电路分析实验讲义.docx
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电路分析实验讲义
《电路分析》实验指导书
浙江师大职业技术教育学院应用电子系
《电路分析》课程组编
实验要求与须知
科学实验是科学得以发展的保证，是研究自然科学的一个重要手段。
对于电路分析这门课程来说，实验是整个教学过程中必不可少的重要的实践性环节，它是系统学习本学科基础理论知识的基础上，通过实验和实际操作使学生得到实验基本技能的训练，学习常用仪器仪表的使用方法，进一步巩固和加深所学到的理论知识，培养和提高学生运用基本理论去分析、处理实际问题的能力。
一、实验目的和要求：
1.通过实验，学习常用仪器、仪表的使用方法和测量技术，培养学生的基本实验技能。
2.进一步巩固加深并扩大所学的理论基础知识，培养运用基本理论知识去分析、解决实际问题的能力。
3.培养整理实验数据，分析实验结果，编写实验报告和选择实验方法的能力。
4.培养事实求实、严肃认真、塌实细致的科学作风和良好的实验习惯。
二、实验的进行方式
实验课一般分课前预习、进行实验和课后写实验报告三个阶段。
为使学生做每次实验，达到预期目的，现将各个阶段的要求简述如下：
1.课前预习
实验能否顺利进行和收到预期效果，很大程度上取决预习准备是否充分。
因此要求每次实验之前仔细阅读实验指导书，明确本次实验的目的、任务，了解实验的基本原理以及实验线路、方法、步骤，清楚本次实验要观察哪些现象，记录哪些实验数据和哪些问题。
以及搞清楚实验中所要遇到的仪器、仪表的使用方法。
学生只有认真做好预习后才能到实验室做实验，凡达不到预习要求者，不得进行实验。
2.进行实验
一般实验课按下列程序进行：
（1）首先认真听取教师在实验前讲授的实验要求及注意事项。
（2）到指定的桌位上做实验，实验前应做到：
1）检查仪器、仪表设备是否齐全、完好，并了解仪器、设备的额定容量，使用方法，量程和操作规程。
当未搞清楚性能和用法时，不得随意使用该仪器、设备。
2）做好实验记录的准备工作。
3）按实验要求接线。
接线前先弄清楚原理图上的各元件和节点与实验电路中元件、节点的对应关系，然后根据要求连接线路。
连接的原则一般是“先串后并”、“先主后辅”，接好线路后要求自检、互检并请教师检查，待老师认可后，方准接通电源。
4）按实验步骤进行操作，观察实验现象，读取和记录实验数据。
操作前要做到：
目的明确，心中有数。
操作时要注意：
合电源，眼观全局，先看现象，再读数据。
读数前要弄清仪表量程及刻度，读数时注意姿势正确，要求“眼、针、影成一线”。
5）结尾工作
完成所有的实验项目后，先不忙拆线，应自己检查实验数据是否合理，有无遗漏，再经教师复查，并在原始记录上签字通过后方可拆线（注意拆线前必须先切断电源），并做好仪器、设备、桌面和环境的清洁整理工作。
最后经教师同意后才可离开实验室。
三、实验报告的编写
实验报告的编写过程是实验结果的全面归纳，总结分析和提高阶段。
要简明扼要将实验结果完整和真实的表达出来。
报告要求：
文理通顺，字迹清楚，图表清晰，结论正确，分析合理，讨论深入。
学生在每次实验之后都应独立完成这一工作，实验报告内容包括：
1.实验名称、实验日期、班级和姓名。
2.实验目的、任务、原理和线路图。
3.实验仪器仪表设备的名称、数量及规格。
4.根据原始数据做成的表格、曲线、波形，以及理论计算数据，误差分析等。
波形、曲线要求画在坐标纸上，比例尺要适当，坐标轴上要标明物理量的单位和分度。
做曲线时要曲线板绘制，力求曲线光滑，不必强求通过全部的测定点，测定点的分布可随曲线率不同而不同。
曲率大处应多测几点。
