電路實驗與仿真硬件操作實驗課件

2.8最大功率傳輸條件的測定2.9二端口網(wǎng)絡(luò)與等效網(wǎng)絡(luò)變換實驗2.10受控源VCVS、VCCS、CCVS、CCCS的實驗研究2.11一階RC電路的暫態(tài)響應(yīng)2.12單相變壓器特性的測試2.13交流電路中頻率對R、L、C元件的影響

2.1線性與非線性電路實驗

一、實驗?zāi)康?/p>

(1)了解線性元件與非線性元件的伏安特性。

(2)掌握非線性元件的測量方法。

(3)掌握電工儀表及設(shè)備的使用方法。

二、實驗預(yù)習(xí)要求

(1)正確理解線性與非線性元件的概念。

(2)掌握電阻、普通二極管、穩(wěn)壓二極管的概念及不同之處。

(3)寫好實驗預(yù)習(xí)報告。三、實驗內(nèi)容與數(shù)據(jù)記錄

在大多數(shù)電路中，主要由兩種類型的元件組成，即線性元件和非線性元件。

本實驗主要研究線性元件及非線性元件的伏安特性及如何減小儀表的測量誤差。

(一)基本實驗部分

1.線性元件的伏安特性測量

實驗電路如圖2-1所示。

調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源的輸出電壓U，使R兩端的電壓依次為表2-1中UR所列值，記下相應(yīng)的電流表讀數(shù)，記入表2-1中。圖2-1線性元件的伏安特性測量電路表2-1線性元件的伏安特性

2.非線性元件伏安特性的測量

電路如圖2-2所示，測量二極管正向伏安特性，R為限流電阻。測量二極管的正向伏安特性時，其正向電流不得過大。二極管VD的正向壓降UVD+按表2-2所列取值，將測量值記錄于表2-2中。

如圖2-3所示電路連線，測量穩(wěn)壓二極管的反向伏安特性，R=510Ω，穩(wěn)壓電源的輸出電壓U從0V～20V，測量穩(wěn)壓管兩端的電壓UZ-及電流I，由UZ-的變化情況可看出其穩(wěn)壓特性，數(shù)據(jù)記錄于表2-2中。圖2-2非線性元件的伏安特性測量電路三、實驗內(nèi)容與數(shù)據(jù)記錄

(1)受控源、獨立電源和無源元件的特性。只有當(dāng)負(fù)載為電阻性負(fù)載時，電壓、電流同相才有cosφ=1；A、X為變壓器的低壓繞組，a、x為變壓器的高壓繞組,即電源經(jīng)屏內(nèi)調(diào)壓器接至低壓繞組，高壓繞組開路。二、實驗預(yù)習(xí)要求

(1)復(fù)習(xí)功率因數(shù)的基本概念和提高功率因數(shù)的基本方法。9二端口網(wǎng)絡(luò)與等效網(wǎng)絡(luò)變換實驗

(2)當(dāng)頻率f大于諧振頻率f0及小于諧振頻率f0時，電路各呈現(xiàn)什么性質(zhì)？

(3)在RLC串聯(lián)電路中，諧振時UC與UL是否相等，為什么？

(4)如何判別電路是否諧振，有哪些方法？

(3)理論計算時間常數(shù)τ、iC(t)、uC(t)。高通、低通濾波電路

(1)利用0.利用方波的下降沿作為零輸入響應(yīng)的負(fù)階躍激勵信號。電壓源與電流源之間可以互相轉(zhuǎn)換(見圖2-26)。此外,因變壓器空載時阻抗很大，故電壓表應(yīng)接在電流表外側(cè)。

(1)按圖2-12所示接線，測出各實驗數(shù)據(jù)，并填入表2-11中(注：S3接二極管)。

二、實驗預(yù)習(xí)要求

(1)正確理解電位、電位差、電位參考點等概念。

②調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源輸出電壓，使U1=2V，改變RL的數(shù)值，測量出U2、I2，將數(shù)據(jù)填入表2-38中。

(3)改變電路中哪些參數(shù)可以使電路發(fā)生諧振。并將測試結(jié)果填入表2-43、2-44、2-45中。

(2)了解單相變壓器空載特性、短路特性與外特性的意義及測定方法。將信號發(fā)生器輸出的正弦信號接至如圖2-54的電路，作為激勵源u，并用交流表測量，使激勵電壓的有效值為U=3V，并保持不變。在三相電源中，相電壓UP與線電壓UL的關(guān)系為：UL=

UP(UL=380V,UP=220V),各相之間的相位差為120°。

(2)預(yù)習(xí)二端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)矩陣及它們之間的相互關(guān)系。表2-2非線性元件的伏安特性

圖2-3穩(wěn)壓二極管的伏安特性測量電路而以不同的RL值代入上式可求得不同的P值，其中必有一個RL值使負(fù)載能從電源處獲得最大的功率。表2-42變壓器的短路特性測試

三、實驗內(nèi)容與數(shù)據(jù)記錄

對于任何一個線性網(wǎng)絡(luò)，我們所關(guān)心的往往只是輸入端口和輸出端口的電壓和電流之間的相互關(guān)系，并通過實驗測定的方法求取一個極其簡單的等值二端口電路來替代原網(wǎng)絡(luò)，此即為“黑盒理論”的基本內(nèi)容。

③電流控制電壓源(CCVS)：U2＝f(I1)，rm＝U2/I1稱為轉(zhuǎn)移電阻。圖2-6電路圖(二)圖2-33無源二端口網(wǎng)絡(luò)(2)當(dāng)受控源的輸出電壓(或電流)與控制支路的電壓(或電流)成正比變化時，則稱該受控源是線性的。

(4)總結(jié)高通、低通濾波電路和RLC并聯(lián)電路的頻率特性。12單相變壓器特性的測試斷開R3，從AD兩端看進去，測得AD兩端電壓Uoc，即等效電壓。從熒光屏上數(shù)得一個周期占n格，相位差占m格，則實際的相位差f(阻抗角)為一個簡單的RC串聯(lián)電路，在方波序列脈沖的重復(fù)激勵下，當(dāng)滿足τ＝RC<<(T為方波脈沖的重復(fù)周期)，且由R兩端的電壓作為響應(yīng)輸出時，這就是一個微分電路。調(diào)節(jié)R2，令其阻值由大至小變化，記錄電壓、電流的值于表2-24中。

(2)掌握直流二端口網(wǎng)絡(luò)傳輸參數(shù)的測量技術(shù)。圖2-20電路圖(三)鐵芯變壓器

理想變壓器實際上是不存在的。使信號發(fā)生器的輸出頻率從200Hz逐漸增至5kHz，分別接通R、L、C三個元件，用交流表測量Ur，并測出IR、IL和IC(即Ur/r)以及R=U/IR、XL=U/IL及XC=U/IC之值。這四個參數(shù)表征了該二端口網(wǎng)絡(luò)的基本特性，它們的含義分別是：

(二)增強實驗部分

利用本實驗臺中的非線性電阻(小燈泡)作為測量對象，自己設(shè)計一個實驗電路和測量數(shù)據(jù)表格，完成對非線性電阻(小燈泡)伏安特性的測量。

四、實驗思考

(1)根據(jù)表2-1、表2-2總結(jié)線性元件和非線性元件的伏安特性。

(2)畫出電阻、二極管、穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線。(3)圖2-2電路中為什么要串入200Ω的電阻？

2.2直流電路中電位及電位差的測試

一、實驗?zāi)康?/p>

(1)在實驗中，如何理解電壓、電位的不同之處。

(2)理解電位的單值性、相對性及電位差的絕對性。

(3)學(xué)會制作直流電路中的電位圖。

二、實驗預(yù)習(xí)要求

(1)正確理解電位、電位差、電位參考點等概念。

(2)何謂電位的單值性、相對性及電位差的絕對性。

(3)什么是電路的電位圖，它能說明哪些問題。

(4)寫好實驗預(yù)習(xí)報告。三、實驗內(nèi)容與數(shù)據(jù)記錄

電路中的電位參考點(即零電位點)一經(jīng)選定，各點電位就只有一個固定的數(shù)值，這就是電位的單值性。如果將已給定電路中某點的電位升高某一數(shù)值，此時電路中其他各點的電位也相應(yīng)地升高同一數(shù)值，這就是電位的相對性。至于任意兩點間的電壓仍然不變，與參考點的選擇無關(guān)，這就是電壓的絕對性。

(一)基本實驗部分

1.基本實驗一

實驗電路按圖2-4所示接線。圖2-4實驗電路

(1)以A點為電位參考點，測定各點電位，將數(shù)據(jù)記錄在表2-3中。

(2)以D點為電位參考點，測定各點電位，將數(shù)據(jù)記錄于表2-4中。根據(jù)表2-3、表2-4的數(shù)據(jù)，計算出電位差或直接用電壓表測出電位差，填入表2-5、表2-6中。

