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1实验一基本电工仪表的使用及测量误差的计算一、实验目的1.熟悉实验台上各类电源及各类测量仪表的布局和使用方法。2.掌握指针式电压表、电流表内阻的测量方法。3.熟悉电工仪表测量误差的计算方法。二、原理说明1.为了准确地测量电路中实际的电压和电流，必须保证仪表接入电路后不会改变被测电路的工作状态。这就要求电压表的内阻为无穷大；电流表的内阻为零。而实际使用的指针式电工仪表都不能满足上述要求。因此，当测量仪表一旦接入电路，就会改变电路原有的工作状态，这就导致仪表的读数值与电路原有的实际值之间出现误差。误差的大小与仪表本身内阻的大小密切相关。只要测出仪表的内阻，即可计算出由其产生的测量误差。以下介绍几种测量指针式仪表内阻的方法。2.用“分流法”测量电流表的内阻如图1-1所示。A为被测内阻(RA)的直流电流表。测量时先断开开关S，调节电流源的输出电流I使A表指针满偏转。然后合上开关S，并保持I值不变，调节电阻箱RB的阻值，使电流表的指针指在1/2满偏转位置，此时有IA＝IS＝I/2∴RA＝RB∥R1可调电流源R1为固定电阻器之值，RB可由电阻箱的刻度盘上读得。图1-13.用分压法测量电压表的内阻。如图1-2所示。V为被测内阻(RV)的电压表。测量时先将开关S闭合，调节直流稳压电源的输出电压，使电压表V的指针为满偏转。然后断开开关S，调节RB使电压表V的指示值减半。此时有：RV＝RB＋R1电压表的灵敏度为：S＝RV/U(Ω/V)。式中U为电压表满偏时的电压值。4.仪表内阻引起的测量误差（通常称之为方可调稳压源法误差，而仪表本身结构引起的误差称为仪表基图1-2本误差）的计算。VRRVBSR1+++_RAIARBR1IS+_AS2（1）以图1-3所示电路为例，R1上的电压为R11UR1＝───U，若R1＝R2，则UR1＝─U。R1＋R22现用一内阻为RV的电压表来测量UR1值，当RVR1RV与R1并联后，RAB＝───，以此来替代RV＋R1RVR1────RV＋R1上式中的R1，则得U'R1＝──────U图1-3RVR1───＋R2RV＋R1RVR1────RV＋R1R1绝对误差为△U＝U'R1－UR1＝U(─────—－────)RVR1R1＋R2───＋R2RV＋R1－R21R2U化简后得△U＝─────────────────RV(R21＋2R1R2＋R22)＋R1R2(R1＋R2)U若R1＝R2＝RV，则得△U＝－─6U'R1－UR1-U/6相对误差△U％＝─────×100％＝──×100％＝－33.3%UR1U/2由此可见，当电压表的内阻与被则电路的电阻相近时，测量的误差是非常大的。（2）伏安法测量电阻的原理为：测出流过被测电阻RX的电流IR及其两端的电压降UR，则其阻值RX=UR/IR。实际测量时，有两种测量线路，即：相对于电源而言，①电流表A（内阻为RA）接在电压表V（内阻为RV）的内侧；②A接在V的外测。两种线路见图1-4（a）、（b）。由线路（a）可知，只有当RX＜＜RV时，RV的分流作用才可忽略不计，A的读数接近于实际流过RX的电流值。图（a）的接法称为电流表的内接法。由线路(b)可知，只有当RX＞＞RA时，RA的分压作用才可忽略不计，V的读数接近于RX两端的电压值。图（b）的接法称为电流表的外接法。实际应用时，应根据不同情况选用合适的测量线路，才能获得较准确的测量结果。以下举一实例。在图1-4中，设：U=20V，RA=100Ω，RV=20KΩ。假定RX的实际值为10KΩ。如果采用线路(a)测量，经计算，A、V的读数分别为2.96mA和19.73V，故RX=19.73÷2.96=6.667(KΩ),相对误差为：（6.667－10）÷10×100=－33.3(%)如果采用线路(b)测量，经计算，A、V的读数分别为1.98mA和20V，故RX=20÷1.98=10.1(KΩ),相对误差为：（10.1－10）÷10×100=1(%)RRAVBRvU213+-URRRA-+VAVX+-URRRA-+VAVX（a）(b)图1-4三、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0~30V二路左中2可调恒流源0~500mA1左中3指针式万用表MF-47或其他1自备4可调电阻箱0~9999.9Ω1DGJ-055电阻器按需选择DGJ-05四、实验内容1.根据“分流法”原理测定指针式万用表（MF-47型或其他型号）直流电流1mA和10mA档量限的内阻。线路如图1-1所示。RB可选用DGJ-05中的电阻箱（下同）。被测电流表量限S断开时的表读数（mA）S闭合时的表读数（mA）RB（Ω）R1（Ω）计算内阻RA（Ω）1mA10mA2.根据“分压法”原理按图1-2接线，测定指针式万用表直流电压1V档量限的内阻。被测电压表量限S闭合时表读数（V）S断开时表读数（V）RB(KΩ)R1(KΩ)计算内阻RV（KΩ）S(Ω/V)1V3.用指针式万用表直流电压1V档量程测量图1-3电路中R1上的电压U’R1之值，并计算测量的绝对误差与相对误差。UR2R1R1V(KΩ)计算值UR1（V）实测值U’R1(V)绝对误差ΔU相对误差(ΔU/U)×100%1.2V10KΩ50KΩ五、实验注意事项1.在开启DG04挂箱的电源开关前，应将两路电压源的输出调节旋钮调至最小（逆时针旋到厎），并将恒流源的输出粗调旋钮拨到2mA档，输出细调旋钮应调至最小。接通电源后，再根据需要缓慢调节。2.当恒流源输出端接有负载时，如果需要将其粗调旋钮由低档位向高档位切换时，必4须先将其细调旋钮调至最小。否则输出电流会突增，可能会损坏外接器件。3.电压表应与被测电路并接，电流表应与被测电路串接，并且都要注意正、负极性与量程的合理选择。4.实验内容1、2中，R1的取值应与RB相近。5.本实验仅测试指针式仪表的内阻。