实验结果的分析处理（包括实验结论、分析讨论收获体会及意见）。
回答指导书上提出的问题。
学生在做完实验之后，应及时写好报告，不交报告者，实验不合格。
实验操作规则及注意事项
1、实验前必须进行预习，阅读实验指导书及教科书中有关内容，了解实验目的任务和步骤，达到心中有数，目的明确。
凡预习不合格者，不得进入实验室。
2、保持实验室的清洁，和环境卫生，不准随地吐痰，严禁吸烟，保持安静，不得大声说话和吵闹。
3、注意人身安全和设备安全
要求切实遵守实验室各项操作规程，以确保实验过程中的安全，必须严格遵守以下规定。
（1）不宜自行接通电源，接好线后经教师检查认可后，方可合上电源。
（2）进行实验时不触及裸露的带电部分，防止衣服头发卷人转动的机器。
严格遵守“先接线，后通电，先断电后拆线”的操作程序。
严禁带电操作。
（3）发现异常现象（声响、发热、焦嗅等）应立即切断电源。
保护现场，报告指导老师，不允许自行处理，或隐瞒事故。
凡属责任事故，造成仪器、设备损坏者，需会同实验室工作人员进行分析处理、并如实填写事故报告单。
（4）爱护仪器设备，遵守操作规程，不得动用与本次实验无关的设备。
（5）实验结束后摆好仪器设备，并做好实验室的清洁卫生工作。
实验目录
实验一元件伏安特性的测定6
实验二基尔霍夫定律12
实验三电源的等效变换15
实验四叠加定理和戴维南定理21
实验五简单RC电路的瞬态过程27
实验六一阶、二阶电路的正弦响应29
实验七功率因数的改善32
实验八三相交流电路35
实验九电源等效变换设计40
实验十一阶RC电路的设计43
附录：
示波器和函数信号发生器的使用44
附录2电子示波器、万用表和信号发生器的使用48
实验一元件伏安特性的测定
一、实验目的
1、学习直读式仪表及晶体管稳压电源等设备的使用方法
2、加深对线性电阻元件，非线性电阻元件——半导体二极管以及电源伏安特性的理解，并学习掌握测试元件特性的伏安测量法。
二、原理与说明
电路元件的特性一般用该元件的端电压V与通过元件的电流I之间的伏安函数关系来表示，一个元件的电压与电流之间关系的图形称为此元件的伏安特性曲线。
独立电源和电阻元件的伏安特性，可以用电压表，电流表测定这种方法称为伏安测量法（即伏安表法）。
伏安表法原理简单，测定方便，同时适合非线性元件伏安特性的测定。
但由于仪表的内阻会影响到测量的结果因而必须注意仪表的合理接法。
1、电阻元件
（1）、线性电阻元件
电阻元件的特性可以用元件两端的电压V与流过元件的电流I的关系来表征。
在V—i坐标平面上线性电阻元件的特性为一条通过原点的直线，该直线的斜率的倒数，即为电阻值，它是一个常数。
如图1—1所示。
电阻的伏安特性是符合欧姆定律的。
电阻值不随电压或电流变化而变化。
在V和I关联参考方向条件下：
V=IR
若V，I参考方向相反则欧姆定律的形式为：
V=-IR
（2）、非线性电阻
非线性电阻的电阻值随电流电压的变化而变化，对于非线性电阻元件，可以分为下
三种类型。
1）、若元件的端电压是流过该电压的单值函数，则称为电流型电阻元件，示例的特性曲线见图1—2（a）。
2）、若流过元件的电流是该元件端电压的单值函数，则为电压型电阻元件，示例的特性曲线见图1—2（b）。
3）、若元件的伏安特性曲线是单调增加或减少的，则该元件即是电流型又是电压型的电阻元件。
如图1—2（c）。
O
O
（b）
（c）
（a）
1--2
半导体二极管就是一种非线性电阻元件，其伏安特性曲线如图1—2（c）所示。
二极管的电阻值随电压电流的大小甚至方向而改变。
对比图1—1和图1—2可以发现，线性电阻的伏安特性对称于坐标原点。
这种性质称为双向性，为所有线性电阻元件所具备。
