电路分析基础试验参考指导书.doc

电路分析基础试验教学指导书前 言一、试验总体目标初步含有电压表、电流表、万用表等电工试验设备操作使用能力和电路仿真软件应用能力，依据试验任务确定试验方案、设计试验线路和选择仪器设备，正确测量参数和处理数据。二、适用专业年级电子信息工程、通信工程专业十二个月级本科学生。三、先修课程高等数学、大学物理。四、试验项目及课时分配试验项目试验要求试验类型每组人数试验课时试验一电阻电路测量和分析综合试验必需综合性14试验二电源等效电路综合试验必需综合性14试验三动态电路仿真试验必需综合性14试验四RC频率特征和RLC谐振仿真试验必需综合性14五、试验环境电工综合试验台：40套。关键配置：直流电路模块试验板、动态电路模块试验板、多路直流电压源、多路直流电流源、信号源、直流电压表、直流电流表、示波器等。Multisim电路仿真分析软件。六、试验总体要求1、正确使用电压表、电流表、万用表、功率表和部分电工试验设备；2、按电路图联接试验线路和合理布线，能初步分析并排除故障；3、认真观察试验现象，正确读取试验数据和统计试验波形并加以检验和判定，正确书写试验汇报和分析试验结果；4、正确利用试验手段来验证部分定理和结论。5、含有依据试验任务确定试验方案、设计试验线路和选择仪器设备初步能力。6、按每次试验具体要求认真填写试验汇报。七、本课程试验关键、难点及教学方法提议本课程试验关键是仪表正确使用、电路正确连接、数据测试和分析；本课程试验难点是动态电路参数测试和分析。在教学方法上，本课程试验应提前预习，使学生能够利用原理指导试验，利用试验加深对电路原理了解，掌握分析电路、测试电路基础方法。目 录试验一 电阻电路测量和分析综合试验1试验二 电源等效电路综合试验11试验三 动态电路仿真试验18试验四 RC频率特征和RLC谐振仿真试验24试验一 电阻电路测量和分析综合试验一、试验目标1、熟悉并掌握直流电压表、电流表、恒压源等使用；2、学会电阻元件伏安特征逐点测试法；3、学会电路中电位、电压测量方法，掌握电路电位图测量、绘制方法；4、验证基尔霍夫定律，学会检验、分析电路简单故障；5、验证叠加原理，学会叠加原理应用。二、试验原理1、电阻元件伏安特征任一二端电阻元件特征可用该元件上端电压U和经过该元件电流I之间函数关系Uf(I)来表示，即用UI平面上一条曲线来表征，这条曲线称为该电阻元件伏安特征曲线。依据伏安特征不一样，电阻元件分两大类：线性电阻和非线性电阻。线性电阻元件伏安特征曲线是一条经过坐标原点直线，图11中(a)所表示，该直线斜率只由电阻元件电阻值R决定，其阻值为常数，和元件两端电压U和经过该元件电流I无关；非线性电阻元件伏安特征是一条经过坐标原点曲线，其阻值R不是常数，即在不一样电压作用下，电阻值是不一样，常见非线性电阻如白炽灯丝、一般二极管、稳压二极管等，它们伏安特征图11中（b）、（c）、（d）。在图11中，U 0部分为正向特征，U0部分为反向特征。绘制伏安特征曲线通常采取逐点测试法，即在不一样端电压作用下，测量出对应电流，然后逐点绘制出伏安特征曲线，依据伏安特征曲线便可计算其电阻值。2、电路中电压、电位测量在一个确定闭合电路中，各点电位大小视所选电位参考点不一样而异，但任意两点之间电压(即两点之间电位差)则是不变，这一性质称为电位相对性和电压绝对性。据此性质，我们可用一只电压表来测量出电路中各点电位及任意两点间电压。若以电路中电位值作纵坐标，电路中各点位置（电阻或电源）作横坐标，将测量到各点电位在该坐标平面中标出，并把标出点按次序用直线条相连接，就可得到电路电位图，每一段直线段即表示该两点电位改变情况。而且，任意两点电位改变，即为该两点之间电压。在电路中，电位参考点可任意选定，对于不一样参考点，所绘出电位图形是不一样，但其各点电位改变规律却是一样。