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1 目 录 实验一 : 未知电阻元件伏安特性的测绘 3 实验二 : 电位 电压的测定及电路电位图的绘制 6 实验三 : 基尔霍夫定律的验证 9 实验四 : 线性电路叠加性和齐次性的研究 12 实验五 : 电压源 电流源及其电源等效变换的研究 15 实验六 : 戴维南定理 有源二端网络等小参数的测定 18 实验七 : 最大输出功率传输条件的研究 22 实验八 : 受控源的研究 25 实验九 : 直流双口网络的研究 30 实验十 : 正弦稳态交流电路相量的研究 34 实验十一 : 一阶电路暂态过程的研究 37 实验十二 : 二阶电路暂态过程的研究 41 实验十三 : 交流串联电路的研究 44 实验十四 : 提高功率因数的研究 47 实验十五 : 交流电路频率特性的测定 50 实验十六 :RC 网络频率特性和选频特性的研究 54 实验十七 :RLC 串联谐振电路的研究 58 实验十八 : 三相电路电压 电流的测量 61 实验十九 : 三相电路功率的测量 64 实验二十 : 单相电度表的校验 67 实验二十一 : 功率因数表的使用及相序测量 70 实验二十二 : 负阻抗变换器 72 实验二十三 : 回转器特性测试 75 1

2 实验二十四 : 互感线圈电路的 79 实验二十五 : 单相铁芯变压器特性的测试 83 实验二十六 : 三相异步电动机的点动和自锁控制线路 86 实验二十七 : 三相异步电动机的正反转控制 89 实验二十八 : 三相鼠笼式异步机电动机降压起动控制线路 91 实验二十九 : 三相鼠笼式异步电动机电气制动控制线路 93 实验三十 : 三端稳压电源的设计 96 实验三十一 :555 集成定时器 101 附录 1:( 下位机 ( 学生机 ) 使用说明 ) 107 附录 2:TDS1001 数字示波器简要操作指南 110 附录 3:PLC 控制小车正反转 112 2

3 实验一 未知电阻元件伏安特性的测绘 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. 学会应用伏安法识别常用电阻元件类型的方法 ; 3. 掌握直流恒压电源 直流电压表 电流表的使用方法 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 1-1 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 图 1-1 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 1-1 中 (b) (c) (d) 在图 1-1 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 ( 双路 0~30V 可调 ) 3.EEL-74A( 含未知元件 1~6) 3

4 四. 实验内容 1. 测定电阻元件 1 的伏安特性按图 1-2 接线, 图中的电源 U 选用恒压源的可调稳压电源输出端, 通过直流数字毫安表与元件 1 相连, 元件 1 两端的电压用直流数字电压表测量 U 测正向特性 : 调节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 2-1 中记下相应的电压表和电流表的读数, 电流限制在 100 ma 以内 ma 未知元件 1 V 图 1-2 测反向特性 : 将可调稳压电源的输出端正 负连线互换, 调节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 6-1 中记下相应的电压表和电流 表的读数, 电流限制在 -100mA 以内 表 1-1 电阻元件 1 伏安特性数据 U(V) I(mA) 0 2. 测定电阻元件 2~5 的伏安特性 将图 1-2 中的元件 1 分别换成元件 2~6, 重复 1 的步骤, 在表 1-2 中记下相应的 电压表和电流表的读数 表 1-2 电阻元件 2~6 伏安特性数据 元件 U(V) I(mA) 0 元件 U(V) I(mA) 0 元件 U(V) I(mA) 0 元件 U(V) I(mA) 0 元件 U(V) I(mA) 0 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, 应时刻注意电压表不能超过 ±10 伏, 电流表不超过 ±100mA 2. 稳压电源输出端切勿碰线短路 4

5 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? 它们的电阻值如何计算? 2. 如何用实验方法识别未知电阻元件的类型? 七. 实验报告要求 1. 回答思考题 ; 2. 根据实验数据, 分别在方格纸上绘制出各个元件的伏安特性曲线, 并说明它们是什么电阻元件 ; 3. 根据绘制的伏安特性曲线, 计算线性电阻的电阻值, 以及二极管正向电压为 0.7V 和 0.4V 时的电阻值 ; 4. 根据绘制的伏安特性曲线, 说明几种非线性电阻元件的正向特性和反向特性的形状有何异同? 5