而半导体二极管的伏安特性不但是非线性的而且对于坐标原点不对称，又称单向性，这种性质为大多数非线性电阻所具备。
半导体二极管的电阻随端电压的大小和极性不同而不同。
当外加电压的极性和二极管的极性相同时，其电阻值很小，反之电阻值很大。
半导体二极管的这一性能称为单相导电性，利用单相导电性可以把交流电变换成直流电。
1、电压源
理想电压源的端电压VS（t）是确定的时间函数，而与流过的电源的电流大小无关。
流过理想电压源的电流不由电压源本身决定，而是由于之相联结的外电路所确定的，如VS（t）不随时间变化（即为常数）则该电压源称为直流理想电压源VS。
其伏安曲线如图1-3（a）所示。
理想电压源实际上是不存在的，实际电压源总是有一定大小的内阻。
（因此实际电压源可以用一个理想电压源和一个电阻相串联的电路模型来表示。
如图1-3（b）所示。
）
显然，实际电压源的内阻RS越小图1-3（b）中的θ越小，其正切的绝对值代实际电压源的内阻RS。
内阻RS越小，其特性越接近理想电压源。
本次实验所采用的晶体管直流稳压电源，其伏安特性非常接近于理想电压源，当通它的电流在规定范围内变化时，可以认为是理想电压源。
图1-3
三、实验内容及步骤
本实验在直流电路实验板上进行，其板面如图1-4所示。
1、测定线性电阻的伏安特性
取实验板上R=470Ω的电阻为被测元件，并按图1-5接好线路（将D1用短路线联结经检查无误后，打开直流稳压电源开关，改变与直流电源并联的R的滑动点使电阻R两端的电压为表1-1中所列数值，并将相对应的电流值记录在表1-1中。
）
表1-1
V（V）
0
2
4
6
8
I（MA）
2、测定非线性电阻——半导体二极管的伏安特性。
将二极管短路线去除，选取1N4007二极管为被测元件。
按图1-6接好电路，测定正向特性曲线。
图中R为可变电阻器用以调节电压，r取板上51Ω的电阻作为限流电阻，用以保护二极管。
在测量二极管的反向特性时，由于二极管的反向电阻很大，流过它的电流很小，故电流表选用直流微安表（或万用表的直流μA档）。
本实验不做要求。
按图1-6接好线路，经检查无误后，开启稳压电源，输出电压调至3V左右，调节可变电阻R，使电压表读数分别为表1-2中。
为了方便做图，在曲线弯曲部分可适当多取几个测量点。
表1—2
V（V）
0
0．1
0．2
0．4
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
I（MA）
3.测定电压源的伏安特性
实验采用晶体管直流稳压电源作为理想电压源，其内阻Rs很小，在和外电路电阻相比其内阻可以忽略不计的情况下，其输出电压基本维持不变。
因此，可以把晶体管稳压电源视为理想电压源。
若选取实验板上51Ω电阻作为电压源的内阻，与稳压电源相串联组成一个实际的电压源模型。
图1—7
按图1—7接好线路后，启动晶体管稳压电源，当R变电阻器开路时并调节晶体管直流稳压电源输出电压Vs=10V。
然后调节可变电阻器R阻值将理想电压源的电压V和实际电压源的电压VR以及电流表中的电流填入表1—4中
表1—4
R（Ω）
950
1100
1300
1500
1700
1900
2100
2450
I（mA）
U（V）
UR（V）
四、热仪器设备
晶体管直流稳压电源一台；万用表一只；直流电压表一只；直流毫安表一只；可变电阻器（1000Ω）一只；实验电路板一块。
五、注意事项
（1）切勿将电表板性接错，在调节可变电阻时随时注意毫安表指针不得超过量程。
（2）实验过程中，直流稳压电源不能短路，晶体管直流稳压电源的使用见附录。
绘制特性曲线时，注意坐标比例的合理选取。
六、实验报告要求
