电路实验指导书

实验九RC一阶电路的响应测试一、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。3.掌握有关微分电路和积分电路的概念。4.进一步学会用示波器观测波形。二、原理说明1.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。2.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。3.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。(a)零输入响应(b)RC一阶电路(c)零状态响应图9-14.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ττ0.368ttRCtt0.6320000+cuuUmcucuuuUmUmUm满足τ＝RC2T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。因为此时电路中的电容充放电过程迅速，在信号的的半个周期还没有结束时，充放电过程已经结束，所以在大多数时间里Uc≈Ui，而输出信号电压UR与输入信号电压Ui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。(a)微分电路(b)积分电路图9-2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＝RC2T，则该RC电路称为积分电路。因为此时电路的的电容充放电过程缓慢，在信号的的半个周期已经结束时，充放电过程还没有结束，所以在大多数时间里UR≈Ui，而输出信号电压Uc与输入信号电压Ui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。三、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1DGJ-03四、实验内容实验线路板的器件组件，如图9-3所示，请认清R、C元件的布局及其标称值，各开关的通断位置等。1.从电路板上选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。这时可在示波器的屏幕上观察到激励与响应的变化规律，请根据书上提供的实验办法测算出时间常数τ，并用方格纸按1:1的比例描绘波形。少量地改变电容值或电阻值，定性地观察对响应的影响，记录观察到的现象。2.令R＝10KΩ，C＝0.1μF，观察并描绘响应的波形，继续增大C之值，定性地观察对响应的影响。以上积分电路根据选择的不同电容值和电阻值，共描绘三组激励与响应的波形。TRCRT/2RCRT/2icRccuuuiu3.令C＝0.01μF，R＝1KΩ，组成如图9-2(a)所示的微分电路。在同样的方波激励信号（Um＝3V，f＝1KHz）作用下，观测并描绘激励与响应的波形。增减R之值，定性地观察对响应的影响，并作记录。当R增至1MΩ时，分析输入输出波形有何本质上的区别？以上微分电路根据选择的不同电容值和电阻值，共描绘三组激励与响应的波形。五、实验注意事项1.调节电子仪器各旋钮时，动作不要过快、图9-3动态电路、选频电路实验板过猛。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。六、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？4.预习要求：熟读仪器使用说明，回答上述问题，准备方格纸。七、实验报告1.根据实验观测结果，在方格纸上绘出积分电路和微分电路的激励与响应的波形，并根据积分电路电容充放电时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.根据描绘出的波形果，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。3.心得体会及其他。1001K10K1M1000p6800p0.01u0.1u10K10mH4.7mH0.1u0.01u1000p30K10K实验十一R、L、C元件阻抗特性的测定一、实验目的1.验证电阻、感抗、容抗与频率的关系，测定R～f、XL～f及Xc～f特性曲线。2.加深理解R、L、C元件端电压与电流间的相位关系。二、原理说明1.在正弦交变信号作用下，R、L、C电路元件在电路中的抗流作用与信号的频率有关，它们的阻抗频率特性R～f，XL～f，Xc～f曲线如图11-1所示。2.元件阻抗频率特性的测量电路如图11-2所示。图11-1图11-2图中的r是提供测量回路电流用的标准小电阻，由于r的阻值远小于被测元件的阻抗值，因此可以认为AB之间的电压就是被测元件R、L或C两端的电压，流过被测元件的电流则可由r两端的电压除以r所得。若用双踪示波器同时观察r与被测元件两端的电压，亦就展现出被测元件两端的电压和流过该元件电流的波形，从而可在荧光屏上测出电压与电流的幅值及它们之间的相位差。⑴将元件R、L、C串联或并联相接，亦可用同样的方法测得Z串与Z并的阻抗频率特性Z～f，根据电压、电流的相位差可判断Z串或Z并是感性还是容性负载。