6 实验二 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. 学会电路电位图的测量 绘制方法 ; 3. 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 直流数字电流表 2. 恒压源 ( 双路 0~30V 可调 ) 3.KHDL-3 型电路原理实验箱四. 实验内容实验电路如图 2-1 所示, 图中的电源 U S1 用恒压源 I 路 0~+30V 可调电源输出端, 并将输出电压调到 +6V,U S2 用 II 路 0~+30V 可调电源输出端, 并将输出电压调到 +12V 开关 S 1 朝上 S 2 朝上 S 3 朝上打 ( 连接 510 电阻 ) 1. 测量电路中各点电位以图 2-1 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 用电压表的负端 ( 黑色接线柱 ) 与 A 点相连, 正端 ( 红色接线柱 ) 分别对 B C D E F 各点进行测量, 数据记入表 2-1 中 以 D 点作为电位参考点, 重复上述步骤, 测得数据记入表 2-1 中 6

7 图 测量电路中相邻两点之间的电压值在图 2-1 中, 测量电压 U AC : 将电压表的正端 ( 红色接线柱 ) 与 A 点相连负端 ( 黑色接线柱 ) 与 C 点相连, 读电压表读数, 记入表 2-1 中 按同样方法测量 U CF U FD U DE U EB 及 U BA, 测量数据记入表 2-1 中 表 2-1 电路中各点电位和电压数据单位 :V 电位参考点 V A V B V C V D V E V F U AC U CF U FD U DE U EB U BA C 0 D 0 五. 实验注意事项 1. 实验电路中使用的电源 U S1 和 U S2 用 0~+30V 可调电源输出端, 应分别将输出电压调到 +6V 和 +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 五. 预习与思考题 1. 电位参考点不同, 各点电位是否相同? 相同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? 3. 什么是电位图形? 不同的电位参考点电位图形是否相同? 如何利用电位图形求出各点的电位和任意两点之间的电压 7

8 六. 实验报告要求 1. 根据实验数据, 分别绘制出电位参考点为 A 点和 D 点的两个电位图形 2. 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 3. 回答思考题 8

9 实验三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 ; 3. 学习检查 分析电路简单故障的能力 二. 原理说明基尔霍夫定律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负号, 流入结点的电流取正号 ; 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 3-1 所示 三. 实验设备 1. 直流数字电压表 直流数字电流表 2. 恒压源 ( 双路 0~30V 可调 ) 3.KHDL-3 型电路原理实验箱四. 实验内容实验电路如图 3-1 所示, 图中的电源 U S1 用恒压源 I 路 0~+30V 可调电压输出端, 并将输出电压调到 +6V,U S2 用恒压源 II 路 0~+30V 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 ) 开关 S 1 朝上接通 U S1 电源, 开关 S 2 朝上接通 U S2 电源, 开关 S 3 朝上连接 510 电阻 实验前先设定三条支路的电流参考方向, 如图中的 I 1 I 2 I 3 所示, 并熟悉线路结构, 掌握各开关的操作使用方法 1. 熟悉电流插头的结构, 将电流插头的红接线端插入数字电流表的红 ( 正 ) 接线端, 电流插头的黑接线端插入数字电流表的黑 ( 负 ) 接线端 2. 测量支路电流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 9

10 图 3-1 A, 电流表读数为 +, 表示电流流入结点, 读数为 -, 表示电流流出结点, 然后根 据图 3-1 中的电流参考方向, 确定各支路电流的正 负号, 并记入表 3-1 中 表 3-1 支路电流数据 支路电流 (ma) I 1 I 2 I 3 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 3-2 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端, 黑 ( 负 ) 接线端插 入被测电压参考方向的低电位端 表 3-2 各元件电压数据 各元件电压 (V) U S1 U S2 U BA U AC U AD U ED U DF 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而损坏设备 ( 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 10

11 六. 预习与思考题 1. 根据图 3-1 的电路参数, 计算出待测的电流 I 1 I 2 I 3 和各电阻上的电压值, 记入表 3-2 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 3-1 的电路中,A D 两结点的电流方程是否相同? 为什么? 3. 在图 3-1 的电路中可以列几个电压方程? 它们与绕行方向有无关系? 4. 实验中, 若用指针万用表直流毫安档测各支路电流, 什么情况下可能出现毫安表指针反偏, 应如何处理, 在记录数据时应注意什么? 若用直流数字毫安表进行测量时, 则会有什么显示呢? 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 (KVL) 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 ; 4. 列出求解电压 U CB 和 U AB 的电压方程, 并根据实验数据求出它们的数值 ; 5. 写出实验中检查 分析电路故障的方法, 总结查找故障的体会 11

