电工学实验讲义

目录实验一基尔霍夫定律和叠加原理验证......................2实验二受控源研究......................................5实验三戴维南定理——有源二端网络等效参数的测定........9实验四RC一阶电路的响应测试...........................12实验五RLC串联电路研究................................16实验六三相电路的参数测量.............................19实验七三相电路的功率测量.............................21实验八直流双口网络的研究.............................24实验一基尔霍夫定律和叠加原理验证一、1．学习电路基本参数的测试方法，并验证基尔霍夫电压、电流定理；2．验证叠加原理，了解叠加原理的应用场合；3．理解线性电路的叠加性和齐次性。二、预习准备1．电压表电流表的正确使用方法。2．电压参考方向。UAB表示的是UA为高电位端还是UB？3．基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律的内容是什么？其中正负号如何确定？4．叠加原理的内容是什么？5．在实验中如何实现各个电源单独作用？6．线性电路其次性的含义是什么？7．实验电路中，若有一个电阻元件改为二极管，上述定律还有那些是成立的？为什么？三、实验原理参考基尔霍夫定律是电路的基本定律。测量某电路的各支路电流及每个元件两端的电压，应能分别满足基尔霍夫电流定律（KCL）和电压定律（KVL）。即对电路中的任一个节点而言，应有ΣI＝0；对任何一个闭合回路而言，应有ΣU＝0。叠加原理指出：在有几个电源共同作用下的线性电路中，通过每一个元件的电流或其两端的电压，可以看成是由每一个电源单独作用时在该元件上所产生的电流或电压的代数和。具体方法是：一个电源单独作用时，其它的电源必须去掉（电压源短路，电流源开路）；在求电流或电压的代数和时，当电源单独作用时电流或电压的参考方向与共同作用时的参考方向一致时，符号取正，否则取负。在图1中：111III222III333IIIUUU图1叠加原理反映了线性电路的叠加性，线性电路的齐次性是指当激励信号（如电源作用）增加或减小Ｋ倍时，电路的响应（即在电路其它各电阻元件上所产生的电流和电压值）也将增加或减小Ｋ倍。叠加性和齐次性都只适用于求解线性电路中的电流、电压。对于非线性电路，叠加性和齐次性都不适用。四、实验装置和功能1．DG05右上角基尔霍夫/叠加原理实验电路。2．用DG04上的稳压源和电流源提供电路内部电源。3．D31中的电压表和毫安表。五、实验内容和步骤1．在实验箱实验电路上电压源符号处接入电源，分别取Us1=，Us2=，开关K均拨向虚线侧，构成完整的实验电路。2．测试A点的三条支路的电流，记录在下表第一行。根据图中电流的参考方向列写结点A的基尔霍夫电流方程为：，根据所列方程代入测得的电流数值计算得到方程成立，即KCL成立。测量项目实验内容I1(mA)I2(mA)I3(mA)UAB(V)UCD(V)UAD(V)UDE(V)UFA(V)US1,US2共同作用3．分别测各支路电压UAB、UCD、UAD、UDE、UFA，填入上表中。根据电压参考方向可以列写回路ABCD、ADEF、ABCDEF的基尔霍夫电压方程：回路ABCD:。回路ADEF:。回路ABCDEF:。根据所列的方程代入测得的电压数值计算证明方程成立，即KVL成立。4．使Us1、Us2单独作用（即将不作用的电源处的开关K拨向短路线一侧。注意：不能直接端接电源！），分别测试各支路电压电流，并记录入下表。测量项目实验内容I1(mA)I2(mA)I3(mA)UAB(V)UCD(V)UAD(V)UDE(V)UFA(V)US1单独作用US2单独作用对比上面两个表相应列同一支路的电流或者电压，可以看出US1,US2共同作用时的响应恰好是他们分别作用是响应的叠加。