《电工与电子技术》实验指导书

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1 实验一 认识实验 主控制屏结构如图 1－１所示。 图 1－１ 主控制屏 如图所示主控制屏从左向右依次为交流电源部分，提供三相交流电源及安全保护等；交流仪表 部分，提供交流电压表、电流表、功率表、功率因数表等；还有电度表、数据采集器、直流仪表、 直流电源以及信号源和频率计等部分。 合上实验台左侧的断路器，实验台便处于待机状态，此时只有实验台右侧的插座通电。 打开钥匙开关后，电源停止按钮上的红色指示灯亮，实验台上各仪器仪表均可通电；实验用三 相电源由主接触器控制，三相电源经断路器、电源保险丝、隔离变压器、主接触器、三相调压器、 过流保护电路后输出，因此，打开钥匙开关后此时实验用三相电源没有输出。实验前须将三相自耦 调压器的旋钮逆时针旋到底，当实验接线完成后按下电源启动按钮，主接触器吸合，电源停止按钮 上红色指示灯灭，电源起动按钮上绿色指示灯亮，缓慢调节调压器旋钮，使三相输出电源至实验所 需值。 1．１三相交流电源 三相交流电源控制屏见 1－２所示。三只交流电压表的显示内容由指示切换开关切换：开关切向 左边显示的是各相的电网电压，开关切相右边显示三相调压输出电压，这三只电压表主要用来监视 电网是否缺相以及调压器的输出是否正常。 三相过流保护器内部由高灵敏度的电流互感器作为检测元件，当输出电流超过 3A 或发生短路时 2 将快速切断主回路并告警，相应地面板上发生故障的某相电源的指示灯会亮，排除故障后按下复位 按钮即可解除告警并重新使用。 图 1－２ 三相交流电源控制屏 由于实验用三相电源是经过隔离变压器后输出的，因此，当学生实验中不小心碰到某一相电源 时，由于不形成电气回路，所以不会发生触电事故。但是需要说明的是当学生双手分别接触到两根 电源线时，就不可避免地会发生触电事故，而双手触电是一种最危险的触电方式。虽然本实验装置 在使用过程中学生已接触不到强电部分，但是我们还是强调有必要要求学生遵守实验安全规则：必 须先接线，检查确认无误后方可合上电源，实验完毕先关电源再拆除连线。当需要带电插拔实验导 线时，必须单手操作以保证人身安全。 注意：只有在故障排除后控制三相输出的‘闭合’按钮才能使用，即三相电才能再次启动，故 障不会损坏仪器仪表。 1．２交流仪表 交流仪表布置如图 1－３所示 四个交流仪表中两个表是两路交流电流表/交流功率表，当切换开关切朝上时显示电流值，切换 开关切朝下时显示功率值；两个表是两路交流电压表/功率因数表。在测量某个参数时，首先打开仪 表的电源开关，各表显示“00”时就处于工作状态。接下来选择各个表的测量方式和量程，在各自 的输入端子上接入待测信号即可。 注意：在测量功率或功率因数时必须把电流信号和电压信号同时接入某一路，此时仪表显示的 功率或功率因数值才有效。另外功率因数的数值显示在电路呈阻性状态时只显示“1.00”,呈容性时 还会在数值前面显示“C”，呈感性时显示“L”。 3 测量方式选择和量程选择的操作方法四个仪表一致。 测量电路参数时首先要估计待测参数的范围。如果不能确定可以选择自动量程，即按下红色的 直键开关，这时候就不需要再选择量程了，仪表会自动切换（内部），外部选择无效。如果要求手动 量程，这时候就要把红色的直键开关弹出，此时再选择相应的量程，选择那个档位按下相应的直键 开关。电流表分为三档：0-0.75A 、 0-1.5A、 0-3A ；电压表分为三档：0-125V、 0-250V 、 0-500V 。 当被测参数超过所选量程时，实验台会自动告警并断开总电源，相应的发生故障的仪表会有故障指 示，排除故障后按一下复位按钮仪表又可正常使用。所有的交流表内部均采用高精度传感器和１６ 位单片机，属于智能化仪表，可测量任意波形的电压、电流信号。特别是功率表，由于采用了实时 曲线采样逐点计算方式，突破了传统功率表低功率因数和高功率因数的界限，既可测量低功率因数 负载，又可测量高功率因数负载。功率因数的测量是通过计算有功功率和无功功率的比值而得到 的，而不是通过测量电压和电流的相位角得到，因此功率因数的显示值有效地反映了真实的功率因 数。 具体指示见面板上的文字说明。 图 1－３　交流仪表控制屏 1.3 直流电压表、电流表 直流电路的测量仪表如图 1-4 所示，它包括直流电压表、直流毫安表共两只表，操作类似交流 表，过量程时同样会自动告警并切断总电源。和交流表不同的是直流仪表的测量方式只有手动量程 选择方式。 打开直流仪表的总电源开关以后，两表并没有立即工作，他们还有各自的电源开关，即各自红 4 色的直键开关，只有按下具体的电源开关以后相应的表才能工作。测量具体电路前先要选择量程， 然后再将仪表接至待测电路中，此时数字表会显示出测量到的读数。 具体可见面板上的文字说明。 图 2-4 直流电压表、毫安表 1．4 直流电源 直流电源如图 1－5 所示。它包括一路 0-30V 连续可调的恒压输出，一路 0-500mA 连续可调的恒 流输出，另外还包括±5V，±12V 两路稳压输出。 打开电源开关以后各电源开始工作，恒压源和恒流源带有输出指示，输出信号的大小首先由量 程选择决定，在各自量程内再由“调节旋钮”进行调节。可调恒压源输出量程有 0-10V、 10-20V、 20V-30V 三档，可调恒流源输出量程有 0-1mA、1mA-100mA、100mA-500mA 三档。±5V、±12V 两路电 源直接稳压输出并有输出指示灯。 电压输入端告警指示灯 复位按钮 电流输入端 总电源开关 电压表电源 开关 量程开关 5 图 1－5　直流电源 1．5 信号源 信号源具有输出各种波形，输出经过功率放大，并具有稳幅输出功能，还配置有一个 6 位数码 显示的频率计。 输出波形：方波、正弦波、三角波、二脉、四脉、八脉、单次脉冲。 输出频率：2Hz-1MHZ 连续可调。 幅值调节范围：0-15VP-P。 带有 6 位数字式频率计，可显示信号源输出频率，还可作外接频率计用。 频率计测试范围：0-1MHz。 具短路保护功能，调频时具有稳幅特性，留有计算机接口。 信号源的输出波形由波形选择开关选择，可选择的波形有三角波、正弦波、方波、二脉、四脉、 八脉、单次脉冲。其中前三种波形的幅值为 0-15Vp-p，由输出幅值调节旋钮调节；另外在信号源的 左下角可以选择衰减输出以满足小信号要求，衰减的倍数由直键开关选择确定；后四种波形为 TTL 电平。输出信号的频率由频段选择开关、频率粗调、频率细调联合调节。当波形选择开关置于单次 位置时，按下单次脉冲按钮，信号源输出单次脉冲，且单次脉冲按钮上方的指示灯亮。信号源的输 出与频率计的输入由频率计左边的接线端完成，要知道输出信号的频率时，只要设置频率计测量对 6 象选择按键在内测位置即可显示，但要测外部信号的频率时需将此按键设置在外测位置，并且使外 部信号加在外部信号输入端口，这样才能显示。 具体指示详见图 1－6。 图 1－6 信号源 1．6 单相电度表 单相电度表接线盒内的四个接线端子，从左向右编号分别为１，２，３，４。电压线圈的端子 是 1 和 3（4），1 接火线(端线)，3（4）接地线(中线)，使电压圈接在 220V 电压上。电流线圈的接 线端子是 1 和 2，端子 1 接电源侧火线，端子 2 接负载侧火线。所以可记作火线 1 进 2 出，中线 3 进 4 出，如图 1－7 所示。 7 图 1-7 单相电度表接入电路 几种错误接线及其结果： (1)将火线误接成 2 进 1 出，电流线圈接反，电度表会出现反转现象。 (2)将火线和中线分别误接在 1 和 2 端，会烧坏电度表；或接在 3 和 4 端，造成断路事故。 (3)在端子 1 旁附有与 1 相连的电压线圈联接片，若该联接片断开，相当于断开了电压线圈， 电度表停转。 8 实验二 元件伏安特性的测试 一．实验目的 1．掌握线性电阻、非线性电阻元件伏安特性的逐点测试法； 2．学习恒压源、直流电流表、电压表的使用方法。 二．原理说明 任一二端电阻元件的特性可用该元件上的端电压 U 与通过该元件的电流 I 之间的函数关系 U＝ f(I)来表示，即用 U－I 平面上的一条曲线来表征，这条曲线称为该电阻元件的伏安特性曲线。根据伏 安特性的不同，电阻元件分两大类：线性电阻和非线性电阻。线性电阻元件的伏安特性曲线是一条 通过坐标原点的直线，如图 2－1 中（a）所示，该直线的斜率只由电阻元件的电阻值 R 决定，其阻 值 为常数，与元件两端的电压 U 和通过该元件的电流 I 无关；非线性电阻元件的伏安特性是一条经过 坐标原点的曲线，其阻值 R 不是常数，即在不同的电压作用下，电阻值是不同的，常见的非线性电 阻如白炽灯丝、普通二极管、稳压二极管等，它们的伏安特性如图 2－1 中（b）、（c）、（d）。在图 2－1 中，U 〉0 的部分为正向特性，U〈 0 的部分为反向特性。 绘制伏安特性曲线通常采用逐点测试法，即在不同的端电压作用下，测量出相应的电流，然后 逐点绘制出伏安特性曲线，根据伏安特性曲线便可计算其电阻值。 三．实验设备 1．直流数字电压表、直流数字电流表 2．恒压源 3．电工实验台 四．实验内容 1．测定 6.3V 白炽灯泡的伏安特性 (d) (b) (c) U U U I I I(a) U I 0 0 00 图 2－1 9 按图 2－2 接线，图中的电源 US 选用恒压源的可调稳压输出端，通过直流数字毫安表与 20Ω 和 6.3V 的灯泡相串联，灯泡两端的电压用直流数字电压表测量，调节恒压源的输出电压，使之灯泡 两端电压从 0—6.3 V 开始缓慢增加（灯泡两端的电压不能超过 6.3V）。在表 2－1 中记下相应的电压 表和电流表的读数。 图 2-2 图 2-3 表 2－1 6.3V 白炽灯泡伏安特性数据 U (V) 0 1 2 3 4 5 6.3 I (mA) 2．测定线性电阻的伏安特性 将图 2-2 中的 20Ω和 6.3V 的灯泡换成 1KΩ线性电阻，重复步骤 1，调节恒压源可调稳压电源的 输出电压 U，从 0 伏开始缓慢地增加（不能超过 10V），在表 2－2 中记下相应的电压表和电流表的 读数。 表 2－2 线性电阻伏安特性数据 U(V) 0 2 4 6 8 10 I(mA) 3．测定半导体二极管的伏安特性 按图 2—3 接线，Ｒ为限流电阻，取 200Ω（十进制可变电阻箱），二极管的型号为 1N4007。 测二极管的正向特性时，二极管ＶＤ的正向压降可在 0～0.75V 之间取值。特别是在 0.5～0.75 之间 更应取几个测量点；测反向特性时，将可调稳压电源的输出端正、负连线互换，调节可调稳压输出 电压 U，从 0 伏开始缓慢地增加（不能超过－30V）， 将数据分别记入表 2－3 和表 2－4 中。 表 2－3 二极管正向特性实验数据 U (V) 0 0.2 0.4 0.45 0.5 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 I (mA) 表 2－4 二极管反向特性实验数据 U (V) 0 －5 －10 －15 －20 －25 －30 I (mA) 4．测定稳压管的伏安特性 将图 2—3 中的二极管 1N4007 换成稳压管 2CW51，重复实验内容 3 的测量，将数据分别记入 表 2－５和表 2－６中。 表 2－５ 稳压管正向特性实验数据 U (V) 0 0.2 0.4 0.45 0.5 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 I (mA) 20Ω m A mA A US + _ V6.3V + _ 200 Ω mA VUS + + _ IN4007 VD - 10 表 2－６ 稳压管反向特性实验数据 U (V) 0 －1 －1.5 －2. －2.5 －2.8 －3 －3.2 －3.5 －3.55 I (mA) 五．实验注意事项 1．测量时，可调稳压电源的输出电压由 0 缓慢逐渐增加，应时刻注意电压表和电流表，不能超 过规定值。 2．稳压电源输出端切勿碰线短路。 3．测量中，随时注意电流表读数，及时更换电流表量程，勿使仪表超量程。 六．预习与思考题 1．线性电阻与非线性电阻的伏安特性有何区别？它们的电阻值与通过的电流有无关系？ 2．请举例说明哪些元件是线性电阻，哪些元件是非线性电阻，它们的伏安特性曲线是什么形状？ 七．实验报告要求 1．根据实验数据，分别在方格纸上绘制出各个电阻的伏安特性曲线。 2．根据伏安特性曲线，计算线性电阻的电阻值，并与实际电阻值比较。 3．回答思考题。 11 实验三 电位、电压的测定及电路电位图的绘制 一．实验目的 1．学会测量电路中各点电位和电压的方法，理解电位的相对性和电压的绝对性； 2．掌握使用直流稳压电源、直流电压表的使用方法。 二．原理说明 在一个确定的闭合电路中，各点电位的大小视所选的电位参考点的不同而异，但任意两点之间 的电压（即两点之间的电位差）则是不变的，这一性质称为电位的相对性和电压的绝对性。据此性 质，我们可用一只电压表来测量出电路中各点的电位及任意两点间的电压。 若以电路中的电位值作纵坐标，电路中各点位置（电阻或电源）作横坐标，将测量到的各点电位 在该坐标平面中标出，并把标出点按顺序用直线条相连接，就可得到电路的电位图，每一段直线段 即表示该两点电位的变化情况。而且，任意两点的电位变化，即为该两点之间的电压。 在电路中，电位参考点可任意选定，对于不同的参考点，所绘出的电位图形是不同，但其各点电 位变化的规律却是一样的。 三．实验设备 1．直流数字电压表、直流数字毫安表 2．恒压源 3．电工实验台 四．实验内容 实验电路如图 3－1 所示，图中的电源 US1 用 0～＋10V 可调电源输出端，并将输出电压调到 6V，US2 用 0～＋20V 可调电源输出端，并将输出电压调到 12V。 1．测量电路中各点电位 图 3-1 以图 3－1 中的 A 点作为电位参考点，分别测量 B、C、D、E、F 各点的电位。 用电压表的黑笔端插入 A 点，红笔端分别插入 B、C、D、E、F 各点进行测量，数据记入表 3－ 12 1 中。 以 D 点作为电位参考点，重复上述步骤，测得数据记入表 3－1 中。 2．测量电路中相邻两点之间的电压值 在图 3－1 中，测量电压 UAB：将电压表的红笔端插入 A 点，黑笔端插入 B 点，读电压表读数， 记入表 3－1 中。按同样方法测量 UBC、UCD、UDE、UEF 及 UFA，测量数据记入表 3－1 中。 表 3－1 电路中各点电位和电压数据 单位：V 电 位 参考点 VA VB VC VD VE VF UAB UBC UCD UDE UEF UFA A 0 D 0 五．实验注意事项 1．实验电路中使用的电源 US2 用 0～＋20V 可调电源输出端，应将输出电压调到 12V 后，再接入 电路中，并防止电源输出端短路。 2．使用数字直流电压表测量电位时，用黑笔端插入参考电位点，红笔端插入被测各点，若显示 正值，则表明该点电位为正（即高于参考点电位）；若显示负值，表明该点电位为负（即该点电位低 于参考点电位）。 3．使用数字直流电压表测量电压时，红笔端插入被测电压参考方向的正（＋）端，黑笔端插入 被测电压参考方向的负（－）端，若显示正值，则表明电压参考方向与实际方向一致；若显示负值， 表明电压参考方向与实际方向相反。 六．预习与思考题 1．电位参考点不同，各点电位是否相同？任意两点的电压是否相同，为什么？ 2．在测量电位、电压时，为何数据前会出现±号，它们各表示什么意义？ 七．实验报告要求 1．根据电路参数计算出各点电位和相邻两点之间的电压值，与实验数据相比较，对误差作必要 的分析。 2．回答思考题。 13 实验四 基尔霍夫定律的验证 一．实验目的 1．验证基尔霍夫定律，加深对基尔霍夫定律的理解； 2．