2.基本實驗二

如圖2-5所示連接電路，注意電路中電位參考點的位置，分別測出A、B、C、D點的電位。

VA=________(

)，VB=________(

)，

VC=________(

)，VD=________(

)圖2-5電路圖(一)

(二)增強實驗部分

了解直流電路中各點電位的分布情況是分析、計算電路最基本的方法之一，在以后分析晶體管電路時，電位概念是非常重要的。

直流電路中各點電位的分布，可以通過實驗先測得電路中各點電位的高低(或根據(jù)電源和電阻的數(shù)值進行計算得出)，再根據(jù)電路圖(見圖2-6)作出電位圖(見圖2-7)。圖2-6電路圖(二)圖2-7電位圖作圖方法：在直角坐標(biāo)上，橫軸表示電阻，以R為順序按比例作出各電阻元件電阻的大小(穩(wěn)壓電源內(nèi)阻很小，約0.6Ω，可忽略不計)；縱軸表示電位，按某一比例作出各對應(yīng)點電位的高低；順序連接各點電位所得的折線，就表示沿著該電路各點電位變化的規(guī)律(電位圖)。

(1)如圖2-8所示連接電路，分別測出各點電位并填入表2-7中，畫出電位圖。

(2)如圖2-9所示連接電路，分別測出各點電位并填入表2-8中，畫出電位圖。

四、實驗思考

(1)根據(jù)表2-1、表2-2總結(jié)線性元件和非線性元件的伏安特性。(3)將元件R、L、C串聯(lián)或并聯(lián)相接，亦可用同樣的方法測得Z串與Z并的阻抗頻率特性Z～f，根據(jù)電壓、電流的相位差可判斷Z串或Z并是感性還是容性負(fù)載。為了從數(shù)值上表示諧振電路對頻率的選擇性，以所包含的頻率范圍定義為電路的通頻帶。三、實驗內(nèi)容與數(shù)據(jù)記錄

在交流電路中，由于電容、電感的存在，引起電壓、電流之間的相位差，所以整個電路的總電壓等于各個分電壓的矢量和，總電流等于各個分電流的矢量和。通常設(shè)法改變負(fù)載電阻，或者在信號源與負(fù)載之間加阻抗變換器(如音頻功放的輸出級與揚聲器之間的輸出變壓器)，使電路處于匹配工作狀態(tài)，以使負(fù)載能獲得最大的輸出功率。

①按圖接線，接通電源。(二)增強實驗部分

微分電路和積分電路是RC一階電路中較典型的電路，它對電路元件參數(shù)和輸入信號的周期有著特定的要求。圖2-51變壓器繞組同名端的判斷在三相電源中，相電壓UP與線電壓UL的關(guān)系為：UL=

UP(UL=380V,UP=220V),各相之間的相位差為120°。(3)根據(jù)實驗觀測結(jié)果，歸納、總結(jié)積分電路和微分電路的形成條件，闡明波形變換的特征。若U13是兩個繞組端電壓之差，則1、3是同名端；

(2)了解單相變壓器空載特性、短路特性與外特性的意義及測定方法。時的頻率分別稱為上限頻率f2及下限頻率f1，則通頻帶Δf=f2-f1，而且Δf×Q=f0關(guān)系成立，所以Q值愈大，則Δf愈小，即通頻帶愈窄，反之則通頻帶愈寬。圖2-31電路圖(一)三、實驗內(nèi)容與數(shù)據(jù)記錄

三相電路是一種特殊形式的正弦交流電路。(二)實驗部分

(1)將相關(guān)器件按圖2-32接線。

③固定RL=2kΩ，調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源輸出電壓U1，按表2-39所列U1值測出相應(yīng)的U2值，繪制U2＝f(U1)曲線，計算出線性部分電壓增益系數(shù)μ。四、實驗思考題

(1)為什么每次實驗時都要強調(diào)將調(diào)壓器恢復(fù)到起始零位時方可合上電源開關(guān)或斷開電源開關(guān)？

(2)變壓器的空載實驗和短路實驗有什么特點？實驗中電源電壓一般加在哪一方較合適？

(3)在空載實驗和短路實驗中，各種儀表應(yīng)怎樣連接才能使測量誤差最小？

(4)如何用實驗方法測定變壓器的鐵耗及銅耗。其中，幅值與頻率的關(guān)系稱為幅頻特性，相位與頻率的關(guān)系稱為相頻特性。

如圖2-3所示電路連線，測量穩(wěn)壓二極管的反向伏安特性，R=510Ω，穩(wěn)壓電源的輸出電壓U從0V～20V，測量穩(wěn)壓管兩端的電壓UZ-及電流I，由UZ-的變化情況可看出其穩(wěn)壓特性，數(shù)據(jù)記錄于表2-2中。進行空載實驗時，將高壓側(cè)開路，由低壓側(cè)通電進行測量，因空載時功率因數(shù)很低，故測量功率時應(yīng)采用低功率

因數(shù)瓦特表。圖2-8電路圖(三)圖2-9電路圖(四)四、實驗思考

(1)根據(jù)表2-3～表2-6的數(shù)據(jù)總結(jié)電位、電位差之間的關(guān)系。

(2)對于表2-5、表2-6，獲得電位差數(shù)據(jù)的基本方法有幾種？哪一種方法誤差更小。

(3)根據(jù)表2-7、表2-8中的實驗數(shù)據(jù)，可得出什么結(jié)論？(4)在測量電位時，直流電壓表的負(fù)極應(yīng)該接哪里？

2.3疊加原理及戴維南定理

一、實驗?zāi)康?/p>

(1)正確理解疊加原理的應(yīng)用場合(在什么情況下可以應(yīng)用疊加原理)。

(2)如何利用戴維南定理測定等效電源的參數(shù)。

(3)正確使用電壓表、電流表及穩(wěn)壓電源。

二、實驗預(yù)習(xí)要求

(1)復(fù)習(xí)疊加原理、戴維南定理的基本概念。

(2)寫出等效電源、電阻的公式，并計算出開路電壓及短路電流。

(3)寫出實驗預(yù)習(xí)報告。三、實驗內(nèi)容與數(shù)據(jù)記錄

1.疊加原理

幾個獨立電源在線性電路中共同作用時，它們在電路中任何部分所產(chǎn)生的電流(或電壓)等于這些獨立電源分別單獨作用時在該部分所產(chǎn)生的電流(或電壓)的代數(shù)和。

2.戴維南定理(等效電源定理)

一個含源二端線性電路，它的外部特性可用一個獨立的電壓源U0、內(nèi)阻為R0的串聯(lián)等效電源來代替。U0等于端口的開路電壓，電阻R0等于電路所有獨立電壓源去掉并短接后從開路兩端看進去的總電阻。在復(fù)雜線性電路中，如果計算某一支路中的電源，應(yīng)用等效電源定理顯得特別方便。

(一)基本實驗部分

1.疊加原理實驗

按圖2-10所示接線，要求根據(jù)疊加原理分別測出U1、U2共同作用和U1、U2單獨作用三種情況下的各電壓和I1、I2、I3，并填入表2-9中(注：S3接330Ω電阻)。非線性元件伏安特性的測量

電路如圖2-2所示，測量二極管正向伏安特性，R為限流電阻。調(diào)節(jié)R2，令其阻值由大至小變化，記錄電壓、電流的值于表2-25中。

①按圖接線，接通電源。

(2)實驗方法。(一)基本實驗部分

1.繪制CCVS的輸出伏安特性U2=f(I2)。四、實驗思考

(1)掌握實際電感中內(nèi)阻r的計算方法。受控源有兩對端鈕，一對輸出端鈕，一對輸入端鈕，輸入端用來控制輸出端電壓或電流大小，施加于輸入端的控制量可以是電壓或是電流。進行空載實驗時，將高壓側(cè)開路，由低壓側(cè)通電進行測量，因空載時功率因數(shù)很低，故測量功率時應(yīng)采用低功率

因數(shù)瓦特表。若U13是兩個繞組端電壓之差，則1、3是同名端；圖2-51變壓器繞組同名端的判斷讀取實驗電路中各儀表數(shù)據(jù)填入表2-41中，計算變壓器各項參數(shù)值。

①按圖接線，接通電源。

(3)復(fù)習(xí)功率表的正確使用方法。總阻抗Z0=R為最小值。(2)函數(shù)信號發(fā)生器輸出10U＋的正弦波接入U1兩端。圖2-9電路圖(四)

(3)預(yù)習(xí)交流電表的基本性能和量程的正確使用。

(3)預(yù)習(xí)交流電表的基本性能和量程的正確使用?；緦嶒灦?/p>

如圖2-5所示連接電路，注意電路中電位參考點的位置，分別測出A、B、C、D點的電位。圖2-10電路圖(一)若將圖2-48(a)中的R與C位置調(diào)換一下，如圖2-48(b)所示，由C兩端的電壓作為響應(yīng)輸出?！餍芜B接也叫π形連接，或三角形連接。圖2-15電路圖(二)圖2-43電路的零狀態(tài)響應(yīng)圖2-34實驗電路12單相變壓器特性的測試當(dāng)負(fù)載為其他負(fù)載時，cosφ則介于0～1之間。2直流電路中電位及電位差的測試

