电工技术实验

实验一基尔霍夫定律的验证一、实验目的1.熟悉并掌握直流仪表，稳压电源的正确使用方法。2.验证基尔霍夫定律的正确性，加深对基尔霍夫定律的理解。3.学会对电压、电位的测试，掌握电路电位图的测绘方法。4.学会用电流插头、插座测量各支路电流，了解一表多用的原理。二、实验设备序号名称型号与规格数量备注1直流可调稳压电源0~30V二路2直流数字电压表0~200V13电位、电压测定实验电路板1HE－12三、实验内容（1）、基尔霍夫电压定律（KVL）：在集总参数电路中，任意时刻沿任一回路绕行，回路中所有支路电压的代数和恒等于零。亦即：U=0（2）、基尔霍夫电流定律（KCL）：对于集中参数电路中的任一节点，在任意时刻，所有连接于该节点的支路电流的代数和恒等于零，即有i＝0。运用上述定律时必须注意各支路或闭合回路中电流的正方向，此方向可预先任意设定。（3）、参考方向和关联参考方向都是为了研究问题的方便而设定的。电位具有相对性，电压具有绝对性。四、实验步骤实验线路如图6－1，用HE－12挂箱的“基尔霍夫定律/叠加原理”线路。1.实验前先设定FABCDEF回路和节点A作为研究对象。图1－1中的I1、I2、I3的方向已设定。2.熟悉并掌握直流数显稳压电源的使用，同时分别调1U＝6V，2U＝12V，先切断电源开关，再按图1-1电路连接线路。3.正确使用直流数字电流表，并测出三条支路的电流值。记录数据在表1中。R1R2R3R4R5I3mA电源插头电流插座＋－图1－11UU2I1I2510Ω510Ω510Ω330Ω1kΩR1R2R3R4R5电流插头表14.用直流数字电压表按表1的要求测量各电压值，并记录数据在表1中。5.分别以A、D为参考点测量其它各点的电位，并记录在表2中。表2五、预习思考题1.根据实验数据，选定节点A，验证KCL的正确性。2.根据实验数据，选定实验电路中的任一个闭合回路，验证KVL的正确性。3.将支路和闭合回路的电流方向重新设定，重复1、2两项验证。4.根据实验数据，验证电压与电位之间的相互关系。并绘制任意两个电位的电位图。实验二戴维南定理的验证一、实验目的1.验证戴维南定理的正确性，加深对该定理的理解2.掌握测量有源二端网络等效参数的一般方法。二、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0～30V12可调直流恒流源0～500mA13直流数字电压表0～200V14直流数字毫安表0～200mA15可调电阻箱0～99999.9Ω1HE－196电位器1K/2W1HE－117戴维南定理实验电路板1HE－12三、实验内容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：任何一个线性有源单口网络，总可以用一个电压源与一个电阻的串联来等效代替，此电压源的电压SU等于这个有源二端网络的开路电压OCU，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。OCU(SU)和R0或者SCI(SI)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、短路电流法测R0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OCU，然后再将被测量1I(mA)2I(mA)3I(mA)1U(V)2U(V)FAU(V)ABU(V)CDU(V)DEU(V)测量值测量点参考点ABCDEFAD其输出端短路，用电流表测其短路电流Isc，则等效内阻为SCOC0IUR如果二端网络的内阻很小，若将其输出端口短路则易损坏其内部元件，因此不宜用此法。.四、实验步骤被测有源二端网络如图2－1(a)。1.用开路电压、短路电流法测定戴维南等效电路的OCU和R0和诺顿等效电路的SCI、R0。按图2-1(a)接入稳压电源SU=12V和恒流源SI=10mA，不接入RL。测出OCU和SCI，并计算出R0。（测OCU时，不接入mA表。），记录数据在表1中。表1OCU(v)SCI(mA)SCOC0IUR(Ω)2.负载实验：按图2-1（a）接入RL。改变RL阻值，测量有源二端网络的外特性曲线。记录数据在表2中。3.验证戴维南定理：利用戴维南定理，将图2-1(a)等效为图2-1(b)所示，仿照步骤“2”测其外特性，在相同的负载电压值下，记录电流值在表2中，对戴维南定理进行验证。表2图2-2（a）U（v）图2-2（a）I（mA图2-2（b）U（v）图2-2（b）I（mA五、预习思考题1.验证戴维南定理和诺顿定理的正确性，并分析产生误差的原因。实验三三表法测定交流电路等效参数一实验目的1.学会用交流电压表、交流电流表和功率表测量交流电路等效参数的方法。2.学会功率表的接法和使用。3.学会对单相交流调压器的正确使用。二实验设备(a)图2-1(b)序号名称型号与规格数量备注1交流电压表0～500V12交流电流表0～5A13功率表14自耦调压器15镇流器(电感线圈)与40W日光灯配用1HE－166电容器1μF,4.7μF/500VHE－207白炽灯25W（或15W）/220V3HE－17三、实验内容1.正弦交流信号激励下的元件值或阻抗值，可以用交流电压表、交流电流表及功率表分别测量出元件两端的电压U、流过该元件的电流I和它所消耗的功率P，然后通过计算得到所求的各值，这种方法称为三表法，是用以测量50Hz交流电路参数的基本方法。计算的基本公式为：阻抗的模IUZ，电路的功率因数cosφ＝UIP等效电阻R＝2IP＝│Z│cosφ，等效电抗X＝│Z│sinφ由fLπ2XXL，得fLπ2XLX＝Xc＝fCπ21，得fCπ2X1C四、实验步骤测试线路如图3－3所示。1、按图3－3接线，并经指导教师检查后，方可接通市电电源。