掌握直流电流表的使用以及学会用电流插头、插座测量各支路电流的方法。 二．原理说明 基尔霍夫电流定律和电压定律是电路的基本定律，它们分别用来描述结点电流和回路电压，即 对电路中的任一结点而言，在设定电流的参考方向下，应有ΣI ＝0，一般流出结点的电流取正号， 流入结点的电流取负号；对任何一个闭合回路而言，在设定电压的参考方向下，绕行一周，应有ΣU ＝0，一般电压方向与绕行方向一致的电压取正号，电压方向与绕行方向相反的电压取负号。 在实验前，必须设定电路中所有电流、电压的参考方向，其中电阻上的电压方向应与电流方向 一致，见图 4－1 所示。 三．实验设备 1．直流数字电压表、直流数字毫安表 2．恒压源 3．电工实验台 四．实验内容 实验电路如图 4－1 所示，图中的电源 US1 用恒压源中的 0～＋10V 可调电压输出端，并将输出 电压调到 6V， US2 用 0～＋20V 可调电压输出端，并将输出电压调到 12V（以直流数字电压表读数 为准）。实验前先设定三条支路的电流参考方向，如图中的 I1、I2、I3 所示，并熟悉线路结构，掌握各 开关的操作使用方法。 图 4-1 1．将电流插头的红接线端插入数字毫安表的红（正）接线端，电流插头的黑接线端插入数字毫 安表的黑（负）接线端。 F 510Ω 510Ω A C 1kΩ B DE I1 I2 I3S1 VDS3 330Ω 510Ω 6.0 S2 R4 R5 R3 R2R1 14 2．测量支路电流 将开关 S1、S2、S3 投向上并将电流插头分别插入三条支路的三个电流插座中，读出各个电流值。 按规定：在结点 A，电流表读数为‘＋’，表示电流流出结点，读数为‘－’，表示电流流入结点， 然后根据图 4－1 中的电流参考方向，确定各支路电流的正、负号，并记入表 4－1 中。 表 4－1 支路电流数据 支路电流(mA) I1 I2 I3 计算值 测量值 相对误差 3．测量元件电压 用直流数字电压表分别测量两个电源及电阻元件上的电压值，将数据记入表 4－2 中。测量时电 压表的红（正）接线端应插入被测电压参考方向的高电位（正）端，黑（负）接线端插入被测电压 参考方向的低电位（负）端。 表 4－2 各元件电压数据 各元件电压（V） US1 US2 UFA UBA UAD UDE UDC 计算值（V） 测量值（V） 相对误差 五．实验注意事项 1．所有需要测量的电压值，均以电压表测量的读数为准，不以电源表盘指示值为准。 2．防止电源两端碰线短路。 3．若用指针式电流表进行测量时，要识别电流插头所接电流表的“＋、－”极性，倘若不换接 极性，则电表指针可能反偏（电流为负值时），此时必须调换电流表极性，重新测量，此时指针正偏， 但读得的电流值必须冠以负号。 六．预习与思考题 1．根据图 4－1 的电路参数，计算出待测的电流 I1、I2、I3 和各电阻上的电压值，记入表 4－2 中， 以便实验测量时，可正确地选定毫安表和电压表的量程； 2．在图 4－1 的电路中，A、D 两结点的电流方程是否相同？为什么？ 七．实验报告要求 1．回答思考题； 2．根据实验数据，选定实验电路中的任一个结点，验证基尔霍夫电流定律（KCL）的正确性； 3．根据实验数据，选定实验电路中的任一个闭合回路，验证基尔霍夫电压定律（KCL）的正确 性。 15 实验五 线性电路叠加性和齐次性的研究 一．实验目的 1．验证叠加原理； 2．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．原理说明  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 5－1 中： 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。 三．实验设备 1．直流数字电压表、直流数字毫安表 2．恒压源 3．电工实验台 四．实验内容  实验电路如图 5－2 所示，图中： , , ，电源 US1 用 0～＋20V 可调电压输出端，并将输出电压调到 12V，US2 用 0～＋10V 可调电压输出端，并将输出电 压调到 6V（以直流数字电压表读数为准），将开关 S3 投向上接通电阻 R3。 1．US1 电源单独作用（将开关 S1 投向上接通电源 US1，开关 S2 向下投向短路侧），参考图 5－1（b）， 111 III ′′−′= 222 III ′′+′−= 333 III ′′+′= UUU ′′+′= Ω=== 510431 RRR Ω= k12R Ω= 3305R 1I 2I 3I1R 2R 3R 1SU 2SU U 1I′ 2I′ 3I′ 1R 2R3R 1SU U ′ 1I ′′ 2I ′′ 3I′′ 1R 2R 3R 2SU U′′ （ａ〕 （ｃ〕（ｂ〕 图 5－1 16 画出电路图，标明各电流、电压的参考方向。 用直流数字毫安表接电流插头测量各支路电流：将电流插头的红接线端插入数字毫安表的红 （正）接线端，电流插头的黑接线端插入数字毫安表的黑（负）接线端，测量各支路电流，按 规定：在结点 A，电流表读数为‘＋’，表示电流流出结点，读数为‘－’，表示电流流入结点，然 后根据电路中的电流参考方向，确定各支路电流的正、负号，并将数据记入表 5—１中。 用直流数字电压表测量各电阻元件两端电压：电压表的红（正）接线端应插入被测电阻元件电压 参考方向的正端，电压表的黑（负）接线端插入电阻元件的另一端（电阻元件电压参考方向与电流参 考方向一致），测量各电阻元件两端电压，数据记入表 5—１中。 表 5—１实验数据一 测量项目 实验内容 US1 (V) US2 (V) I1 (mA) I2 (mA) I3 (mA) UAB (V) UCD (V) UAD (V) UDE (V) UFA (V) US1 单独作用 12 0 US2 单独作用 0 6 US1, US2 共同作 用 12 6 US2 单独作用 0 12 2．US2 电源单独作用（将开关 S1 向下投向短路侧，开关 S2 投向上接通电源 US2），参考图 5－ 1(c)，画出电路图，标明各电流、电压的参考方向。 重复步骤 1 的测量并将数据记录记入表格 5—１中。 3．US1 和 US2 共同作用时（开关 S1 和 S2 分别投向上接通电源 US1 和 US2），各电流、电压的参考 方向见图 5－2。 完成上述电流、电压的测量并将数据记录记入表格 5—１中。 4．将 US2 的数值调至＋１２Ｖ，重复第 2 步的测量，并将数据记录在表 5－1 中。 5．将开关 S3 投向下接通二极管ＶＤ，即电阻 R5 换成一只二极管１Ｎ４００７，重复步骤１～4 的测量过程，并将数据记入表 5—２中。 F 510Ω 510Ω A C 1kΩ B DE I1 I2 I3S1 VDS3 330Ω 510Ω 6.0 S2 R4 R5 R3 R2R1 图 5-2 17 表 5—２ 实验数据二 测量项目 实验内容 US1 (V) US2 (V) I1 (mA) I2 (mA) I3 (mA) UAB (V) UCD (V) UAD (V) UDE (V) UFA (V) US1 单独作用 12 0 US2 单独作用 0 6 US1, US2 共同作 用 12 6 US2 单独作用 0 12 五．实验注意事项 1．用电流插头测量各支路电流时，应注意仪表的极性，及数据表格中“＋、－”号的记录； 2．注意仪表量程的及时更换； 3．电源单独作用时，去掉另一个电压源，只能在实验板上用开关 S１或 S２操作，而不能直接将 电源短路。 六．预习与思考题 1．叠加原理中 US1, US2 分别单独作用，在实验中应如何操作？可否将要去掉的电源（US1 或 US2） 直接短接？ 2．实验电路中，若有一个电阻元件改为二极管，试问叠加性与齐次性还成立吗？为什么？ 七．实验报告要求 1．根据表 5－1 实验数据一，通过求各支路电流和各电阻元件两端电压，验证线性电路的叠加 性与齐次性； 2．各电阻元件所消耗的功率能否用叠加原理计算得出？试用上述实验数据计算、说明； 3．根据表 5－2 实验数据二，说明叠加性与齐次性是否适用该实验电路； 4．回答思考题。 18 实验六 电压源、电流源及其电源等效变换的研究 一．实验目的  1．掌握建立电源模型的方法； 2．掌握电源外特性的测试方法； 3．加深对电压源和电流源特性的理解； 4．研究电源模型等效变换的条件。 二．原理说明 1．电压源和电流源 电压源具有端电压保持恒定不变，而输出电流的大小由负载决定的特性。其外特性，即端电压 U 与输出电流 I 的关系 U ＝ f (I) 是一条平行于Ｉ轴的直线。实验中使用的恒压源在规定的电流范围 内，具有很小的内阻，可以将它视为一个电压源。 电流源具有输出电流保持恒定不变，而端电压的大小由负载决定的特性。其外特性，即输出电 流 I 与端电压 U 的关系 I ＝ f (U) 是一条平行于 U 轴的直线。实验中使用的恒流源在规定的电流范 围内，具有极大的内阻，可以将它视为一个电流源。 2．实际电压源和实际电流源 实际上任何电源内部都存在电阻，通常称为内阻。因而，实际电压源可以用一个内阻 RS 和电压 源 US 串联表示，其端电压 U 随输出电流 I 增大而降低。在实验中，可以用一个小阻值的电阻与恒压 源相串联来模拟一个实际电压源。 实际电流源是用一个内阻 RS 和电流源 IS 并联表示，其输出电流 I 随端电压 U 增大而减小。在实 验中，可以用一个大阻值的电阻与恒流源相并联来模拟一个实际电流源。 3．实际电压源和实际电流源的等效互换 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，又可以看成是一个电流源。 若视为电压源，则可用一个电压源 Us 与一个电阻 RS 相串联表示；若视为电流源，则可用一个电流 源 IS 与一个电阻 RS 相并联来表示。若它们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。 实际电压源与实际电流源等效变换的条件为： （1）取实际电压源与实际电流源的内阻均为 RS； （2）已知实际电压源的参数为 Us 和 RS，则实际电流源的参数为 和 RS， 若已知实际电流源的参数为 Is 和 RS，则实际电压源的参数为 和 RS。 三．实验设备 1．直流数字电压表、直流数字毫安表 2．恒压源 3．恒流源 S S S R UI = SSS RIU = 19 SU R V mA SR R V mA SR SI 图 10－4 (a) (b) SU 1R 2R V mA 图 10－1 mA 2RSI SR V 图 10－3 4．电工实验台 四．实验内容  1．测定电压源（恒压源）与实际电压源的外特性 实验电路如图 6－1 所示，图中的电源 U S 用 0～＋ 10V 可调电压输出端，并将输出电压调到 6V，R1 取 200Ω 的固定电阻，令 R2 阻值由大至小变化并取几种不同阻值，并 将电流表、电压表的读数记入表 6－1 中。 图 6-1 表 6－1 电压源（恒压源）外特性数据 R2（Ω） 470 460 450 430 420 400 380 I (mA) U (V) 在图 6－1 电路中，将电压源改成实际电压源，如图 6－2 所示，图中内阻 RS 取 51Ω的固定电 阻，令 R2 阻值由大至小变化并取几种不同阻值，并将电流表、电压表的读数记入表 6－2 中。 表 6－2 实际电压源外特性数据 R2（Ω） 470 460 450 430 420 400 380 I (mA) U (V) 2．测定电流源（恒流源）与实际电流源的外特性 按图 6－3 接线，图中 IS 为恒流源，调节其输出为 5mA（用毫安表测量），在 RS 分别为 1kΩ和∞两 种情况下， R2 取几种不同阻值，阻值由大至小变化，并将电流表、电压表的读数记入自拟的数据表格 中。 3．研究电源等效变换的条件 按图 6－4 电路接线，其中(a)、(b)图中的内阻 RS 均为 51Ω，负载电阻 R 均为 200Ω。 SU 1R 2R V mA 图 10－2 SR 图 6-2 图 6-3 图 6-4 20 在图 6－4 电路中，US 用 0～＋10V 的可调电压输出端并将输出电压调制 6 V，记录电流表、电压 表的读数。然后调节图 6－4 (b)电路中恒流源 IS，令两表的读数与图 6－4(a)的数值相等，记录 IS 之值， 验证等效变换条件的正确性。  五．实验注意事项 1．在测电压源外特性时，不要忘记测空载（I＝0）时的电压值；测电流源外特性时，不 要忘记测短路（U＝0）时的电流值，注意恒流源负载电压不可超过 20 伏，负载更不可开路； 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．预习与思考题 1．电压源的输出端为什么不允许短路？电流源的输出端为什么不允许开路？ 2．说明电压源和电流源的特性，其输出是否在任何负载下能保持恒值？ 七．实验报告要求 1．从实验结果，验证电源等效变换的条件； 2．回答思考题。 21 OCU SCI U U∆ I∆O NI NU 图 11-1 SU OCU SR LRV 2 OCU + - 图 11-2 有源网络 SU SR V U + - 图 11-3 恒 压 源 有源网络 实验七 戴维南定理——有源二端网络等效参数的测定 一．实验目的 1．验证戴维南定理、诺顿定理的正确性，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．实验原理 1．戴维南定理和诺顿定理 戴维南定理指出：任何一个有源二端网络，总可以用一个电压源 US 和一个电阻 RS 串联 组成的实际电压源来代替，其中：电压源 US 等于这个有源二端网络的开路电压 UOC, 内阻 RS 等于该网络中所有独立电源均置零(电压源短接，电流源开路)后的等效电阻 RO。 诺顿定理指出：任何一个有源二端网络，总可以用一个电流源 IS 和一个电阻 RS 并联组成的实际 电流源来代替，其中：电流源 IS 等于这个有源二端网络的短路电流 ISC, 内阻 RS 等于该网络中所有独 立电源均置零(电压源短接，电流源开路)后的等效电阻 RO。 US、RS 和 IS、RS 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 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 UOC, 然后再将其输出端短 路，测其短路电流 ISＣ，且内阻为： 。 若有源二端网络的内阻值很低时，则不宜测其短路电流。 (2)伏安法 一种方法是用电压表、电流表测出有源二端网络的 外特性曲线，如图 7－1 所示。开路电压为 UOC，根据 外特性曲线求出斜率 tgφ，则内阻为： 图 7-1 。 另一种方法是测量有源二端网络的开路电压 UOC，以及额定电流 IN 和对应的输出端额定电压 UN，如图 7 －1 所示，则内阻为： 。 (3)半电压法 如图 7－2 所示，当负载电压为被测网络开路电压 UOC 一半时，负载电阻 RL 的大小 （由电阻箱的读数确定）即为被测有源二端网络的等效内阻 RS 数值。 SC OC S I UR = I UR ∆ ∆== φtgS N NOC S I UUR −= 22 图 7-2 图 7-3 (4)零示法 在测量具有高内阻有源二端网络的开路电压时，用电压表进行直接测量会造成较大的误差，为 了消除电压表内阻的影响，往往采用零示测量法，如图 7－3 所示。零示法测量原理是用一低内阻 的恒压源与被测有源二端网络进行比较，当恒压源的输出电压与有源二端网络的开路电压相等时， 电压表的读数将为“0”，然后将电路断开，测量此时恒压源的输出电压U，即为被测有源二端网络 的开路电压。 三．实验设备 1．