“匹配”状态电路的特点及应用

当电路处于“匹配”状态时，电源本身要消耗一半的功率，效率只有50％。

显然，这对电力系统的能量传输过程是绝对不允许的。

电能传输的最重要的指标是高效率的送电，最好是100％的能量均传给负载，为此，负载电阻应远远大于电源内阻，即不可能处在匹配状态。

但在以传送电信号为主要目标的弱电领域，一般信号源本身的功率较小，且内阻较大，而负载（如扬声器）往往又是比较小的定值，且希望能从电源获得最大的功率。

这时电源的效率往往不需考虑。

通常采用在负载和电源之间加阻抗变换器（如音频功放电路中的输出变压器），使其工作在匹配状态，以使负载获得最大的输出功率。

三、实验内容

1.按图5－2接线。

用稳压电源串接固定电阻模拟内阻较大的实际电源，用DGJ-05元件箱上的电阻作为可调的负载电阻RL。

图5－2测量电路的传输特性

2.令RL在0－1KΩ的范围变化，分别在两种条件下测出U0、UL及I的值，记录于下表中。

表中U0、P0代表电源的输出电压和功率，UL、RL代表负载上的电压和负载得到的功率。

在匹配状态附近，多测几点。

数据记录于表5－1。

表5－1电路的传输特性测量数据

US=6V

R0=51Ω

RL

20

40

45

50

55

60

100

500

1KΩ

∞

U0

UL

I

P0

PL

US=12V

R0=200Ω

RL

50

100

150

200

250

300

400

500

1KΩ

∞

U0

UL

I

P0

PL

电压单位，电流单位，电阻单位，功率单位

四、实验设备

序号

名称

型号与规格

数量

备注

1

直流可调稳压电源

0－30V/1A

1

实验台自配

2

直流数字电压表

0－200V

1

实验台自配

3

直流数字毫安表

0－200mA

1

实验台自配

4

可调电阻箱

0－99999.9Ω

1

DGJ-05

五、实验思考

1.实际应用中，电源的内阻是否随负载而变？

2.电源电压的变化对负载获得最大功率的条件有无影响？

六、实验报告要求

1.整理实验数据，绘制输出功率随负载变化曲线。

2.总结负载获得最大功率的条件。

实验六RC一阶电路的暂态响应

一、实验目的

1.测定RC一阶电路的零输入响应、零状态响应和全响应。

2.学习时间常数的测量方法。

3.掌握有关微分电路、积分电路的概念。

4.进一步学会用示波器观测波形。

二、实验原理

1.动态电路的过渡过程是十分短暂的单次变化过程，对时间常数τ较大的电路，可用慢扫描长余辉示波器观察光点移动的轨迹。

如果用一般的双踪示波器观察过渡过程和测量有关的参数，必须使这种单次变化的过程重复出现。

为此，可利用信号发生器输出的方波来模拟阶跃激励信号，即令方波输出的上升沿作为零状态响应的正阶跃激励信号；方波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，它的响应和直流接通与断开的过渡过程是基本相同的。

2.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:

用示波器测得零状态响应的波形如图6－1所示。

根据一阶微分方程的求解得知

当零状态响应波形增长到0.632E所对应的时间就等于τ。

图6－1RC电路的零状态响应

亦可用零输入响应波形所对应的时间测得，如右下图所示。

图6－2RC电路的零输入响应

当t＝τ时，Uc（τ）＝0.368E，此时所对应的时间就等于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