1、根据实验数据，在坐标纸上绘制线性电阻，半导体二极管，理想电压源和实际电压源的伏安特性曲线。
2、析实验结果，并得到相应的结论。
3、回答下列思考题
1）试说明图1—6中电压表和电流表的接法？
为什么？
2）如果误用电流表去测电压，将会产生什么后果？
实验二基尔霍夫定律
一、实验目的
1、验证基尔霍夫定律；
2、加深对参考方向的理解；
3、学会测量电路的开路电压和短路电流的方法。
二、原理与说明
1、基尔霍夫定律是电路的基本定律，它概括了电路中电流和电压分别应遵循的基本规律。
基尔霍夫电流定律：
电路中，任意时刻，流进和流出节点电流的代数和等于零。
即
=0
基尔霍夫电压定律：
电路中，任意时刻，沿闭合回路的电压降的代数和等于零。
即
=0
基尔霍夫定律适用于任何集总参数电路。
它与电路的结构有关，而与电路元件的性质无关，不论这些元件是线性或非线性，含源和无源的，时变或时不变的等等都是适用的。
2、参考方向
参考方向是电路理论的一个最基本的概念。
分析一个电路，若事先并不知道电路中各电流、电压的真实方向，我们如何计算或测量各支路的电流、电压呢？
首先要选定电路中各支路电流（或电压）的参考方向。
参考方向（正方向）即一般所谓的“假定方向”。
参考方向是任意选定的，但一经选定，在列KCL，KVL方程时即以此为准。
另外，所有元件的伏安特性都是一定的参考方向下得出来的。
在图2-1中，若给定电压的参考方向如箭头所示，例如（d支路，箭头方向是由c指向d，则这条支路的参考方向即是从c到d。
那么电压表的正板和负板分别与c端和d端相连，电压表指针若顺时针偏转则读数为正，说明参考方向与其真实方向一致。
反之，则参考方向与真实方向相反。
显然，测量该支路的电流时，与测量电压时的情况相同。
）
3、开路电压与短路电流
如果电路某处断开，该处就没有电流流过，称为开路。
断开处的电压称为开路电压。
短路是指电路某两点由一电阻值可以忽略不计的导体直接接通的工作状态，短路可发生在电源两端或线路任何处。
也可能发生在电源或负载（例如电动机）的内部。
若短路发生在电压源两端，此时回路中只有很小的电源或内阻Rs，短路电流很大，可能使电源烧毁。
这就是为什么电压源不能短路的原因。
电源短路是一种严重的事故，应尽量避免。
但不能说所有的短路都是短路故障。
例如在起动直流电动机时，为了避免过大的起动电流损坏电流表，可以在起动直流电动机时将电流表用开关短路，待电机正常工作后在将短路电流表的开关打开，让电流表投入工作。
所以在实验中，我们要注意区分“短路故障”和为了达到某种特定的目标的有用短路（后者称为“短接”）。
4、实验电路图和直流电路实验板
本次实验的电路图如图2-1所示。
实验在与之对应的直流电路实验板上进行。
如图2-2所示。
二、实验内容及步骤
1、基尔霍夫电流定律的验证。
（1）按图2-1接好线路，V1、V2分别由体管理想稳压电源供给，实验前先把开关K1、K2断开。
调节稳压电源的输出电压使V1和V2分别为6V和4V。
（2）将直流毫安表置于较大量程，串入所要测量支路中。
（3）在检查线路没有错误以后，再将开关K1、K2合到电源一边，于是电路接通，接通同时，应监视电流表指针的偏转方向，如果逆时针偏转，要迅速断开电流表的联线（或断掉电源）待判定极性。
改正接法之后，再适当选用电流表的量程。
再行通电测量。
并将测得的各支路电流数据记入表一中。
2-2
注意：
实验中要防止极性接错，或电流超出量程而损坏电表。
表一
各支路电流
测量值
计算值
误差
I1（mA）
I2（mA）
I3（mA）
ΣI
2、基尔霍夫电压定律验证
实验线路和操作步骤同前。
用电压表依次读取各元件上的电压数据记入表二中。
表二