3、基尔霍夫定律基尔霍夫电流定律和电压定律是电路基础定律，它们分别用来描述结点电流和回路电压，即对电路中任一结点而言，在设定电流参考方向下，应有I0，通常流出结点电流取负号，流入结点电流取正号；对任何一个闭合回路而言，在设定电压参考方向下，绕行一周，应有U0，通常电压方向和绕行方向一致电压取正号，电压方向和绕行方向相反电压取负号。在试验前，必需设定电路中全部电流、电压参考方向，其中电阻上电压方向应和电流方向一致，即关联参考方向，见图14所表示。4、叠加原理在有多个电源共同作用下线性电路中，经过每一个元件电流或其两端电压，能够看成是由每一个电源单独作用时在该元件上所产生电流或电压代数和。具体方法是：一个电源单独作用时，其它电源必需去掉（电压源短路，电流源开路）；在求电流或电压代数和时，当电源单独作用时电流或电压参考方向和共同作用时参考方向一致时，符号取正，不然取负。在图12中：叠加原理反应了线性电路叠加性，线性电路齐次性是指当激励信号（如电源作用）增加或减小K倍时，电路响应（即在电路其它各电阻元件上所产生电流和电压值）也将增加或减小K倍。叠加性和齐次性全部只适适用于求解线性电路中电流、电压。对于非线性电路，叠加性和齐次性全部不适用。三试验设备1直流数字电压表、直流数字电流表；2恒压源(双路030V可调)；3NEEL11B 电工原理（一）、MEEL-04电工原理（二）模块板。 四试验内容（一）测定线性电阻伏安特征按图13接线，图中电源U选择恒压源可调稳压输出端，经过直流数字毫安表和1k（8W）线性电阻相连，电阻两端电压用直流数字电压表测量。恒压源必需置10V档位上，调整恒压源可调稳压电源输出电压U，从0伏开始缓慢地增加（不能超出10V），在表11中记下对应电压表和电流表读数。表11 线性电阻伏安特征数据 U(V) 0 2 4 6 8 10 I(mA)（二）电路中电位、电压测量试验电路图14所表示，图中电源US1用恒压源I路030V可调电源输出端（置10V档位），并将输出电压调到6V，US2用II路030V可调电源输出端（置20V档位），并将输出电压调到12V。开关S1 、S2、S3均朝上打。1测量电路中各点电位以图14中A点作为电位参考点，分别测量B、C、D、E、F各点电位。用电压表负端（黑色接线柱）和A点相连，正端（红色接线柱）分别对B、C、D、E、F各点进行测量，数据记入表12中。以D点作为电位参考点，反复上述步骤，测得数据记入表21中。2测量电路中相邻两点之间电压值在图14中，测量电压UAB：将电压表正端（红色接线柱）和A点相连负端（黑色接线柱）和B点相连，读电压表读数，记入表12中。按一样方法测量UBC、UCD、UDE、UEF及UFA，测量数据记入表12中。表12 电路中各点电位和电压数据 单位：V电位参考点VAVBVCVDVEVFUABUBCUCDUDEUEFUFAA0D0（三）节点电流、回路电压定律试验电路图1-4所表示，图中电源US1用恒压源I路030V可调电压输出端，并将输出电压调到6V，US2用恒压源II路030V可调电压输出端，并将输出电压调到12V（以直流数字电压表读数为准）。开关S1 拨向上方，开关S2 拨向上方，开关S3拨向上方。试验前先设定三条支路电流参考方向，图1-4中I1、I2、I3所表示，并熟悉线路结构，掌握各开关操作使用方法。1熟悉电流插头结构，将电流插头红接线端插入数字电流表红（正）接线端，电流插头黑接线端插入数字电流表黑（负）接线端。2测量支路电流将电流插头分别插入三条支路三个电流插座中，读出各个电流值。按要求：在结点A，电流表读数为，表示电流流入结点，读数为，表示电流流出结点，然后依据图31中电流参考方向，确定各支路电流正、负号，并记入表13中。