2、分别测量25W白炽灯(R)、40W日光灯镇流器(L)和4.7μF电容器(C)的等效参数,以及L、C串联与并联后的等效参数，将数据记录在表1中。表1被测阻抗测量值计算值电路等效参数U（V）I（A）P（W）cosφZ（Ω）R（Ω）L(mH)C(μF)25W白炽灯R√√电感线圈L√电容器C√√L与C串联√√L与C并联√√VWA**Z220V图3－3图16-3五、实验注意事项1.本实验直接用市电220V交流电源供电，实验中要特别注意人身安全，不可用手直接触摸通电线路的裸露部分，以免触电，进实验室应穿绝缘鞋。2.自耦调压器在接通电源前，应将其手柄置在零位上，调节时，使其输出电压从零开始逐渐升高。输出电压不能高于220v。每次改接实验线路及实验完毕，都必须先将其旋柄慢慢调回零位，再断电源。必须严格遵守这一安全操作规程。3.线路经指导老师检查后方可通电。实验四RC一阶电路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量方法以及电路参数对过渡过程的影响。3.掌握有关微分电路和积分电路的概念。4.学会对函数发生器的使用和用示波器观测波形。二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12双踪示波器13动态电路实验板1HE－14三实验内容含有电感、电容储能元件的电路，其响应可由微分方程求解，若响应电路中含有一个储能元件所列的是一阶微分方程，称为一阶电路。动态网络的过渡过程是十分短暂的单次变化过程。要用普通示波器观察过渡过程和测量有关的参数，就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，即利用方波输出的上升沿作为零状态响应的正阶跃激励信号；利用方波的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，那么电路在这样的方波序列脉冲信号的激励下，它的响应就和直流电接通与断开的过渡过程是基本相同的。1.图9－1（b）所示的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。2.时间常数τ的测定方法:用示波器测量零输入响应的波形如图9－1(a)所示。根据一阶微分方程的求解得知uc＝Ume-t/RC＝Ume-t/τ。当t＝τ时，Uc(τ)＝0.368Um。此时所对应的时间就等于τ。亦可用零状态响应波形增加到0.632Um所对应的时间测得，如图9－1(c)所示。3.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＝RC2时（T为方波脉冲的重复周期），且由R两端的电压作为响应输出，则该电路就是一个微分电路。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。如图9－2(a)所示。利用微分电路可以将方波转变成尖脉冲。若将图9－2(a)中的R与C位置调换一下，如图9－2(b)所示，由C两端的电压作为响应输出，且当电路的参数满足τ＝RC2，则该RC电路称为积分电路。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。利用积分电路可以将方波转变成三角波。从输入输出波形来看，上述两个电路均起着波形变换的作用，请在实验过程仔细观察与记录。四实验步骤实验线路板的器件组件提供需要的各元器件，请认清R、C元件的布局及其标称值，各开关的通断位置等。ττ图9－10.368ttRCtt0.6320000+cuuUmcucuuuUmUmUm(a)零输入响应(c)零状态响应(b)RC一阶电路TRCRT/2RCRT/2icRccuuuiu图9－2(a)微分电路(b)积分电路RC＞＞2TRC2T稳压电源12KUR(t)Uc(t)到示波器到示波器图9-4（一）、观察研究一阶电路对方波激励的响应1.令R＝10KΩ，C＝6800pF组成如图9－1(b)所示的RC充放电电路。ui为脉冲信号发生器输出的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ui和响应uC的信号分别连至示波器的两个输入口YA和YB。用示波器观察激励与响应的变化规律，计算出时间常数τ，并描绘波形。2.令R＝10KΩ，C＝0.1μF，重复步骤（1），注意观察对响应的影响。3.令C＝0.01μF，R＝100Ω，组成如图9－2(a)所示的微分电路。设计不同的参数用示波器观察激励与响应的变化规律，并观察参数变化对响应的影响。五预习思考题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源？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，拟定测量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？六思考题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.计算二阶回路的临界状态电阻R0、振荡频率f、衰减系数。3.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。七实验注意事项1.调节电子仪器各旋钮时，动作不要过快、过猛。实验前，需熟读双踪示波器的使用说明书。观察双踪时，要特别注意相应开关、旋钮的操作与调节。2.信号源的接地端与示波器的接地端要连在一起（称共地），以防外界干扰而影响测量的准确性。3.示波器的辉度不应过亮，尤其是光点长期停留在荧光屏上不动时，应将辉度调暗，以延长示波管的使用寿命。