12 实验四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 U U U U S2 U S1 U S2 图 4-1 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 4-1 中 : I 1 I1 I1 I 2 I 2 I 2 I 3 I 3 I 3 U U U 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 直流数字电流表 2. 恒压源 ( 双路 0~30V 可调 ) 3.KHDL-3 型电路原理实验箱 HE-19 元件箱 12

13 四. 实验内容 实验电路如图 4-2 所示, 图中的电源 U S1 用恒压源 I 路 0~+30V 可调电压输出端, 图 4-2 并将输出电压调到 +12V,U S2 用恒压源 II 路 0~+30V 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 ), 开关 S 3 投向 510 侧 1.U S1 电源单独作用 ( 将开关 S 1 投向 U S1 侧, 开关 S 2 投向短路侧 ), 参考图 4-1(b), 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电流表的红 ( 正 ) 接线端, 电流插头的黑接线端插入数字电流表的黑 ( 负 ) 接线端, 测量各支路电流, 按规定 : 在结点 A, 电流表读数为 +, 表示电流流入结点, 读数为 -, 表示电流流出结点, 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 4 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 4 1 中 表 4 1 实验数据一测量项目 U S1 U S2 I 1 I 2 I 3 U AC U FD U AD U DE U BA 实验内容 (V) (V) (ma) (ma) (ma) (V) (V) (V) (V) (V) U S1 单独作用 12 0 U S2 单独作用 0 6 U S1, U S2 共同作用 12 6 U S2 单独作用 U S2 电源单独作用 ( 将开关 S 1 投向短路侧, 开关 S 2 投向 U S2 侧 ), 参考图 4-1(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 4 1 中 13

14 3.U S1 和 U S2 共同作用时 ( 开关 S 1 和 S 2 分别投向 U S1 和 U S2 侧 ), 各电流 电压的参考方向见图 4-2 完成上述电流 电压的测量并将数据记录记入表格 4 1 中 4. 将 U S2 的数值调至 +12V, 重复第 2 步的测量, 并将数据记录在表 4-1 中 5. 将开关 S 3 投向二极管侧, 即电阻 510 换成一只二极管 VD, 重复步骤 1~4 的测量过程, 并将数据记入表 4 2 中 测量项目实验内容 U S1 (V) U S2 (V) 表 4 2 I 1 (ma) I 2 (ma) 实验数据二 I 3 (ma) U AC (V) U FD (V) U AD (V) U DE (V) U BA (V) U S1 单独作用 12 0 U S2 单独作用 0 6 U S1, U S2 共同作用 12 6 U S2 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. 电压源单独作用时, 去掉另一个电源, 只能在实验板上用开关 S1 或 S2 操作, 而不能直接将电压源短路 六. 预习与思考题 1. 叠加原理中 U S1, U S2 分别单独作用, 在实验中应如何操作? 可否将要去掉的电源 (U S1 或 U S2 ) 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 4-1 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 4-1 实验数据一, 当 U S1 =U S2 =12V 时, 用叠加原理计算各支路电流和各电阻元件两端电压 ; 4. 根据表 4-2 实验数据二, 说明叠加性与齐次性是否适用该实验电路 ; 14

15 实验五 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压范围内, 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 R S 和电压源 U S 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 R S 和电流源 I S 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 R S 相串联表示 ; 若视为电流源, 则可用一个电流源 I S 与一个电阻 R S 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 R S ; US (2) 已知实际电压源的参数为 Us 和 R S, 则实际电流源的参数为 IS 和 R S, R 若已知实际电流源的参数为 Is 和 R S, 则实际电压源的参数为 U I R 和 R S S S S S 15