由于所选指针表的型号不同，本实验中所列的电流、电压量程及选用的RB、R1等均会不同。实验时应按选定的表型自行确定。六、思考题1.根据实验内容1和2，若已求出0.5mA档和2.5V档的内阻，可否直接计算得出5mA档和10V档的内阻？2.用量程为10A的电流表测实际值为8A的电流时，实际读数为8.1A，求测量的绝对误差和相对误差。七、实验报告1.列表记录实验数据，并计算各被测仪表的内阻值。2.分析实验结果，总结应用场合。3.对思考题的计算。4.其他（包括实验的心得、体会及意见等）。5实验二电压源与电流源的等效变换一、实验目的1.掌握电源外特性的测试方法。2.验证电压源与电流源等效变换的条件。二、原理说明1.一个直流稳压电源在一定的电流范围内，具有很小的内阻。故在实用中，常将它视为一个理想的电压源，即其输出电压不随负载电流而变。其外特性曲线，即其伏安特性曲线U＝f(I)是一条平行于I轴的直线。一个实用中的恒流源在一定的电压范围内，可视为一个理想的电流源。2.一个实际的电压源（或电流源），其端电压（或输出电流）不可能不随负载而变，因它具有一定的内阻值。故在实验中，用一个小阻值的电阻（或大电阻）与稳压源（或恒流源）相串联（或并联）来摸拟一个实际的电压源（或电流源）。3.一个实际的电源，就其外部特性而言，既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，则可用一个理想的电压源Us与一个电阻Ro相串联的组合来表示；若视为电流源，则可用一个理想电流源Is与一电导go相并联的组合来表示。如果这两种电源能向同样大小的负载供出同样大小的电流和端电压，则称这两个电源是等效的，即具有相同的外特性。一个电压源与一个电流源等效变换的条件为：Is＝Us／Ro，go＝1/Ro或Us＝IsRo，Ro＝1/go。如图5-1所示。图5-1三、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0~30V1左中2可调直流恒流源0~500mA1左中3直流数字电压表0~300V1上左4直流数字毫安表0~500mA1上左5万用表1自备＋－UsR0URLIs=US/R0g0=1/R0g0=1/R0IsUSR0.=＋－g0IRLU＋＋－IIS66电阻器51Ω，200Ω510Ω，1KΩDGJ-057可调电阻箱0~99999.9Ω1DGJ-058实验线路四、实验内容1.测定直流稳压电源与实际电压源的外特性(1)按图5-2接线。Us为＋12V直流稳压电源（将R0短接）。调节R2，令其阻值由大至小变化，记录两表的读数。图5-2图5-3R2(Ω)10008006004002001000U（V）I（mA）(2)按图5-3接线，虚线框可模拟为一个实际的电压源。调节R2，令其阻值由大至小变化，记录两表的读数。R2(Ω)10008006004002001000U（V）I（mA）2.测定电流源的外特性按图5-4接线，Is为直流恒流源，调节其输出为10mA，令Ro分别为1KΩ和∞（即接入和断开），调节电位器RL（从0至1KΩ），测出这两种情况下的电压表和电流表的读数。自拟数据表格，记录实验数据。3.测定电源等效变换的条件先按图5-5（a）线路接线，记录线路中两表的读数。然后利用图5-5(a)中右侧的元件和仪表，按图5-5(b)接线。调节恒流源的输出电流IS，使两表的读数与5-5(a)时的数值＋－12VUsmA＋－V＋－R1R2200Ω1K＋－12VUsmA＋－V＋－R1R2200Ω1K120ΩR0＋－10mAISmA＋－R0RL1KV＋－1K或∞7相等，记录Is之值，验证等效变换条件的正确性。图5-4（a）(b)图5-5五、实验注意事项1.在测电压源外特性时，不要忘记测空载时的电压值，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要超过20伏，负载不要开路。2.换接线路时，必须关闭电源开关。3.直流仪表的接入应注意极性与量程。六、预习思考题1.通常直流稳压电源的输出端不允许短路，直流恒流源的输出端不允许开路，为什么？2.电压源与电流源的外特性为什么呈下降变化趋势，稳压源和恒流源的输出在任何负载下是否保持恒值？七、实验报告1.根据实验数据绘出电源的四条外特性曲线，并总结、归纳各类电源的特性。2.从实验结果，验证电源等效变换的条件。3.心得体会及其他。＋－12VUSmA＋－510ΩV＋－RS120Ω＋－ISmA＋－510ΩV＋－RS120Ω8实验三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11-11.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11-1所示的RC串联电路，在正弦稳态信号U的激励下，UR与UC保持有90º的相位差，即当图11-2R阻值改变时，UR的相量轨迹是一个半圆。U、UC与UR三者形成一个直角形的电压三角形，如图11-2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11-3所示，图中A是日光灯管，L是镇流器，S是启辉器，图11-3C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11-1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。序号名称型号与规格数量备注1交流电压表0～500V1上右2交流电流表０～5A1上右3功率表1DGJ-07-14自耦调压器1左上5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-05220VLSAC图17-3URjXcUcURIURUUcIφֹ92.日光灯线路接线与测量。VWA**220ViLr,L图11-4按图11-4接线。经指导教