证明这个电路中叠加定律成立。5．拆去电源US2，在US1单独作用时，取US1=，测量各支路电压电流，记录入下表。使US1加倍，即US1=，再次测量电路变量并记录。测量项目实验内容I1(mA)I2(mA)I3(mA)UAB(V)UCD(V)UAD(V)UDE(V)UFA(V)US1=单独作用US1=单独作用对比上表中各列数据可以发现，它们随电源的变化成比例增加，这就是电路的齐次性。6．将K3拨向下侧，把原电路中的330欧姆电阻换成是非线性元件二极管，重复上述实验。测量项目实验内容I1(mA)I2(mA)I3(mA)UAB(V)UCD(V)UAD(V)UDE(V)UFA(V)US1,US2共同作用测量项目实验内容I1(mA)I2(mA)I3(mA)UAB(V)UCD(V)UAD(V)UDE(V)UFA(V)US1单独作用US2单独作用测量项目实验内容I1(mA)I2(mA)I3(mA)UAB(V)UCD(V)UAD(V)UDE(V)UFA(V)US2=单独作用US2=单独作用检查验证对于非线性电路上面提到的三个定律中仍然成立，不再成立。六、总结和结论实验二受控源研究一．实验目的1．加深对受控源的理解；2．掌握受控源特性的测量方法。二、预习准备1．什么是受控源？了解四种受控源的缩写、电路模型、控制量与被控量的关系；2．四种受控源中的转移参量μ、g、r和β的意义是什么？如何测得？3．若受控源控制量的极性反向，试问其输出极性是否发生变化？4．分析四种受控源实验电路的输入、输出关系。注意事项：1．用恒流源供电的实验中，不允许恒流源开路；2．运算放大器输出端不能与地短路，输入端电压不宜过高（小于5V）。三、实验原理参考1．受控源受控源向外电路提供的电压或电流是受其它支路的电压或电流控制，因而受控源是双口元件：一个为控制端口，或称输入端口，输入控制量（电压或电流），另一个为受控端口或称输出端口，向外电路提供电压或电流。受控端口的电压或电流，受控制端口的电压或电流的控制。根据控制变量与受控变量的不同组合，受控源可分为四类：（1）电压控制电压源（VCVS），如图2－1（a）所示，其特性为：12uu其中：12uu称为转移电压比（即电压放大倍数）。（2）电压控制电流源（VCCS），如图2－1（b）所示，其特性为：12ugi其中：12muig称为转移电导。（3）电流控制电压源（CCVS），如图2－1（c）所示，其特性为：12iru其中：12iur称为转移电阻。（4）电流控制电流源（CCCS），如图2－1（d）所示，其特性为：12ii其中：12ii称为转移电流比（即电流放大倍数）。2．用运算放大器组成的受控源运算放大器的电路符号如图2－2所示，具有两个输入端：同相输入端ｕ＋和反相输入端ｕ－，一个输出端ｕｏ，放大倍数为A，则ｕｏ＝A（ｕ＋－ｕ－）。对于理想运算放大器，放大倍数A为∞，输入电阻为∞，输出电阻为0，由此可得出两个特性：特性1：ｕ＋＝ｕ－；特性2：ｉ＋＝ｉ－＝０。电压控制电压源（VCVS）电压控制电压源电路如图2－3所示。由运算放大器的特性1可知：1uuu则11R1Rui212R2Ruui由运算放大器的特性2可知：R2R1ii代入R1i、R2i得：1122)1(uRRu可见，运算放大器的输出电压u2受输入电压u1控制，其电路模型如图2－2（a）所示，转移电压比：)1(12RR。电压控制电流源（VCCS）电压控制电流源电路如图2－4所示。由运算放大器的特性1可知：1uuu则11RRui由运算放大器的特性2可知：R2ii11Ru即i2只受输入电压u1控制，与负载RL无关（实际上要求RL为有限值）。其电路模型如图2－1（b）所示。转移电导为：1121Ruig（3）电流控制电压源（CCVS）电流控制电压源电路如图2－5所示。