16 三. 实验设备 1. 直流数字电压表 直流数字电流表 2. 恒压源 ( 双路 0~30V 可调 ) 3. 恒源流 (0~200mA 可调 ) 4 EEL-51D 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 5-1 所示, 图中的电源 U S 用恒压源 0~+30V 可调电压输出端, 并将输出电压调到 +6V, R 1 取 200Ω 的固定电阻,R 2 取 1KΩ 的电位器 调节电位 器 R 2, 令其阻值由大至小变化, 将电流表 电压表的读 数记入表 5-1 中 U S V ma 图 5-1 表 5-1 电压源 ( 恒压源 ) 外特性数据 R(Ω) I(mA) U(V) 在图 5-1 电路中, 将电压源改成实际电压源, 如图 5-2 所示, 图中内阻 R S 取 51Ω 的固定电阻, 调节电位器 R 2, 令其阻值由大至小变化, 将电流表 电压表的读数记入表 5-2 中 U S V ma 图 5-2 表 5-2 实际电压源外特性数据 R(Ω) 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 5-3 接线, 图中 I S 为恒流源, 调节其输出为 5mA( 用毫安表测量 ), R 2 取 1kΩ 的电位器, 在 R S 分别为 1kΩ 和 两种情况下, 调节电位器 R 2, 令其 I S 阻值由大至小变化, 将电流表 电压表 ma V 16 图 5-3

17 的读数记入表 5-3 中 表 5-3 电流源与实验电流源的外特性数据 R(Ω) I(mA) U(V) 3. 研究电源等效变换的条件 按图 5-4 电路接线, 其中 (a) (b) 图中的内阻 R S 均为 51Ω, 负载电阻 R 均为 200Ω ma U S V I S ma V 图 5-4 在图 5-4 (a) 电路中,U S 用恒压源 0~+30V 可调电压输出端, 并将输出电压调到 +6V, 记录电流表 电压表的读数 然后调节图 5-4 (b) 电路中恒流源 I S, 令两表的读数与图 5-4(a) 的数值相等, 记录 I S 之值, 验证等效变换条件的正确性 并记录在表 5-4 中 表 5-4 电源等效数值 电流表读数 I(mA) 电压表读数 U(V) 恒流源读数 (ma) 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? 3. 实际电压源与实际电流源的外特性为什么呈下降变化趋势, 下降的快慢受哪个参数影响? 17

18 4. 实际电压源与实际电流源等效变换的条件是什么? 所谓 等效 是对谁而言? 电压源 与电流源能否等效变换? 七. 实验报告要求 1. 根据实验数据绘出电源的四条外特性, 并总结 归纳两类电源的特性 ; 2. 从实验结果, 验证电源等效变换的条件 ; 3. 回答思考题 18

19 实验六 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 U S 和一个电阻 R S 串联 组成的实际电压源来代替, 其中 : 电压源 U S 等于这个有源二端网络的开路电压 U OC, 内阻 R S 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 R O 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 I S 和一个电阻 R S 并联组 成的实际电流源来代替, 其中 : 电流源 I S 等于这个有源二端网络的短路电源 I SC, 内阻 R S 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 R O U S R S 和 I S R S 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 U OC, 然后再将其 输出端短路, 测其短路电流 I S C, 且内阻为 : U OC RS I SC 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 U U OC U N U I N I 图 6-1 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 6-1 所示 开路 电压为 U OC, 根据外特性曲线求出斜率 tg, 则内 阻为 : U RS tg I 另一种方法是测量有源二端网络的开路电压 U OC, 以及额定电流 I N 和对应的输出端额定电压 有源网络 U S U OC V I SC U OC 图

20 U N, 如图 6-1 所示, 则内阻为 : R (3) 半电压法 U U OC N S I N 如图 6-2 所示, 当负载电压为被测网络开路电压 U OC 一半时, 负载电阻 R L 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 R S 数值 (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 有源网络 U S V 图 6-3 U S 电压源 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 6-3 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 直流数字电流表 2. 恒压源 ( 双路 0~30V 可调 ) 3. 恒源流 (0~200mA 可调 ) 4. KHDL-3 型电路原理实验箱 HE-19 元件箱 四. 实验内容 被测有源二端网络如图 6-4 所示. 1. 图 6-4 线路接入恒压源 U S =12V 和恒流源 I S =20mA 及可变电阻 R L 图