表13 支路电流数据支路电流(mA)I1I2I3计算值测量值相对误差3测量元件电压用直流数字电压表分别测量两个电源及电阻元件上电压值，将数据记入表14中。测量时电压表红（正）接线端应插入被测电压参考方向高电位端，黑（负）接线端插入被测电压参考方向低电位端。表14 各元件电压数据各元件电压（V）US1US2UR1UR2UR3UR4UR5计算值（V）测量值（V）相对误差（四）叠加原理应用试验电路图1-4所表示，图中：,，图中电源US1用恒压源I路030V可调电压输出端，并将输出电压调到12V，US2用恒压源II路030V可调电压输出端，并将输出电压调到6V（以直流数字电压表读数为准），开关S3 拨向上方R3侧。1US1电源单独作用（将开关S1拨向上方，开关S2拨向下方），参考图12(b)，画出电路图，标明各电流、电压参考方向。用直流数字毫安表接电流插头测量各支路电流：将电流插头红接线端插入数字电流表红（正）接线端，电流插头黑接线端插入数字电流表黑（负）接线端，测量各支路电流，按要求：在结点A，电流表读数为，表示电流流入结点，读数为，表示电流流出结点，然后依据电路中电流参考方向，确定各支路电流正、负号，并将数据记入表15中。用直流数字电压表测量各电阻元件两端电压：电压表红（正）接线端应插入被测电阻元件电压参考方向正端，电压表黑（负）接线端插入电阻元件另一端（电阻元件电压参考方向和电流参考方向一致），测量各电阻元件两端电压，数据记入表15中。表15试验数据表 测量项目试验内容US1(V)US2(V)I1(mA)I2(mA)I3(mA)UAB(V)UCD (V)UAD (V)UDE (V)UFA (V)US1单独作用120US2单独作用06US1, US2共同作用126US2单独作用0122US2电源单独作用（将开关S1拨向下方，开关S2拨向上方），参考图12(c)，画出电路图，标明各电流、电压参考方向。反复步骤1测量并将数据统计记入表格15中。3US1和US2共同作用时（开关S1和S2全部拨向上方），各电流、电压参考方向见图14。完成上述电流、电压测量并将数据统计记入表格15中。4将US2数值调至12V，反复第2步测量，并将数据统计在表15中。5将开关S3拨向下方二极管VD侧，即电阻R3换成一只二极管1N4007，反复步骤4测量过程，并将数据记入表16中。表16 试验数据表 测量项目试验内容US1(V)US2(V)I1(mA)I2(mA)I3(mA)UAB(V)UCD(V)UAD(V)UDE(V)UFA(V)US1单独作用120US2单独作用06US1, US2共同作用126US2单独作用012五试验注意事项1测量时，可调稳压电源输出电压由0缓慢逐步增加，应时刻注意电压表和电流表，不能超出要求值。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，立即更换电流表量程，勿使仪表超量程，注意仪表正负极性及数据表格中“、”号统计。4试验电路中使用电源US1和US2用030V可调电源输出端，应分别将输出电压调到6V和12V后，再接入电路中。并预防电源输出端短路。5使用数字直流电压表测量电位时，用黑笔端插入参考电位点，红笔端插入被测各点，若显示正值，则表明该点电位为正（即高于参考点电位）；若显示负值，表明该点电位为负（即该点电位低于参考点电位）。6使用数字直流电压表测量电压时，红笔端插入被测电压参考方向正（）端，黑笔端插入被测电压参考方向负（）端，若显示正值，则表明电压参考方向和实际方向一致；若显示负值，表明电压参考方向和实际方向相反。7全部需要测量电压值，均以电压表测量读数为准，不以电源表盘指示值为准。8若用指针式电流表进行测量时，要识别电流插头所接电流表“、”极性，倘若不换接极性，则电表指针可能反偏而损坏设备（电流为负值时），此时必需调换电流表极性，重新测量，此时指针正偏，但读得电流值必需冠以负号。