电路实验设计要求.doc

实验一 基尔霍夫定律和叠加原理
一、实验目的
验证线性电路基尔霍夫定律和叠加定理，加深对电路基本定律适用范围普遍性的认识和理解。

二、实验原理
1. 基尔霍夫电流定律
在电路的任一结点，流入、流出该结点电流的代数和为零。即

2. 基尔霍夫电压定律
在电路中的任一闭合电路，电压的代数和为零。即

3. 叠加定理
在任何线性网络中，任何一个支路的电流或任意两点间的电压，都可以看成使每一个独立源分别单独作用于网络时，该支路产生的电流或该两点间的电压的代数和（叠加）。当某一独立源单独作用时，其它独立源应为零值，即独立电压源短路，独立电流源开路。
4. 齐性定理
线性电路的齐次性是指当激励信号（某独立源的值）增加或减少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）也将增加或减少K倍。

三、实验仪器
电路原理实验箱 KHDL-1 一台
直流稳压电源 一台
万用表 一台

四、实验内容
1. 基尔霍夫定律验证
实验电路如图1-1所示
1） 按图1-1电路接线，取E1=12V，E2=+6V。注意6V电压源和10V电压源一定要用万用表电压档测量，并调节稳压电源使电压值准确。

图 1-1
2）按表1-1测出各点间电压，将测量结果填入表内。表内的各支路电流根据测得的电压和已知的电阻值计算出来。注意电压测量和电流计算均要根据表内规定的电压、电流正方向，确定每个电压、电流的正、负号。
3）根据测量数据验证每个回路是否。每个结点是否。
表 1-1 测量值记录
U/V或I/mA
UAB
UBD
UDA
UBC
UCD
IAB
IBD
IAD
IBC
UCD
测量值

2.叠加定理验证
1) 在上述实验的线路上，将E2用短路线替代，令E1单独作用，用万用表测量各支路电流及电阻两端的电压，数据记录表1-2中。
2) 将E2用短路线替代，令E1单独作用，用万用表测量各支路电流及电阻两端的电压，数据记录表1-2中。
3) 令E1和E2共同作用，重复上述的测量和记录。
4) 将E2的数值调至+12V，并单独作用，重复上述的测量和记录。
表1-2 叠加定理验证数据记录
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

E2单独作用

E1 、E2共同作用

2E2单独作用

五、实验注意事项
1.测量各支路电流时,应注意仪表的极性, 及数据表格中“＋、－”号的记录。
2.注意仪表量程的及时更换。

六、预习思考题
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）？

七、实验报告
1.根据实验数据验证线性电路的叠加定理和齐次性。
2.各电阻器所消耗的功率能否用叠加定理计算得出？试用上述实验数据，进行计算并做出结论。

实验二　戴维南定理
─有源二端网络等效参数的测定─

一、实验目的
　　1. 验证戴维南定理的正确性。
2. 掌握测量有源二端网络等效参数的一般方法。
二、原理说明
　　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，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UOC，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）时的等效电阻。
　　UOC和R0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
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，用电流表测其短路电流ISC，则内阻为
　　　 RO=
(2) 伏安法
用电压表、电流表测出有源二端网络的外特性如图3-1所示。根据外特性曲线求出斜率tgφ，则内阻
RO=tgφ=
　　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
RO=
　　若二端网络的内阻值很低时，则不宜测其短路电流。

　　图 3-1 图 3-2
　　(3) 半电压法
　　如图3-2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
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3-3所示。

图 3-3
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。
三、实验设备

序号
名 称
型号与规格
数量
备 注
1
可调直流稳压电源
0～10V
1

2
可调直流恒流源
0～200mA
1

3
直流数字电压表

1

4
直流数字毫安表

1

5
万用电表

1

7
电 位 器
1KΩ/1W
1

四、实验内容
被测有源二端网络如图3-4(a)所示。

(a) (b)
图3-4
1. 用开路电压、短路电流法测定戴维南等效电路的UOC和R0。
按图3-4(a)电路接入稳压电源ES和恒流源IS及可变电阻箱RL，测定 UOC和R0。

UOC(v)
ISC(mA)
R0=UOC/ISC(Ω)

2. 负载实验
按图3-4(a)改变RL阻值，测量有源二端网络的外特性。

RL(Ω)
0 ∞
U(v)

I(mA)

　　3. 验证戴维南定理
用一只1KΩ的电位器，将其阻值调整到等于按步骤“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UOC之值）相串联，如图3-4(b)所示，仿照步骤“2”测其外特性，对戴氏定理进行验证。