一、實驗?zāi)康?/p>

(1)在實驗中，如何理解電壓、電位的不同之處。2直流電路中電位及電位差的測試

一、實驗?zāi)康?/p>

(1)在實驗中，如何理解電壓、電位的不同之處。1線性與非線性電路實驗

一、實驗?zāi)康?/p>

(1)了解線性元件與非線性元件的伏安特性。

(2)了解單相變壓器空載特性、短路特性與外特性的意義及測定方法。圖2-50鐵芯變壓器參數(shù)測量線路四、實驗思考

(1)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，畫出諧振曲線。四、實驗思考

(1)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，繪出四種受控源的轉(zhuǎn)移特性和負(fù)載特性曲線，并求出相應(yīng)的轉(zhuǎn)移參數(shù)。11一階RC電路的暫態(tài)響應(yīng)

一、實驗?zāi)康?/p>

(1)測定一階RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)和零輸入響應(yīng)，并從響應(yīng)曲線中求出RC電路的時間常數(shù)τ。串聯(lián)諧振特點

將R、L、C串聯(lián)電路接至頻率可變電源Ui上(見圖2-17)，由于感抗和容抗的數(shù)值隨頻率變化而改變，因此電路中的電流大小也隨頻率變化而變化，其數(shù)值為使信號發(fā)生器的輸出頻率從200Hz逐漸增至5kHz，分別接通R、L、C三個元件，用交流表測量Ur，并測出IR、IL和IC(即Ur/r)以及R=U/IR、XL=U/IL及XC=U/IC之值。

(2)學(xué)會測量、繪制變壓器的空載特性、短路特性與外特性曲線。

(2)寫出等效電源、電阻的公式，并計算出開路電壓及短路電流。

(2)研究電路品質(zhì)因數(shù)Q值對諧振特性的影響。表2-9疊加原理

2.戴維南等效電路測定

實驗電路如圖2-11所示，U1、U2分別為12V、6V。斷開R3，從AD兩端看進去，測得AD兩端電壓Uoc，即等效電壓。接上R3電阻，測出AD兩端電壓U3。運用公式

計算出等效電阻Req，最后測得IL值，將結(jié)果記錄于表2-10中。圖2-11電路圖(二)

(二)增強實驗部分

進一步理解疊加原理在線性網(wǎng)絡(luò)電路中的應(yīng)用，如果電路是非線性的,如圖2-12所示，加入二極管后，則疊加原理就不適用了。

(1)按圖2-12所示接線，測出各實驗數(shù)據(jù)，并填入表2-11中(注：S3接二極管)。

(2)按圖2-13所示接線，測出各點實驗數(shù)據(jù)，并填入表2-12中(注：S3接330Ω電阻)。圖2-12電路圖(三)圖2-51變壓器繞組同名端的判斷當(dāng)電路的參數(shù)滿足τ＝RC>>條件時，即稱為積分電路。表2-22三相電路星形連接(一)基本實驗部分

(1)測量R、L、C元件的阻抗頻率特性。

(2)寫出等效電源、電阻的公式，并計算出開路電壓及短路電流。

(3)預(yù)習(xí)三相電源的相序概念。

(2)以D點為電位參考點，測定各點電位，將數(shù)據(jù)記錄于表2-4中。若用雙蹤示波器同時觀察r與被測元件兩端的電壓，亦就展現(xiàn)出被測元件兩端的電壓和流過該元件電流的波形，從而可在熒光屏上測出電壓與電流的幅值及它們之間的相位差。圖2-39CCVS電路圖三、實驗內(nèi)容與數(shù)據(jù)記錄

在交流電路中，由于電容、電感的存在，引起電壓、電流之間的相位差，所以整個電路的總電壓等于各個分電壓的矢量和，總電流等于各個分電流的矢量和。三、實驗內(nèi)容與數(shù)據(jù)記錄

1.(3)設(shè)置R0=100Ω，開啟穩(wěn)壓電源，用直流電壓表按表2-28中的內(nèi)容進行測量，即令RL在0～1kΩ范圍內(nèi)變化時，分別測出Uo、UL及I的值，并填入表2-28中。CCVS的輸出伏安特性及轉(zhuǎn)移電阻rm的測試

(1)實驗線路如圖2-39所示。

(2)實驗方法。

調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源的輸出電壓U，使R兩端的電壓依次為表2-1中UR所列值，記下相應(yīng)的電流表讀數(shù)，記入表2-1中。

(2)將函數(shù)信號發(fā)生器輸出的正弦波經(jīng)功率輸出接入a、b。疊加原理實驗

按圖2-10所示接線，要求根據(jù)疊加原理分別測出U1、U2共同作用和U1、U2單獨作用三種情況下的各電壓和I1、I2、I3，并填入表2-9中(注：S3接330Ω電阻)。

(3)預(yù)習(xí)交流電表的基本性能和量程的正確使用。

(2)受控源轉(zhuǎn)移電阻rm，轉(zhuǎn)移電導(dǎo)gm，電流增益系數(shù)α，電壓增益系數(shù)μ的意義是什么？應(yīng)如何測試？

(2)從電路板上選R＝10kΩ，C＝6800pF組成如圖2-47所示的RC充放電電路。圖2-12電路圖(三)表2-11含非線性元件情況

圖2-13電路圖(四)表2-12不含非線性元件情況

四、實驗思考

(1)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)進行分析比較，歸納總結(jié)實驗結(jié)論。(2)在進行疊加原理實驗時，對不作用的電壓源、電流源應(yīng)如何處理？

(3)為什么在電流測量中會出現(xiàn)負(fù)值？

(4)各電阻所消耗的功率能否用疊加原理實現(xiàn)？

(5)根據(jù)圖2-12所示電路圖，是否能用疊加原理，為什么？

(6)在圖2-10所示電路圖中，測量開路電壓Uoc和短路電流Isc時，U1、U2是共同作用，還是分別作用？

(7)將理論數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)進行比較，分析誤差原因。

2.4提高功率因數(shù)及高通、低通濾波電路的研究一、實驗?zāi)康?/p>

(1)掌握交流參數(shù)的測試方法。

(2)提高功率因數(shù)的基本方法。

(3)掌握單相功率表的使用方法。

(4)研究高通、低通濾波電路特性。二、實驗預(yù)習(xí)要求

(1)復(fù)習(xí)功率因數(shù)的基本概念和提高功率因數(shù)的基本方法。

(2)預(yù)習(xí)交流電路中各器件的計算及矢量概念。

(3)預(yù)習(xí)交流電表的基本性能和量程的正確使用。

(4)寫出實驗預(yù)習(xí)報告。三、實驗內(nèi)容與數(shù)據(jù)記錄

在交流電路中，由于電容、電感的存在，引起電壓、電流之間的相位差，所以整個電路的總電壓等于各個分電壓的矢量和，總電流等于各個分電流的矢量和。這是交流電路與直流電路的最大區(qū)別。

在交流電路中，計算功率(P)除考慮其電壓(U)、電流(I)外，還要考慮電壓、電流之間的相位差(φ)。

即

P=U·I·cosφ

式中，cosφ是電路的功率因數(shù)。只有當(dāng)負(fù)載為電阻性負(fù)載時，電壓、電流同相才有cosφ=1；當(dāng)負(fù)載為其他負(fù)載時，cosφ則介于0～1之間。cosφ愈小，發(fā)電機發(fā)出的有功功率就愈小，無功功率則愈大。無功功率愈大，發(fā)電機發(fā)出的能量就不能充分被利用。同時，由于線路和發(fā)電機繞組存在內(nèi)阻，因此cosφ愈小，功率損耗ΔP就愈大，電網(wǎng)線路傳輸效率將下降，所以提高功率因數(shù)對國民經(jīng)濟發(fā)展有著極為重要的意義。

功率因數(shù)不高的根本原因是由于存在電感性負(fù)載(如：電動機、電焊變壓器等)。常用的解決方法是在電感性負(fù)載兩端并聯(lián)電容，減小電壓和線路電流之間的相位差，提高功率因數(shù)。由于并聯(lián)了電容，線路電流減小，功率損耗下降。

(一)基本實驗部分

(1)按圖2-14所示連線(可變電容C斷開)，測定各實驗數(shù)據(jù)，并填入表2-13中。二極管VD的正向壓降UVD+按表2-2所列取值，將測量值記錄于表2-2中。13交流電路中頻率對R、L、C元件的影響繪制VCVS的輸出伏安特性U2=f(I2)。因為線圈有直流電阻，鐵芯中有渦流磁滯損耗，并且為了傳送能量鐵芯中還必須儲藏磁能，所以變壓器還對電源吸收無功功率。圖2-2非線性元件的伏安特性測量電路VCVS的輸出伏安特性及電壓增益系數(shù)μ的測試