直流数字电压表、直流数字毫安表 2．恒压源 3．恒流源 4．电工实验台 四．实验内容  被测有源二端网络如图 7-4 所示. 图 7—4 1．图 7-4 线路接入直流稳压电源 US＝12V 和恒流源 IS＝20mA 及可变电阻 RL。先断开 RL 测 UOC， 再短接 RL 测 ISC，则 Ro＝UOC／Isc，填入下表。 表 7-1 Uoc(V) Isc(mA) Ro=Uoc/Isc 2．负载实验 利用 NEEL—23 元件箱中的不同阻值按照表 7-2 选取合适的 RＬ值，测量有源二端网络的外特性。 表 7-2 RL(Ω) 990 900 800 700 600 500 400 300 200 100 U(V) 23 I(mA) 3．验证戴维南定理：利用 NEEL—23 元件箱中的不同阻值，将其阻值调整为等效电阻 RΟ值， 然后令其与直流稳压电源（调到步骤“1”时所测得的开路电压 UＯＣ之值）相串联，仿照步骤“2” 测其特性，对戴氏定理进行验证。 表 7-3 RL(Ω) 990 900 800 700 600 500 400 300 200 100 U(V) I(mA) 4．测定有源二端网络等效电阻(又称入端电阻)：将被测有源网络内的所有独立源置零(将电流源 I Ｓ去掉，也去掉电压源，并在原电压端所接的两点用一根短路导线相连)，然后用伏安法或者直接用万 用表的欧姆档去测定负载 RＬ开路后 A、B 两点间的电阻，此即为被测网络的等效内阻 Req 或称网络 的入端电阻 R1。 Req= (Ω) 5.诺顿定理（实验表格同表 7-2、7-3）选作。 五．实验注意事项 1．测量时，注意电流表量程的更换； 2．改接线路时，要关掉电源。 六．预习与思考题 1．如何测量有源二端网络的开路电压和短路电流，在什么情况下不能直接测量开路电压和短路 电流？ 2．说明戴维南定理和诺顿定理的应用场合。 七．实验报告要求  1．根据步骤 2 和 3 分别绘出曲线,验证戴维南定理的正确性； 2．回答思考题。 24 LR SR SU I 图12-1 LR SR SU V mA 图12-3 0 15 50 V/U mA/I 图12-2 实验八 最大功率传输条件的研究 一．实验目的 1．理解阻抗匹配，掌握最大功率传输的条件； 2．掌握根据电源外特性设计实际电源模型的方法。 二．原理说明 电源向负载供电的电路如图 8－1 所示，图中 RS 为电源内阻，RL 为负载电阻。当电路电流为 I 时， 负载 RL 得到的功率为： 可见，当电源 US 和 RS 确定后，负载得到的功率大小只 与负载电阻 RL 有关。 令 ， 解 得 ： RL= RS 时 ， 负 载 得 到 最 大 功 率 ： 。 RL=RS 称为阻抗匹配，即电源的内阻抗（或内电阻）与负载阻抗（或负载电阻）相等时，负载 可以得到最大功率。也就是说，最大功率传输的条件是供电电路必须满足阻抗匹配。 实验中，负载得到的功率用电压表、电流表测量。 三．实验设备 1．直流数字电压表、直流数字毫安表 2．恒压源 3．恒流源 4．电工实验台 四．实验内容 1．根据电源外特性曲线设计一个实际电压源模型 图 8-2 已知电源外特性曲线如图 8-3 所示，根据图中给出的开路电压和短路电流数值，计算出实际电压 源模型中的电压源 US 和内阻 RS。实验中，电压源 US 选用恒压源的可调稳压输出端，内阻 RS 选用固 定电阻。 2．测量电路传输功率 用上述设计的实际电压源与负载电阻 RL 相连，电路如图 8-2 L 2 LS S L 2 L RRR URIP ×      +== 0 L L = dR dP S 2 S LmaxL 4R UPP == 图 8-1 图 8-3 25 所示，图中 RL 选用电阻箱，从 0～600Ω改变负载电阻 RL 的数值，测量对应的电压、电流，将数据记入 表 8－1 中。 表 8－1 电路传输功率数据 RL（Ω） 0 100 200 300 400 500 600 U（V） I（ｍA） PL（ｍW） 五．实验注意事项 1．电源用恒压源的可调电压输出端，其输出电压根据计算的电压源 US 数值进行调整，防止电 源短路。 六．预习与思考题 1．什么是阻抗匹配？电路传输最大功率的条件是什么？ 2．电路传输的功率如何计算？ 七．实验报告要求 1． 根据图 8-3 给出的电源外特性曲线，计算出实际电压源模型中的电压源 US 和内阻 RS，作为 实验电路中的电源； ２．回答思考题。 26 图 13-2 + ∞ ++ - Ou =u +u − 实验九 受控源研究 一．实验目的 1．加深对受控源的理解； 2．熟悉由运算放大器组成受控源电路的分析方法，了解运算放大器的应用； 3．掌握受控源特性的测量方法。 二．实验原理 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 9－1（a）所示，其特性为： 其中： 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 9－1（b）所示，其特性为： 其中： 称为转移电导。 （3）电流控制电压源（CCVS），如图 9－1（c）所示，其特性为： 其中： 称为转移电阻。 12 uu µ= 1 2 u u=µ 12 ugi = 1 2 m u ig = 12 iru = 1 2 i ur = ° ° ° ° + −1u + − 12 uu µ= （a） ° ° ° ° + −1u 12 ugi = （b） ° ° ° ° + − 12 iru = 1i ° ° ° ° 12 ii β= 1i （c） （d） 图 9-1 27 + ∞ ++ - ° ° ° °. 2u1u + − − + 1R 2RR1i R2i 图 13-3 （4）电流控制电流源（CCCS），如图 9－1（d）所示，其特性为： 图 9—2 其中： 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 9－2 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。 （1）电压控制电压源（VCVS） 电压控制电压源电路如图 9－3 所示。 由运算放大器的特性 1 可知： 则 由运算放大器的特性 2 可知： 代入 、 得： 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 9－2（a）所示，转移电 压比： 。 （2）电压控制电流源（VCCS） 电压控制电流源电路如图 9－4 所示。 由运算放大器的特性 1 可知： 则 由运算放大器的特性 2 可知： 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 9－1（b）所示。 转移电导为： （3）电流控制电压源（CCVS） 电流控制电压源电路如图 9－5 所示。 由运算放大器的特性 1 可知： u2=R iR 由运算放大器的特性 2 可知： 代入上式，得： 即输出电压 u2 受输入电流 i1 的控制。其电路模型 如图 9－1（c）所示。 12 ii β= 1 2 i i=β 1uuu == −+ 1 1 R1 R ui = 2 12 R2 R uui −= R2R1 ii = R1i R2i 1 1 2 2 )1( uR Ru += )1( 1 2 R R+=µ 1uuu == −+ 1 1 R R ui = R2 ii = 1 1 R u= 11 2 1 Ru ig == 0== +− uu 1R ii = 12 iRu = 图 9-3 + ∞ ++ - ° ° + − + − 1R R1i LR 2i 图 13-4 1u 2u 图 9- 4 + ∞ +- + ° ° ° °. 1u 2u− + + − R Ri 1i 图 13-5图 9-5 28 转移电阻为： （4）电流控制电流源（CCCS） 电流控制电流源电路如图 9－6 所示。 由运算放大器的特性 1 可知： 由运算放大器的特性 2 可知： 代入上式， 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 9－1（d）所示。转 移电流比 三．实验设备 1．直流数字电压表、直流数字毫安表 2．恒压源 3．恒流源 4．电工实验台 四．实验任务 图 9-7 图 9-8 1．测试电压控制电流源（VCCS）特性 实验电路如图 9－7 所示，图中，U1 用恒压源的可调电压输出端，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 9 －1 中。 表 9－1 VCCS 的转移特性数据 U1/V 0 0.５ １ １.５ ２ ２.５ ３ ３.５ ４ I2/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 9-2 中。 表 9—2 VCCS 的负载特性数据 Ri ur == 1 2 0== +− uu 2 21 2 R1 iRR Ri += 1R1 ii −= 1 2 1 2 )1( iR Ri +−= )+1( 2 1 1 2 R R i i −==β + ∞ +- + ° ° ° . 2u + − 1i . 2i 1R 2R R1i 1u + − LR 图 13-6 图 9-6 29 RL/ｋΩ 20 10 5 3 1 0.5 ０.２ ０.１ I2/ｍＡ 2．测试电流控制电压源（ＣCＶS）特性 实验电路如图 9－8 所示，图中，Ｉ1 用恒流源，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 9 －3 中。 表 9－3 CCVS 的转移特性数据 I1/ mA 0 ０.０５ ０.１ ０.１５ ０.２ ０.２５ ０.３ ０.４ U2/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 9－4 中。 表 9－4 ＣＣＶＳ的负载特性数据 RL/Ω 100 150 200 500 1ｋ 2ｋ 10ｋ ８0ｋ U2/Ｖ 五．实验注意事项 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）。 六．预习与思考题  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．了解运算放大器的特性，分析受控源实验电路的输入、输出关系。 七．实验报告要求  1．对实验的结果作出合理地分析和结论，总结对受控源的认识和理解； 2．回答思考题。 30 双 口 网 络 + −1U + −2U 1I 2I 图 14－1 实验十 直流双口网络的研究 一．实验目的 1．加深理解双口网络的基本理论； 2．掌握直流双口网络传输参数的测试方法。 二．原理说明  1．双口网络的基本概念 对于任何一个线性双口网络，通常关心的往往只是输入端口和输出端口电压和电流间的相互关 系。双口网络端口的电压和电流四个变量之间的关系，可以用多种形式的参数方程来表示。本实验 采用输出口的电压Ｕ2 和电流Ｉ2 作为自变量，以输入口的电压Ｕ1 和电流 Ｉ2 作为应变量，所得的方程称为双口网络的传输方 程， 如图 10－1 所示的无源线性双口网络（又称为四端网 络）的传输方程为 式中的Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ为双口网络的传输参数，其值完全决定于网络的拓扑结构及各支路元件 的参数值， 图 10-1 这四个参数表征了该双口网络的基本特性。 2．双口网络传输参数的测试方法 （1）双端口同时测量法 在网络的输入口加上电压，在两个端口同时测量其电压和电流, 由传输方程可得Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ 四个参数： （令 ，即输出口开路时） （令 ,即输出口短路时） （令 ，即输出口开路时） (令 ,即输出口短路时）（2）双端口分别测 量法 先在输入口加电压，而将输出口开路和短路，测量输入口的电压和电流,由传输方程可得： （令 ，即输出口开路时） (令 ，即输出口短路时） 然后在输出口加电压，而将输入口开路和短路，测量输出口的电压和电流,由传输方程可得： （令 ，即输入口开路时） )( )( 221 221 IDCUI IBAUU −+= −+= 20 10 U UA = I2 0= S S I UB 2 1= U 2 0= 20 10 U IC = I2 0= S S I ID 2 1= U 2 0= R U I A C10 10 10 = = I2 0= R U I B DS S S 1 1 1 = = U 2 0= R U I D C20 20 20 = = 01 =I 31 (令 ，即输入口短路时） 分别表示一个端口开路和短路时另一端口的等效输入电阻，这四个参数中有三个是 独立的，因此，只要测量出其中任意三个参数（如 ），与方程 ＡＤ－ＢＣ＝１（双口网络为互易双口，该方程成立）联立，便可求出四个传输参数： 。 3．双口网络的级联 双口网络级联后的等效双口网络的传输参数亦可采用上述方法之一求得。根据双口网络理论推 得：双口网络 1 与双口网络 2 级联后等效的双口网络的传输参数，与网络 1 和网络 2 的传输参数之 间有如下的关系：  三．实验设备  1．直流数字电压表、直流数字毫安表 2．恒压源 3．电工实验台  四．实验内容  实验电路如图 10－2（ａ）、（ｂ）所示，其中图（ａ）为 T 型网络，图（ｂ）为Π型网络。将恒 压源的输出电压调到１０Ｖ，作为双口网络的输入电压Ｕ1，各个电流均用电流插头、插座测量。 图 10-2 1．用‘双端口同时测量法’测定双口网络传输参数 根据‘双端口同时测量法’的原理和方法，按照表 10－1、2 的内容，分别测量双口网络 1 和 3 的电压、电流，并计算出传输参数 A1、B1、C1、D1 和 A3、B3、C3、D3，将所有数据记入表 10－1、2 中。 表 10－1 测定传输参数的实验数据一 测 量 值 计 算 值 U10（V） U20（V） I10（mA） A1 C1输出端开路 I2=0 U1S（V） I1S（mA） I2S（mA） B1 D1 双 口 网 络 1 输出端短路 U2=0 表 10－2 测定传输参数的实验数据二 双 输出端开路 测 量 值 计 算 值 R U I B AS S S 2 2 2 = = 01 =U R R R RS S10 1 20 2, , , SRRR 22010 ,, ( )A R R R B R A C A R CS S= − = =10 20 2 2 10/ , , / , D = R 20 ,, ,, 21212121 21212121 DDBCDCDACC DBBABCBAAA +=−= +=+= + − + − 2U1U 1I 2I Ω510 Ω200 Ω300 + − + −2U1U 1I 2I Ω510 Ω200 Ω300 (b)(a) 图 14-2 32 U10（V） U20（V） I10（mA） A3 C3I2=0 U1S（V） I1S（mA） I2S（mA） B3 D3 口 网 络 3 输出端短路 U2=0 五．实验注意事项  1．用电流插头插座测量电流时，要注意判别电流表的极性及选取适合的量程（根据所给的电路 参数，估算电流表量程）； 六．预习与思考题  1．双口网络的传输参数有哪些？它们有何物理意义？ 七．实验报告要求  1．整理各个表格中的数据，完成指定的计算； 2．回答思考题。 33 + −− R CSU cu S 1 2 图 16－1 + SU V/cu SU632.0 0 s/t τ 图 16－2 SU V/cu SU368.0 0 s/t τ 图 16－3 SU Su 0 tT 2 T 图 16－4 a cu a632.0 0 tτ 图 16－5 b x 实验十一 一阶电路暂态过程的研究 一．