RL(Ω)
0 ∞
U(v)

I(mA)

4. 测定有源二端网络等效电阻(又称入端电阻)的其它方法：将被测有源网络内的所有独立源置零(将电流源IS断开；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电表的欧姆档去测定负载RL开路后输出端两点间的电阻，此即为被测网络的等效内阻R0或称网络的入端电阻Ri。
5.用半电压法和零示法测量被测网络的等效内阻R0及其开路电压UOC，线路及数据表格自拟。
五、实验注意事项
　　1. 注意测量时，电流表量程的更换。
2. 步骤“4”中，电源置零时不可将稳压源短接。
3. 用万用电表直接测R0时，网络内的独立源必须先置零，以免损坏万用电表，其次，欧姆档必须经调零后再进行测量。
4. 改接线路时，要关掉电源。

六、预习思考题
　　1. 在求戴维南等效电路时，作短路实验，测ISC的条件是什么？在本实验中可否直接作负载短路实验？请实验前对线路3-4(a)预先作好计算，以便调整实验线路及测量时可准确地选取电表的量程。
2. 说明测有源二端网络开路电压及等效内阻的几种方法， 并比较其优缺点。
七、实验报告
　　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。
2. 根据步骤1、4、5各种方法测得的UOC与R0与预习时电路计算的结果作比较，你能得出什么结论。
3. 归纳、总结实验结果。
4. 心得体会及其他。

实验三　RC一阶电路的响应测试

一、实验目的
1. 测定RC一阶电路的零输入响应，零状态响应及完全响应。
2. 学习电路时间常数的测定方法。
3. 掌握有关微分电路和积分电路的概念。
4. 进一步学会用示波器测绘图形。
二、原理说明
　　1. 动态网络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。然而能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，我们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，电路在这样的方波序列脉冲信号的激励下，它的影响和直流电源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
图11-1(a)所示电路
用示波器测得零输入响应的波形如图10-1(b)所示。
根据一阶微分方程的求解得知
uc＝Ee-t/RC＝Ee-t/τ
当t＝τ时，Uc(τ)＝0.368E
此时所对应的时间就等于τ
亦可用零状态响应波形增长到0.632E所对应的时间测得，如图10-1(c)所示。

(b) 零输入响应 (a) RC一阶电路 (c) 零状态响应
图 8-1
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，当满足τ＝RC«时（T为方波脉冲的重复周期），且由R端作为响应输出，如图10-2(a)所示。这就构成了一个微分电路，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。

　　　　　(a) 微分电路 (b) 积分电路
图8-2
若将图10-2(a)中的R与C位置调换一下，即由 C 端作为响应输出，且当电路参数的选择满足τ＝RC»条件时，如图10-2(b)所示即构成积分电路，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。
　　从输出波形来看，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与记录。

三、实验设备

序号
名 称
型号与规格
数量
备注
1
函数信号发生器

1

2
双踪示波器

1

四、实验内容
实验线路板的结构如图10-3所示，认清R、C元件的布局及其标称值，各开关的通断位置等等。
1. 选择动态线路板上R、C元件，令
(1) R＝10KΩ，　C＝1000PF
组成如图10-1(a)所示的RC充放电电路，E为函数信号发生器输出，取Um＝3V，f＝1KHz的方波电压信号，并通过两根同轴电缆线，将激励源u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，求测时间常数τ，并描绘u及uc波形。
　　少量改变电容值或电阻值，定性观察对响应的影响，记录观察到的现象。
　　(2) 令R＝10KΩ，C＝3300PF，观察并描绘响应波形，继续增大 C之值，定性观察对响应的影响。
　　2. 选择动态板上R、C元件,组成如图10-2(a)所示微分电路,令C＝3300PF，R＝30KΩ。
在同样的方波激励信号(Um＝3V，f＝1KHz)作用下，观测并描绘激励与响应的波形。
　　增减R之值，定性观察对响应的影响，并作记录。当R增至∞时，输入输出波形有何本质上的区别？
五、实验注意事项
1． 示波器的辉度不要过亮。
2． 调节仪器旋钮时，动作不要过猛。
3．调节示波器时，要注意触发开关和电平调节旋钮的配合使用，以使显示的波形稳定。
4．作定量测定时，“t/div”和“v/div”的微调旋钮应旋至“校准”位置。
5．为防止外界干扰，函数信号发生器的接地端与示波器的接地端要连接在一起（称共地）。
六、预习思考题
　　1. 什么样的电信号可作为RC一阶电路零输入响应、零状态响应和完全响应的激励信号？
2. 已知RC一阶电路R＝10KΩ，C＝0.1μf，试计算时间常数τ，并根据τ值的物理意义，拟定测定τ的方案。
　　3. 何谓积分电路和微分电路，它们必须具备什么条件？ 它们在方波序列脉冲的激励下，其输出信号波形的变化规律如何？这两种电路有何功用？
七、实验报告
　　1. 根据实验观测结果，在方格纸上绘出RC一阶电路充放电时uc的变化曲线，由曲线测得τ值，并与参数值的计算结果作比较，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。
3. 心得体会及其他。