(1)實驗線路如圖2-42所示。1)IN范圍內(nèi)測取變壓器的I20、U20、P20和U10，共取數(shù)據(jù)6～7組，記錄于表2-42中，其中,I20=IN的點必測。接上R3電阻，測出AD兩端電壓U3。

即

P=U·I·cosφ

式中，cosφ是電路的功率因數(shù)。(2)電感兩端的電壓、電流相位，哪一個超前？電容呢？圖2-34實驗電路鐵芯變壓器

理想變壓器實際上是不存在的。圖2-6電路圖(二)(二)增強實驗部分

1.此外,因變壓器空載時阻抗很大，故電壓表應(yīng)接在電流表外側(cè)。圖2-35負(fù)載Y形連接法二、實驗預(yù)習(xí)要求

(1)預(yù)習(xí)二端口網(wǎng)絡(luò)及其方程。

直流電路中各點電位的分布，可以通過實驗先測得電路中各點電位的高低(或根據(jù)電源和電阻的數(shù)值進行計算得出)，再根據(jù)電路圖(見圖2-6)作出電位圖(見圖2-7)。

(2)以D點為電位參考點，測定各點電位，將數(shù)據(jù)記錄于表2-4中。

(3)調(diào)節(jié)函數(shù)信號發(fā)生器輸出信號的頻率為表2-16所列f值，保持信號幅值(10UP-P)不變，測量每個頻率值下相應(yīng)的R和C兩端的電壓U01和U02，記入表2-16中。圖2-14電路圖(一)

(2)根據(jù)表2-13中測得的數(shù)據(jù)，計算R、r、XL、Z、L、cosφ等參數(shù)，并將計算結(jié)果填入表2-14中。

(3)在圖2-14中的A、B兩端并聯(lián)可變電容C，測得實驗數(shù)據(jù)，并填入表2-15中。

(二)增強實驗部分

交流電路的基本元件有電阻R、電感L和電容C，用它們可以組成串聯(lián)、并聯(lián)或各種串、并混合電路。如果保持交流激勵源的幅值不變，只改變其頻率，則電路中各電容和電感元件的電流、電壓的幅值和相位都隨著改變，這就是交流電路的頻率特性。其中，幅值與頻率的關(guān)系稱為幅頻特性，相位與頻率的關(guān)系稱為相頻特性。本增強實驗將測試幾種交流電路的幅頻特性。

1.高通、低通濾波電路

(1)利用0.1μF和1kΩ電阻，按圖2-15(a)、(b)接線。圖2-15電路圖(二)

(2)函數(shù)信號發(fā)生器輸出10U＋的正弦波接入U1兩端。

(3)調(diào)節(jié)函數(shù)信號發(fā)生器輸出信號的頻率為表2-16所列f值，保持信號幅值(10UP-P)不變，測量每個頻率值下相應(yīng)的R和C兩端的電壓U01和U02，記入表2-16中。

2.RLC并聯(lián)電路

(1)利用0.1μF電容、30mH電感、200Ω及1kΩ電阻組成如圖2-16所示電路。

(2)將函數(shù)信號發(fā)生器輸出的正弦波經(jīng)功率輸出接入a、b。

(3)依次將函數(shù)信號發(fā)生器輸出信號的頻率調(diào)至表2-17所列的f值，并調(diào)節(jié)輸出信號的幅值，使r兩端的電壓Ur=1.00V。(4)在每一頻率值下，測量R兩端的電壓UR，記入表2-17中。圖2-16電路圖(三)四、實驗思考

(1)掌握實際電感中內(nèi)阻r的計算方法。

(2)當(dāng)并聯(lián)電容值變化時，觀察總電流I總的變化規(guī)律，并分析其原因。

(3)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)紙上繪制高通、低通濾波電路和RLC并聯(lián)電路的幅頻特性曲線。

(4)總結(jié)高通、低通濾波電路和RLC并聯(lián)電路的頻率特性。

2.5RLC諧振電路研究

一、實驗?zāi)康?/p>

(1)了解RLC串聯(lián)電路的諧振現(xiàn)象，測定諧振曲線。

(2)研究電路品質(zhì)因數(shù)Q值對諧振特性的影響。

(3)了解串聯(lián)電路的諧振特點。

(4)了解并聯(lián)電路的諧振特點。

二、實驗預(yù)習(xí)要求

(1)預(yù)習(xí)串、并聯(lián)電路的諧振條件，并計算出諧振頻率f0和品質(zhì)因數(shù)Q。

(2)如何判別電路已處于諧振狀態(tài)。

(3)改變電路中哪些參數(shù)可以使電路發(fā)生諧振。

(4)寫出實驗預(yù)習(xí)報告。

三、實驗內(nèi)容與數(shù)據(jù)記錄

1.串聯(lián)諧振特點

將R、L、C串聯(lián)電路接至頻率可變電源Ui上(見圖2-17)，由于感抗和容抗的數(shù)值隨頻率變化而改變，因此電路中的電流大小也隨頻率變化而變化，其數(shù)值為一個簡單的RC串聯(lián)電路，在方波序列脈沖的重復(fù)激勵下，當(dāng)滿足τ＝RC<<(T為方波脈沖的重復(fù)周期)，且由R兩端的電壓作為響應(yīng)輸出時，這就是一個微分電路。由各儀表讀得變壓器原邊(AX)的U1、I1、P1及副邊(ax)的U2、I2，并用萬用表R×1擋測出原、副繞組的電阻R1和R2，即可算得變壓器的以下各項參數(shù)值：(二)增強實驗部分

了解直流電路中各點電位的分布情況是分析、計算電路最基本的方法之一，在以后分析晶體管電路時，電位概念是非常重要的。表2-19RLC串聯(lián)諧振(二)(2)星形(Y形)連接實驗數(shù)據(jù)測定：按圖2-22所示接線(電路不對稱條件是在A相負(fù)載上并聯(lián)一個1μF電容，B相、C相不并聯(lián)電容)，測定各實驗數(shù)據(jù)，并填入表2-22中。cosφ愈小，發(fā)電機發(fā)出的有功功率就愈小，無功功率則愈大。二、實驗預(yù)習(xí)要求

(1)預(yù)習(xí)二端口網(wǎng)絡(luò)及其方程。

(2)掌握直流二端口網(wǎng)絡(luò)傳輸參數(shù)的測量技術(shù)。圖2-47RC暫態(tài)過程電路圖非線性元件伏安特性的測量

電路如圖2-2所示，測量二極管正向伏安特性，R為限流電阻。

(2)何謂電位的單值性、相對性及電位差的絕對性。圖2-1線性元件的伏安特性測量電路電源與負(fù)載功率的關(guān)系

圖2-31可視為一個電源向負(fù)載輸送電能的模型，R0可視為電源內(nèi)阻和傳輸線路電阻的總和，RL為可變負(fù)載電阻。二、實驗預(yù)習(xí)要求

(1)預(yù)習(xí)串、并聯(lián)電路的諧振條件，并計算出諧振頻率f0和品質(zhì)因數(shù)Q。圖2-16電路圖(三)若用雙蹤示波器同時觀察r與被測元件兩端的電壓，亦就展現(xiàn)出被測元件兩端的電壓和流過該元件電流的波形，從而可在熒光屏上測出電壓與電流的幅值及它們之間的相位差。因為線圈有直流電阻，鐵芯中有渦流磁滯損耗，并且為了傳送能量鐵芯中還必須儲藏磁能，所以變壓器還對電源吸收無功功率。讀取實驗電路中各儀表數(shù)據(jù)填入表2-41中，計算變壓器各項參數(shù)值。圖2-17電路圖(一)

式中，U為電源電壓，Z為總阻抗。

R=RL+R1

當(dāng)ωL=時，電路發(fā)生串聯(lián)諧振，電路呈電阻性。總阻抗Z0=R為最小值。電流I0=為最大值。

此時，諧振頻率f0為

其數(shù)值取決于電路參數(shù)L、C。

2.品質(zhì)因數(shù)Q對諧振特性的影響(諧振曲線及通頻帶)

品質(zhì)因數(shù)Q值標(biāo)志著諧振電路質(zhì)量的好壞，其大小取決于電路參數(shù)。Q值可以用諧振時電感或電容的端電壓與電源電壓的比值來表示，即