9电压源单独作用时，去掉另一个电源，只能在试验板上用开关S或S操作，而不能直接将电压源短路。六预习和思索题1线性电阻和非线性电阻伏安特征有何区分？它们电阻值和经过电流有没相关系？怎样用逐点测试法绘制出伏安特征曲线。2电位参考点不一样，各点电位是否相同？相同两点电压是否相同，为何？3在测量电位、电压时，为何数据前会出现号，它们各表示什么意义？4什么是电位图形？不一样电位参考点电位图形是否相同？怎样利用电位图形求出各点电位和任意两点之间电压。5依据图14电路参数，计算出待测电流I1、I2、I3和各电阻上电压值，记入表32中，方便试验测量时，可正确地选定毫安表和电压表量程；6在图14电路中，A、D两结点电流方程是否相同？为何？7在图14电路中能够列多个电压方程？它们和绕行方向有没相关系？8试验中，若用指针万用表直流毫安档测各支路电流，什么情况下可能出现毫安表指针反偏，应怎样处理，在统计数据时应注意什么？若用直流数字毫安表进行测量时，则会有什么显示呢？9叠加原理中US1, US2分别单独作用，在试验中应怎样操作？可否将要去掉电源（US1或US2）直接短接？10试验电路中，若有一个电阻元件改为二极管，试问叠加性和齐次性还成立吗？为何？七试验汇报要求1依据试验数据，分别在方格纸上绘制出各个电阻伏安特征曲线。2依据伏安特征曲线，计算线性电阻电阻值，并和实际电阻值比较。3依据试验数据，分别绘制出电位参考点为A点和D点两个电位图形。4依据电路参数计算出各点电位和相邻两点之间电压值，和试验数据相比较，对误差作必需分析。5依据试验数据，选定试验电路中任一个结点，验证基尔霍夫电流定律（KVL）正确性。6依据试验数据，选定试验电路中任一个闭合回路，验证基尔霍夫电压定律（KCL）正确性。7列出求解电压UEA和UCA电压方程，并依据试验数据求出它们数值。8写出试验中检验、分析电路故障方法，总结查找故障体会。9依据表15试验数据表，经过求各支路电流和各电阻元件两端电压，验证线性电路叠加性和齐次性。10各电阻元件所消耗功率能否用叠加原理计算得出？试用上述试验数据计算、说明；11依据表表15试验数据表，当US1US212V时，用叠加原理计算各支路电流和各电阻元件两端电压。12依据表16试验数据表，说明叠加性和齐次性是否适用该试验电路。13回复思索题。试验二 电源等效电路综合试验一、试验目标1、掌握建立电源模型、电源外特征测试方法。2、研究电源模型等效变换条件，加深对电压源和电流源特征了解。3、验证戴维南定理、诺顿定理，掌握测量有源二端网络等效参数通常方法。4、了解阻抗匹配，掌握最大功率传输条件。5、掌握依据电源外特征设计实际电源模型方法。二、试验原理1、实际电压源和实际电流源等效交换理想电压源含有端电压保持恒定不变，而输出电流大小由负载决定特征。试验中使用恒压源在要求电流范围内，含有很小内阻，能够将它视为一个电压源。理想电流源含有输出电流保持恒定不变，而端电压大小由负载决定特征。试验中使用恒流源在要求电压范围内，含有极大内阻，能够将它视为一个电流源。实际电压源能够用一个内阻RS和电压源US串联表示，其端电压U随输出电流I增大而降低。在试验中，能够用一个小阻值电阻和恒压源相串联来模拟一个实际电压源。实际电流源是用一个内阻RS和电流源IS并联表示，其输出电流I随端电压U增大而减小。在试验中，能够用一个大阻值电阻和恒流源相并联来模拟一个实际电流源。一个实际电源，就其外部特征而言，既能够看成是一个电压源，又能够看成是一个电流源。若视为电压源，则可用一个电压源Us和一个电阻RS相串联表示；若视为电流源，则可用一个电流源IS和一个电阻RS相并联来表示。