Vab
Vbc
Vcd
Vde
Vef
Vfa
Vad
验证ΣV
验证ΣV
abcda
fadef
测量值
计算值
误差
%
3、测量ad支路的开路电压和短路电流
关掉电源，将ad两端间的电阻220断开，接一个高内阻的电压表，接通电源，测量ad间的开路电压。
关断电源，用导线将ad支路相联，在其中串一电流表，再打开电源，则电源表的读数即为ad间的短路电流，并做记录。
三、仪表设备
万用表一只；晶体管直流稳压电源一台；直流毫安表一只；直流电路板一块。
四、注意事项
1、电表板性不要接错，测量时要选择适当量程。
2、电流表只能串联使用，不能并联。
3、改接线路时，一定要关掉电源。
4、电压、电流应根据假定正方向在测量的数据之前冠得正、负号。
五、实验报告要求
整理实验数据，分析实验结果。
实验三电源的等效变换
一、实验目的
1、了解什么是电流源及其外特征；
2、掌握电流源和电压源的等效变换条件；
二、原理
1、理想电流源
电流源是除电压源外的一种形式的电源，它以产生一个电流提供给外电路，理想电流源的电流是恒值或是时间函数is（t），而与其端电压的大小无关；理想电流源的端电压不能由它本身决定而是由与之相联的外电路确定的。
理想电流源的伏安特性曲线如图3—1所示。
3-1
2、实际电流源
实际上，理想电流源并不存在，实际的电流源当其端电压增加时通过外电路的电流并非恒定值而是要下降的。
实际电流源可以用一个理想电流源Is和一个内电阻Rs相并联的电路模型来表示。
其模型及其伏安特性如图3—2所示。
3—2
某些器件的伏安特性具有电流源的特性，如硅光电池、晶体三极管等。
本实验的电流源是用晶体三极管来实现的。
晶体三极管在共基极连接时，集电极电流Ic和集电极与基极之间的电压Vcb的关系如图3—3所示。
由图可见，晶体管集电极的电流Ic的平坦部分具有恒流特性。
当Vcb在一定范围内变化时集电极电流Ic近于恒值。
可以近似地视为理想电流源。
Ib=60μA
Ib=40μA
Ib=20μA
3、电源的等效变换
一个实际的电源就其外部特性而言，既可以构成是一个电压源，也可以构成是一个电流源。
其等效模型如图3—4所示。
根据两电路等效的概念，如果两电路端钮f,g上的电压，电流的关系相同则这两个电路对端钮f,g等效。
从图3—4（a）中得出
即
从图3—4（b）中得出
若图3—4中（a）图和（b）图伏安关系相同则两电路对端钮f,g等效。
∴比较
（1）式和
（2）式得
电源等效变换的条件
所以若两种电源的参数满足以上关系，则这两种电源外电路是完全等效的。
若互相替换，对外电路不发生影响，因此利用以上电源等效变换条件时，可以方便地把一个参数为Vs和Rs串联的电压源变换成一个参数为Is=Vs/Rs和Rs并联的电流源。
反之也可以把一个电流源变换成一个等效的电压源。
三．实验内容及步骤
本次实验在实验电路板上进行。
实验电路板如图3—5所示。
1、测试理想电流源的伏安特性（除负载RL‘=RL+240Ω外的电路即为恒流源）
按图3-6（a）所示。
图Ee=4V，Ec=15V分别有晶体管稳压电源供给，调节Re（330）电位器使（电流表读数）Ic=10mA，这时保持Re电位器不动而由小到大依次调节RL电位器的阻值，使RL‘分别为表一的数值（不能在线测电阻值），观察记录电流的计算结果是否变化，并填入表一中。
（RL‘=RL+240Ω）
表一
RL‘（Ω）
240
300
350
510
570
URL‘
Ic（mA）=URL‘
2、实际电流源的伏安特性
实验电路如图3-7（a）所示。
其等效电路如图3-7（b）所示，其中Ic=10mA，Rm=240Ω，RL用可变电阻箱。
（1）、按图3-7（a）接好线路