实验四　R、L、C串联谐振电路的研究

一、实验目的
　　1. 学习用实验方法测试R、L、C串联谐振电路的幅频特性曲线。
2. 加深理解电路发生谐振的条件、特点、掌握电路品质因数的物理意义及其测定方法。
二、原理说明
　　1. 在图9-1所示的R、L、C串联电路中，当正弦交流信号源的频率f改变时，电路中的感抗、容抗随之而变，电路中的电流也随f而变。取电路电流I作为响应，当输入电压Ui维持不变时，在不同信号频率的激励下，测出电阻R两端
电压U0之值，则I=，然后以f为横坐标，以I为纵坐标，绘出光滑的曲线，此
即为幅频特性，亦称电流谐振曲线，如图9-2所示。

　　　　　　　图 7-1 　 图 7-2
2. 在f＝f0＝处(XL＝XC)，即幅频特性曲线尖峰所在的频率点，
该频率称为谐振频率，此时电路呈纯阻性，电路阻抗的模为最小，在输入电压Ui为定值时，电路中的电流I0达到最大值，且与输入电压Ui同相位，从理论上讲，此时 Ui＝UR0＝U0，UL0＝UC0＝QUi，式中的Q 称为电路的品质因数。
　　3. 电路品质因数Q值的两种测量方法
　　一是根据公式

测定，UC0与UL0分别为谐振时电容器C和电感线圈L上的电压；另一方法是通过测量谐振曲线的通频带宽度
　　　△f＝fh－fl
再根据

求出Q值，式中f0为谐振频率，fh和fl是失谐时， 幅度下降到最大值的倍时的上、下频率点。
Q值越大，曲线越尖锐，通频带越窄，电路的选择性越好， 在恒压源供电时，电路的品质因数、选择性与通频带只决定于电路本身的参数，而与信号源无关。
三、实验设备

序号
名 称
型号与规格
数量
备注
1
函数信号发生器

1

2
交流毫伏表

1

3
双踪示波器

1

4
频率计

1

注：本实验的L＝约30mH
四、实验内容
1. 按图9-3电路接线，取C=2200PF，R＝510Ω，调节信号源输出电压为1V正弦信号，并在整个实验过程中保持不变。
2. 找出电路的谐振频率f0，其方法是，将交流毫伏表跨接在电阻R两端，令信号源的频率由小逐渐变大（注意要维持信号源的输出幅度不变），当U0的读数为最大时，读得频率计上的频率值即为电路的谐振频率f0，并测量U0、UL0、UC0之值（注意及时更换毫伏表的量限），记入表格中。

图 7-3

R(KΩ)
f0(KHz)
URO(V)
UL0(V)
UCO(V)
I0(mA)
Q
0.5

1.5

3. 在谐振点两侧，应先测出下限频率fl和上限频率fh及相对应的UR值，然后再逐点测出不同频率下UR值，记入表格中。

R(KΩ)
f0
0.51
f(KHz)

UR(V)

I(mA)

1.5
f(KHz)

UR(V)

I(mA)

4.取C=6800PF，R＝2.2KΩ，重复步骤2，3的测量过程。
五、实验注意事项
　　1. 测试频率点的选择应在靠近谐振频率附近多取几点，在变换频率测试时，应调整信号输出幅度，使其维持在1V输出不变。
2. 在测量UC0和UL0数值前，应及时改换毫伏表的量限，而且在测量UC0与UL0时毫伏表的“＋”端接C与L的公共点，其接地端分别触及L和C的近地端N1和N2。
3. 实验过程中交流毫伏表电源线采用两线插头。
六、预习思考题
　　1. 根据实验电路板给出的元件参数值，估算电路的谐振频率。
2. 改变电路的哪些参数可以使电路发生谐振，电路中R的数值是否影响谐振频率值？
　　3. 如何判别电路是否发生谐振?测试谐振点的方案有哪些？
4. 电路发生串联谐振时，为什么输入电压不能太大， 如果信号源给出1V的电压，电路谐振时，用交流毫伏表测UL和UC，应该选择多大的量限？
　5. 要提高R、L、C串联电路的品质因数，电路参数应如何改变？
6. 谐振时，比较输出电压U0与输入电压Ui是否相等？试分析原因。
7. 谐振时，对应的UC0与UL0是否相等？如有差异，原因何在？
七、实验报告
　　1. 根据测量数据，绘出不同Q值时两条幅频特性曲线。
2. 计算出通频带与Q值，说明不同R 值时对电路通频带与品质因数的影响。
3. 对两种不同的测Q值的方法进行比较，分析误差原因。
4. 通过本次实验，总结、归纳串联谐振电路的特性。