串聯(lián)電路中，電流隨頻率變化的關(guān)系曲線(見圖2-18)通常稱為諧振曲線，其縱坐標(biāo)表示電流，橫坐標(biāo)表示頻率。由諧振曲線可見，在諧振頻率f0附近電流較大，離開f0則電流很快下降，所以電路對頻率具有選擇性。Q值愈大，則電流下降得愈快，即曲線愈尖銳，選擇性愈好。為了從數(shù)值上表示諧振電路對頻率的選擇性，以所包含的頻率范圍定義為電路的通頻帶。時的頻率分別稱為上限頻率f2及下限頻率f1，則通頻帶Δf=f2-f1，而且Δf×Q=f0關(guān)系成立，所以Q值愈大，則Δf愈小，即通頻帶愈窄，反之則通頻帶愈寬。

(一)基本實驗部分

按圖2-19所示連接電路，測出各實驗數(shù)據(jù)，測量f0的方法如下：

(1)找出電路的諧振頻率f0，其方法是：將表接在R兩端，令信號源的頻率由小逐漸變大(注意要維持信號源的輸出幅度不變)，當(dāng)UR的讀數(shù)為最大時，讀得頻率計上的頻率值即為電路的諧振頻率f0，并測量UC與UL、UR、I總。

(2)在諧振點兩側(cè)，按頻率遞增或遞減依次各取4個測量點，逐點測出f、I總、UR、UL、UC之值，記入數(shù)據(jù)表2-18、表2-19中。

(3)選C=0.01μF，R=1kΩ及C=0.1μF，R=1kΩ，重復(fù)(1)、(2)兩步(自制表格)。圖2-19電路圖(二)表2-18RLC串聯(lián)諧振(一)

VCVS的輸出伏安特性及電壓增益系數(shù)μ的測試

(1)實驗線路如圖2-42所示。(3)在圖2-14中的A、B兩端并聯(lián)可變電容C，測得實驗數(shù)據(jù)，并填入表2-15中。

等效轉(zhuǎn)換條件為(二)增強實驗部分

利用本實驗臺中的非線性電阻(小燈泡)作為測量對象，自己設(shè)計一個實驗電路和測量數(shù)據(jù)表格，完成對非線性電阻(小燈泡)伏安特性的測量。(2)當(dāng)受控源的輸出電壓(或電流)與控制支路的電壓(或電流)成正比變化時，則稱該受控源是線性的。11一階RC電路的暫態(tài)響應(yīng)

(2)何謂電位的單值性、相對性及電位差的絕對性。圖2-22星形連接電路圖圖2-34實驗電路Q值可以用諧振時電感或電容的端電壓與電源電壓的比值來表示，即

串聯(lián)電路中，電流隨頻率變化的關(guān)系曲線(見圖2-18)通常稱為諧振曲線，其縱坐標(biāo)表示電流，橫坐標(biāo)表示頻率。

(2)從電路板上選R＝10kΩ，C＝6800pF組成如圖2-47所示的RC充放電電路。測量二極管的正向伏安特性時，其正向電流不得過大。(一)基本實驗部分

1.由諧振曲線可見，在諧振頻率f0附近電流較大，離開f0則電流很快下降，所以電路對頻率具有選擇性。在三相電源中，相電壓UP與線電壓UL的關(guān)系為：UL=

UP(UL=380V,UP=220V),各相之間的相位差為120°。

(4)用實驗驗證等效變換的正確性。

調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源的輸出電壓U，使R兩端的電壓依次為表2-1中UR所列值，記下相應(yīng)的電流表讀數(shù)，記入表2-1中。測定電流源的外特性

按圖2-29所示連接電路，Is為直流恒流源，調(diào)節(jié)其輸出為10mA，令R0分別為1kΩ和∞(即接入和斷開)，調(diào)節(jié)電位器RL(從0至1kΩ)，測出這兩種情況下的電壓表和電流表的讀數(shù)。測定直流穩(wěn)壓電源(理想電壓源)與實際電壓源的外特性

(1)按圖2-27所示連接電路。圖2-32電路圖(二)VCVS的輸出伏安特性及電壓增益系數(shù)μ的測試

(1)實驗線路如圖2-42所示。表2-19RLC串聯(lián)諧振(二)

(二)增強實驗部分

并聯(lián)諧振電路的特征是：當(dāng)電路諧振時，總電流I0最小。電感支路電流IL或電容支路IC是總電流I的Q倍，諧振頻率。

按圖2-20所示連接電路，測出各實驗數(shù)據(jù)，并填入表2-20中。圖2-20電路圖(三)表2-20RLC并聯(lián)諧振

四、實驗思考

(1)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，畫出諧振曲線。

(2)當(dāng)頻率f大于諧振頻率f0及小于諧振頻率f0時，電路各呈現(xiàn)什么性質(zhì)？

(3)在RLC串聯(lián)電路中，諧振時UC與UL是否相等，為什么？

(4)如何判別電路是否諧振，有哪些方法？

2.6三相電路實驗

一、實驗?zāi)康?/p>

(1)掌握三相電源相序的測試方法。

(2)觀察分析三相電路不對稱情況下星形連接中線的使用。

(3)學(xué)習(xí)負(fù)載為星形和三角形的連接方法。二、實驗預(yù)習(xí)要求

(1)復(fù)習(xí)三相對稱與不對稱電路的概念。

(2)復(fù)習(xí)星形負(fù)載、三角形負(fù)載及中線連接和相電壓、線電壓、相電流、線電流的特點。

(3)預(yù)習(xí)三相電源的相序概念。

(4)在應(yīng)用三相電源時，注意安全。

(5)寫出三相電路實驗的預(yù)習(xí)報告。三、實驗內(nèi)容與數(shù)據(jù)記錄

三相電路是一種特殊形式的正弦交流電路。在三相電源中，相電壓UP與線電壓UL的關(guān)系為：UL=

UP(UL=380V,UP=220V),各相之間的相位差為120°。

對稱負(fù)載星形(Y形)連接時，負(fù)載的線電流IL等于相電流IP，線電壓UL是相電壓UP的倍，即UL=

UP。

對稱負(fù)載三角形(△形)連接時，負(fù)載的線電壓UL等于相電壓UP，線電流IL是相電流IP的倍，即IL=

IP。

(一)基本實驗部分

(1)三相電源相序的測定：按圖2-21所示連接電路(A、B、C分別連接三相電源的三根相線)，測定各實驗數(shù)據(jù)，并填入表2-21中(其中N是三相電源中的中線)。

(2)星形(Y形)連接實驗數(shù)據(jù)測定：按圖2-22所示接線(電路不對稱條件是在A相負(fù)載上并聯(lián)一個1μF電容，B相、C相不并聯(lián)電容)，測定各實驗數(shù)據(jù)，并填入表2-22中。圖2-21相序檢測電路圖表2-21相序指示器

圖2-22星形連接電路圖表2-22三相電路星形連接

(二)增強實驗部分

三角形(△形)連接實驗數(shù)據(jù)的測定：按圖2-23所示接線(電路不對稱條件是在電路A、B兩端并聯(lián)一個1μF電容，其他不變)，測得各實驗數(shù)據(jù)，并填入表2-23中。圖2-23三角形連接電路圖四、實驗思考

(1)在星形(Y形)連接時，如果負(fù)載不對稱又沒有中線，將對負(fù)載產(chǎn)生什么后果？

(2)當(dāng)不對稱負(fù)載作三角形連接時，線電流與相電流之間是否構(gòu)成固定的比例關(guān)系？

(3)通過實驗數(shù)據(jù)，總結(jié)星形、三角形連接在負(fù)載對稱與不對稱兩種情況下，線電壓、相電壓和線電流、相電流之間的關(guān)系。

2.7電流源與電壓源的等效變換

一、實驗?zāi)康?/p>

(1)了解理想電流源與理想電壓源的外特性。

(2)驗證電壓源與電流源互相進行等效轉(zhuǎn)換的條件。

(3)加深理解電路的等效變換。

二、實驗預(yù)習(xí)要求

(1)復(fù)習(xí)電流源與電壓源等效變換的概念。

(2)掌握理想電源與實際電源的區(qū)別。

(3)寫出實驗預(yù)習(xí)報告。三、實驗內(nèi)容與數(shù)據(jù)記錄

(一)實驗原理

電工理論中的理想電源有兩種：一種稱為理想電壓源，當(dāng)它接上負(fù)載后，其負(fù)載變化時，輸出的電壓保持不變(特性如圖2-24所示)；另一種稱為理想電流源，當(dāng)它接上負(fù)載后，其負(fù)載變化時，輸出的電流保持不變(特性如圖2-25所示)。圖2-24理想電壓源圖2-25理想電流源但是在實際工程中，理想電源是不存在的。實際電壓源可以用一個理想電壓源Us與一電阻R0的串聯(lián)組合來表示；實際電流源也可以用一個理想電流源Is與一電阻R0的并聯(lián)組合來表示。電壓源與電流源之間可以互相轉(zhuǎn)換(見圖2-26)。

