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直流电路基本理论综合实验

一、 实验目的
1． 验证基尔霍夫定律、叠加原理及戴维南定理的正确性，加深对这些基本理论的认识与理解。
2． 进行电源外特性的测试，验证电压源与电流源的等效变换条件。

二、 实验设备
表2-1 实验设备表
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
GSY-I型综合测量表

1

2
数字万用表

1

3
可调直流稳压电源

1
DG04
4
可调直流恒流源

1
DG04
5
实验电路箱

1
DG05
6
实验电路箱

1
DG21

三、 基尔霍夫定律的验证
(一) 原理说明
基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律（KCL）和基尔霍夫定律电压定律（KVL），基尔霍夫电流定律指出，对电路中任一节点而言；基尔霍夫电压定律指出，对电路中任一闭合回路而言。
(二) 实验内容
实验电路如图2-1所示，E1=12V，E2=6V，为两路直流稳压电源的输出。
1． 用“GSY型高性能数字化组合型测量仪表”测量实验电路中的三个电流I1、I2、I3，将测量数据记录于表2-2中。“GSY型高性能数字化组合型测量仪表”的使用说明见附录二第五节。
2． 用“GSY型高性能数字化组合型测量仪表”测量表2-2中要求的各电压值，将测量数据记录于该表中。

图2-1

表2-2 实验测量项目和数据
测量
项目
I1
（mA）
I2
（mA）
I3
（mA）
E1
（V）
E2
（V）
UFA
（V）
UAB
（V）
UAD
（V）
UCD
（V）
UDE
（V）
计算值

测量值

四、 叠加原理的验证
(一) 原理说明
1． 叠加原理指出：在几个独立电源共同作用的线性电路中，任一支路电流（或电压）都是电路中各独立电源单独作用时在该支路所产生的电流（或电压）的叠加。
2． 齐次性定理是叠加原理的推广，齐次性定理指出：在线性电路中，当所有激励（独立电源）都增大或缩小K倍（K为实常数），响应（电流或电压）也将同样增大或缩小K倍。
(二) 实验内容
实验电路如图2-2所示，E1=12V，E2=6V，为两路直流稳压电源的输出。

图2-2
1． 按表2-3所列，首先将开关S3投向电阻侧，分四种情况，分别测量I1、I2、I3、和UAD，将测量数据记录于表2-3中。
（1） E1、E2共同作用（即开关S1投向E1侧，开关S2投向E2侧）。
（2） 令E1单独作用（即开关S1投向E1侧，开关S2投向短路侧）。
（3） 令E2单独作用（即开关S1投向短路侧，开关S2投向E2侧）。
（4） 将E2调至12V，令E2单独作用（即开关S1投向短路侧，开关S2投向E2侧）。
2． 按表2-3所列，再将开关S3投向二极管侧，亦分四种情况，重复实验内容1的测量。

表2-3 叠加原理验证实验项目和数据
测量项目
实验内容

I1（mA）

I2（mA）

I3（mA）

UAD（V）

开关S3
投向电阻侧
E1、E2共同作用

E1单独作用

E2单独作用

2E2单独作用

开关S3
投向二极管侧
E1、E2共同作用

E1单独作用

E2单独作用

2E2单独作用

五、 戴维南定理的验证
(一) 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一个有源二端网络。
戴维南定理指出：任何一个线性有源二端网络，总可以用一个等效电压源来代替，该等效电压源的电动势Es等于原有源二端网络的开路电压Uoc，等效内阻Ro等于该有源二端网络除源后所得到的无源二端网络的等效电阻。Es、Ro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，用电压表直接测量其输出端的开路电压Uoc，然后将输出端短路，用电流表测量其短路电流Isc，则等效电阻为

（2） 伏安法
若二端网络内阻很小时，不宜测量其短路电流，则可采用伏安法。
先用电压表测量开路电压Uoc，然后在输出端接负载，分别测出负载端电压U及负载电流I，则等效电阻为

图2-3 图2-4
（3） 半电压法
如图2-3所示，当负载电压为被测网络开路电压一半时，负载电阻即为被测二端网络的等效电阻。
（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2-4所示。
零示测量法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。
(二) 实验内容
实验电路如图2-5所示，其中图2-5（a）中，Es=12V，为一路稳压电源的输出；Is=10mA，
为恒流源的输出。

（a） （b）
图2-5
1． 图2-5（a）所示电路，从A、B两端看进去，为一有源二端网络，用开路电压、短路电流法测量该二端网络的开路电压Uoc和短路电流Isc，并计算Ro，将数据记录于表2-4中。

表2-4 戴维南定理验证实验数据
Uoc（V）
Isc（mA）

2． 测量有源二端网络的外特性。在图2-5（a）所示电路中接入负载电阻RL（RL用DG21实验箱中的可变电阻器R2代替），改变RL的值，测量其两端电压和其中通过的电流，数据记录于表2-5中。

表2-5 测量有源二端网络的外特性数据
RL（Ω）
0
200
400
600
800
1000
∞
U（V）

I（mA）

3． 测量戴维南等效电路的外特性。构成戴维南等效电路如图2-5（b）所示（内阻Ro用DG21实验箱中的可调电阻R1代替，并用数字万用表校准其阻值；负载电阻RL仍用DG21实验箱中的可变电阻器R2代替），改变RL的值，测量其两端电压和其中通过的电流，数据记录于表2-6中。

表2-6 测量戴维南等效电路的外特性数据
RL（Ω）
0
200
400
600
800
1000
∞
U（V）

I（mA）

4． 有源二端网络等效内阻Ro的其它测量方法如下：
（1） 用万用表的欧姆档进行测量，这时应除去有源二端网络中的电压源和电流源。除源时 要注意：对于电压源，应断开稳压电源，再将实验电路中的相应位置用一根导线短路，不可直接将稳压电源短路；对于电流源，应断开恒流源。
（2） 用半电压法进行测量。

