电路实验手册1

实验一电路元件的伏—安特性测量一、实验目的⒈学习测量线性和非线性电阻元件伏安特性的方法。⒉加深对线性和非线性电阻元件伏安特性的理解。⒊掌握应用伏安法判定电阻元件类型的方法。⒋学会使用电压表、电流表测量电阻元件的伏安特性。二、原理与说明二端电阻元件的伏安特性是指元件的端电压与通过该元件电流之间的函数关系。通过一定的测量电路，用电压表、电流表可测定电阻元件的伏安特性,由测得的伏安特性可了解该元件的性质。通过测量得到元件伏安特性的方法简称伏安法。电阻有线性电阻和非线性电阻两种。⒈线性电阻元件的伏安特性满足欧姆定律。在关联参考方向下，可表示为：uRi，其中R为常量，称为电阻的阻值。其伏安特性曲线是一条过坐标原点的直线，具有双向性。如图1-1（a）所示。⒉非线性电阻的阻值R不是一个常量，其伏安特性是一条过坐标原点的曲线。非线性电阻的种类很多，图1-1(b)所示为钨丝灯泡的伏安特性曲线。0I/mAU/V(a)0I/mAU/V(b)图1-1电阻伏安特性曲线在被测电阻元件上施加不同极性和幅值的电压,测量出流过该元件中的电流；或在被测电阻元件中通入不同方向和幅值的电流，测量该元件两端的电压，便得到被测电阻元件的伏安特性。测量参考电路如图1-2（a）、(b)所示。VmA被测电阻元件直流电源被测电阻元件直流电源VmA(a)(b)图1-2测量电阻元件伏安特性电路三、实验内容及步骤1．测定线性元件电阻器的伏安特性在电阻器实验板上选取阻值为100Ω的电阻R,按图1-3所示实验电路接线，调节直流稳压、稳流电源的输出电压，从0V开始缓慢地增加，一直加到10V，使电路输入电压SU按自拟的表1-1中的给定值进行变化，观察直流数字电流表，读取电流值I，用数字万用表的直流电压档测量电阻R两端的电压RU。mAVIRLURUL白炽灯RS图1-3线性电阻器伏安特性测量电路其中RS=2Ω。2.测定非线性元件白炽灯泡的伏安特性将图1-3所示实验电路中的电阻LR换成一只6.3V、0.1A的白炽灯泡，重复内容1的步骤。LU为白炽灯泡两端的电压，将测量数据记录在表1-2中。表1-2SU(V)00.10.511.522.533.544.555.56LU(V)I(mA)四、注意事项⒈电压源使用时不能短路。⒉根据所给参数选择合适的仪表量程。五、预习与思考⒈认真阅读可调直流稳压、稳流电源、直流数字电流表的使用说明。⒉自拟表1-1，将测量数据记录在表中。⒊线性电阻与非线性电阻的概念是什么？⒋图1-2(a)、(b)分别为电压表前接和电压表后接法两种方法的测量电路，试回答两电路的适用范围？六、实验报告要求⒈根据测量数据，用坐标纸分别绘制两种电路元件的伏安特性曲线。⒉回答预习与思考中的第3题。七、实验设备⒈DF1731SB可调直流稳压、稳流电源（三路）一台；⒉HG2820型数字电流表一块；⒊DT9205型数字万用表一块；⒋EEL-51元件箱(一)一个；5.导线若干。实验二电压源与电流源的等效互换一、实验目的⒈通过实验加深对理想电流源和理想电压源的外特性的认识。⒉掌握电流源和电压源进行等效互换的条件。二、原理与说明⒈电压源恒压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变化而变化。其外特性，即其伏安特性是一条平行于I轴的直线。实际电压源的端电压是随负载的变化而变化，因它具有一定的内阻值。故在实验中，用一个电阻与恒压源相串联来模拟一个电压源的情况。⒉电流源电流源是除电压源以外的另一种形式的电源，它可以产生电流提供给外电路。电流源可分为理想电流源和实际电流源（实际电流源通常简称电流源），理想电流源可以向外电路提供一个恒值电流，不论外电路电阻的大小如何。理想电流源具有两个基本性质：第一，它的电流是恒定值，而与其端电压的大小无关；第二，理想电流源的端电压并不能由它本身决定，而是由与之相联接的外电路确定的，理想电流源的伏安特性曲线如图5-1所示。