若它们向一样大小负载供出一样大小电流和端电压，则称这两个电源是等效，即含有相同外特征。实际电压源和实际电流源等效变换条件为：（1）取实际电压源和实际电流源内阻均为RS；（2）已知实际电压源参数为Us和RS，则实际电流源参数为和RS，若已知实际电流源参数为Is和RS，则实际电压源参数为和RS。2、戴维南定理和诺顿定理戴维南定理指出：任何一个有源二端网络，总能够用一个电压源US和一个电阻RS串联组成实际电压源来替换，其中：电压源US等于这个有源二端网络开路电压UOC, 内阻RS等于该网络中全部独立电源均置零(电压源短接，电流源开路)后等效电阻RO。 诺顿定理指出：任何一个有源二端网络，总能够用一个电流源IS和一个电阻RS并联组成实际电流源来替换，其中：电流源IS等于这个有源二端网络短路电源ISC, 内阻RS等于该网络中全部独立电源均置零(电压源短接，电流源开路)后等效电阻RO。US、RS和IS、RS称为有源二端网络等效参数。3、有源二端网络等效参数测量方法(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：若有源二端网络内阻值很低时，则不宜测其短路电流。(2)伏安法一个方法是用电压表、电流表测出有源二端网络外特征曲线，图21所表示。开路电压为UOC，依据外特征曲线求出斜率tgf，则内阻为：另一个方法是测量有源二端网络开路电压UOC，和额定电流IN和对应输出端额定电压UN，图21所表示，则内阻为：(3)半电压法图22所表示，当负载电压为被测网络开路电压UOC二分之一时，负载电阻RL大小（由电阻箱读数确定）即为被测有源二端网络等效内阻RS数值。(4)零示法在测量含有高内阻有源二端网络开路电压时，用电压表进行直接测量会造成较大误差，为了消除电压表内阻影响，往往采取零示测量法，图23所表示。零示法测量原理是用一低内阻恒压源和被测有源二端网络进行比较，当恒压源输出电压和有源二端网络开路电压相等时，电压表读数将为“0”，然后将电路断开，测量此时恒压源输出电压U，即为被测有源二端网络开路电压。4、最大输出功率电源向负载供电电路图24所表示，图中RS为电源内阻，RL为负载电阻。当电路电流为I时，负载RL得到功率为：可见，当电源US和RS确定后，负载得到功率大小只和负载电阻RL相关。令，解得：RL= RS时，负载得到最大功率：。RL=RS 称为阻抗匹配，即电源内阻抗（或内电阻）和负载阻抗（或负载电阻）相等时，负载能够得到最大功率。也就是说，最大功率传输条件是供电电路必需满足阻抗匹配。负载得到最大功率时电路效率：50% 。试验中，负载得到功率用电压表、电流表测量。三、试验设备1、直流数字电压表、直流数字电流表2、恒压源（双路030V可调。）3、恒源流（0200mA可调）4、NEEL11B电工原理（一）、MEEL-04电工原理（二）模块板。四、试验内容1、测定电压源（恒压源）和实际电压源外特征试验电路图25所表示，图中电源US用恒压源10V档可调电压输出端，并将输出电压调到6V，R1取51固定电阻，R2取470电位器。调整电位器R2，令其阻值由大至小改变，将电流表、电压表读数记入表21中。表21 电压源（恒压源）外特征数据I (mA)12182225304050U (V)在图25 电路中，将电压源改成实际电压源，图26所表示，图中内阻RS取51固定电阻，调整电位器R2，令其阻值由大至小改变，将电流表、电压表读数记入表22中。表22 实际电压源外特征数据I (mA)12182225304050U (V)2、测定电流源（恒流源）和实际电流源外特征按图27接线，图中IS为恒流源，调整其输出为10mA（用毫安表测量），R2取470电位器，在RS分别为1k和两种情况下，调整电位器R2，令其阻值由大至小改变，将电流表、电压表读数记入自拟数据表格中。