东南大学电路实验实验报告.doc

东南大学电路实验实验报告

电路实验

实验报告

第二次实验

实验名称：弱电实验
院系：信息科学与工程学院 专业：信息工程
姓名： 学号：
实验时间： 年 月 日
实验一：PocketLab的使用、电子元器件特性测试和基尔霍夫定理
一、 仿真实验
1. 电容伏安特性
实验电路：

图1-1 电容伏安特性实验电路
波形图：

图1-2 电容电压电流波形图
思考题：
请根据测试波形，读取电容上电压，电流摆幅，验证电容的伏安特性表达式。
解：， ，；
，；
而
且误差较小，即可验证电容的伏安特性表达式。
2. 电感伏安特性
实验电路：

图1-3 电感伏安特性实验电路
波形图：

图1-4 电感电压电流波形图
思考题：
1. 比较图1-2和1-4，理解电感、电容上电压电流之间的相位关系。对于电感而言，电压相位 超前 （超前or滞后）电流相位；对于电容而言，电压相位 滞后 （超前or滞后）电流相位。
2. 请根据测试波形，读取电感上电压、电流摆幅，验证电感的伏安特性表达式。
解：， ，；
，；
而
且误差较小，即可验证电感的伏安特性表达式。
二、 硬件实验
1. 恒压源特性验证
表1-1 不同电阻负载时电压源输出电压
电阻
0.1
1
10
100
1000
电源电压（V）
4.92
4.98
4.99
4.99
4.99
2. 电容的伏安特性测量

图1-5 电容电压电流波形图
3. 电感的伏安特性测量

图1-6 电感电压电流波形图
4. 基尔霍夫定律验证
表1-2 基尔霍夫验证电路
待测值
I1
I2
I3

计算值
0.366mA
0.978mA
1.344mA
1.34V
测量值
0.364mA
0.975mA
1.35mA
1.35V
相对误差
5.46
3.07
4.46
7.46
思考题：
1. 根据实验数据，选定节点，验证KCL的正确性。
对于B点，
近似满足，验证的KCL的正确性。
2. 验证KVL
表1-3 验证KVL
节点
9
8
计算值
2.32V
0.77V
测量值
2.32V
0.77V
相对误差
0
0
对于节点5、9、8、0构成的回路：
，，

即验证了KVL的正确性。
实验二：电路定律的验证和受控源仿真
预习题：
1. 根据实验一中电阻的伏安特性测量方法，请自行设计实验方法，绘制二极管的伏安特性曲线，了解其工作性能。

图2-1 二极管伏安特性曲线
2.请运用戴维宁定理，计算图 2-14 电路的 Rload，Req 和 Veq，填入表 2-3。
3.（补充）采用 PocketLab 的 math 功能，直接获得二极管的伏安特性曲线。

图2-2 二极管伏安特性曲线
硬件实验一：叠加定理验证
表2-1 验证叠加定理
实验内容
测量项目

单独作用
1.14
-0.103
1.03
1.03
单独作用
-0.155
0.468
0.31
0.31
、共同作用
0.98
0.365
1.34
1.34
表2-2 验证叠加定理（二极管）
实验内容
测量项目

单独作用
2.794
-0.254
2.54
2.54
单独作用
0
0.46
0.46
0.46
、共同作用
2.307
0.243
2.55
2.55
思考题：
1. 根据实验数据，验证线性电路的叠加性。
纯电阻电路为线性电路。由表2-1，可以看出，每纵列的数据，第一行的数加上第二行的数等于第三行的数，即、共同作用的效果和，单独作用效果的叠加结果一样，即验证了线性电路的叠加性。
2. 通过实验步骤5及分析表格中数据你能得出什么结论？
将换成二极管后，得到表2-2实验结果，分析表2-2数据发现不再有表2-1数据的规律，即不满足叠加性，因此判断，二极管不是线性元件，此电路不是线性电路。
硬件实验二：戴维宁定理验证
表2-3 测试等效电路的和

计算值
N.C
3.58
5/6k
1k
测量值
4.25
3.55
0.83k
0.99k
表2-4 验证戴维宁定理

原始电路
0.94
1.88
等效电路
0.93
1.86
思考题：
请自行选定除开路电压、短路电流法之外的一种测有源二端网络开路电压及等效内阻的方法，设计实验过程对上面的电路测定，给出实验方法和测试结果。
答：用电压源代替内阻，改变电压源电压大小，测多组端口电压和电流的数据，做出伏安特性曲线图。则时的电压值即为开路电压，直线斜率的倒数即为等效内阻。
硬件实验三：采用运放测试电压控制电流源（VCCS）特性
1.测试VCCS的转移特性
表2-6 VCCS的转移特性数据

0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0

0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
0.16
0.18
0.20
图2-3 VCCS转移特性曲线
转移参量=
2. 测试VCCS的负载特性
表2-7 VCCS的负载特性数据