实际电流源当其端电压增大时，通过外电路的电流并非是恒定值，而是要减小的。端电压越高，电流下降得越多；反之，端电压越低通过外电路的电流越大，当端电压为零时，流过外电路的电流最大为sI。实际电流源可以用一个理想电流源sI和一个内阻sR相并联的电路模型表示。实际电流源的电路模型及伏安特性如图5-2所示。iu图5-20uiISRRSiu图5-10uiRISSiSi(a)(b)(b)(a)某些器件的伏安特性具有近似理想电流源的性质。如硅光电池、晶体三极管输出特性等。本实验中的电流源是用晶体管来实现的。晶体三极管在共基极联接时，集电极电流ci和集电极与发射极间的电压ceu的关系如图5-3所示，由图可见()cceifu关系曲线的平坦部分具有恒流特性，当ceu在一定范围变化时，集电极电流cI近乎恒定值，可以近似地将其视为理想电流源。⒊电源的等效变换一个实际的电源，就其外部特性而言，既可以看成是一个电压源，也可以看成是一个电流源。原理证明如下：设有一个电压源和一个电流源分别与相同阻值的外电阻R相接，如图5-4所示。对于图5-4(a)电压源来说，电阻R两端的电压U和流过R的电流I之间的关系可表示为：ssUUIR或sssssUUUUIRRRci(mA)0246810ceu(V)图5-3RURsIIs（Gs）图5-4RURsUsI(a)(b)对于图5-4（b）电流源电路来说，电阻R两端的电压U和流过它的电流I的关系可表示为：ssUIIR或sssUIRIR如果两种电源满足以下关系：sssUIR（5-1）1ssGR（5-2）则电压源电路的两个表达式可以写成：sssssUUIRIRIRsssssIRUUIIRR可见表达式与电流源电路的表达式是完全相同的，也就是说在满足（5-1）和（5-2）式的条件下，两种电源对外电路电阻R是完全等效的。两种电源互相替换对外电路将不发生任何影响。（5-1）和（5-2）式是电源等效互换的条件。利用它可以很方便地把一个参数为sU和sR的电压源变换为一个参数为sssUIR和sR的等效电流源；反之，也可以很容易地把一个电流源转化成一个等效的电压源。三、实验内容与步骤1．测试理想电流源的外特性按图2-1接线，选择开关S为打开状态，此时为理想电流源电路，调节旋钮使得IS输出为8mA，RL使用多值电阻器，依次调节RL的值，测试UL及IL，并记录在表1中。图2-12．测试实际电流源的外特性将选择开关S闭合，此时为实际电流源电路，调节旋钮使得IS输出为8mA，依次调节RL的值，测试UL及IL，并记录在表2中。RL（Ω）02004006008001KIL（mA）U（V）RL（Ω）02004006008001KIL（mA）U（V）mAIsRL1KILVRSS_++-—3.测试电流源与电压源等效变换的条件根据电源等效变换的条件，图2-1所示的电流源，可以换成一个电压源，其参数为：US=ISRS，RS=1K其等效电路如图2-2所示，按图2-2组成电路。其中US由直流稳压电源提供，RL使用多值电阻器，使RS＝1K，RL为表3-3中所列数值，记录相对应的电流值IL及RL上的电压值U，填入表2-3中。图2-2表2-3比较表3-2和表3-3中的数据，验证实际电流源（图2-1）与实际电压源（图2-2）的等效性。四、实验设备1.DF1731SB可调直流稳压、稳流电源（三路）一台；2.HG2820型数字电流表一块；3.QSDC-011恒流源一块；4.EEL-51元件箱（一）一个；5.DT9205型数字万用表一块；6.导线若干。五、实验报告1.根据表2-1，表2-2，表2-3中的实验数据，绘制理想电流源，实际电流源以及电压源的伏安特性曲线。2.比较两种电源等效变换后的结果，并分析产生误差的原因。3.回答下列问题：RL（Ω）02004006008001KIL（mA）U（V）mA+us_RSRL1KILV+_（1）电压源和电流源等效变换条件是什么？（2）理想电流源和理想电压源是否能够进行等效变换？为什么？