实验八　RC一阶电路的响应测试

一、实验目的
1. 测定RC一阶电路的零输入响应，零状态响应及完全响应。
2. 学习电路时间常数的测定方法。
3. 掌握有关微分电路和积分电路的概念。
4. 进一步学会用示波器测绘图形。
二、原理说明
　　1. 动态网络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。然而能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，我们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，电路在这样的方波序列脉冲信号的激励下，它的影响和直流电源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
图11-1(a)所示电路
用示波器测得零输入响应的波形如图10-1(b)所示。
根据一阶微分方程的求解得知
uc＝Ee-t/RC＝Ee-t/τ
当t＝τ时，Uc(τ)＝0.368E
此时所对应的时间就等于τ
亦可用零状态响应波形增长到0.632E所对应的时间测得，如图10-1(c)所示。

(b) 零输入响应 (a) RC一阶电路 (c) 零状态响应
图 8-1
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，当满足τ＝RC«时（T为方波脉冲的重复周期），且由R端作为响应输出，如图10-2(a)所示。这就构成了一个微分电路，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。

　　　　　(a) 微分电路 (b) 积分电路
图8-2
若将图10-2(a)中的R与C位置调换一下，即由 C 端作为响应输出，且当电路参数的选择满足τ＝RC»条件时，如图10-2(b)所示即构成积分电路，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。
　　从输出波形来看，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与记录。

三、实验设备

序号
名 称
型号与规格
数量
备注
1
函数信号发生器

1

2
双踪示波器

1

四、实验内容
实验线路板的结构如图10-3所示，认清R、C元件的布局及其标称值，各开关的通断位置等等。
1. 选择动态线路板上R、C元件，令
(1) R＝10KΩ，　C＝1000PF
组成如图10-1(a)所示的RC充放电电路，E为函数信号发生器输出，取Um＝3V，f＝1KHz的方波电压信号，并通过两根同轴电缆线，将激励源u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，求测时间常数τ，并描绘u及uc波形。
　　少量改变电容值或电阻值，定性观察对响应的影响，记录观察到的现象。
　　(2) 令R＝10KΩ，C＝3300PF，观察并描绘响应波形，继续增大 C之值，定性观察对响应的影响。
　　2. 选择动态板上R、C元件,组成如图10-2(a)所示微分电路,令C＝3300PF，R＝30KΩ。
在同样的方波激励信号(Um＝3V，f＝1KHz)作用下，观测并描绘激励与响应的波形。
　　增减R之值，定性观察对响应的影响，并作记录。当R增至∞时，输入输出波形有何本质上的区别？
五、实验注意事项
3． 示波器的辉度不要过亮。
4． 调节仪器旋钮时，动作不要过猛。
3．调节示波器时，要注意触发开关和电平调节旋钮的配合使用，以使显示的波形稳定。
4．作定量测定时，“t/div”和“v/div”的微调旋钮应旋至“校准”位置。
5．为防止外界干扰，函数信号发生器的接地端与示波器的接地端要连接在一起（称共地）。
六、预习思考题
　　1. 什么样的电信号可作为RC一阶电路零输入响应、零状态响应和完全响应的激励信号？
2. 已知RC一阶电路R＝10KΩ，C＝0.1μf，试计算时间常数τ，并根据τ值的物理意义，拟定测定τ的方案。
　　3. 何谓积分电路和微分电路，它们必须具备什么条件？ 它们在方波序列脉冲的激励下，其输出信号波形的变化规律如何？这两种电路有何功用？
七、实验报告
　　1. 根据实验观测结果，在方格纸上绘出RC一阶电路充放电时uc的变化曲线，由曲线测得τ值，并与参数值的计算结果作比较，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。
3. 心得体会及其他。