等效轉(zhuǎn)換條件為圖2-26兩種電源的等效變換

(二)實驗部分

1.測定直流穩(wěn)壓電源(理想電壓源)與實際電壓源的外特性

(1)按圖2-27所示連接電路。Us為+12V直流穩(wěn)壓電源。調(diào)節(jié)R2，令其阻值由大至小變化，記錄電壓、電流的值于表2-24中。圖2-27電路圖(一)

(2)按圖2-28所示連接電路，虛線框可模擬為一個實際的電壓源。調(diào)節(jié)R2，令其阻值由大至小變化，記錄電壓、電流的值于表2-25中。圖2-28電路圖(二)

2.測定電流源的外特性

按圖2-29所示連接電路，Is為直流恒流源，調(diào)節(jié)其輸出為10mA，令R0分別為1kΩ和∞(即接入和斷開)，調(diào)節(jié)電位器RL(從0至1kΩ)，測出這兩種情況下的電壓表和電流表的讀數(shù)。將數(shù)據(jù)記錄于表2-26、表2-27中。

(1)R0=1kΩ時，將結(jié)果記錄于表2-26中。

(2)R0=∞時，將結(jié)果記錄于表2-27中。圖2-29電路圖(三)

3.測定電源等效變換的條件

先按圖2-30(a)所示連接電路，記錄線路中兩表的讀數(shù)。然后利用圖2-30(a)中右側(cè)的元件和儀表，按圖2-30(b)所示連接電路。調(diào)節(jié)恒流源的輸出電流Is，使兩表的讀數(shù)與圖2-30(a)時的數(shù)值相等，記錄Is之值，驗證等效變換條件的正確性。圖2-30電路圖(四)四、實驗思考

(1)根據(jù)實驗結(jié)果，繪出電流源和電壓源的外特性曲線。(2)直流穩(wěn)壓源的輸出端為什么不允許短路？

(3)驗證電壓源與電流源的等效變換條件。

2.8最大功率傳輸條件的測定

一、實驗?zāi)康?/p>

(1)掌握負(fù)載獲得最大傳輸功率的條件。

(2)了解電源輸出功率與效率的關(guān)系。

二、實驗預(yù)習(xí)要求

(1)預(yù)習(xí)電源電壓與負(fù)載所得最大功率的關(guān)系。

(2)預(yù)習(xí)電源內(nèi)阻與負(fù)載所得最大功率的關(guān)系。

(3)寫出實驗預(yù)習(xí)報告。三、實驗內(nèi)容與數(shù)據(jù)記錄

(一)實驗原理

1.電源與負(fù)載功率的關(guān)系

圖2-31可視為一個電源向負(fù)載輸送電能的模型，R0可視為電源內(nèi)阻和傳輸線路電阻的總和，RL為可變負(fù)載電阻。負(fù)載RL上消耗的功率P可表示為

當(dāng)RL=0或RL=∞時，電源輸送給負(fù)載的功率均為零。而以不同的RL值代入上式可求得不同的P值，其中必有一個RL值使負(fù)載能從電源處獲得最大的功率。圖2-31電路圖(一)

2.負(fù)載獲得最大功率的條件

根據(jù)數(shù)學(xué)求最大值的方法，令負(fù)載功率表達式中的RL為自變量，P為應(yīng)變量，并使dP/dRL=0，即可求得最大功率傳輸?shù)臈l件：

令(RL+R0)2-2RL(RL+R0)=0，解得

RL=R0當(dāng)滿足RL=R0時，負(fù)載從電源獲得的最大功率為

這時，稱此電路處于“匹配”工作狀態(tài)。

3.匹配電路的特點及應(yīng)用

當(dāng)電路處于“匹配”狀態(tài)時，電源本身要消耗一半的功率，此時電源的效率只有50%。顯然，這在電力系統(tǒng)的能量傳輸過程中是絕對不允許的。發(fā)電機的內(nèi)阻是很小的，電路傳輸?shù)淖钪饕笜?biāo)是要高效率送電，最好是100%的功率均傳送給負(fù)載。為此，負(fù)載電阻應(yīng)遠(yuǎn)大于電源的內(nèi)阻，即不允許運行在“匹配”狀態(tài)。而在電子技術(shù)領(lǐng)域里卻完全不同，一般的信號源本身功率較小，且都有較大的內(nèi)阻；負(fù)載電阻(如揚聲器等)往往是較小的定值，且希望能從電源獲得最大的功率輸出，而電源的效率往往不予考慮。通常設(shè)法改變負(fù)載電阻，或者在信號源與負(fù)載之間加阻抗變換器(如音頻功放的輸出級與揚聲器之間的輸出變壓器)，使電路處于匹配工作狀態(tài)，以使負(fù)載能獲得最大的輸出功率。

(二)實驗部分

(1)將相關(guān)器件按圖2-32接線。圖中的電源Uo接直流穩(wěn)壓電源，負(fù)載RL取自元件箱的電阻箱。

(2)開啟穩(wěn)壓電源開關(guān)，調(diào)節(jié)其輸出電壓為10V，之后關(guān)閉該電源，通過導(dǎo)線將其輸出端接至實驗線路Uo的兩端。圖2-32電路圖(二)

(3)設(shè)置R0=100Ω，開啟穩(wěn)壓電源，用直流電壓表按表2-28中的內(nèi)容進行測量，即令RL在0～1kΩ范圍內(nèi)變化時，分別測出Uo、UL及I的值，并填入表2-28中。表中Uo、Po(=Uo×I)分別為穩(wěn)壓電源的輸出電壓和功率，UL、PL(=UL×I)分別為RL兩端的電壓和功率，I為電路的電流。(4)改變內(nèi)阻值為R0=300Ω，輸出電壓Uo=15V，重復(fù)上述測量。四、實驗思考

(1)電力系統(tǒng)進行電能傳輸時為什么不能工作在匹配工作狀態(tài)？

(2)實際應(yīng)用中，電源的內(nèi)阻是否隨負(fù)載而變？

(3)電源電壓的變化對最大功率傳輸?shù)臈l件有無影響？(4)整理實驗數(shù)據(jù)，分別畫出兩種不同內(nèi)阻下的下列各關(guān)系曲線：

I-RL，Uo-RL，UL-RL,Po-RL,PL-RL

2.9二端口網(wǎng)絡(luò)與等效網(wǎng)絡(luò)變換實驗

一、實驗?zāi)康?/p>

(1)加深理解二端口網(wǎng)絡(luò)的基本理論。

(2)掌握直流二端口網(wǎng)絡(luò)傳輸參數(shù)的測量技術(shù)。

(3)掌握無源等效網(wǎng)絡(luò)變換的條件及計算公式。

(4)用實驗驗證等效變換的正確性。二、實驗預(yù)習(xí)要求

(1)預(yù)習(xí)二端口網(wǎng)絡(luò)及其方程。

(2)預(yù)習(xí)二端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)矩陣及它們之間的相互關(guān)系。(3)預(yù)習(xí)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等效變換的原理及方法。

(4)寫出預(yù)習(xí)實驗報告。

三、實驗內(nèi)容與數(shù)據(jù)記錄

對于任何一個線性網(wǎng)絡(luò)，我們所關(guān)心的往往只是輸入端口和輸出端口的電壓和電流之間的相互關(guān)系，并通過實驗測定的方法求取一個極其簡單的等值二端口電路來替代原網(wǎng)絡(luò)，此即為“黑盒理論”的基本內(nèi)容。一個二端口網(wǎng)絡(luò)兩端口的電壓和電流四個變量之間的關(guān)系，可以用多種形式的參數(shù)方程來表示。本實驗采用輸出口的電壓U2和電流I2作為自變量，以輸入口的電壓U1和電流I1作為應(yīng)變量，所得的方程稱為二端口網(wǎng)絡(luò)的傳輸方程，如圖2-33所示的無源線性二端口網(wǎng)絡(luò)(又稱為四端網(wǎng)絡(luò))的傳輸方程為

U1=AU2+BI2，I1=CU2+DI2

式中，A、B、C、D為二端口網(wǎng)絡(luò)的傳輸參數(shù)，其值完全決定于網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及各支路元件的參數(shù)值。這四個參數(shù)表征了該二端口網(wǎng)絡(luò)的基本特性，它們的含義分別是：

由上可知，只要在網(wǎng)絡(luò)的輸入口加上電壓，在兩個端口同時測量其電壓和電流，即可求出A、B、C、D四個參數(shù)，此即為雙端口同時測量法。圖2-33無源二端口網(wǎng)絡(luò)

(一)基本實驗部分

按二端口網(wǎng)絡(luò)實驗電路連線(如圖2-34所示)，將直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓調(diào)到10V，作為二端口網(wǎng)絡(luò)的輸入。

分別測定兩個二端口網(wǎng)絡(luò)的傳輸參數(shù)A1、B1、C1、D1和A2、B2、C2、D2，并列出它們的傳輸方程，將數(shù)據(jù)填入表2-29、表2-30中。圖2-34實驗電路