接线时只须在上面理想电流源基础上，并上一个RS=240Ω的内阻即成为实际电流源。
这只需要把实验电路中右上方RL这个330Ω的电位器切除掉。
切除的方法是将此电位器逆时针旋到底，使电阻为零就行了。
这时电路变成为图3-7（a）所示的电路了。
（2）、保持IC=10mA，改变电阻箱的电阻值使RL分别为表二中的数据
（3）、并依次记录相应的IL值填入表中。
表二
RLˊ（Ω）
0
240
400
600
800
1000
IL（MA）
测量值
IL（MA）
计算值
误差%
3、电源的等效变换
根据电源等效变换的规则图3—7（a）中的电流源可以变换成一电压源。
其参数VS=ISRS=2.4V，RS=240Ω如图3—8所示。
调节RL使其分别为表三中列出数据，记录所对应的电流的Il值。
比较表格二和表格三的数据可以看出二者对电路RLˊ来说是等效的。
表三
RLˊ（Ω）
0
240
400
600
800
1000
IL（MA）
测量值
计算值
误差%
四、实验设备
晶体管直流稳电压源二台；电流表二只；万用表一只，可变电阻器一个；直流实验板一块。
五、实验报告要求。
1、根据实验数据，绘制理想电流源，电压源及实际电流源的伏安特性曲线。
2、比较两种电源等效变换的结果，并分析产生误差的原因。
3、回答问题
理想电流源和理想电压源是否能够进行等效变换？
为什么？
实验四叠加定理和戴维南定理
一、实验目的
1、验证叠加定理、戴维南定理；
2、学习几种测量电源内阻及开路电压的方法；
3、通过实验证明负载上获得最大功率的条件。
二、实验原理与说明
1、叠加定理：
线性电路中，任一支路的电流，或电压等于电路中每一独立源单独作用时在该支路所产生的电流或电压的代数和。
2、戴维南定理：
任何一个线性含源二端网络，对外部电路而言，总可以用一个理想电压源和电阻串联的有源支路来代替，如图4—1所示。
其理想电压源的电压等于原网络端口的开路电压Voc，其电阻等于原网络中所有独立电源置零时的等效电阻Ri。
注意：
应用戴维南定理时，被变换的一端口网络必须是线性的。
可以包含独立电源或受控源，但是与外部电路之间除直接联接外，不允许存在任何耦合，例如受控源的耦合或磁的耦合（即互感耦合）等。
外部可以是线性，非线性，定常或时变元件，也可以是由它们组合成的网络。
3．负载获得最大功率的条件：
负载电阻获得最大功率的条件是负载电阻RL等于电源的内阻Rs，满足该条件时，我们说负载电阻与电源内阻相匹配，或称最大功率匹配。
即当RL=Rs时，负载上获得的最功率为：
三、实验内容及步骤
1、叠加定律的验证
本实验采用的直流电路实验板，按图4-2接线，V1、V2分别由两台晶体管直流稳压电源供给。
K1、K2为两个换路开关。
当它们分别合向V1、V2侧时表示电源已接入电路。
如果K1、K2合向短路线一侧，则表示电路中的电源已经去掉。
测量时先把K1、K2都合向短路一侧，再将稳压V1调至6V，V2调至4V，经教师检查后无误后接通电源。
1）、V1=6V单独作用（这时K1合向电源侧，K2合上短路侧）。
测量各支路电流I1；I2、I3并记入表4-1中。
2）、切除V1电源（K1合向电源侧）接通V2电源（K2合向电源侧）。
测量V2=4V单独作用时各支路的电流I1、I2、I3并将测量数据记入表4—1中。
3）、接通V1、V2电源，测量V1V2共同作用下支路的电流I1、I2、I3并将结果记入表4-1中。
双电源共同作用
图4-2
6v电源单独作用
4V电源单独作用
表4-1
I1（mA）
I2（mA）
I3（
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