47
20
10
4.7
3
2
1
0.2
0.1

0.07
0.139
0.207
0.209
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
图2-4 VCCS负载特性曲线
实验三：一阶电路的时域分析
一、 仿真实验
1. 电容特性
实验任务1

图3-1 电容电阻电压波形图
解释：
电阻的电压电流关系为：，所以电阻的电压波形仍为方波；
电容的电压电流关系为：，所以

实验任务2
电容中的能量：

电流源提供的能量:

请解释和之间为什么会存在差异：
答：包含了和两部分，电阻以热量形式消耗电流源的能量，而电容储存能量，即。
实验任务3

图3-2 电容电阻电压波形图（2）
波形变化：电容电压变化率变为原来的二分之一，10ms时达到的稳定值也是原来的一半。
解释：两个相同的电容并联，等效阻抗变为原来两倍，则电压变化率和电压的值均变为原来一半。
2. 电感特性
实验任务1

图3-3 电感中电流波形图
解释：
电感的电流电压关系为：，所以

电感中的能量Wc（t=15ms）：

电压源提供的能量Wv（0~15ms）：

实验任务2

图3-4 电感中电流波形图（2）
注：图中流过两电感的电流相等，因此两曲线重合，其和为干路电流。
波形变化：电感电流变化率变为原来的两倍，15ms时达到的稳定值也是原来的两倍。
解释：两个相同的电感并联，等效阻抗变为原来一半，则电流变化率和电流的值均变为原来两倍。
实验任务3

图3-5 电感电流及节点2电压波形
计算得到的电感电流的响应：

即
二、 硬件实验
1.硬件实验一
实验任务1
示波器截图（100Hz）：

图3-6 电容上电压（100Hz）
实验任务2
示波器截图（1kHz）：

图3-7 电容上电压（1kHz）
示波器截图（5kHz）：

图3-8 电容上电压（5kHz）
思考：在输入方波频率一定的时候，输出响应的幅度与电路时间常数的关系如何？若要作为积分器使用，如图所示电路的RC时间常数需要满足什么条件？
答：时间常数越大，输出响应的幅度越小，电容充电来不及完成就开始放电；时间常数越小，输出响应的幅度越大，但不超过峰峰值。
若要作为积分器使用，需：1.保证电压变化周期与时间常数的适当比例，105较为合适，使得电容上的电压有较 大变化；2.电路的RC时间常数应远大于5ms（即方波的半个周期长度）。
2. 硬件实验二
实验任务1

图3-9 电阻上电压波形图（100nF）
功能：微分器
解释：在一个周期中，经过一个高电平后，电路进入零输入响应状态，此时，由电容放电。电阻上电压变化情况与电路中电流变化情况相同，即电路中电流以指数形式衰减。
实验任务2
示波器截图（C1=10nF）：

图3-10 电阻上电压波形图（10nF）
功能：微分器，将方波信号转变为尖脉冲信号。
思考：在输入方波频率和边沿时间一定的时候，若输出响应只需要提取输入信号的边沿信息，则输出幅度与电路RC时间常数的关系如何？
答：电路RC常数越大，输出幅度越大。
实验任务3

图3-11 电阻上电压波形图（10uF）
功能：输出的波形与输入的相同，即耦合。
实验四：RLC电路的频率响应
一、 仿真实验
1. RLC串联电路
实验任务1

图4-1 阻抗幅频特性和相频特性截图
实验任务2

图4-2 网络函数幅频特性和相频特性截图
图中两光标间距即为3dB带宽。
思考：的值对网络函数的3dB带宽有什么影响？
答：增大，品质因数Q减小，网络函数的3dB带宽增大。
2. RLC并联电路
实验任务

图4-3 阻抗幅频特性截屏
图中游标间距即为3dB带宽。

图4-4 阻抗相频特性截图
思考：的值对输出电压的3dB带宽有什么影响？
答：增大，品质因数Q增大，网络函数的3dB带宽减小。
二、 硬件实验
1. RLC低通滤波器
实验任务1
示波器截图1（）：

图4-5 输入输出波形（100Hz）
示波器截图2（输出幅度下降到输入幅值的0.707倍）：

图4-6 输入输出波形（输出幅度下降到输入幅值的0.707倍）
实验任务2

图4-7 幅频特性和相频特性曲线
2. RLC带通滤波器
实验任务1
示波器截图1（输出幅度最大）：

图4-8
示波器截图2（输出幅度下降到最大输出幅度的0.707倍，且相位超前）：

图4-9
示波器截图3（输出幅度下降到最大输出幅度的0.707倍，且相位滞后）：

图4-10
实验任务2

图4-11 幅频特性和相频特性曲线
中心频率：6310Hz
峰值增益：0.66
-3dB带宽：0.95
思考：根据讲义上图4-10所示的电路参数，该滤波器峰值增益的理论值是多少？实际测试值和理论值之间的差异由什么原因导致的？
答：该滤波器峰值增益的理论值应约为0.995。
　　但由于实验所用的电感不是理想电感，存在电阻，所以实际测试值和理论值之间存在差异。