(二)增強實驗部分

在電路分析中，除了經(jīng)常會遇到電阻的串并聯(lián)連接外，還會遇到Y(jié)、△形連接。如橋式電阻電路，用簡單的電阻并聯(lián)已無法簡化，必須用電阻Y、△形轉(zhuǎn)換才能化簡，如圖2-35所示的負(fù)載Y形連接法，求出等效變換后△形連接法的R12、R23、R31等效參數(shù)，如圖2-36所示。

Y形連接也叫T形連接，或星形連接；△形連接也叫π形連接，或三角形連接。如圖2-35、2-36所示的電阻網(wǎng)絡(luò)即是Y、△形連接。這兩個電路中當(dāng)它們的電阻滿足一定的關(guān)系時，能夠相互等效變換，變換后能簡化電路的分析。圖2-35負(fù)載Y形連接法圖2-36負(fù)載△形連接法等效條件：

經(jīng)推導(dǎo)可得：

(1)Y形轉(zhuǎn)換為△形時的等效參數(shù)換算方法：

(2)△形轉(zhuǎn)換為Y形時的等效參數(shù)換算方法：

當(dāng)R1=R2=R3=RY時，有

按圖2-37接線，測出RL上的電壓UL及I，并記錄于表2-31中。

按圖2-38所示接線，測出RL上的電壓UL及I，并記錄于表2-31中。

當(dāng)U1=15V時重復(fù)上述實驗，并將數(shù)據(jù)記錄于表2-31中。圖2-37電路圖(一)圖2-38電路圖(二)四、實驗思考

(1)用二端口網(wǎng)絡(luò)概念分析電路的方法與以前一般的電路分析方法有何區(qū)別？

(2)通過實驗，你對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的等效變換如何理解？

2.10受控源VCVS、VCCS、CCVS、CCCS的實驗研究

一、實驗?zāi)康?/p>

(1)熟悉四種受控電源的基本特性。

(2)掌握受控源轉(zhuǎn)移參數(shù)的測試方法。

二、實驗預(yù)習(xí)要求

(1)理解受控源的基本特性，區(qū)分受控源與獨立源、無源器件的不同之處。

(2)受控源轉(zhuǎn)移電阻rm，轉(zhuǎn)移電導(dǎo)gm，電流增益系數(shù)α，電壓增益系數(shù)μ的意義是什么？應(yīng)如何測試？三、實驗內(nèi)容與數(shù)據(jù)記錄

(1)受控源、獨立電源和無源元件的特性。

獨立電源的輸出由電源本身的特性決定，與外接電路無關(guān)，獨立源的電勢Es或電流Is是某一固定的數(shù)值或是時間的某一函數(shù)，它不隨電路其余部分的狀態(tài)而變。而受控源是其電勢或電流隨電路中另一支路的電壓或電流而變的一種電源，它是電子器件中所發(fā)生的物理現(xiàn)象的一種模型。

無源元件兩端的電壓和它自身的電流有一定的函數(shù)關(guān)系，而受控源的輸出電壓或電流則和另一支路(或元件)的電流或電壓有某種函數(shù)關(guān)系。獨立源與無源元件是二端器件，受控源則是四端器件，或稱為雙口元件。受控源有兩對端鈕，一對輸出端鈕，一對輸入端鈕，輸入端用來控制輸出端電壓或電流大小，施加于輸入端的控制量可以是電壓或是電流。因此，有兩種受控電壓源即電壓控制電壓源VCVS和電流控制電壓源CCVS，同樣，受控電流源也有兩種，即電壓控制電流源VCCS及電流控制電流源CCCS。

(2)當(dāng)受控源的輸出電壓(或電流)與控制支路的電壓(或電流)成正比變化時，則稱該受控源是線性的。理想受控源的控制支路中只有一個獨立變量(電壓或電流)，另一個獨立變量等于零，即從輸入口看，理想受控源或者是短路(即輸入電阻R1＝0，因而U1＝0)，或者是開路(即輸入電導(dǎo)G1＝0，因而輸入電流I1＝0)；從輸出口看，理想受控源或者是一個理想電壓源，或者是一個理想電流源。

(3)受控源的控制端與受控端的關(guān)系式稱為轉(zhuǎn)移函數(shù)。

四種受控源的定義及其轉(zhuǎn)移函數(shù)參量的定義如下：

①電壓控制電壓源(VCVS)：U2＝f(U1)，μ＝U2/U1稱為轉(zhuǎn)移電壓比(或電壓增益)。

②電壓控制電流源(VCCS)：I2＝f(U1)，gm＝I2/U1稱為轉(zhuǎn)移電導(dǎo)。

③電流控制電壓源(CCVS)：U2＝f(I1)，rm＝U2/I1稱為轉(zhuǎn)移電阻。

④電流控制電流源(CCCS)：I2＝f(I1)，α＝I2/I1稱為轉(zhuǎn)移電流比(或電流增益)。

(一)基本實驗部分

1.CCVS的輸出伏安特性及轉(zhuǎn)移電阻rm的測試

(1)實驗線路如圖2-39所示。

(2)實驗方法。

①按圖接線，接通電源。

②調(diào)節(jié)穩(wěn)流電源輸出電流，使電流I1=2mA，然后改變RL為不同值時測出U2、I2，將數(shù)據(jù)填入表2-32中。繪制CCVS的輸出伏安特性U2=f(I2)。

③固定RL=2kΩ，調(diào)節(jié)穩(wěn)流電源的輸出電流I1，按表2-33所列I1值測出U2，繪制U2＝f(I1)曲線，計算出線性部分轉(zhuǎn)移電阻rm。圖2-39CCVS電路圖

2.VCCS的輸出伏安特性及轉(zhuǎn)移電導(dǎo)gm的測試

(1)實驗線路如圖2-40所示。

(2)實驗方法。

①按圖接線，接通電源。

②調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源電壓，使電壓U1=2V，改變RL為不同值時測量出U2、I2，將數(shù)據(jù)填入表2-34中。繪制VCCS的輸出伏安特性I2=f(U2)。

③固定RL=2kΩ，調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源輸出電壓U1，按表2-35所列U1值測出相應(yīng)的I2值，繪制I2＝f(U1)曲線，計算出線性部分轉(zhuǎn)移電導(dǎo)gm。圖2-40VCCS電路圖

(二)增強實驗部分

1.CCCS的輸出伏安特性及電流增益系數(shù)α的測試

(1)實驗線路如圖2-41所示。

(2)實驗方法。

①按圖接線，接通電源。

②調(diào)節(jié)穩(wěn)流電源，輸出電流I1=1mA，改變RL為不同值時，測量出U2、I2，將數(shù)據(jù)填入表2-36中。繪制出CCCS的輸出伏安特性曲線I2=f(U2)。

③固定RL=2kΩ，調(diào)節(jié)穩(wěn)流電源電流，按表2-37所列I1值測出I2，繪制I2＝f(I1)曲線，計算出線性部分電流增益系數(shù)α。圖2-41CCCS電路圖

2.VCVS的輸出伏安特性及電壓增益系數(shù)μ的測試

(1)實驗線路如圖2-42所示。

(2)實驗方法。

①按圖接線，接通電源。

②調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源輸出電壓，使U1=2V，改變RL的數(shù)值，測量出U2、I2，將數(shù)據(jù)填入表2-38中。繪制VCVS的輸出伏安特性U2=f(I2)。

③固定RL=2kΩ，調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源輸出電壓U1，按表2-39所列U1值測出相應(yīng)的U2值，繪制U2＝f(U1)曲線，計算出線性部分電壓增益系數(shù)μ。圖2-42VCVS電路圖四、實驗思考

(1)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，繪出四種受控源的轉(zhuǎn)移特性和負(fù)載特性曲線，并求出相應(yīng)的轉(zhuǎn)移參數(shù)。

(2)若受控源控制量的極性反向，試問其輸出極性是否發(fā)生變化？

(3)對實驗結(jié)果進行分析，總結(jié)對四種受控源的認(rèn)識和理解。

(4)受控源的控制特性是否適合于交流信號？

2.11一階RC電路的暫態(tài)響應(yīng)

一、實驗?zāi)康?/p>

(1)測定一階RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)和零輸入響應(yīng)，并從響應(yīng)曲線中求出RC電路的時間常數(shù)τ。

(2)了解電路參數(shù)對充放電過程的影響。

二、實驗預(yù)習(xí)要求

(1)什么是暫態(tài)過程的零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)？

(2)一階RC暫態(tài)電路的時間常數(shù)τ由什么決定？一般認(rèn)為經(jīng)過幾個τ時間，暫態(tài)過程趨于結(jié)束。

(3)理論計算時間常數(shù)τ、iC(t)、uC(t)。

(4)何謂積分電路和微分電路，它們必須具備什么條件？在方波序列脈沖的激勵下，它們輸出信號波形的變化規(guī)律如何？這兩種電路有何功用？

三、實驗內(nèi)容與數(shù)據(jù)記錄

(1)圖2-43所示電路的零狀態(tài)響應(yīng)為

式中,τ=RC是電路的時間常數(shù)。圖2-43電路的零狀態(tài)響應(yīng)圖2-44所示電路的零輸入響應(yīng)為

式中,τ=RC是電路的時間常數(shù)。圖2-44RC電路的零輸入響應(yīng)