实验目的  1．研究ＲＣ一阶电路的零输入响应、零状态响应和全响应的规律和特点； 2．学习一阶电路时间常数的测量方法，了解电路参数对时间常数的影响； 3．掌握微分电路和积分电路的基本概念。 二．原理说明  1．ＲＣ一阶电路的零状态响应 ＲＣ一阶电路如图 11－1 所示，开关 S 在‘1’的位置，ｕC＝0，处于零状态，当开关 S 合向 ‘2’的位置时，电源通过 R 向电容 C 充电，ｕC（ｔ）称为零状态响应 图 11-1 图 11-2 变化曲线如图 11－2 所示，当ｕC 上升到 所需要的时间称为时间常数 ， 。 2．ＲＣ一阶电路的零输入响应 在图 11－1 中，开关 S 在‘2’的位置电路稳定后，再 合向‘1’的位置时，电容 C 通过 R 放电，ｕC（ｔ）称为 零输入响应， 变化曲线如图 11－3 所示，当ｕC 下降到 所需要 的时间称为时间常数 ， 。 图 11-3 3．测量ＲＣ一阶电路时间常数 图 11－1 电路的上述暂态过程很难观察，为了用普通示波器观察电路的暂态过程，需采用图 11－ 4 所示的周期性方波ｕS 作为电路的激励信号，方波信号的周期为 T，只要满足 ，便可在示波器的荧光屏上形成稳定的响应波形。 τ t UUu - SSc e−= S632.0 U τ RCτ = τ t Uu - Sc e= S368.0 U S368.0 U τ RCτ = τ τ52 ≥T 34 a)( 0 tT 2 T SU Su 0 t T 0 t Ru Cu 图 16－6 b)( 信 号 源 （方波〕 Cu Ru + − + − C R 示 波 器 图 16－7 Su + − 图 11-4 图 11-5 电阻 R、电容 C 串联与方波发生器的输出端连接，用双踪示波器观察电容电压ｕC，便可观察到稳定 的指数曲线，如图 11－5 所示，在荧光屏上测得电容电压最大值 取 ，与指数曲线交点对应时间ｔ轴的ｘ点，则根据时间ｔ轴比例尺（扫描时间 ），该电路的时间常数 。 4．微分电路和积分电路 在方波信号ｕＳ作用在电阻 R、电容 C 串联电路中，当满足 电路时间常数 远远小于方波周期 T 的条件时，电阻两端（输 出）的电压ｕＲ与方波输入信号ｕＳ呈微分关系， ，该电路称为微分电路。当满足电路时间常数 远 远大于方波周期 T 的条件时，电容 C 两端（输出）的电压ｕC 与 方波输入信号ｕＳ呈积分关系， ，该电路称为 积分电路。 微分电路和积分电路的输出、输入关系如图 11－6（ａ）、（ｂ） 所示。 图 11-6 三．实验设备 1．双踪示波器 2．信号源（方波输出） 3．ＥＥＬ—31 组件（含电阻、电容）或ＥＥＬ —51 组件 四．实验内容 实验电路如图 11－7 所示，图中电阻 R、电容 C 从 EEL－31 组件上选取（请看懂线路板的走线，认清 图 11-7 激励与响应端口所在的位置；认清Ｒ、Ｃ元件的布局 及其标称值；各开关的通断位置等），用双踪示波器观察电路激励（方波）信号和响应信号。ｕS 为 方波输出信号，调节信号源输出，从示波器上观察，使方波的峰－峰值ＶＰ－Ｐ＝２Ｖ，f=1ｋHz。 1．ＲＣ一阶电路的充、放电过程 （1）测量时间常数τ：选择 EEL－31 组件上的Ｒ、Ｃ元件，令Ｒ=１０ｋΩ，Ｃ＝0.0１μＦ，用 示波器观察激励ｕS 与响应ｕC 的变化规律，测量并记录时间常数τ。 （2）观察时间常数τ（即电路参数 R、C）对暂态过程的影响：令Ｒ＝１０kΩ，Ｃ= (cm)aCm =U (cm)0.632ab = cm t cm(cm)x t×=τ τ t uRCu d d S R ≈ τ tuRCu d1 SC ∫≈ 35 0.0１μＦ，观察并描绘响应的波形，继续增大Ｃ（取 0.0１μＦ～0.１μＦ）或增大 R（取１０k Ω、30kΩ），定性地观察对响应的影响。 2．微分电路和积分电路 （1）积分电路：选择 EEL－31 组件上的Ｒ、Ｃ元件，令Ｒ=100ｋΩ，Ｃ＝0.0１μＦ，用示波 器观察激励ｕS 与响应ｕC 的变化规律。 （2）微分电路：将实验电路中的Ｒ、Ｃ元件位置互换，令Ｒ=100Ω，Ｃ＝0.0１μＦ，用示波 器观察激励ｕS 与响应ｕR 的变化规律。 五．实验注意事项 1、调节电子仪器各旋钮时，动作不要过猛。实验前，尚需熟读双踪示波器的使用说明，特别是 观察双踪时，要特别注意开关，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、预习与思考题  1．用示波器观察ＲＣ一阶电路零输入响应和零状态响应时，为什么激励必须是方波信号？ 2．已知ＲＣ一阶电路的Ｒ=１０ｋΩ，Ｃ＝0.0１μＦ，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．在ＲＣ一阶电路中，当Ｒ、Ｃ的大小变化时，对电路的响应有何影响？ 4．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？这两种电路有何功能？ 七．实验报告要求 1．根据实验 1（1）观测结果，绘出ＲＣ—阶电路充、放电时ＵC 与激励信号对应的变化曲线， 由曲线测得τ值，并与参数值的理论计算结果作比较，分析误差原因。 2．根据实验 2 观测结果，绘出积分电路、微分电路输出信号与输入信号对应的波形。 3．回答思考题 3、4。 36 + − 图 17－1 + −+ − + − Ru Lu CuU S R L C 实验十二 二阶电路暂态过程的研究 一．实验目的 1．研究ＲLＣ串联 二阶电路的零输入响应、零状态响应的规律和特点，了解电路参数对响应的 影响； 2．学习二阶电路衰减系数、振荡频率的测量方法，了解电路参数对它们的影响； 3．观察、分析二阶电路响应的三种变化曲线及其特点，加深对二阶电路响应的认识与理解。  二．原理说明 １．零状态响应 在图 12－1 所示 R、L、C 电路中，ｕC（0）＝0，在ｔ＝0 时开关 S 闭合，电压方程为： 图 12-1 这是一个二阶常系数非齐次微分方程，该电路称为二 阶电路，电源电压 U 为激励信号，电 容两端电压ｕC 为响应信号。根据微分方程理论，ｕC 包含两个分量：暂态分量 和稳态分量 ，即 ,具体解与电路参数 R、L、C 有关。 当满足 时： 其中，衰减系数 ，衰减时间常数 振荡频率 ，振荡周期 变化曲线如图 12－2（ａ）所示，ｕ C 的变化处在衰减振荡状态，由于电阻 R 比较小，又称为欠阻尼状态。 当满足 时，ｕC 的变化处在过阻尼状态，由于电阻 R 比较大，电路中的能量被电阻很 快消耗掉，ｕC 无法振荡，变化曲线如图 12－2（ｂ）所示。 当满足 时，ｕC 的变化处在临界阻尼状态，变化曲线如图 12－2（ｃ）所示。 Uut uRCt uLC C CC =++ d d d d2 Cu ′′ Cu′ CCC uuu ′+′′= C LR 2〈 UtAuutu t CCC ++=′+′′= )sin(e)( - ϕωδ L R 2 =δ R L21 == δτ 2)2(1 L R LC −=ω ω π21 == fT C LR 2〉 C LR 2£½ 37 − + Ru + − + −+ − Lu CuU 图 17－3 S1 2 R L C 图 12-2 2．零输入响应 在图 12－3 电路中，开关 S 与‘1’端闭合，电路处于稳定状态，ｕC（0）＝U，在ｔ＝0 时开关 S 与‘2’闭合，输入激励为零，电压方程为： 这是一个二阶常系数齐次微分方程，根据微分方 程理论，ｕC 只包含暂态分量 ，稳态分量 为 零。和零状态响应一样，根据 R 与 的大小 关系，ｕC 的变化规律分为 图 12-3 衰减振荡（欠阻尼）、过阻尼和临界阻尼三种状态，它们的变化曲线与图 12－2 中的暂态分量 类 似,衰减系数、衰减时间常数、振荡频率与零状态响应完全一样。 三．实验设备 1．双踪示波器 2．信号源（方波输出） 3．ＥＥＬ—31 组件（含电阻、电容）或ＥＥＬ—51 组件、ＥＥＬ—52 组件 四．实验内容及步骤 图 12－4 实验电路如图１2－4 所示，其中：Ｒ１＝200Ω，Ｌ＝15mＨ，Ｃ＝0.01μＦ，Ｒ２为 １０kΩ电位器（可调电阻），信号源的输出为最大值 Uｍ＝２Ｖ，频率 f=1kHz 的方波脉冲，通过导 线接至实验电路的激励端，同时用示波器探头将激励端和响应输出端接至双踪示波器的ＹＡ和ＹＢ两 个输入口。 1．调节电阻器Ｒ２，观察二阶电路的零输入响应和零状态响应由过阻尼过渡到临界阻尼，最后 过渡到欠阻尼的变化过渡过程，分别定性地描绘响应的典型变化波形。 2．调节Ｒ２使示波器荧光屏上呈现稳定的欠阻尼响应波形，定量测定此时电路的衰减常数 和 振荡频率 ，并记入表 12－1 中； 0d d d d2 =++ C CC ut uRCt uLC Cu ′′ Cu′ C L2 Cu ′′ δ ω Cu U tA δ-e− T t0 Cu t0 U Cu t0 U (c)(b)(a) ͼ 17£-2 Cu′ Cu′′ 38 表 12－1 二阶电路暂态过程实验数据 元　件　参　数 Ｒ１　　　　Ｒ２　　　　Ｌ　　　　Ｃ 测量值 α　ω 　　　电路参数 实验次数 Ｒ１（Ω） Ｒ２ Ｌ（mH） Ｃ（μＦ） １ 200 １５ 0.01 ２ 200 １５ 0.022 pF200 调至 欠阻尼 状态 １５ 0.047 3．改变电路参数，按表 12－1 中的数据重复步骤２的测量，仔细观察改变电路参数时 和 的 变化趋势，并将数据记入表 12－1 中。 五．实验注意事项 1．调节电位器Ｒ２时，要细心、缓慢，临界阻尼状态要找准。 2．在双踪示波器上同时观察激励信号和响应信号时，显示要稳定，如不同步，则可采用外同步 法（看示波器说明）触发。 六．预习与思考题  1．什么是二阶电路的零状态响应和零输入响应？它们的变化规律和哪些因素有关？ 2．根据二阶电路实验电路元件的参数，计算出处于临界阻尼状态的Ｒ２之值； 3．在示波器荧光屏上，如何测得二阶电路零状态响应和零输入响应‘欠阻尼’状态的衰减系数 和振荡频率 ？ 七．实验报告要求  1．根据观测结果，在方格纸上描绘二阶电路过阻尼、临界阻尼和欠阻尼的响应波形； 2．测算欠阻尼振荡曲线上的衰减系数 、衰减时间常数 、振荡周期 T 和振荡频率 ； 3．归纳、总结电路元件参数的改变，对响应变化趋势的影响； 4．回答思考题 2。 δ ω δ ω δ ω δ τ ω 39 ∗ ∗ A3 50V4 UI u + − LR 图19-1 电 源 负 载 实验十三 正弦稳态交流电路的研究 一．实验目的 1．学习交流电路的设计、连接、测试； 1．学会使用交流数字仪表（电压表、电流表、功率表）和自耦调压器； 2．学习用交流数字仪表测量交流电路的电压、电流和功率； 3．学会用交流数字仪表测定交流电路参数的方法； 4．加深对阻抗、阻抗角及相位差等概念的理解。 二．原理说明  正弦交流电路中各个元件的参数值，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，是用来测量５０Hz 交流电路参数的基本方法。计算的基本公式为： 电阻元件的电阻： 或 电感元件的感抗 ，电感 电容元件的容抗 ，电容 串联电路复阻抗的模 ，阻抗角  其中：等效电阻 ，等效电抗 本次实验电阻元件用白炽灯（非线性电阻）。电感线圈用镇流器，由于镇流器线圈的金属导线具 有一定电阻，因而，镇流器可以由电感和电阻相串联来表示。电容器一般可认为是理想的电容元件。 在 R、L、C 串联电路中，各元件电压之间存在相位差，电源电压应等于各元件电压的相量和， 而不能用它们的有效值直接相加。 电路功率用功率表测量，功率表（又 称为瓦特表）是一种电动式仪表，其中电 流线圈与负载串联，（具有两个电流线圈， 可串联或并联，以便得到两个电流量程）， I UR R= 2I PR = I UX L L = f XL π2 L= I UX C C = C2 1 fXC π= I UZ = R Xarctg=ϕ 2I PR = 22 RZX −= 40 A Z W V 图19-2 * * u + − 20V2 而电压线圈与电源并联，电流线圈和电压 图 13—1 线圈的同名端（标有*号端）必须连在一起，如图 13—1 所示。本实验使用数字式功率表，连接方法 与电动式功率表相同，电压、电流量程分别选 450V 和 3A。 三．实验设备  1．交流电压、电流、功率、功率因数表 2．调压输出 3．，一组二只串联或者并联的 40Ｗ/220Ｖ白炽灯、电容 4uf、2uf、1uf；镇流器、电阻若干、30Ｗ 日光灯  四．实验内容 实验电路如图 13－2 所示，功率表的连接方法 见图 13－1，交流电源经自耦调压器调压后向负载 Z 供电。 1．自拟实验步骤及数据表格测量正弦交流电路中 电阻的伏案特性。可以选用电阻或者白炽灯。 2．自拟实验步骤及数据表格测量正弦交流电路中 电阻的伏案特性测量电容器的容抗 3．自拟实验步骤及数据表格测量正弦交流电路 图 13－2 中电阻的伏案特性测量镇流器的参数 4． 设计交流串联电路及并联电路，自拟实验步骤和数据，验证交流电路阻抗的伏案特性和基尔 霍夫定律 五．实验注意事项 1．通常，功率表不单独使用，要有电压表和电流表监测，使电压表和电流表的读数不超过功率 表电压和电流的量限； 2．注意功率表的正确接线，上电前必须经指导教师检查； 3．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。每次改接实验负载或实验完毕，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。  4.注意元器件的额定电压的选择。 六．预习与思考题  1．自拟实验所需的全部表格； 2．在５０Hz 的交流电路中，测得一只铁心线圈的Ｐ、Ｉ和Ｕ，如何计算得它的电阻值及电感量？ 5．了解功率表的连接方法； 6．了解自耦调压器的操作方法。 七．实验报告要求 41 图 14-1  1．根据实验 1 的数据，计算白炽灯在不同电压下的电阻值； 2．根据实验 2 的数据，计算电容器的容抗和电容值； 3．根据实验 3 的数据，计算镇流器的参数（电阻 R 和电感 L）； 实验十四 交流电路频率特性的测定 一．实验目的 1．研究电阻、感抗、容抗与频率的关系，测定它们随频率变化的特性曲线； 2．学会测定交流电路频率特性的方法； 3．了解滤波器的原理和基本电路； 4．学习使用信号源、交流毫伏表。 二．原理说明 1．单个元件阻抗与频率的关系 对于电阻元件，根据 ，其中 ，电阻 R 与频率无关； 对于电感元件，根据 ，其中 ，感抗 XL 与频率成正比； 对于电容元件，根据 ，其中 ，容抗 XC 与频率成反比。 测量元件阻抗频率特性的电路如图 14—1 所示，图中的 r 是提供测量回路电流用的标准电阻， 流过被测元件的电流（IR、IL、IC）则可由 r 两端的电压 U ｒ除以 r 阻值所得，又根据上述三个公式，用被测元件的电流除 对应的元件电压，便可得到 R、XL 和 XC 的数值。 2．交流电路的频率特性 由于交流电路中感抗 XL 和容抗 XC 均与频率有关，因 而，输入电压（或称激励信号）在大小不变的情况下，改变频 率大小，电路电流和各元件电压（或称响应信号） 也会发生变化。这种电路响应随激励频率变化的特性称为频率特 性。 若电路的激励信号为Ｅｘ（ｊω），响应信号为 Rｅ（ｊω），则频率特性函数为 式中，A（ω）为响应信号与激励信号的大小之比，是ω的函数，称为幅频特性； （ω）为响应信号与激励信号的相位差角，也是ω的函数，称为相频特性。 °∠= 0 R R RI U   RI U = R R L L L jXI U =   fLXI U π2L L L == C C C jXI U −=   fCXI U π2 1 C C C == )()()j( )j()j( x e ωϕωω ωω ∠== AE RN ϕ A AA f ffO OO a)( b)( c)( 图21-2 1 1 1 0.707 0.707 0.707 Cf Cf C1f C2f 42 图 14-2 在本实验中，研究几个典型电路的幅频特性，如图 14－２所示，其中，图（ａ）在高频时有响 应（即有输出），称为高通滤波器，图（ｂ）在低频时有响应（即有输出），称为为低通滤波器，图 中对应 A＝0．707 的频率ｆC 称为截止频率，在本实验中用 RC 网络组成的高通滤波器和低通滤波器， 它们的截止频率ｆC 均为 1／2πRC。图（ｃ）在一个频带范围内有响应（即有输出），称为带通滤波 器，图中ｆC1 称为下限截止频率，ｆC2 称为上限截止频率，通频带 BW＝ｆC2－ｆC1。 三．实验设备  １．信号源（含频率计） ２．交流数字毫伏表 ３．电工实验台 四．实验内容 １．测量Ｒ、Ｌ、Ｃ元件的阻抗频率特性 实验电路如图 14—1 所示，图中：ｒ＝300Ω，R＝1ｋΩ，L＝15ｍH，C＝0.01μF。选择信号源 正弦波输出作为输入电压ｕ，调节信号源输出电压幅值，并用交流毫伏表测量，使输入电压ｕ的有 效值Ｕ＝２Ｖ，并保持不变。 用导线分别接通Ｒ、Ｌ、Ｃ三个元件，调节信号源的输出频率，从１kHz 逐渐增至２０KHz（用 频率计测量），用交流毫伏表分别测量ＵR、ＵL、ＵC 和Ｕr，将实验数据记入表 14－1 中。并通过计 算得到各频率点的 R、XL 和 XC。 表 14－1 Ｒ、Ｌ、Ｃ元件的阻抗频率特性实验数据 频 率 f(KHz) 1 2 5 10 15 20 Ur(V) IR(mA)=Ur/r UR(V) R (k ) R=UR/IR Ur(V) IL(mA)=Ur/r UL(V) XL (k ) XL=UL/IL Ur(V) Ic(mA)=Ur/r UC(V) XC (K ) Xc=UC/Ic 2．高通滤波器频率特性 实验电路如图 14－3 所示，图中：R＝1ｋΩ，C＝0.022μF。用信号源输出正弦波电压作为电路的激 励信号（即输入电压） 调节信号源正弦波输出电压幅值，并用交流毫伏表测量，使激励信号ｕｉ的有效值Ｕｉ＝２Ｖ， Ω Ω Ω 43 Ru Cu R Ciu + − 图21-3 iu + − C L R ou 图21-4 并保持不变。调 节信号源的输出频率，从１kHz 逐渐增至２０KHz（用频率计测 量），用交流毫伏表测量响应信号（即输出电压）ＵR，将实验数据 记入表 14－2 中。 图 14-3 表 14－2 频率特性实验数据。 f(ｋHz) 1 3 6 8 10 15 20 UR(V) UC(V) UO(V) 3．低通滤波器频率特性 实验电路和步骤同实验 2，只是响应信号（即输出 电压）取自电容两端电压ＵC，将实验数据记入表 21－ 2 中。 4．带通滤波器频率特性 实验电路如图 14－4 所示，图中： R＝1ｋΩ，L＝15ｍH，C＝0.1μF。实验步骤同实验 2，响应 信号（即输出电压）取自电阻两端电压ＵO，将实验数据记入表 14－2 中。 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。 六．预习与思考题  1．如何用交流毫伏表测量电阻 R、感抗 XL 和容抗 XC？它们的大小和频率有何关系？ 2．什么是频率特性？高通滤波器、低通滤波器和带通滤波器的幅频特性有何特点？如何测量？ 七．实验报告要求  1．根据表 14－1 实验数据，在方格纸上绘制Ｒ、XL、XC 与频率关系的特性曲线，并分析它们和 频率的关系。 2．根据表 14－1 实验数据，定性画出Ｒ、Ｌ、Ｃ串联电路的阻抗与频率关系的特性曲 线，并 分析阻抗和频率的关系。 3．根据表 14－2 实验数据，在方格纸上绘制高通滤波器和低通滤波器的幅频特性曲线，从曲线 上：（1）求得截止频率ｆC，并与计算值相比较；（2）说明它们各具有什么特点。 图 14-4 44 iu ou + − − + R RC C 图 22-1 A f0 0f 3 1 图22-2 f0 ϕ °90 °−90 实验十五 ＲＣ网络频率特性和选频特性的研究 一．实验目的  1．研究ＲＣ串、并联电路及ＲＣ双Ｔ电路的频率特性； 2．学会用交流毫伏表和示波器测定ＲＣ网络的幅频特性和相频特性； 3．熟悉文氏电桥电路的结构特点及选频特性。 二．原理说明  图 15－1 所示ＲＣ串、并联电路的频率特性： 其中幅频特性为： 图 15-1 相频特性为： 幅频特性和相频特性曲线如图 15－2 所示，幅频特 性呈带通特性。 当角频率 时， ， ， ｕO 与ｕI 同相，即电路发生谐振，谐振频率 。 也就是说，当信号频率为ｆ0 时，ＲＣ串、并联电路的输 出电压ｕO 与输入电压ｕI 同相，其大小是输入电压的三 图 15－2 分之一，这一特性称为ＲＣ串、并联电路的选频特性，该电路又称为文氏电桥。 测量频率特性用‘逐点描绘法’，图 15－3 表明用交流毫伏表和双踪示波器测量ＲＣ网络频率特 性的测试图，在图中， 测量幅频特性：保持信号源输出电压（即ＲＣ网络输入电压）UI 恒定，改变频率ｆ，用交流毫 伏表监视 UI，并测量对应的ＲＣ网络输出电压 UO，计算出它们的比值 A＝UO／UI，然后逐点描绘出幅 频特性； 测量相频特性：保持信号源输出电压（即ＲＣ网络输入电压）UI 恒定，改变频率ｆ，用交流毫伏表 监视 UI，用双踪示波器观察ｕO 与ｕI 波形，如图 15－4 所示，若两个波形的延时为Δｔ，周期为 T， 则它们的相位差 ，然后逐点描绘出相频特性。 用同样方法可以测量ＲＣ双Ｔ电路的幅频特性，ＲＣ双Ｔ电路见图 15－5，其幅频特性具有带阻 )1j(3 1)j( i £ï RCRCU UN ωω ω −+ ==   22i o )1(3 1)( RCRCU UA ωω ω −+ == 3 1 arctg)( o RCRC i ωω ϕϕωϕ − −=−= RC 1=ω 3 1)( =ωA °= 0)(ωϕ RCf π2 1 0 = °×∆= 360T tϕ 45 . . 频率计 信号源 R C网络 毫伏表iu ou 示波器 图 22－3 V/u s/t t∆ T 图 22－4 特性，如图 15－6 所示。 图 15－3 图 15－4 图 15－5 图 15－6 三．实验设备 1．信号源（含频率计） 2．交流毫伏表 3．双踪示波器 4．EEL—33 组件（含ＲＣ网络）或 EEL—53 组件  四．实验内容 1．测量ＲＣ串、并联电路的幅频特性 实验电路如图 15－3 所示，其中，RC 网络的参数选择为：Ｒ＝２kΩ，Ｃ＝０．２２μＦ（在ＥＥＬ —33 组件上），信号源输出正弦波电压作为电路的输入电压ｕi，调节信号源输出电压幅值，使 Ui＝2V。  改变信号源正弦波输出电压的频率 f（由频率计读得），并保持 Ui=2V 不变（用交流毫伏表监 视），测量输出电压 ，（可先测量 时的频率 fo，然后再在 fo 左右选几个频率点，测量 ）， 将数据记入表 15－1 中。 在图 15－3 的 RC 网络中，选取另一组参数：Ｒ＝２００Ω，Ｃ＝２μＦ，重复上述测量，将数 据记入表 15－1 中。 0U 3 1=A 0U 46 表 15－1 幅频特性数据 f(Hz)R=2kΩ, C=0.22µF UO(V) f(Hz) R=200Ω C=2µF UO (V) 2．测量ＲＣ串、并联电路的相频特性 实验电路如图 15－3 所示，按实验原理中测量相频特性的说明，实验步骤同实验 1，将实验数据 记入表 15－2 中。 3．测定ＲＣ双Ｔ电路的幅频特性 实验电路如图 15－3 所示，其中 RC 网络按图 15－5 连接（在ＥＥＬ—33 组件上），实验步骤同 实验 1，将实验数据记入自拟的数据表格中。 表 15－2 相频特性数据 f(Hz) T(ms) (ms) R=2kΩ C=0.22µF ϕ f(Hz) T(ms) (ms) R=200Ω C=2µF ϕ 五．实验注意事项  1．由于信号源内阻的影响，注意在调节输出电压频率时，应同时调节输出电压大小，使实验电 路的输入电压保持不变。  六．预习与思考题  1．根据电路参数，估算ＲＣ串、并联电路两组参数时的谐振频率。 2．推导ＲＣ串、并联电路的幅频、相频特性的数学表达式。 3．什么是ＲＣ串、并联电路的选频特性？当频率等于谐振频率时，电路的输出、输入有何关系？ 4．试定性分析ＲＣ双Ｔ电路的幅频特性。 七．实验报告要求  1．根据表 15－1 和表 15－2 实验数据，绘制ＲＣ串、并联电路的两组幅频特性和相频特性曲线， 找出谐振频率和幅频特性的最大值，并与理论计算值比较。 2．设计一个谐振频率为 1ｋHZ 文氏电桥电路，说明它的选频特性。 3．根据实验 3 的实验数据，绘制ＲＣ双Ｔ电路的幅频特性，并说明幅频特性的特点。 t∆ t∆ 47 U + − C L R RU 图23-1 I 实验十六 Ｒ、Ｌ、Ｃ串联谐振电路的研究 一．实验目的  1．加深理解电路发生谐振的条件、特点，掌握电路品质因数（电路Ｑ值）、通频带的物理意义 及其测定方法； 2．学习用实验方法绘制Ｒ、Ｌ、Ｃ串联电路不同 Q 值下的幅频特性曲线； 3．熟练使用信号源、频率计和交流毫伏表。 二．原理说明  在图 16—１所示的Ｒ、Ｌ、Ｃ串联电路中，电路复阻抗 ， 当 时，Z＝R ， 与 同相，电路发生串联谐振，谐振角频率 ， 谐振频率 。 在图 16－1 电路中，若 为激励信号， 为响应 信号，其幅频特性曲线如图 16－2 所示，在ｆ＝ｆ０时， A＝1，UR＝U ，ｆ≠ｆ０时，UR＜U ，呈带通特性。 A＝0．707，即 UR＝0．707U 所对应的两个频率ｆL 和 图 16-1 ｆｈ为下限频率和上限频率，ｆｈ－ｆL 为通频带。通频带 图 16－2 图 16－3 的宽窄与电阻 R 有关，不同电阻值的幅频特性曲线如图 16－3 所示。 电路发生串联谐振时，UR＝U ，UL＝UC＝QU ，Q 称为品质因数，与电路的参数 R、L、C 有 关。Ｑ值越大，幅频特性曲线越尖锐，通频带越窄，电路的选择性越好，在恒压源供电时，电路的 品质因数、选择性与通频带只决定于电路本身的参数，而与信号源无关。在本实验中，用交流毫伏 表测量不同频率下的电压 U 、UR、UL、UC，绘制Ｒ、Ｌ、Ｃ串 联电路的幅频特性曲线，并根据 计算出通频带，根据 或 计算出品质因数, 三．实验设备 １．信号源（含频率计）２．交流毫伏表３．电工实验台 )1(j CLRZ ωω −+= CL ωω 1= U I LC 1 0 =ω LC f π2 1 0 = U RU Lh fff −=∆ Q U U U U L C= = Lh 0 ff fQ −= A f0 0fLf hf 1 707.0 图23-2 A f0 R ′ 〉 R1 707.0 R ′R 0f 图23-3 图 16-2 48 四．实验内容 1．按图 16—4 组成监视、测量电路，用交流毫伏表测电压，用示波器监视信号源输出，令其输 出幅值等于 1V，并保持不变。 2．找出电路的谐振频率 f０，其方法是，将毫伏 表接在 R（51Ω）两端，令信号源的频率由小逐 渐变大（注意要维持信号源的输出幅度不变）， 当 UR 的读数为最大时，读得频率计上的频率值 即为电路的谐振频率 fo，并测量 UＣ与 UＬ之值注 意及时更换毫伏表的量限）。 3．在谐振点两侧，按频率递增或递减 500Hz 或 1kHz，依次各取 8 个测量点，逐点测出 UR，UＬ，UＣ之值，记入数据表格。 f(kHz) UR(V) UL(V) UC(V) 4．改变电阻值（R 为 100Ω），重复步骤 2，3 的测量过程 f(kHz) UR(V) UL(V) UC(V) 五．实验注意事项 1．测试频率点的选择应在靠近谐振频率附近多取几点，在改变频率时，应调整信号输出电压， 使其维持在１Ｖ不变； 2．在测量 UL 和 UC 数值前，应将毫伏表的量限改大约十倍，而且在测量 UL 与 UC 时毫伏表的 “＋”端接电感与电容的公共点 4。 六．预习与思考题  1．根据实验 1、3 的元件参数值，估算电路的谐振频率，自拟测量谐振频率的数据表格； 2．改变电路的哪些参数可以使电路发生谐振，电路中Ｒ的数值是否影响谐振频率？ 3．如何判别电路是否发生谐振？测试谐振点的方案有哪些？ 4．电路发生串联谐振时，为什么输入电压ｕ不能太大，如果信号源给出１Ｖ的电压，电路谐振 时，用交流毫伏表测ＵＬ和ＵＣ，应该选择用多大的量限？为什么？ 5．要提高Ｒ、Ｌ、Ｃ串联电路的品质因数，电路参数应如何改变？ 七．实验报告要求 1．电路谐振时，比较输出电压 UR 与输入电压 U 是否相等？ＵＬ和ＵＣ是否相等？试分析原因。 2．根据测量数据，绘出不同Ｑ值的三条幅频特性曲线： ＵR＝f(f), ＵＬ＝f(f), ＵＣ＝f(f) 图 16-4 49 图19-3 日 光 灯 管 镇流器 启 辉 器 RLu Ruu + + + - - - S 3．计算出通频带与Ｑ值，说明不同Ｒ值时对电路通频带与品质因素的影响。 实验十七 日光灯的安装及功率因数的提高 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  1．在单相正弦交流电路中，用交流电流表测得各支路中的电流值，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 和  ２．日光灯线路如图 17-1 所示，图中Ａ是日光灯　　　　　　　　　图 17-1　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　 管，Ｌ是镇流器，Ｓ是启辉器，。有关日光灯的工作原理请自行翻阅有关资料。 3．并联电容提高电路的功率因数。通常提高电感性负载功率因数的方法是在负载两端并联适当 数量的电容器，使负载的总无功功率 Q＝QL－QC 减小，在传送的有功率功率 P 不变时，使得功率因 数提高，线路电流减小。当并联电容器的 QC＝QL 时，总无功功率 Q＝0，此时功率因数 ＝1， 线路电流 I 最小。C=P（tanφ1－tanφ）/wU 三．实验设备  1．交流电压、电流、功率、功率因素表 2．调压输出 3．EEL—17 组件（或 EEL—52 组件、EEL—55 组件），30Ｗ镇流器，400V／4μＦ电容器，电 流插头 4．30Ｗ日光灯  四．实验内容  1．日光灯线路接线与测量 按图 17-2 组成线路，经指导教师检查后按下闭合按钮开关，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至，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 等值，验证电压、电流相量关系。( 将 电容开关断开) 测 量 数 值 计 算 值 P(W) I(A) U(V) U1(V) U2(V) cosϕ r(Ω) L(H) R(Ω) 启 辉 值 正常工作值 i =∑ 0 U =∑ 0 ϕcos 2 2,1, UUU 50 　　　　　　　　　图 17-2 3．并联电路——电路功率因数的改善 分别接通不同值的电容，进行重复测量，填写下表。 　 测 量 数 值 计 算 值电容值 (µF) P(W) U(V) I(A) IC(A2) IL(A1) cosφ 五．实验注意事项  １．接线前将实验台上荧光灯开关打开至照明端，检查灯管是否完好后，将开关打开至实验端。 2． 功率表要正确接入电路，读数时要注意量程和实际读数的折算关系。 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。 4．边做试验，边检查实验数据。 六．预习思考题  １．参阅课外资料，了解日光灯的启辉原理，写入实验原理。 