3、研究电源等效变换条件按图28电路接线，其中(a)、(b)图中内阻RS均为51，负载电阻R均为200。在图28 (a)电路中，US用恒压源030V可调电压输出端，并将输出电压调到6V，统计电流表、电压表读数。然后调整图28 (b)电路中恒流源IS，令两表读数和图28(a)数值相等，统计IS之值，验证等效变换条件正确性。4、有源二端电阻网络等效电源定理被测有源二端网络图2-9所表示.（1）图2-9线路接入恒压源US12V和恒流源IS15mA及可变电阻RL。测开路电压UOC：在图24电路中，断开负载RL，用电压表测量开路电压UOC，将数据记入表23中。测短路电流ISc：在图29电路中，将负载RL短路，用电流表测量短路电流ISc，将数据记入表23中。表2-3Uoc(V)Isc(mA)Rs=Uoc/Isc（2）负载试验测量有源二端网络外特征：在图29电路中，改变负载电阻RL阻值，逐点测量对应电压、电流，将数据记入表24中。并计算有源二端网络等效参数US和RS表2-4RL(W)900800700600500400300200100U(V)I(mA)（3）验证戴维南定理测量有源二端网络等效电压源外特征：图210(a)电路是图29等效电压源电路，图中，电压源US用恒压源可调稳压输出端，调整到表23中UOC数值，内阻RS按表23中计算出来RS（取整）选择固定电阻。然后，用电阻箱改变负载电阻RL 阻值，逐点测量对应电压、电流，将数据记入表25中。表2-5有源二端网络等效电流源外特征数据RL(W)900800700600500400300200100U(V)I(mA)测量有源二端网络等效电流源外特征：图210(b)电路是图29等效电流源电路，图中，电流源IS用恒流源，并调整到表23中ISC数值，内阻RS按表23中计算出来RS（取整）选择固定电阻。然后，用电阻箱改变负载电阻RL 阻值，逐点测量对应电压、电流，将数据记入表26中。 表26有源二端网络等效电流源外特征数据RL(W)900800700600500400300200100UAB(V)I(mA)（4）用半电压法和零示法测量被测网络等效内阻RS及其开路电压Uoc。5、电路最大输出功率研究已知电源外特征曲线图211所表示，依据图中给出开路电压和短路电流数值，计算出实际电压源模型中电压源US和内阻RS。试验中，电压源US选择恒压源可调稳压输出端，内阻RS选择固定电阻。用上述设计实际电压源和负载电阻RL相连，电路图212所表示，图中RL选择电阻箱，从0600改变负载电阻RL数值，测量对应电压、电流，将数据记入表27中。表27 电路传输功率数据RL（）0100200300400500600U（V）I（mA）PL（mW）%五、试验注意事项1、在测电压源外特征时，不要忘记测空载(I0)时电压值；测电流源外特征时，不要忘记测短路(U0)时电流值，注意恒流源负载电压不可超出20伏，负载更不可开路。2、换接线路时，必需关闭电源开关。3、直流仪表接入应注意极性和量程。六、预习和思索题1、电压源输出端为何不许可短路？电流源输出端为何不许可开路？2、说明电压源和电流源特征，其输出是否在任何负载下能保持恒值？3、实际电压源和实际电流源外特征为何呈下降改变趋势，下降快慢受哪个参数影响？4、实际电压源和实际电流源等效变换条件是什么？所谓等效是对谁而言？电压源和电流源能否等效变换？5、怎样测量有源二端网络开路电压和短路电流，在什么情况下不能直接测量开路电压和短路电流？ 6、说明测量有源二端网络开路电压及等效内阻多个方法，并比较其优缺点。7、电源用恒压源可调电压输出端，其输出电压依据计算电压源US数值进行调整，预防电源短路。8、什么是阻抗匹配？电路传输最大功率条件是什么？9、电路传输功率和效率怎样计算？