21 测开路电压 U OC : 在图 6-4 电路中, 断开负载 R L, 用电压表测量开路电压 U OC, 将数据记入表 6-1 中 测短路电流 I S C: 在图 6-4 电路中, 将负载 R L 短路, 用电流表测量短路电流 I S C, 将数据记入表 6-1 中 表 6-1 Uoc(V) Isc(mA) Rs=Uoc/Isc 2. 负载实验 测量有源二端网络的外特性 : 在图 6-4 电路中, 改变负载电阻 R L 的阻值, 逐点测量 对应的电压 电流, 将数据记入表 6-2 中 并计算有源二端网络的等效参数 U S 和 R S 表 6-2 R L ( ) U(V) I(mA) 3. 验证戴维南定理 有源网络 ma 有源网络 ma V U S I S V (a) 图 6-5 (b) 测量有源二端网络等效电压源的外特性 : 图 6-5(a) 电路是图 6-4 的等效电压源电路, 图中, 电压源 U S 用恒压源的可调稳压输出端, 调整到表 6-1 中的 U OC 数值, 内阻 R S 按表 6-1 中计算出来的 R S ( 取整 ) 选取固定电阻 然后, 用电阻箱改变负载电阻 R L 的阻值, 逐点测量对应的电压 电流, 将数据记入表 6-3 中 表 6-3 有源二端网络等效电流源的外特性数据 R L ( ) U(V) I(mA) 测量有源二端网络等效电流源的外特性 : 图 6-5(b) 电路是图 6 4 的等效电流源电路, 图中, 电流源 I S 用恒流源, 并调整到表 6-1 中的 I SC 数值, 内阻 R S 按表 6-1 中计算出来 21

22 的 R S ( 取整 ) 选取固定电阻 然后, 用电阻箱改变负载电阻 R L 的阻值, 逐点测量对应的 电压 电流, 将数据记入表 6-4 中 表 6-4 有源二端网络等效电流源的外特性数据 R L ( ) U AB (V) I(mA) 4. 测定有源二端网络等效电阻 ( 又称入端电阻 ) 的其它方法 : 将被测有源网络内的所有 独立源置零 ( 将电流源 IS 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 R 1 Req= ( ) 5. 用半电压法和零示法测量被测网络的等效内阻 R S 及其开路电压 Uoc. 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. 说明测量有源二端网络开路电压及等效内阻的几种方法 七. 实验报告要求 1. 回答思考题 ; 2. 根据表 6-1 和表 6-2 的数据, 计算有源二端网络的等效参数 U S 和 R S ; 3. 根据半电压法和零示法测量的数据, 计算有源二端网络的等效参数 U S 和 R S ; 4. 实验中用各种方法测得的 U OC 和 R S 是否相等? 试分析其原因 ; 5. 根据表 6-2 表 6-3 和表 6-4 的数据, 绘出有源二端网络和有源二端网络等效电路的外特性曲线, 验证戴维南定理和诺顿定理的正确性 ; 6. 说明戴维南定理和诺顿定理的应用场合 22

23 实验七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 7-1 所示, 图中 R S 为电源内阻,R L 为负载电阻 当电路电流为 I 时, 负载 R L 得到的功率为 : P L I 2 R L U S RS R L 2 R 可见, 当电源 U S 和 R S 确定后, 负载得到的功率大小只与负载电阻 R L 有关 dp 令 L 0, 解得 :R L = R S 时, 负载得到最大功率 : dr P L L 2 S U PLmax 4R S L U S 图 7-1 R L =R S 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 负载得到最大功率时电路的效率 : PL 50% U I S 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 直流数字电流表 2. 恒压源 ( 双路 0~30V 可调 ) 3. 恒流源 (0~200mA 可调 ) 4.HE-19 元件箱 四. 实验内容 23

24 1. 根据电源外特性曲线设计一个实际电压源模型 U/V 15 ma V U S 50 I/mA 图 7-2 已知电源外特性曲线如图 7-2 所 图 7-3 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 U S 和内阻 R S 实验中, 电压源 U S 选用恒压源的可调稳压输出端, 内阻 R S 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 R L 相连, 电路如图 7-3 所示, 图中 R L 选用电阻箱, 从 0~600Ω 改变负载电阻 R L 的数值, 测量对应的电压 电流, 将数据记入表 7-1 中 表 7-1 电路传输功率数据 R L (Ω) U(V) I(mA) P L (mw) η% 五. 实验注意事项 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 U S 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. 电路传输的功率和效率如何计算? 3. 根据图 7-2 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 U S 和内阻 R S, 作为实验电路中的电源 ; 4. 电压表 电流表前后位置对换, 对电压表 电流表的读数有无影响? 为什么? 24