(2)暫態(tài)過程是十分短暫的單次變化過程。要用普通示波器觀察暫態(tài)過程和測量有關(guān)的參數(shù)，就必須使這種單次變化的過程重復(fù)出現(xiàn)。為此，我們可利用信號發(fā)生器輸出的方波來模擬階躍激勵信號，即利用方波輸出的上升沿作為零狀態(tài)響應(yīng)的正階躍激勵信號；利用方波的下降沿作為零輸入響應(yīng)的負(fù)階躍激勵信號。只要選擇方波的重復(fù)周期遠(yuǎn)大于電路的時間常數(shù)τ，那么電路在這樣的方波序列脈沖信號的激勵下，它的響應(yīng)就和直流電路接通與斷開的過渡過程是基本相同的。圖2-43、圖2-44所示的RC一階電路的零狀態(tài)響應(yīng)和零輸入響應(yīng)分別按指數(shù)規(guī)律增長和衰減，其變化的快慢取決于電路的時間常數(shù)τ。

(3)時間常數(shù)τ的測定方法。

用示波器測量零狀態(tài)響應(yīng)的波形如圖2-45所示。當(dāng)t＝τ時，UC(τ)＝0.632Us，此時所對應(yīng)的時間就等于τ。亦可用零輸入響應(yīng)波形降到0.368Us所對應(yīng)的時間測得，如圖2-46所示。圖2-45RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)圖2-46RC電路的零輸入響應(yīng)

(一)基本實驗部分

(1)測定RC一階電路的零狀態(tài)響應(yīng)和零輸入響應(yīng)，接線如圖2-47所示。

(2)從電路板上選R＝10kΩ，C＝6800pF組成如圖2-47所示的RC充放電電路。脈沖信號發(fā)生器輸出UP-P＝3V、f＝1kHz的方波電壓信號，用示波器同時觀察激勵源us和響應(yīng)信號uC，根據(jù)示波器屏幕上觀察到激勵與響應(yīng)的變化規(guī)律，測算出時間常數(shù)τ，并用方格紙按1∶1的比例描繪波形。圖2-47RC暫態(tài)過程電路圖

(3)令R＝10kΩ，C＝0.1μF，在同樣的方波激勵信號(UP-P＝3V，f＝1kHz)作用下，觀察并描繪激勵與響應(yīng)的波形。(4)令C＝0.01μF，R＝100Ω，在同樣的方波激勵信號(UP-P＝3V，f＝1kHz)作用下，觀測并描繪激勵與響應(yīng)的波形。(5)令C＝0.01μF，R＝1MΩ，在同樣的方波激勵信號(UP-P＝3V，f＝100Hz)作用下，觀測并描繪激勵與響應(yīng)的波形。

(二)增強實驗部分

微分電路和積分電路是RC一階電路中較典型的電路，它對電路元件參數(shù)和輸入信號的周期有著特定的要求。一個簡單的RC串聯(lián)電路，在方波序列脈沖的重復(fù)激勵下，當(dāng)滿足τ＝RC<<

(T為方波脈沖的重復(fù)周期)，且由R兩端的電壓作為響應(yīng)輸出時，這就是一個微分電路。因為此時電路的輸出信號電壓與輸入信號電壓的微分成正比，如圖2-48(a)所

示。利用微分電路可以將方波轉(zhuǎn)變成尖脈沖。圖2-48RC微分和積分電路若將圖2-48(a)中的R與C位置調(diào)換一下，如圖2-48(b)所示，由C兩端的電壓作為響應(yīng)輸出。當(dāng)電路的參數(shù)滿足τ＝RC>>條件時，即稱為積分電路。因為此時電路的輸出信號電壓與輸入信號電壓的積分成正比。利用積分電路可以將方波轉(zhuǎn)變成三角波。

從輸入/輸出波形來看，上述兩個電路均起著波形變換的作用。自行設(shè)計實驗參數(shù)，在實驗過程中仔細(xì)觀察輸入/輸出波形，并作記錄。四、實驗思考

(1)根據(jù)實驗觀測結(jié)果，在方格紙上繪出RC一階電路充放電時UC的變化曲線，由曲線測得τ值，并與參數(shù)值的計算結(jié)果作比較，分析誤差原因。

(2)分析電容值或電阻值發(fā)生改變后對輸出響應(yīng)的影響。(3)根據(jù)實驗觀測結(jié)果，歸納、總結(jié)積分電路和微分電路的形成條件，闡明波形變換的特征。

2.12單相變壓器特性的測試

一、實驗?zāi)康?/p>

(1)通過測量計算變壓器的各項參數(shù)。

(2)學(xué)會測量、繪制變壓器的空載特性、短路特性與外特性曲線。

二、實驗預(yù)習(xí)要求

(1)了解單相變壓器合閘瞬間出現(xiàn)沖擊電流的原因，以及實驗操作中應(yīng)如何避免沖擊電流損壞儀表設(shè)備。

(2)了解單相變壓器空載特性、短路特性與外特性的意義及測定方法。

(3)當(dāng)變壓器負(fù)載為電阻性、電感性或電容性時，變壓器輸出電壓會隨負(fù)載電流怎樣變化？

三、實驗內(nèi)容與數(shù)據(jù)記錄

1.理想變壓器

圖2-49所示為理想變壓器的電氣模型，它是一個具有兩對端子的電路元件，其初級(原邊)和次級(副邊)的電壓電流關(guān)系可表示為

U1=nU2

I2=-nI1

式中，n稱做變壓器的變比或匝數(shù)比，方程中的正負(fù)號適用于圖示參考方向。

理想變壓器輸入的全部能量是：U1I1+U2I2=0，這說明理想變壓器是一種無源器件，它既不儲存能量也不消耗能量，僅僅是傳送能量，將從電源吸收的功率全部傳送給負(fù)載。圖2-49理想變壓器

2.鐵芯變壓器

理想變壓器實際上是不存在的。實際的變壓器通常都是用線圈和鐵芯組成的，在傳遞能量的過程中要消耗電能。因為線圈有直流電阻，鐵芯中有渦流磁滯損耗，并且為了傳送能量鐵芯中還必須儲藏磁能，所以變壓器還對電源吸收無功功率。線圈中的損耗稱銅耗，鐵芯中的損耗稱鐵耗。通常，這些損耗相對于變壓器傳遞的功率來說都是較小的。因此，在許多情況下實際變壓器可近似看做理想變壓器。其電壓比、電流比、阻抗比及功率關(guān)系可通過實驗測量取得。圖2-50所示為鐵芯變壓器參數(shù)的測量線路。圖2-50鐵芯變壓器參數(shù)測量線路由各儀表讀得變壓器原邊(AX)的U1、I1、P1及副邊(ax)的U2、I2，并用萬用表R×1擋測出原、副繞組的電阻R1和R2，即可算得變壓器的以下各項參數(shù)值：

3.鐵芯變壓器的空載特性和短路特性

在變壓器中，當(dāng)副邊空載時，原邊電壓與電流的關(guān)系稱為變壓器的空載特性，即U1=f(I1);當(dāng)原邊短路時，副邊電壓與電流的關(guān)系稱為變壓器的短路特性，即U2=f(I2)。

空載實驗通常是將高壓側(cè)開路，由低壓側(cè)通電進行測量;短路實驗通常是將低壓側(cè)短路，由高壓側(cè)通電進行測量。

4.鐵芯變壓器的外特性

在保持原邊電壓不變時，改變副邊負(fù)載的大小，測定U2和I2，即可繪出變壓器的外特性，即負(fù)載特性曲線U2＝f(I2)。

(一)基本實驗部分

1.用交流法判別實驗屏上變壓器繞組的同名端

電路圖如2-51所示，將兩個繞組N1和N2的任意兩端(如2、4端)連在一起，在其中的一個繞組(如N1)兩端加一個低電壓，另一繞組(如N2)開路，用交流電壓表分別測出端電

壓U13、U12和U34。若U13是兩個繞組端電壓之差，則1、3是同名端；若U13是兩繞組端電壓之和，則1、4是同名端。圖2-51變壓器繞組同名端的判斷

2.測定變壓器的空載特性

將實驗屏上變壓器(U1N/U2N=36V/220V，I1N/I2N=1.4A/0.23A)的低壓繞組(36V，AX)作為原邊，高壓繞組(220V，ax)作為副邊，即將變壓器作為升壓變壓器使用。進行空載實驗時，將高壓側(cè)開路，由低壓側(cè)通電進行測量，因空載時功率因數(shù)很低，故測量功率