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；或用一只启辉器去点亮多只同类型的日光灯，这是为什么？ ３．为了提高电路的功率因数，常在感性负载上并联电容器，此时增加了一条电流支路，试问 电路的总电流是增大还是减小，此时感性元件上的电流和功率是否改变？ ４．提高线路功率因数为什么只采用并联电容器法，而不用串联法？所并的电容器是否越大越 好？ 七．实验报告  １．完成数据表格中的计算，进行必要的误差分析。 ２．根据实验数据，分别绘出电压、电流相量图，验证相量形式的基尔霍夫定律。 ３．讨论改善电路功率因数的意义和方法。 ４．装接日光灯线路的心得体会及其他。 51 U V W N A B C N′ 图 24-1 实验十八 三相电路电压、电流的测量 一．实验目的  1．练习三相负载的星形联接和三角形联接； 2．了解三相电路线电压与相电压，线电流与相电流之间的关系； 3．了解三相四线制供电系统中，中线的作用； 4．观察线路故障时的情况。 二．原理说明  电源用三相四线制向负载供电，三相负载可接成星形（又称‘Ｙ’形）或三角形（又称‘Δ’ 形）。 当三相对称负载作‘Ｙ’形联接时，线电压ＵＬ是相电压ＵＰ的 倍，线电流ＩＬ等于相电流Ｉ Ｐ，即： ，流过中线的电流ＩN＝０；作‘Δ’形联接时，线电压ＵＬ等于相 电压ＵＰ，线电流ＩＬ是相电流ＩＰ的 倍，即： 不对称三相负载作‘Ｙ’联接时，必须采用‘ＹＯ’接法，中线必须牢固联接，以保证三相不对 称负载的每相电压等于电源的相电压（三相对称电压）。若中线断开，会导致三相负载电压的不对称， 致使负载轻的那一相的相电压过高，使负载遭受损坏，负载重的一相相电压又过低，使负载不能正 常工作；对于不对称负载作‘Δ’ 联接时，ＩＬ≠ ＩＰ，但只要电源的线电压ＵＬ对称，加在三 相负载上的电压仍是对称的，对各相负载工作没有影响。 本实验中，用三相调压器调压输出作为三相交流电源，用三组白炽灯作为三相负载，线电流、 相电流、中线电流用电流插头和插座测量。 三．实验设备 1． 三相交流电源 2．交流电压表、电流表 3．电工实验台 四．实验内容 1．三相负载星形联接（三相四线制供电） 实验电路如图 18－1 所示，将白炽灯按图所示，连接成星形接法。用三相调压器调压输出作为 三相交流电源，具体操作如下：将三相调压器的旋钮置于三相电压输出为０Ｖ的位置（即逆时针旋 到底的位置），然后旋转旋钮，调节调压器的输出，使输出的三相线电压为２２０Ｖ。测量线电压和 相电压，并记录数据。 (1)在有中线的情况下，测量三相负载对称和不对称时的各相电流、中线电流和各相电压，将数 据记入表 18－1 中，并记录各灯的亮度。 (2)在无中线的情况下，测量三相负载对称和不对称时的各相电流、各相电压和电源中点 N 到负 载中点 Nˊ的电压 UNNˊ，将数据记入表 18－1 中，并记录各灯的亮度。表中“1”表示并联，“2”表 示串联。 3 U U I IL P L P= =3 , 3 I I UL P L P= =3 , U 3 图 18-1 52 表 18—1 负载星形联接实验数据 每相灯数 负载相电压（Ｖ） 电流（A）中线 连接 A B C UA UB UC IA IB IC IN UNNˊ （V） 亮度比较 A、B、C 1 1 1 1 2 1有 1 断 开 2 1 断 开 2 1 2 1 1 1 1无 1 短 路 2 2．三相负载三角形联接 实验电路如图 18－2 所示，将白炽灯按图所示，连接成三角形接法。调节三相调压器的输出电 压，使输出的三相线电压为２２０Ｖ。测量三相负载对称和不对称时的各相电流、线电流和各相电 压，将数据记入表 18－2 中，并记录各灯的亮度。 表 18—2 负载三角形联接实验数据 每相灯数 相电压（Ｖ） 线电流(Ａ） 相电流(Ａ） A-B B-C C-A UAB UBC UCA IA IB IC IAB IBC ICA 亮 度 比 较 1 1 1 1 2 2 五．实验注意事项  1．每次接线完毕，同组同学应自查一遍，然后由指导教师检查后，方可接通电源，必须严格遵 守先接线，后通电；先断电，后抓线的实验操作原则。 2．星形负载作短路实验时，必须首先断开中线，以免发生短路事故。 3．测量、记录各电压、电流时，注意分清它们是哪一相、哪一线，防止记错。 六．预习与思考题  1．三相负载根据什么原则作星形或三角形连接？本实验为什么将三相电源线电压设定为 220V？ 2．三相负载按星形或三角形连接，它们的线电压与相电压、线电流与相电流有何关系？当三相 负载对称时又有何关系？ 3．说明在三相四线制供电系统中中线的作用，中线上能安装保险丝吗？为什么？ 七．实验报告要求  1．根据实验数据，在负载为星形连接时， 在什么条件下成立？在三角形连接时， 在什么条件下成立？ 2．用实验数据和观察到的现象，总结三相四线制供电系统中中线的作用； 3．不对称三角形联接的负载，能否正常工作？实验是否能证明这一点？根据不对称负载三角形 联接时的实验数据，画出各相电压、相电流和线电流的相量图，并证实实验数据的正确性。 pl UU 3= pl II 3= 53 1W ∗ ∗ 2W ∗ ∗ 3W ∗ ∗ A B C N′ N L1 L2 L3 图 25-1 1W ∗ ∗L1 L2 L3 图 25-3 三 相 对 称 负 载 实验十九 三相电路功率的测量 一．实验目的  1．学会用功率表测量三相电路功率的方法； 2．掌握功率表的接线和使用方法。  二．原理说明  1．三相四线制供电，负载星形联接（即Ｙ0 接法） 对于三相不对称负载，用三个单相功率表测量，测量电路如图 19－1 所示，三个单相功率表的 读数为 W1、W2、W3，则三相功率Ｐ＝W1＋W2＋W3， 这种测量方法称为三瓦特表法；对于三相对 称负载，用一个单相功率表测量即可，若功率表的 读数为 W ，则三相功率Ｐ＝3W，称为一瓦特表法。 2．三相三线制供电 三相三线制供电系统中，不论三相负载是否 对称，也不论负载是‘Ｙ’接还是‘Δ’接，都可 用 图 19-1 二瓦特表法测量三相负载的有功功率。测量电路如图 19—２所示，若两个功率表的读数为 W1、 W2，则三相功率 ， 其中 为负载的阻抗角（即功率因数角），两个功率表的读数 与 有下列关系： （1）当负载为纯电阻， ＝0，W1＝W2，即两个功率表读 数相等； （2）当负载功率因数 ， ，将有一 个功率表的读数为零； （3）当负载功率因数 ， ，则有一个功 率表的读数为负值，该功率表指针将反方向偏转，这时应 将功率表电流线圈的两个端子调换（不能调换电压线圈端子），而读数应记为负值。对于数字式 功率表将出现负读数。 3．测量三相对称负载的无功功率 对于三相三线制供电的三相对称负载，可用一瓦特表法测得三相负载的总无功功率Ｑ，测试电 路如图 19—３所示。功率表读数为： ，其中 为负载的阻抗角， 则三相负载的无功功率 。 三．实验设备  1．交流电压表、电流表、功率表 )cos(30)-cos(30WW 21 ϕϕ +°+°=+= llll IUIUP ϕ ϕ ϕ 0.5cos =ϕ °±= 60ϕ 0.5cos 〈ϕ °〉60ϕ ϕsinW ll IU= ϕ W3=Q 1W ∗ ∗ 2W ∗ ∗ L1 L2 L3 图 25-2 三 相 负 载 图 19-2 54 N′ 图 25-4 A 2W ∗ ∗ U V W V N A B C 2．三相调压输出电源 3．电工实验台 四．实验内容 1．三相四线制供电，测量负载星形联接（即Ｙ0 接法）的三相功率 （1）用一瓦特表法测定三相对称负载三相功 率，实验电路如图 19－4 所示，线路中的电流表和 电压表用以监视三相电流和电压，不要超过功率表 电压和电流的量程。经指导教师检查后，接通三相 电源开关，将调压器的输出由０调到３８０Ｖ（线电压）， 按表 19—１的要求进行测量及计算，将数据记入表中。 (2)用三瓦特表法测定三相不对称负载三相功率，本实验用一个功率表分别测量每相功率，实验 电路如图 19－4 所示，步骤与（1）相同，将数据记入表 19—１中。 表 19—１ 三相四线制负载星形联接数据 开 灯 盏 数 测 量 数 据 总功率 计算值负 载 情 况 Ａ相 B 相 C 相 PA (W) PB (W) PC (W) Ｐ(W) Y 接对称负载 串联 串联 串联 通过电压表、电流表读数计算的功率 Y 接不对称负载 并联 串联 串联 通过电压表、电流表读数计算的功率 2．三相三线制供电，测量三相负载功率 （1）用二瓦特表法测量三相负载‘Ｙ’连接的三相功率，实验电路如图 19－5(a)所示，图中 ‘三相灯组负载’见图(ｂ)，经指导教师检查后，接通三相电源，调节三相调压器的输出，使线电 压为２２０Ｖ，按表 19—２的内容进行测量计算，并将数据记入表中。 （2）将三相灯组负载改成‘Δ’接法，如图(ｃ)所示，重复（１）的测量步骤，数据记入表 19—２中。 图 19－5 0 0 1W ∗ ∗ 2W ∗ ∗ U V W 图 25-5 三 相 灯 组 负 载 A A V V A B C AA BB C C (a) (b) (ｃ) 图 19-3 图 19-4 55 表 19—２三相三线制三相负载功率数据 开 灯 盏 数 测 量 数 据 总功率 计 算 值负载情况 Ａ相 B 相 C 相 P (W) P (W) Ｐ(W) Ｙ接对称负载 串联 串联 串联 通过电压表、电流表读数计算的功率 Ｙ接不对称负载 并联 串联 串联 通过电压表、电流表读数计算的功率 Δ接不对称负载 并联 串联 串联 通过电压表、电流表读数计算的功率 Δ接对称负载 串联 串联 串联 通过电压表、电流表读数计算的功率 3．测量三相对称负载的无功功率 图 19-6 用一瓦特表法测定三相对称星形负载的无功功率，实验电路如图 19—6(a)所示 ，图中‘三相对 称负载’见图(ｂ)，每相负载由三个白炽灯组成，检查接线无误后，接通三相电源，将三相调压器 的输出线电压调到 220Ｖ，将测量数据记入表 19－3 中。 更换三相负载性质，图(a)中的‘三相对称负载’分别按图(ｃ)、图(ｄ)连接， 19—3 的内容进行测量、计算，并将数据记入表中。 表 19—３ 三相对称负载无功功率数据 测 量 值 计 算 值 负 载 情 况 Ｕ（Ｖ） Ｉ（Ｖ） W（ ） 三相对称灯组星接 三相对称灯组角接 五．实验注意事项 1．每次实验完毕，均需将三相调压器旋钮调回零位，如改变接线，均需新开三相电源，以确保 1 2 Var W3=Q 图 19-6 W ∗ ∗U V W 图 25-6 三 相 对 称 负 载 A V A B C A B C A B C A B C (c)(b)(a) (ｄ) 56 人身安全。  六．预习与思考题  1．复习二瓦特表法测量三相电路有功功率的原理。 2．复习一瓦特表法测量三相对称负载无功功率的原理。 3．测量功率时为什么在线路中通常都接有电流表和电压表？ 七．实验报告要求  1．整理、计算表 19－1、表 19－2 和表 19－3 的数据，并和理论计算值相比较； 2．根据表 19－3 的数据，总结负载无功功率什么情况下为零？什么情况下不为零？为什么？ 3．总结、分析三相电路功率测量的方法。 57 A C BR CX B CR N N′ Au Bu Cu + − + − + − Nu +− Bu′ + − Cu′+ − 图 27-1 实验二十 相序指示器电路的设计与实现 一、设计要求： 1．设计一个电路，在不确定三相对称电源相序的情况下，能够用白炽灯的明亮程度判断相序。 2．确定试验参数，自拟实验步骤，完成实验。 二、可供选择的设备： 三相对称电源（调压器输出）；220v、40w 白炽灯若干；220v 电容若干；交流电流表、交流电压 表。 三、设计原理参考： 如图 20－1 所示，由一个电容器和两组白炽灯组成星型联接的电路，由三相电源供电。 在图 20－1 电路中，设 、 、 为三相 对称电源相电压，中点电压 设 ， 代 图 20-1 入上式得： 则 可见 ，B 相的白炽灯比 C 相的亮。 综上所述，用相序指示器指示三相电源相序的方法是：如果连接电容器的一相是 A 相，那么， 白炽灯较亮的一相是 B 相，较暗的一相是 C 相。 四、设计步骤参考： 1．按照实验原理，选择适当的电阻（白炽灯）与电容器，任意接在一相电源上，其余两相采用 灯泡并联或串联的形式，观察灯泡的明亮程度，记录数据。分析误差产生的原因。 2．将三组负载换相，重复步骤 1。 灯泡亮暗比较 计算值 实测值 AU BU CU CC C C C RRX R U R U X U U 111 ++− ++ =′ B B BA NN j j-   CC RRX == B PPA 0 UUU =°∠= PN j0.6)2.0( UU +−= PNBB j1.466)3.0( UUUU −−=−=′  PB 49.1 UU =′ PNCC j0.266)3.0( UUUU +−=−=′  PC 4.0 UU =′ CB UU ′〉′ NNU ′ AU ′ BU ′ CU ′ AI BI CI 58 3．请选择其它参数，重复上述步骤。 五．实验注意事项  1． 注意电容与灯泡电阻的选择。 2． 每次改接线路都必须先断开电源； 3．为考虑实验设备的安全，电源线电压取为 220V。 六．预习与思考题  1．三相电源的相序是如何规定的？ 2．在不对称三相电路中，如何分析计算负载的响应？ 七．实验报告要求  1．设计相序指示器电路，并选择所用设备或器件，确定元件参数。 2．简述相序指示器的工作原理。 3．分析误差产生的原因。 灯泡亮暗比较 计算值 实测值 NNU ′ AU ′ BU ′ CU ′ AI BI CI 59 实验二十一 互感线圈电路的研究 一．实验目的 1．学会测定互感线圈同名端、互感系数以及耦合系数的方法； 2．理解两个线圈相对位置的改变，以及线圈用不同导磁材料时对互感系数的影响。 二．原理说明 一个线圈因另一个线圈中的电流变化而产生感应电动势的现象称为互感现象，这两个线圈称为互感 线圈，用互感系数（简称互感）M 来衡量互感线圈的这种性能。互感的大小除了与两线圈的几何尺 寸、形状、匝数及导磁材料的导磁性能有关外，还与两线圈的相对位置有关。 1．判断互感线圈同名端的方法 （１）直流法 如图 21－1 所示，当开关Ｓ闭合瞬间，若毫安表的指针正偏，则可断定‘１’、‘３’为 同名端；指针反偏，则“１”、“４”为同名端。 （２）交流法 如图 21－2 所示，将两个绕组Ｎ１和Ｎ２的任意两端（如２、４端）联在一起，在其中的一个绕 组（如Ｎ1）两端加一个低电压，用交流电压表分别测出端电压Ｕ13、Ｕ12 和Ｕ34，若Ｕ13 是两个绕组 端压之差，则１、３是同名端；若Ｕ13 是两绕组端压之和，则１、４是同名端。 2．两线圈互感系数Ｍ的测定 在图 21－2 电路中，互感线圈的Ｎ1 侧施加低压交流电压Ｕ1，测出Ｉ1 及Ｕ2。根据互感电势Ｅ2M≈ Ｕ20＝ωＭＩ1，可算得互感系数为  3．耦合系数 K 的测定 两个互感线圈耦合松紧的程度可用耦合系数 K 来表示 其中：Ｌ1 为Ｎ1 线圈的自感系数，Ｌ2 为Ｎ2 线圈的自感系数，它们的测定方法如下：先在Ｎ1 侧 加低压交流电压Ｕ1，测出Ｎ2 侧开路时的电流Ｉ1；然后再在Ｎ2 侧加电压Ｕ2，测出Ｎ1 侧开路时的电 M U I = 2 1ω K M L L= / 1 2 1 2 3 4 S mA 图 30-1 1 2 3 4 1N 图 30-2 1u 2u + − + −2N A V 1N 2NU 图 21-1 图 21-2 60 1 2 3 4 M mA 图 30-3 A V + − + −1U R 1N 2N 1 2 3 4 1N 图 30-4 LED+ − 2N A V Ω5102V u 流Ｉ2，根据自感电势ＥＬ≈Ｕ＝ωＬＩ，可分别求出自感Ｌ1 和Ｌ2。