六、 电压源、电流源及其等效变换
(一) 原理说明
1． 直流稳压电源在一定的电流范围内，具有很小的内阻，所以在实用中，常将其视为理想的电压源，其输出电压不随负载电流而变，其外特性，即伏安特性是一条平行于I轴的直线。恒流源在一定的电压范围内，其输出电流不随负载电压而变，其外特性，即伏安特性是一条平行于U轴的直线。
2． 实际电压源，都具有一定的内阻，可用一个理想电压源和一个小电阻相串联来模拟；实际电流源，则可用一个恒流源和一个大电阻相并联来模拟。
3． 一个实际的电源，就其外特性而言，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，则用一个理想电压源和一个电阻相串联来表示；若视为电流源，则用一个恒流源和一个电阻相并联来表示。如图2-6所示，对负载而言，两个虚线框中的电压源和电流源是等效的，等效条件为

图2-6

(二) 实验内容
1． 测试直流稳压电源和实际电压源的外特性
（1） 按图2-7接线，其中Es=6V为直流稳压电源的输出，调节电阻R2，使其阻值由小到大变化，测量图中仪表所在位置的电压与电流，数据记录于表2-7中。

图2-7

表2-7 测试直流稳压电源的外特性数据
R2（Ω）
100
200
300
400
500
600
∞
U（V）

I（mA）

（2） 按图2-8接线，其中虚线框模拟一个实际电压源，调节电阻R2，使其阻值由小到大变化，测量仪表所在位置电压与电流，数据记录于表2-8中。

图2-8

表2-8 测试实际电压源的外特性数据
R2（Ω）
100
200
300
400
500
600
∞
U（V）

I（mA）

2． 测试恒流源与实际电流源的外特性
（1） 按图2-9接线，其中Is=5mA为恒流源的输出，调节电阻R2，使其阻值由小到大变化，测量仪表所在位置电压与电流，数据记录于表2-9中。

图2-9

表2-9 测试恒流源的外特数据
R2（Ω）
0
100
200
300
400
500
600
U（V）

I（mA）

（2） 按图2-10接线，其中虚线框模拟一个实际电流源，调节电阻R2，使其阻值由小到大变化，测量仪表所在位置电压与电流，数据记录于表2-10中。

图2-10
表2-10 测试实际电流源的外特数据
R2（Ω）
0
100
200
300
400
500
600
U（V）

I（mA）

3． 测定并验证电压源与电流源等效变换的条件。首先按图2-11（a）接线，读取并记录电压表和电流表的读数（U= V；I= A）。然后按图2-11（b）接线，注意开始使恒流源输出电流Is为零，再慢慢调节Is，当电压表与电流表的读数与图2-11（a）的值相等时，记录Is的值（Is= A）。
验证电压源与电流源等效变换的条件。
（a） （b）
图2-11

七、 实验注意事项
1． 注意“GSY型高性能数字化组合型测量仪表”的极性、量程及档位。
2． 所有需要测量的数据均以仪表读数为准。
3． 在各数据表格中记录数据时，应注意数据的正负。
4． 稳压电源的输出端切勿短路。
5． 改接线路时要注意先关断电源。
6． 用万用表直接测量二端网络的等效内阻Ro时，必须除去网络中的电压源和电流源，以免损坏万用表，其次万用表的欧姆档必须调零后，再进行测量。除源时要注意：对于电压源，应断开稳压电源，再将实验电路中的相应位置用一根导线短路，不可直接将稳压电源短路；对于电流源，应断开恒流源。
7． 在测电压源外特性时，不要忘记测空载时的电压值；在测电流源外特性时，不要忘记测短路时的电流值。注意恒流源负载电压不可超过20V，负载更不可开路。

八、 预习思考题
1． 根据图2-1所示实验电路，计算表2-2所示待侧电流及电压，并记于表中，以便实际测量时，可正确选择仪表的量程。
2． 在各数据表格中记录数据时，应如何注意数据的正负？
3． 叠加原理实验中，E1、E2分别单独作用时，可否将不作用的电源直接置零（短路）？
4． 叠加原理实验中，若将一电阻改为二极管，叠加原理与齐次定理还成立吗？为什么？
5． 根据图2-5（a）所示实验电路，计算二端网络的等效内阻，以便实际测量时，将实测值和理论值进行比较。
6． 了解测量有源二端网络的开路电压及等效内阻的几种方法，并比较各自的优缺点。
7． 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？
8． 电压源与电流源的外特性为什么呈下降变化趋势？稳压电源和恒流源的输出在任何负载下是否都保持恒定值？

九、 实验报告要求
1． 根据表2-2数据，选定实验电路中的某一节点，比如A点，验证KCL的正确性；选定实验电路中的某一闭合回路，比如EFABCDE回路，验证KVL的正确性。
2． 根据表2-3数据，验证线性电路的叠加原理及齐次性定理的正确性。并说明叠加原理及齐次性定理只适用于线性电路。
3． 根据表2-5、表2-6数据，绘制有源二端网络的外特性及其戴维南等效电路的外特性曲线，验证戴维南定理的正确性。
4． 比较有源二端网络等效内阻Ro的各种测量方法，说明各自的适用性。
5． 根据表2-7、表2-8、表2-9、表2-10数据，分别绘制稳压电源、实际电压源、恒流源、实际电流源的外特性曲线，总结、归纳各类电源的特性。
6． 根据图2-11的测量结果，说明电压源与电流源等效变换的条件。