由运算放大器的特性1可知：0uuu2=RiR由运算放大器的特性2可知：1Rii代入上式，得：12iRu即输出电压u2受输入电流i1的控制。其电路模型如图2－1（c）所示。转移电阻为：Riur12（4）电流控制电流源（CCCS）电流控制电流源电路如图2－6所示。由运算放大器的特性1可知：0uu2212R1iRRRi由运算放大器的特性2可知：1R1ii代入上式，1212)1(iRRi即输出电流i2只受输入电流i1的控制。与负载RL无关。它的电路模型如图2－1（d）所示。转移电流比)+1(2112RRii四、实验装置和功能1．DG04下部受控源实验电路，主要实验电路。2．DG04实验板上提供的恒压源、恒流源。3．D31直流电流电压表。五、实验内容和步骤1．测试电压控制电压源（VCVS）特性实验电路如图2－7所示，图中，U1用恒压源的可调电压输出端，R1＝R2＝10ｋΩ，RL＝2ｋΩ（用电阻箱）。（1）测试VCVS的转移特性U2=f（U1）调节恒压源输出电压U1（以电压表读数为准），用电压表测量对应的输出电压U2，将数据记入表2－1中。表2－1VCVS的转移特性数据U1/V01234U2/V（2）测试VCVS的负载特性U2=f（RL）保持U1＝2V，负载电阻RL用电阻箱，并调节其大小，用电压表测量对应的输出电压U2，将数据记入表2－2中。表2－2VCVS的负载特性数据RL/Ω1K2K3K4K5K6K7K8K9KU2/V2．测试电压控制电流源（VCCS）特性实验电路如图2－8所示，图中，U1用恒压源的可调电压输出端，R1＝10ｋΩ，RL＝2ｋΩ（用电阻箱）。（1）测试VCCS的转移特性I2=f（U1）调节恒压源输出电压U1（以电压表读数为准），用电流表测量对应的输出电流I2，将数据记入表2－3中。表2－3VCCS的转移特性数据U1/V00.５１１.５２２.５３３.５４I2/mA（２）测试VCCS的负载特性I2=f（RL）保持U1＝2V，负载电阻RL用电阻箱，并调节其大小，用电流表测量对应的输出电流I2，将数据记入表2－4中。表2－4VCVS的负载特性数据RL/Ω1K2K3K4K5K6K7K8K9KI2/ｍＡ3．测试电流控制电压源（ＣCＶS）特性实验电路如图2－９所示，图中，Ｉ1用恒流源，R1＝10ｋΩ，RL＝2ｋΩ（用电阻箱）。（1）测试CCVS的转移特性U2=f（U1）调节恒流源输出电流I1（以电流表读数为准），用电压表测量对应的输出电压U2，将数据记入表2－5中表2－5CCVS的转移特性数据I1/mA0０.０５０.１０.１５０.２０.２５０.３０.４U2/V（２）测试ＣＣＶＳ的负载特性Ｕ２=f（RL）保持Ｉ1＝０．2ｍＡ，负载电阻RL用电阻箱，并调节其大小，用电压表测量对应的输出电压U2，将数据记入表2－6中。表2－6ＣＣＶＳ的负载特性数据RL/Ω1K2K3K4K5K6K7K8K9KU2/Ｖ４．测试电流控制电流源（ＣCCS）特性实验电路如图2－１０所示。图中，Ｉ1用恒流源，R1＝R2＝10ｋΩ，RL＝2ｋΩ（用电阻箱）。（1）测试ＣCCS的转移特性I2=f（I1）调节恒流源输出电流I1（以电流表读数为准），用电流表测量对应的输出电流I2，I1、I2分别用EEL－31组件中的电流插座5－6和17－18测量，将数据记入表2－7中。表2－7CCCS的转移特性数据I1/mA0０.０５０.１０.１５０.２０.２５０.３０.４I2/mA（２）测试CCCS的负载特性I２=f（RL）保持Ｉ1＝０.2ｍＡ，负载电阻RL用电阻箱，并调节其大小，用电流表测量对应的输出电流I2，将数据记入表2－8中。表2－8CCCV的负载特性数据RL/Ω1K2K3K4K5K6K7K8K9KI2/mA六、总结和结论实验三戴维南定理——有源二端网络等效参数的测定一、12．掌握测量有源二端网络开路电压的一般方法，熟悉零示法的原理和使用。3．掌握测量有源二端网络等效电阻的两种基本方法：通过开路电压和短路电流得到等效电阻；通过外加激励使用伏安法来测量等效电阻。