当已知互感系数Ｍ，便可算得 K 值。 三．实验设备 1．直流数字电压表、毫安表 2．交流数字电压表、电流表 3．互感线圈、铁、铝棒 4．EEL—23 组件（含 100Ω／３Ｗ电位器、510Ω ／８Ｗ线绕电阻、发光二极管）或 EEL—51 组件 5．滑线变阻器：200Ω／2Ａ（自备）或 EEL—54 组件（470Ω/1W 可调电位器） 四．实验内容 1．测定互感线圈的同名端。 （1）直流法 图 21-3 实验电路如图 21－3 所示，将线圈Ｎ1、Ｎ2 同心式套在一起，并放入铁芯。Ｕ1 为可调直流稳压 电源，调至６Ｖ，然后改变可变电阻器 Ｒ（由大到小地调节），使流过Ｎ1 侧的电流不超过０.４Ａ（选用５Ａ量程的数字电流表），Ｎ2 侧直 接接入２mA 量程的毫安表。将铁芯迅速地拨出和插入，观察毫安表正、负读数的变化，来判定Ｎ1 和Ｎ 2 两个线圈的同名端。 （2）交流法 实验电路如图 21－4 所示，将小线圈Ｎ2 套在线圈Ｎ1 中。Ｎ1 串接电流表（选０～５Ａ的量程） 后接至自耦调压器的输出，并在两线圈中 插入铁芯。接通电源前，应首先检查自 耦调压器是否调至零位，确认后方可接通 交流电源， 令自耦调压器输出一个很低的电压（约 ２Ｖ左右），使流过电流表的电流小于 1.5 Ａ，然后用０～２０Ｖ量程的交流电压表 测量 、 、 ，判定同名端。拆 图 21-4 去２、４联线，并将２、３相接，重复上述 步骤，判定同名端。 2．测定两线圈的互感系数Ｍ 在图 21－2 电路中，互感线圈的Ｎ2 开路， Ｎ1 侧施加２Ｖ左右的交流电压Ｕ1，测出并记录Ｕ１、Ｉ １、Ｕ２。 3．测定两线圈的耦合系数 K 在图 21－2 电路中，Ｎ1 开路，互感线圈的Ｎ2 侧施加２Ｖ左右的交流电压Ｕ2，测出并记录Ｕ2、Ｉ 2、Ｕ1，。 4．研究影响互感系数大小的因素 在图 23－4 电路中，线圈Ｎ1 侧加 2V 左右交流电压，Ｎ2 侧接入ＬＥＤ发光二极管与５１０Ω串 联的支路。 13U 12U 24U 61 （1）将铁芯慢慢地从两线圈中抽出和插入，观察ＬＥＤ亮度及各电表读数的变化，记录变化现 象。 （2）改变两线圈的相对位置，观察ＬＥＤ亮度及各电表读数的变化，记录变化现象。 （3）改用铝棒替代铁棒，重复步骤（１）、（２），观察ＬＥＤ亮度及各电表读数的变化，记录 变化现象。 五．实验注意事项 1．整个实验过程中，注意流过线圈Ｎ1 的电流不超过１.５Ａ，流过线圈Ｎ2 的电流不得超过１ Ａ； 2．测定同名端及其它测量数据的实验中，都应将小线圈Ｎ2 套在大线圈Ｎ1 中，并行插入铁芯； 3．如实验室有２００Ω，２Ａ的滑线变阻器或大功率的负载，则可接在交流实验时的Ｎ1 侧； 4．实验前，首先要检查自耦调压器，要保证手柄置在零位，因实验时所加的电压只有２～３Ｖ 左右。因此调节时要特别仔细、小心，要随时观察电流表的读数，不得超过规定值。 六．预习与思考题 1．什么是自感？什么是互感？在实验室中如何测定？ 2．如何判断两个互感线圈的同名端？若已知线圈的自感和互感，两个互感线圈相串联的总电感 与同名端有何关系？ 3．互感的大小与哪些因素有关？各个因素如何影响互感的大小？ 七．实验报告要求 1．根据实验 1 的现象，总结测定互感线圈同名端的方法，并回答思考题 2； 2．根据实验 2 的数据，计算互感系数Ｍ； 3．根据实验 2、3 的数据，计算耦合系数 K； 4．根据实验 4 的现象，回答思考题 3。 62 实验二十二 回转器特性测试 一．实验目的  1．了解回转器的结构和基本特性； 2．测量回转器的基本参数； 3．了解回转器的应用。 二．原理说明  回转器是一种有源非互易的两端口网络元件，电路符号及其等值电路如图 22－1（a)、（b）所示。 理想回转器的导纳方程为： 或写成  也可写成电阻方程：  或写成  式中的Ｇ和Ｒ分别称为回转电导和回转电阻，简称为回转常数。 若在２—２′端接一负载电容Ｃ，从１—１′端看进去的导纳Ｙi 为 ， 又∵ ， ∴ ，其中 。 可见，从１—１′端看进去就相当于一个电感，即回转器能把一个电容元件‘回转’成一个电 感元件，所以也称为阻抗逆变器。由于回转器有阻抗逆变作用，在集成电路中得到重要的应用。因 为在集成电路制造中，制造一个电容元件比制造电感元件容易得多，通常可以用一带有电容负载的 回转器来获得一个较大的电感负载。           −=      2 1 2 1 0 0 U UG GI I     1221 ; UGIUGI  −==           − +=      2 1 2 1 0 0 I IR RU U     1221 ; IRUIRU  =−= 2 2 2 2 2 1 1 / I UG GI UG U IYi       −=−== CjZI U L 1 2 2 ω−=−=   LjCj GYi 12 ωω == 2G CL = + − + − 1U 2U 1I 2I + −1U 1I 2U + − 2I 图 29－1 (b)(a) 1 1 1′ 1′2′ 2′ 22 图 22-1 63 + − + − 1U 2U 1I 2I1 1′ 2′ 2 信 号 源 LR SR RSU 图 29－2 + − + − 1U 2U 1C 2C 1 1′ 2′ 2 信 号 源 SR RSU 图 29－3 三．实验设备  1．信号源 2．交流毫伏表 3．双踪示波器 4．电工实验台 四．实验内容 1．测定回转器的回转常数 实验电路如图 22－2 所示，在回转 器的２—２′端接纯电阻负载 RL（电 阻箱），取样电阻 RS＝1ｋΩ，信号源 频率固定在１kHz，输出电压为 1～2V。 用交流毫伏表测量不同负载电阻ＲL 时的Ｕ1、Ｕ2 和ＵRS，并计算相应的电流Ｉ1、Ｉ2 和回转常数Ｇ， 一并记入表 24－1 中。 表 22－1 测定回转常数的实验数据 测 量 值 计 算 值RL (k Ω) U1 (V) U2 (V) I 1 (mA) I 2 (mA) G′=I1/U2 G’’=I 2/U1 G =(G’+G’’)/2 0.5 1 1.5 2 3 4 5 2．测试回转器的阻抗逆变性质 （1）测量等效电感 在２—２′两端接负载电容Ｃ＝０.１μＦ，用交流毫伏表测量不同频率时的等效电感，并算出 I1、 Ｌ′、Ｌ及误差ΔＬ，分析Ｕ、U1、ＵRS 之间的相量关系。 （2）测量谐振特性 实验电路如图 22－3 所示，图中： C1＝1μＦ，C2＝0.1μＦ，取样电阻 RS＝1ｋΩ。用回转器作电感，与Ｃ1 构成并联谐振电路。信号源输出电压 保持恒定Ｕ＝２Ｖ，在不同频率时用 交流毫伏表测量表 22－2 中规定的各 图 22-3 个电压，并找出 U1 的峰值。将测量数 平均 图 22-2 64 据和计算值记入表 22－2 中。 表 22－2 谐振特性实验数据 f (Hz) 参数 200 400 500 700 800 900 1000 1200 1300 1500 2000 U1 (V) URS (V) I1=URS/RS (mA) L’=U1/2πfI1 L=C/G ∆L=L′-L 五．实验注意事项 1．回转器的正常工作条件是Ｕ，Ｉ的波形必须是正弦波，为避免运放进入饱和状态使波形失真， 所以输入电压以不超过２Ｖ为宜； 2．防止运放输出对地短路。 六．预习与思考题 1．什么是回转器？用导纳方程说明回转器输入和输出的关系； 2．什么是回转常数？如何测定回转电导？ 3．说明回转器的阻抗逆变作用及其应用。 七．实验报告要求 1．根据表 24－1 数据，计算回转电导； 2．根据实验 2 的结果，计算等效电感值； 3．根据表 24－2 数据，画出并联谐振曲线，找到谐振频率，并和计算值相比较； 4．从各实验结果中总结回转器的性质、特点和应用。 2 65 + − + −1U 2U 1I 2I INIC LZ 图 28-2 实验二十三 负阻抗变换器 一．实验目的  1．加深对负阻抗概念的认识，掌握对含有负阻抗器件电路的分析方法； 2．了解负阻抗变换器的组成原理及其应用； 3．掌握负阻抗变换器的各种测试方法。 二．原理说明  负阻抗是电路理论中的一个重要的基本概念，在工程实践中也有广泛的应用。负阻的产生除某 些非线性元件（如燧道二极管）在某个电压或电流的范围内具有负阻特性外，一般都由一个有源双 口网络来形成一个等值的线性负阻抗。该网络由线性集成电路或晶体管等元件组成，这样的网络称 作负阻抗变换器。 按有源网络输入电压和电流与输出电压和电流的关系，可分为电流倒置型（INIC）和电压倒置 型（VNIC）两种，电路模型如图 23－1（ａ）、（ｂ）所示。 在理想情况下，其电压、电流关系为： 对于 INIC 型： (K1 为电流增益） 对于 VNIC 型： (K2 为电压增益） 如果在 INIC 的输出端接上负载阻抗ＺＬ，如图 23-2 所示，则它的输入阻抗Ｚi 为 即输入阻抗Ｚi 为负载阻抗ＺＬ的 K1 倍， 且为负值，呈负阻特性。 本实验用线性运算放大器组成如图 23-3 所示的电路，在一定的电压、电流范围内可获得良好的线性度。 根据运放理论可知： ,又 11212 IKIUU == 12122 IIUKU −=−= Li ZKI UK KI U I UZ 1 2 21 12 2 1 1 −==== U U U U1 2= = =+ − I I I I I I5 6 1 3 2 40= = = = −, , + − + −1U 2U 1I 2I 1)1( IK + + − + −1U 2U 1I 2I 1)1( UK +− + − (a) 图 28-1 (b) 图 23-1 图 23-2 66 + − + −1U + −2U LZ 1Z 2Z+ 3U 2I1I 3I 4I 6I5I 图 28-3 + − + −1U + −2U LR 1R 2R+ 3U 2I1I 3I 4I 图 28-4 恒 压 源 ∴ 可见，该电路属于电流倒置型（INIC）负 阻抗变换器，输入阻抗ＺI 等于负载阻抗ＺＬ乘－K 倍。 负阻抗变换器具有十分广泛的应用，例如可以用来实现阻抗变换； 假设  若负载为电阻， 若负载为电容 C， 若负载为电感 L， 可见，电容通过负阻抗变换器呈现电感性质，而电感通过负阻抗变换器呈现电容性质。 三．实验设备  1．恒压源 2．信号源 3．直流数字电压表 4．交流毫伏表 5．电工实验台 四．实验内容  测量负电阻的伏安特性。 实验电路如图 23－4 所示，图中：U1 为恒压源的可调稳压输出端，负载电阻 RL 用电阻箱。 （1）调节负载电阻箱的电阻值，使 RL＝３００Ω，调节恒压源的输出电压，使之在（０～１ Ｖ）范围内的取值，分别测量 INIC 的输入电压Ｕ1 及输入电流Ｉ1，将数据记入表 25－1 中。 （2）令 RL＝６００Ω，重复上述的测量，将数据记入表 25－1 中。 表 25－1 负电阻的伏安特性实验数据 Ｕ1(V) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Ｉ1(mA)RL=300Ω Ｕ1 平均 (V) Ｉ1 平均(mA) RL =600Ω Ｕ1(V) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 I Z I Z I Z I Z U Z Z I Z U I U I Z Z Z Z KZ L i L L 4 2 3 1 2 2 3 1 2 2 1 1 2 1 1 1 1 2 = − − = − ⋅ = − = = = − ⋅ = − 3 10,300,k1 2 1 2 1 2211 ===Ω==Ω== R R Z ZKRZRZ 时 Z R Z KZ RL L L L= = − = −时, 1 10 3 )3 101(1 3 10£-,C 1 21 ×===−== C LLjCjKZZjZ LL ω ωωω 令时 Z j L Z KZ j L j C LL L= = − = − = = ×ω ω ω ω ( C时 令, )1 2 10 3 1 1 3 10 图 23-3 图 23-4 67 Ｉ1(mA) Ｕ1 平均(V) Ｉ1 平均(mA) （3）计算等效负阻  实测值Ｒ－＝Ｕ1 平均 / Ｉ1 平均 理论计算值Ｒ－′＝－ＫＺL＝－ ＲL 电流增益： Ｋ＝Ｒ1 / Ｒ2 （4）绘制负阻的伏安特性曲线Ｕ1＝f(I1）。 五．实验注意事项  1．整个实验中应使Ｕ1＝(０～１)Ｖ； 2．防止运放输出端短路。 六．预习与思考题 1．什么是负阻变换器？有哪两种类型？具有什么性质？ 2．负阻变换器通常用什么电路组成？如何实现负阻变换？ 3．说明负阻变换器实现阻抗变换的原理和方法。 七．实验报告要求 1．根据表 23－1 数据，完成要求的计算，并绘制负阻特性曲线； 2．回答思考题。 10 3 68 实验二十四 简单万用表的电路的设计安装与校验 一．实验目的 1．了解万用表电流挡、电压档及欧姆档电路的基本原理和设计方法； 2．掌握万用表各档的接线方法。 3．学会万用表的调试和校验方法。 二．原理说明 万用表是电类测量工作中最常见的电表之一，用它可以进行电压、电流和电阻等多种物理量的 测量，每种测量还有几个不同的量程。 万用表的内部组成从原理上分为两个部分：既表头和测量电路。表头通常是一个直流微安表， 它的工作原理可归纳为：“表头指针的偏转角与流过表头的电流成正比”。 在设计电路时，只考虑表头的“满偏电流Ｉm”和“内阻Ｒｉ”的值就够了。满偏电流是指表针 偏转满刻度时流过表头的电流值，内阻则是表头线圈的铜线电阻。表头与各种测量电路连接后就可 以进行多种电量的测量。通常借助于转换开关可以将表头与测量电路分别连接起来，就可以组成一 个万用表。本实验就是通过同学们运用已经学过的知识，自己计算和设计电路。来达到完成万用表 的组装和测试校验的目的。 1、直流电流档 多量程的分流器有两种电路。图 24-1 的电路是利用转换开关分别接入不同阻值的分流器来改变 它的电流量程。这种电路计算简单，缺点是可能由于开关接触不好致使测量不准。最坏情况（在开 关接触不通或带电转换量程时有可能发生）是开关断路，这时全部被测电 69 图 24-1 图 24-2 流都流过表头造成严重过载（甚至损坏）。因此多量程分流器都采用图 24-2 的电路，以避免上述 缺点。计算时按表头支路总电阻ｒ。′=2250Ω来设计，其中ｒ′是一个“补足”电阻，数值视ｒ。 大小而定。 图 24-3 为实验用万用表直流电流档电路，采用环形分流器。 图 24-3 给定表头参数Ｉｍ=100ｕＡ，ｒ‘0=2250Ω 由图 24-3 得知 (24-1) 同理可推得 (24-2) 合并(24-1)和(24-2)得 将 消去有: (24-3) 现将己知数据代入计算如下: 0 1 1( )m mI r I I R′⋅ = − 0 1 1 1( )mI r R I R′ + = 1 1 0 1( )m RI Ir R = ′ + 2 2 0 1( )m RI Ir R = ′ + 1 2 1 2 0 1 0 1( ) ( ) R RI Ir R r R =′ ′+ + 0 1r R′ + 1 1 2 2I R I R= 0 1 1( ) m m I rR I I ′= − 6 1 3 4 100 10 2250 2250 25010 10 9R − − − × ×= = = Ω− 1 1 2 2I R I R= 1 2 1 2 IR RI = 70 2.直流电压档 图 24-4 图示 24-4 为实验用万用表直流电压档线路,给定表头参数同上 先根据表头的满偏电流,计算出Ω/V(每伏欧姆数) 下面计算 和 =2.5V*10KΩ/V-ｒ。′=25KΩ-2250Ω=22.75 KΩ =（10-2.5）V*10KΩ/V=75 KΩ 3.交流电压档 采用图示 24-5 所示的半波或全波整流电路,整流器用晶体二极管.本实验采用半波整流,既省元件, 线路又简单. 