实验三叠加定理和互易定理一、实验目的⒈加深对叠加定理和互易定理的内容和适用范围的理解。⒉学习自拟实验步骤。二、原理与说明⒈叠加定理⑴如果把独立电源称为激励，由它引起的支路电压、电流称为响应，则叠加定理可简述为：在任一线性网络中，多个激励同时作用时的总响应等于每个激励单独作用时引起的响应之和。所谓某一激励单独作用，就是除了该激励外，其余激励均为零值。对于实际电源，电源的内阻或内电导必须保留在原电路中。在线性网络中，功率是电压或电流的二次函数。叠加定理不适用于功率计算。⑵对含有受控电源的线性电路，叠加定理也是适用的。图3-1所示电路为含电压控制型电流源的线性电路，在理想情况下，控制量1U与输出量oI有如下关系：121oIUR令21gR，即图3-1含电压控制电流源的线性电路1oIgU⒉互易定理互易定理是不含受控电源的线性网络的主要特性之一。如果把一个由线性定常电阻、电容和电感（包括互感）元件构成的二端口网络称为互易网络，则互易定理可以叙述为：⑴当一电压源su作用于互易网络的1、1′端时，在2、2′端上引起的短路电流2i[图3-2（a）],等于同一电压源su作用于2、2′端时，在1、1′端上引起的短路电流1ˆi[图3-2（b）]，即：2i=1ˆiRLUSR1R2IoabU1图3-2互易定理第一形式11'22'(a)11'22'(b)1ˆi互易网络互易网络SuSu2i⑵当一电流源si作用于互易网络的1、1′端时，在2、2′端上引起的开路电压2u[图3-3（a）]，等于同一电流源si作用于2、2′端时，在1、1′端上引起的开路电压1ˆu[图3-3（b）]，即：2u=1ˆu图3-3互易定理第二形式11'22'(a)11'22'si(b)si1ˆu互易网络互易网络2u⑶设一电流源si作用于互易网络的1、1′端时，在2、2′端上引起的短路电流为2i[图3-4（a）],若在2、2′端加一电压源su，只要su和si在所有的时刻都是相等的或者图3-4互易网定理第三形式11'22'(a)11'22'(b)si1ˆu2isu互易网络互易网络成正比，则在1、1′端上引起的开路电压1ˆu[图3-4（b）]与2i的数值相等或者成正比，即按图中所示方向，有21ˆssiiuu同理，如在1、1′端加一电压源su而在2、2′端引起一开路电压2u,与在2、2′端加一电流源si时，在1、1′端引起的短路电流1ˆi有跟上述相同的结果。⒊本实验仅在直流稳态情况下进行。三、实验内容及步骤1.验证叠加定理：图3-5验证叠加定理实验电路用电阻器实验板，按图3-5所示实验电路接线，图中1sU、2sU由可调直流稳压、稳流电源提供，其中1sU=12V，2sU=14V，单刀双掷开关S1、S2控制1sU和2sU两个电源是否作用于电路。当开关扳向短路一侧时，说明该电源不作用于电路。⑴接通1sU=12V电源，即S1合向电源1sU一侧，S2合向短路一侧，测量1sU单独作用于电路时，各支路的电流1I、2I和3I的数值，将测量结果记录在表3-1中。测量支路电流时，应注意电流的参考方向。⑵S1合向短路一侧，S2合向电源2sU一侧，2sU=14V，测量2sU单独作用于电路时，各支路的电流1I、2I和3I的数值，将测量结果记录在表3-1中。⑶接通1sU和2sU电源，测量1sU和2sU同时作用于电路时，各支路的电流1I、2I和3I的数值，将测量结果记录在表3-1中。⑷利用表3-1中的数据验证叠加原理。表3-1I1(mA)I2(mA)I3(mA)测量计算误差测量计算误差测量计算误差US1单独作用US2单独作用代数和US1、US2共同作用四、注意事项⒈联结实验电路前，按实验要求的电源电压值调节好直流稳压稳流电源的输出，然后关机待用。⒉在测量数据时，注意电路中电压、电流的实际方向和参考方向之间的关系。⒊正确使用电流测试插孔板及测试线。五、预习与思考⒈认真阅读直流稳压稳流电源、直流数字电流表的使用方法。⒉结合图3-5实验电路及所给出的电路参数，计算出被测参数的理论值，确定直