⑵元件的阻抗角（即相位差φ）随输入信号的频率变化而改变，将各个不同频率下的相位差画在以频率f为横坐标、阻抗角φ为纵座标的座标纸上，并用光滑的曲线连接这些点，即得到阻抗角的频率特性曲线。图11-3用双踪示波器测量阻抗角的方法如图11-3所示。从荧光屏上数得一个周期占n格，相位差占m格，则实际的相位差φ（阻抗角）为φ＝m×n0360（度）。三、实验设备序号名称型号与规格数量备注图14-3LCR51ru~riRASBufiLiCiui占m格占格nTωttφ1函数信号发生器12交流毫伏表0～600V13双踪示波器14实验线路元件R=1KΩ，r=51Ω,C=0.1μF,L约10mH1DGJ-05四、实验内容1.测量R、L、C元件的阻抗频率特性通过电缆线将函数信号发生器输出的正弦信号接至如图11-2的电路，作为激励源u，并用交流毫伏表测量，使激励电压的有效值为U＝3V，并保持不变。使信号源的输出频率从500Hz逐渐增至5KHz，并使开关S分别接通R、L、C三个元件，用交流毫伏表测量Ur，并计算各频率点时的IR、IL和IC(即Ur/r)以及R=U/IR、XL=U/IU及XC=U/IC之值,记入下表。注意：在接通C测试时，信号源的频率应控制在500～2500Hz之间。项目频率（Hz）给定U=3VR电路L电路C电路Ur(V)IR(A)R(Ω)Ur(V)IL(A)XL(Ω)Ur(V)IC(A)XC(Ω)5001000150020002500300050002.用双踪示波器观察在不同频率下各元件阻抗角的变化情况，按图11-3记录n和m，算出φ，记入下表。项目频率（Hz）给定U=3VR电路L电路C电路mnφmnφmnφ5001000150020002500300050001.测量R、L、C元件串联的阻抗角频率特性，记入下表。f(Hz)mnφ五、实验注意事项1.交流毫伏表属于高阻抗电表,测量前必须先调零。2.测φ时，示波器的”V/div”和”t/div”的微调旋钮应旋置“校准位置”。六、预习思考题测量R、L、C各个元件的阻抗角时，为什么要与它们串联一个小电阻？可否用一个小电感或大电容代替？为什么？七、实验报告1.根据实验数据，在方格纸上绘制R、L、C三个元件的阻抗频率特性曲线，从中可得出什么结论？2.根据实验数据,在方格纸上绘制R、L、C三个元件串联的阻抗角频率特性曲线，并总结、归纳出结论。3.心得体会及其他。实验十二正弦稳态交流电路相量的研究一、实验目的1.研究正弦稳态交流电路中电压、电流相量之间的关系。2.掌握日光灯线路的接线。3.理解改善电路功率因数的意义并掌握其方法。二、原理说明图12-12.在单相正弦交流电路中，用交流电流表测得各支路的电流值，用交流电压表测得回路各元件两端的电压值，它们之间的关系满足相量形式的基尔霍夫定律，即ΣI＝0和ΣU＝0。2.图12-1所示的RC串联电路，在正弦稳态信URjXcUcURIURUUcIφ号U的激励下，UR与UC保持有90º的相位差，即当图12-2R阻值改变时，UR的相量轨迹是一个半园。U、UC与UR三者形成一个直角形的电压三角形，如图16-2所示。R值改变时，可改变φ角的大小，从而达到移相的目的。3.日光灯线路如图12-3所示，图中A是日光灯管，L是镇流器，S是启辉器，图12-3C是补偿电容器，用以改善电路的功率因数（cosφ值）。有关日光灯的工作原理请自行翻阅有关资料。三、实验设备四、实验内容1.按图12-1接线。R为220V、15W的白炽灯泡，电容器为4.7μF/450V。经指导教师检查后，接通实验台电源，将自耦调压器输出(即U)调至220V。记录U、UR、UC值，验证电压三角形关系。2.日光灯线路接线与测量。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D28W14自耦调压器15镇流器、启辉器与40W灯管配用各1DGJ-046日光灯灯管40W1屏内7电容器1μF,2.2μF,4.7μF/500V各1DGJ-058白炽灯及灯座220V，15W1~3DGJ-049电流插座3DGJ-04测量值计算值U（V）UR（V）UC（V）U’（与UR，UC组成Rt△）（U’=22CRUU）△U=U’－U（V）△U/U（%）220VLSAC图17-3图12-4按图12-4接线。经指导教师检查后接通实验台电源，调节自耦调压器的输出，使其输出电压缓慢增大，直到日光灯刚启辉点亮为止，记下三表的指示值。然后将电压调至220V，测量功率P，电流I，电压U，UL，UA等值，验证电压、电流相量关系。测量数值计算值P(W)I(A)U(V)UL(V)UA(V)R(Ω)Cosφ启辉值正常工作值3.并联电路──电路功率因数的改善。按图12-5组成实验线路。经指导老师检查后，接通实验台电源，将自耦调压器的输出调至220V，记录功率表、电压表读数。通过一只电流表和三个电流插座分别测得三条支路的电流，改变电容值，进行六次重复测量。数据记入下页表中。五、实验注意事项1.本实验用交流市电220V，务必注意用电和人身安全。2.功率表要正确接入电路。3.线路接线正确，日光灯不能启辉时，应检查启辉器及其接触是否良好。图12-5电容值测量数值计算值(μF)P（W）U(V)I（A）IL(A)IC(A)I’(A)Cosφ0iic12.23.24.75.76.9六、预习思考题1.参阅课外资料，了解日光灯的启辉原理。2.在日常生活中，当日光灯上缺少了启辉器时，人们常用一根导线将启辉器的两端短接一下，然后迅速断开，使日光灯点亮（DG