10、依据图211给出电源外特征曲线，计算出实际电压源模型中电压源US和内阻RS，作为试验电路中电源。11、电压表、电流表前后位置对换，对电压表、电流表读数有没有影响？为何？七、试验汇报要求1、依据试验数据绘出电源四条外特征，并总结、归纳两类电源特征。2、从试验结果，验证电源等效变换条件。3、依据表23和表24数据，计算有源二端网络等效参数US和RS。4、依据半电压法和零示法测量数据，计算有源二端网络等效参数US和RS。5、试验中用多种方法测得UOC和RS是否相等？试分析其原因。6、依据表24、表25和表26数据，绘出有源二端网络和有源二端网络等效电路外特征曲线, 验证戴维南定理和诺顿定理正确性。7、说明戴维南定理和诺顿定理应用场所。8、依据表27试验数据，计算出对应负载功率PL，并画出负载功率PL随负载电阻RL改变曲线，找出传输最大功率条件。9、依据表27试验数据，计算出对应效率，指明：(1)传输最大功率时效率；(2)什么时候出现最大效率？由此说明电路在什么情况下，传输最大功率才比较经济、合理。10、回复思索题1、2、3、4、8。试验三 动态电路仿真试验一、试验目标1、试验研究RC一阶电路和RLC二阶电路零输入响应、零状态响应和全响应规律和特点。2、掌握一阶电路时间常数、二阶电路衰减系数和振荡频率测量方法，了解电路参数对时间常数影响。3、观察、分析二阶电路响应三种改变曲线及其特点，加深对二阶电路响应认识和了解。二、试验原理1、RC一阶电路零状态响应RC一阶电路图31所表示，开关S在1位置，C0，处于零状态，当开关S合向2位置时，电源经过R向电容C充电，C(t)称为零状态响应 改变曲线图32所表示，当C上升到所需要时间称为时间常数，。2、RC一阶电路零输入响应在图31中，开关S在2位置电路稳定后，再合向1位置时，电容C经过R放电，C(t)称为零输入响应，改变曲线图33所表示，当uC下降到所需要时间称为时间常数，。3、测量RC一阶电路时间常数图31电路上述暂态过程极难观察，为了用一般示波器观察电路暂态过程，需采取图34所表示周期性方波S作为电路激励信号，方波信号周期为T，只要满足，便可在示波器荧光屏上形成稳定响应波形。电阻R、电容C串联和方波发生器输出端连接，用双踪示波器观察电容电压uC，便可观察到稳定指数曲线，图35所表示，在荧光屏上测得电容电压最大值取，和指数曲线交点对应时间t轴x点，则依据时间t轴百分比尺（扫描时间），该电路时间常数。4、微分电路和积分电路a) 在方波信号u作用在电阻R、电容C串联电路中，当满足电路时间常数远远小于方波周期T条件时，电阻两端（输出）电压uR和方波输入信号us呈微分关系，该电路称为微分电路。b) 当满足电路时间常数远远大于方波周期T条件时，电容C两端（输出）电压uC和方波输入信号u呈积分关系，该电路称为积分电路。微分电路和积分电路输出、输入关系图36(a)、(b)所表示。5、二阶RLC串联电路零状态响应在图37所表示R、L、C电路中，C(0)0，在t0时开关S闭合，电压方程为：这是一个二阶常系数非齐次微分方程，该电路称为二 阶电路，电源电压U为激励信号，电容两端电压uC为响应信号。依据微分方程理论，uc包含两个分量：暂态分量和稳态分量，即,具体解和电路参数R、L、C相关。当满足时： 其中，衰减系数，振荡频率，振荡周期改变曲线图38(a)所表示，uC改变处于衰减振荡状态，因为电阻R比较小，又称为欠阻尼状态。当满足时，uC改变处于过阻尼状态，因为电阻R比较大，电路中能量被电阻很快消耗掉，uc无法振荡，改变曲线图38(b)所表示。当满足时，uc改变处于临界阻尼状态，改变曲线图38(c)所表示。6、二阶RLC串联电路零输入响应在图39电路中，开关S和1端闭合，电路处于稳定状态，uc(0)U，在t0时开关S和2闭合，输入激励为零，电压方程为：这是一个二阶常系数齐次微分方程，依据微分方程理论，uc只包含暂态分量，稳态分量为零。