图 24-5 图 24-6 2 1 250 505R = × = Ω 1 2 2 200 50 r r R = Ω = = Ω 100 , 2250mI rµ ′= Α = Ω 61 10/ 10 /100 100AµΩ ∨ = = = ΚΩ ∨ 1R 2R 1R 2R 71 图 24-6 是一种交流电压档线路,并联在表头上的电阻 用来增大整流器的电流以减少整流元件 的非线性影响; 用来减少在 不导电的半个周期内加到 上的反向电压以防止它的击穿. (1) 的计算 若并联电阻 后流过 的电流为 ,此时 为: (2)由于流经表头的电流为直流,因此要换算成交流有效值 .原表头并上 以后可以整体看成一 只 的满偏的表头,再加上整流电路为半波整流电路,此时有效值与平均值之比为 2.22.因此有效 值 (3)计算 其中 为 表头的内阻 为二极管 的正向导通电阻按 计算. 则 R20=20/444.4*10-6-1125-500=45004.5-1125-500=43.38KΩ 4.欧姆档 (1)原理说明 电阻的测量是利用在固定电压下将被测电阻串联到电路时要引起电路中电流改变这一效应来 实现的,图 24-7 是一种最简单的欧姆表线路. 图 24-7 它是将一只磁电系测量机构(表头)配上限流电阻 和干电池(电势为 E)组合而成的,若表头的满 偏电流为 ,内阻为 ,接入被测电阻 后流过表头的电流可用下式表达 从这个公式可以看出,被测电阻 越小,则电路的电流 越大,反之,则越小.因此通过表头的电流 值可间接反映 的大小. 当 时(即仪表端钮短路)流过表头的电流有最大值.适当选择限流电阻 的数值,使流过表 头的最大电流,刚好等于表头的满偏电流 ,即 的数值为: sR 2D 1D 1D sR sR 1D 200µΑ sR 0 100 2250 2250200 100 m s m I rR I I ′ ×= = = Ω′− − 2I sR 200µΑ 6 2 200 10 444040.45I µ −×= = Α 20R 6 20 0 20 10444.4R r R−= × − − 正 0r 200µΑ 1125Ω R正 1D 500Ω bR mI iR xR ( )x i b X EI R R R = + + xR xI xR 0xR = bR mI m i b EI R R = + bR 72 这时,指针的满偏转处刻度为 . 当 (即仪表端钮开路口时)表头没有电流通过,仪表指针处在 0 处,此处则刻以 ,而 从 0-∞之间的任何 值,都包括在这个刻度范围内.即在这种线路中,表头的刻度尺改按欧姆来刻度. 它具有反向的不均匀的刻度特性. 当被测电阻等于欧姆表的内阻 时,电表读数应恰好在刻度尺的中央,这一电阻刻度称为” 中值电阻”.用 来表示,其大小可用下式计算 表面看来,从 0-∞之间的所有 值都包括在刻度范围内.但实际上只有在 到 5 倍 这一 个范围内的电阻值,才能测得比较准确,而靠近刻度尺两端(即 0 与∞),测量准确度是很低的,而且不易 读准.因此在使用欧姆表时,有必要选择全适的中值电阻(称为量程选择)，以得到较准确的测量值。所 以欧姆表量程的选择实际上是中值电阻的选择。 为了改变欧姆表的量程（即改变中值电阻的数值），通常的办法是给表头并联上一个分流电阻 。 电阻档可以单独设计自己的分流电路，也可以和电流档共用一个环流分流电路，这样不但节省 元件还能简化电路计算，不过这时要使用转换开关把“调零”电阻 R 接入电路，就增加了电路设计 上的困难。采用这种方法，中值电阻值也不能任意选用了，它决定于电流档量程数值和所用的电池 电势 E 的大小。 （2）电路的选择与计算 图 24-8 为本实验采用的欧姆档线路，表头的参数同前，即 图 24-8 取 E=1.5V ① 的并入，使得表头电流满偏时，仪表的灵敏度降低，从 A 端流出口电流 增大了， 的 增大，使得从 A,B 两点自进去，仪表的总内阻较未并入 时降低了。 若取 ＝250Ω，则测量机构部分变成为 1mA 的电流表（见实验五中直流电流表的计算），此时 。 ② Ω （3）计算欧姆刻度 欧姆表的刻度可以用计算的办法来刻度的，即可将原表头的刻度盘改为按欧姆刻度。这时需要 计算 的各个值应该刻度在哪些分格上，计算公式为： 格 其中 ----刻度盘上的满偏格数（一般为 50 格） b i m ER RI = − 0xR = xR = ∞ xR = ∞ xR ( )i bR R+ mR ( )m i b m ER R R I = + = xR 1/5 mR mR sR 0100 , 2250mI rµ ′= Α = Ω sR NI NI sR sR 3 1.5 15001 10mR −= = Ω× 0 3 0 1.5 2250 250 1500 225 12751 10 2250 250 S b N S r RER I r R − ′ ×= − = − = − =′ + × + xR m m m x R R R α α= + m α 73 ----欧姆表的中值电阻值 ----被测电阻值 ----与 对应的刻度格数 本实验中 为 1500 ，下面列表以示分度格数与 的关系。 0 100 200 300 500 700 1200 1500 1700 格 50.0 46.9 44.1 41.7 37.5 34.1 27.8 25 23.4 2000 3000 5000 10K 20K 格 21.4 16.7 11.5 6.5 3.5 5.电表的校验 被校表的指示值 与标准表的“实际值” 之间的差值称为绝对误差△。 将绝对误差加一个负号，就是所谓的校正值 c 在高准确度的电表中，常附有校正曲线，以便采取“加”校正值的方法来提高测量结果的准确 度。 电表的准确度是由“准确级”来说明的。我国生产的电表的准确级分为 0.1、0.2、0.5、1.0、 1.5、2.5 和 5.0 七级。准确级 的定义是 其中 是电表的最大绝对误差， 是电表的量程，所以， 值越小，准确度越高。 校表时要求： （1）标准表的准确级要比被校表的准确度高两级，例如必需用 0.2 级标准表去校 1.0 级表，用 1.5 级标准表校 5.0 级等。 （2）校验时要在指针偏转单向上升，然后单向下降的条件下进行，以便观察表头的摩擦情况。 即上升时把被校表指针从零点调到正指主要分度（指有数字的分度），若指针调过了头，应退回到零 点重新上升到最大值，下降也一样。若调过了头应退回到最大点重新下降。在被校表的每一主要分 度上读出标准表相应的度数，计算出校正值，即可制作校正曲线。以被校表读数为横坐标。以上升、 下降两次校正值的平均值为纵坐标所作曲线即为校正曲线。曲线上各点间应以直线连接成一折线。 坐标比例尺应合适，以便应用。 三、仪器设备 1.电路分析实验箱 一台 2.数字万用表 一只 四、实验内容与步骤 （实验用电路已经在面板上基本连接好，用虚线连接的元件需要同学自己动手连接）。 磁电系微安表头数据：满偏电流 ，内阻为 ，内阻可直接用万用表测量。由于购得的 的微安表其内阻不一定是我们所需的 ，所以先在表头中串入一个可变电阻（可用实 验箱右边的 4.7K 电位器），调节可变电阻的数值使得加上微安表的内阻 后其总阻值等于 。 然后将 的表头连同所加的可变电阻作为一个体接入电路内。 mR xR α xR mR Ω xR xR Ω α xR Ω α x α α x α α∆ = − xc α α= −∆ = − α 100 /m mα α≥ ∆ m∆ mα α 100µΑ 2250Ω 100µΑ 2250Ω 0r 2250Ω 100µΑ 74 1. 直流电流档 组成直流电流量程为 的电流表，并对其进行校验。 （1） 按图 24-3 搭接成直流电流表，电阻 和 可在万用表电路区找到 （2） 校验 图 24-9 图 24-9 为直流电流表校验电路一，图中带下标“0”的是标准表，带下标“X“的是被校表。（图中 电源 E 用直流稳压电流，电阻的电位器可用其它单元的元件） 2.直流电压档 组成直流电压量程 2.5/10V 为的电压表，并对其进行校验。 （1）按图 24-4 搭接， , 均可在实验箱中找到 （2）R1=22.75K=（22K+0.75K）， R2=75KΩ （3）校验（图 24-10）为直流电压档的校验电路，图中 E 用直流稳压电源） 图 24-10 图 24-11 校验时注意： ①先将指针的机械零点调准。 ②校验时只在被校表的主要刻度点（即标有数字的点）上读数。 3.交流电压档 组成交流电压量程为 20V 的电压表，并对其进行校验。 （1）按图 24-6 搭接 （2）按图 24-11 校验 注：由于实验箱中没有交流单相调压器，故可直接用实验箱上互感电路区的电压加在标准表与 被校表两端，加以核对。 4．欧姆档 15 mΑ 1r 2r 1 2200 , 50 20 30r r= Ω = Ω = Ω + Ω 1R 2R 20 2250( 2.2 30 20 ) 43.38 ( 43 360 20 ) sR K R = = + Ω + Ω = Κ = Κ + Ω + Ω 75 组成中值电阻为 1500Ω的欧姆表，并对其进行校验。 （1）按图 24-8 搭接线路，并对该欧姆表进行刻度。 （2）欧姆刻度的核对 用实验相箱中的电阻核对计算出来的刻度视其接近程度。（更准确的核对要用准确度更高的电阻 箱）。 表 24-1 万用表校验记录 数据 项目 仪表 量限 标准表 读 数 Ao 被校表 读 数 Ａx 绝对误差 Δ=Ａx-Ａo 相对误差 Γ=Δ/ Ao*100% 引用误差 Γm=Δ/ Am*100% 1mA 直流 电流 5mA 2.5V 直流 电压 10V 交流电压 20V 五．实验报告要求 1.总结使用欧姆档的注意事项。 2.作电流表的校验报告。 3.作电压表的校验报告。 76 接电源 负载接 红 兰绿黄 图 26-1 实验二十五 单相电度表的接线与校验 一．实验目的  1．了解电度表的工作原理，掌握电度表的接线和使用； 2．学会测定电度表的技术参数和校验方法。 二．原理说明  电度表是一种感应式仪表，是根据交变磁场在金属中产生感应电流,从而产生转矩的基本原理而 工作的仪表，主要用于测量交流电路中的电能。 1．电度表的结构和原理 电度表主要由驱动装置、转动铝盘、制动永久磁铁和指示器等部分组成。 驱动装置和转动铝盘：驱动装置有电压铁芯线圈和电流铁芯线圈，在空间上、下排列，中间隔 以铝制的园盘。驱动两个铁芯线圈的交流电，建立起合成的交变磁场，交变磁场穿过铝盘，在铝盘 上产生感应电流,该电流与磁场的相互作用，产生转动力矩驱使铝盘转动。 制动永久磁铁：铝盘上方装有一个永久磁铁，其作用是对转动的铝盘产生制动力矩，使铝盘转 速与负载功率成正比。因此，在某一测量时间内，负载所消耗的电能Ｗ就与铝盘的转数 n 成正比。 指示器：电度表的指示器不能象其他指示仪表的指针一样停留在某一位置，而应能随着电能的 不断增大（也就是随着时间的延续）而连续地转动，这样才能随时反应出电能积累的数值。因此， 它是将转动铝盘通过齿轮传动机构折换为被测电能的数值，由一系列齿轮上的数字直接指示出来。 2．电度表的技术指标 （1）电度表常数：铝盘的转数 n 与负载消耗的电能Ｗ成正比，即 比例系数Ｎ称为电度表常数，常在电度表上标明，其单位是转／１千瓦小时。 （2）电度表灵敏度：在额定电压、额定频率及 cosφ＝１的条件下，负载电流从零开始增大,测 出铝盘开始转动的最小电流值Ｉmin，则仪表的灵敏度表示 为 式中的ＩＮ为电度表的额定电流。 图 25-1 （3）电度表的潜动：当负载等于零时电度表仍出现缓慢转动的情况，这种现象称为潜动。按照 N n W = S I I N = ×min 100％ 77 V A w kwh ∗ ∗ • • 图 26-2 220V 规定，无负载电流的情况下，外加电压为电度表额定电压的 110％（达 242V）时，观察铝盘的转动 是否超过一周，凡超过一周者，判为潜动不合格的电度表。 本实验使用 220V、1.5A(6A)的电度表，接线图见图 25－1 所示，‘黄’、‘绿’两端为电流线圈，‘黄’、‘兰’两端为电压线圈。 三．实验设备  1．交流电压表、电流表和功率表 2．三相调压器（输出可调交流电压） 3.实验台 4．秒表 四．实验内容  1．记录被校验电度表的额定数据和技术指标： 额定电流ＩＮ＝ ，额定电压ＵＮ＝ ，电度表常数Ｎ＝ ， 2．用功率表、秒表法校验电度表常数 按图 25－2 接线，电度表的接线与功 率表相同，其电流线圈与负载串联，电压 线圈与负载并联。线路经指导教师检查后， 接通电源，将调压器的输出电压调到２２ ０Ｖ，按表 25－1 的要求接通灯组负载， 用秒表定时记录电度表铝盘的转数，并记 录各表的读数。为了数圈数的准确起见， 可将电度表铝盘上的一小段红色标记 图 25-2 刚出现（或刚结束）时作为秒表计时的开始。此外，为了能记录整数转数，可先预定好转数， 待电度表铝盘刚转完此转数时，作为秒表测定时间的终点，将所有数据记入表 25－1 中。 为了准确和熟悉起见，可重复多做几次。 表 25－1校验电度表准确度数据 测 量 值 计 算 值 负载情况 (灯泡数) U (V) I (A) P (W) 时间 (ｓ) 转数 n 实测电能 W(ｋWh) 计算电能 W(ｋWh) ΔW/W 电度表 常数 N 4 360 6 360 ３．检查灵敏度 电度表铝盘刚开始转动的电流往往很小，通常只有 0.5％ＩＮ，故将图 2－2 中的灯组负载拆除， 用三个电阻（一个 10kΩ／３Ｗ电位器，5.1kΩ／8W 和 10kΩ/8W 电阻）相串联作为负载，调节 10k Ω/3W 电位器，记下使电度表铝盘刚开始转动的最小电流值 Iｍｉｎ，然后通过计算求出电度表的灵敏 度。 ４．检查电度表潜动是否合格 78 切断负载，即断开电度表的电流线圈回路，调节调压器的输出电压为额定电压的１１０％（即 242V），仔细观察电度表的铝盘有否转动，一般允许有缓慢地转动，但应在不超过一转的任一点上停 止，这样，电度表的潜动为合格，反之则不合格。 五．实验注意事项  １．本实验台配有一只电度表，采用挂件式结构，实验时，只要将电度表挂在板图指定的位置 即可，实验完毕，拆除线路后取下电度表； ２．记录时，同组同学要密切配合，秒表定时，读取转数步调要一致,以确保测量的准确性； ３．注意功率表和电度表的接线。 六．预习与思考题  1．了解电度表的结构、工作原理和接线方法； 2．电度表有哪些技术指标？如何测定？ 七．实验报告要求  1．整理实验数据，计算出电度表的各项技术指标； 2．对被校电度表的各项技术指标作出评价。 . 79 实验二十六 直流电路综合设计性实验 一． 实验目的 1．培养自行设计直流电路实验和自选仪表的能力； 2．培养独立完成实验和实验报告的能力； 3． 掌握电工工具和电工仪表的正确使用方法。 二． 实验说明 运用直流电路的理论知识，根据实验室现有仪器仪表和设备，选定实验课题，明确实验目的， 给出实验电路，选择实验仪器和设备，确定元件参数，制定实验内容、操作步骤和注意事项，设计 实验数据表格，经指导教师审核批准后，进入实验室进行实验。 三、选择设计方案 这里提供几种选题供同学们参考，利用实验室现有的仪器设备设计实验电路，同时鼓励大家自 拟可行的实验课题： 选题一：电阻星形连接与三角形连接的等效变换 实验目的：研究电阻星形连接与三角形连接等效变换的条件及其正确性。 选题二：最大功率传输条件的研究 实验目的：1、理解阻抗匹配，掌握最大功率传输的条件。 2、掌握根据电源外特性设计实际电源模型的方法。 选题三：电压源、电流源及其等效变换的研究 实验目的： 1、掌握建立电源模型的方法； 2、掌握电源外特性的测试方法； 3、研究电源模型等效变换的条件。 选题四：特勒根定理的研究 实验目的： 1、研究特勒根定理二种形式及其应用 选题五：互易定理的研究 80 实验目的： 1、研究互易定理的三种形式及其应用