和零状态响应一样，依据R和大小关系，uc改变规律分为衰减振荡（欠阻尼）、过阻尼和临界阻尼三种状态，它们改变曲线和图37中暂态分量类似,衰减系数、衰减时间常数、振荡频率和零状态响应完全一样。本试验对R、C、L并联电路进行研究，激励采取方波脉冲，二阶电路在方波正、负阶跃信号激励下，可取得零状态和零输入响应，响应规律和R、L、C串联电路相同。测量C衰减振荡参数，图38(a)所表示，用示波器测出振荡周期T，测量相邻两个峰值U1和U2，便可计算出振荡频率和衰减系数。三、试验设备Multisim电路仿真分析软件，PC机四、试验内容试验电路图310所表示，图中电阻R从MEEL-03 电工原理（三）模块上选择（请看懂线路板走线，认清激励和响应端口所在位置；电容C从MEEL-05A 元件箱（一）模块组件上选择0.01F/63V可调电容，认清R、C元件布局及其标称值；各开关通断位置等），用双踪示波器观察电路激励（方波）信号和响应信号。S为方波输出信号，将信号源波形选择开关置方波信号位置上，将信号源信号输出端和示波器探头连接，接通信号源电源，调整信号源频率旋钮（包含频段选择开关、频率粗调和频率细调旋钮），使输出信号频率为1kHz（由频率计读出），调整输出信号幅值调整旋钮，使方波峰峰值Vp-p2V，固定信号源频率和幅值不变。1、RC一阶电路充、放电过程（1）测量时间常数：选择EEL51组件上R、C元件，令R=1k，C0.01F，用示波器观察激励uS和响应uC改变规律，测量并统计时间常数。（2）观察时间常数(即电路参数R、C)对暂态过程影响：令R10k，C=0.01F，观察并描绘响应波形，继续增大C(取0.01F0.1F)或增大R(取10k、30k)，定性地观察对响应影响。表3-1 RC一阶电路充、放电时间常数测量（其中R1k不变）C（F）0.010.020.030.040.050.060.070.080.09充电（S）放电2、微分电路和积分电路（1）积分电路：选择EEL-52上R、C元件，令R=100k，C0.01F，用示波器观察激励uS和响应uC改变规律。（2）微分电路：将试验电路中R、C元件位置交换，令R=100，C0.01F，用示波器观察激励uS和响应uR改变规律。3、二阶电路暂态过程试验试验电路图311所表示RLC二阶串联动态电路、图311所表示RLC二阶并联动态电路，其中： R110k，L15mH，C0.01F，R和R2为10k电位器（可调电阻），信号源输出为最大值Um2V，频率f=1kHz方波脉冲，经过插头接至试验电路激励端，同时用同轴电缆将激励端和响应输出端接至双踪示波器YA和YB两个输入口。图311二阶串联动态电路试验：（1）调整电阻器R，观察二阶电路零输入响应和零状态响应由过阻尼过渡到临界阻尼，最终过渡到欠阻尼改变过渡过程，分别定性地描绘响应经典改变波形。（2）分别调整R使示波器荧光屏上展现稳定欠阻尼响应波形，定量测定此时电路衰减常数和振荡频率，并记入表3-2中。（3）改变电路参数，分别按表32中数据反复步骤测量，仔细观察改变电路参数时和改变趋势，并将数据记入表3-2中。表3-2 RLC二阶串联电路暂态过程试验数据电路参数试验次数元件参数测量值RL（mH）C（F）TU1U21调至欠阻尼状态151000 pF2153300 pF3150.014150.1图312二阶并联动态电路试验：反复上述（1）、（2）、（3）过程，调整电阻器R2，将测量数据记入表3-3中。表3-3 RLC二阶并联电路暂态过程试验数据电路参数试验次数元件参数测量值R1（k）R2L（mH）C（F）TU1U2110调至欠阻尼状态151000 pF210153300