25 七. 实验报告要求 1. 回答思考题 ; 2. 根据表 7-1 的实验数据, 计算出对应的负载功率 P L, 并画出负载功率 P L 随负载电阻 R L 变化的曲线, 找出传输最大功率的条件 ; 3. 根据表 7-1 的实验数据, 计算出对应的效率 η, 指明 : (1) 传输最大功率时的效率 ; (2) 什么时候出现最大效率? 由此说明电路在什么情况下, 传输最大功率才比较经济 合理 25

26 实验八 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 8-1(a) 所示, 其特性为 : (a) (b) u2 u 1 u2 其中 : 称为转移电压比 u1 ( 即电压放大倍数 ) (2) 电压控制电流源 (VCCS), (c) (d) 如图 8-1(b) 所示, 其特性为 : 图 8-1 i2 g u 1 i2 其中 : gm 称为转移电导 u1 (3) 电流控制电压源 (CCVS) 如图 8-1(c) 所示, 其特性为 : u2 r i 1 u2 其中 : r 称为转移电阻 i1 (4) 电流控制电流源 (CCCS), 如图 8-1(d) 所示, 其特性为 : i2 i 1 i2 其中 : 称为转移电流比 ( 即电流 i1 放大倍数 ) 2. 用运算放大器组成的受控源 图

27 运算放大器的电路符号如图 8-2 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 8-3 所示 由运算放大器的特性 1 可知 : u u u1 u2 u 则 ir1 ir2 R R 1 由运算放大器的特性 2 可知 : i R2 代入 ir1 R2 得 : u2 ( 1 ) u R 2 1 u 1 R1 i R2 i 1 1 图 可见, 运算放大器的输出电压 u 2 受输入电压 u 1 控制, 其电路模型如图 8-1(a) 所示, R2 转移电压比 : (1 ) R (2) 电压控制电流源 (VCCS) 电压控制电流源电路如图 8-4 所示 由运算放大器的特性 1 可知 : u u1 则 ir R 1 1 u 由运算放大器的特性 2 可知 : i 2 ir u 1 u1 R 1 图 即 i 2 只受输入电压 u 1 控制, 与负载 R L 无关 ( 实际上要求 R L 为有限值 ) 其电路模型如图 8-1(b) 所示 i2 1 转移电导为 : g u R (3) 电流控制电压源 (CCVS) 电流控制电压源电路如图 8-5 所示 1 由运算放大器的特性 1 可知 : u u u 2 =RX i R 由运算放大器的特性 2 可知 : i 代入上式, 得 : u2 R i1 R i 1 即输出电压 u 2 受输入电流 i 1 的控制 其电路模 型如图 8-1(c) 所示 图

28 u 转移电阻为 : r i 2 1 R (4) 电流控制电流源 (CCCS) 电流控制电流源电路如图 8-6 所示 由运算放大器的特性 1 可知 : u u 0 R2 ir1 i2 R R 1 2 由运算放大器的特性 2 可知 : ir1 i1 R1 代入上式, i2 ( 1 ) i1 R 2 图 即输出电流 i 2 只受输入电流 i 1 的控制 与负载 R L 无关 它的电路模型如图 8-1(d) 所 i2 R1 示 转移电流比 (1+ ) i R (5) 实验硬件连接原理图 1 2 三. 实验设备 图 直流数字电压表 直流数字电流表 2. 恒压源 ( 双路 0~30V 可调 ) 3. 恒流源 (0~200mA 可调 ) 4.KHDL-3 型电路原理实验箱 HE-19 元件箱 四. 实验任务 1. 测试电压控制电流源 (VCCS) 特性实验电路如图 8-7 所示, 图中,U 1 用恒压源的可调电压输出端,i 2 两端接负载 R L (1) 测试 VCCS 的转移特性 I 2 =f(u 1 ) 调节恒压源输出电压 U 1, 用电流表测量对应的输出电流 I 2, 令 R L =2kΩ, 将数据记入表 8-1 中 28

29 表 8-1 VCCS 的转移特性数据 U 1 /V I 2 /ma (2) 测试 VCCS 的负载特性 I 2 =f(r L ) 保持 U 1 =2V, 负载电阻 R L 用电阻箱, 并调节其大小, 用电流表测量对应的输出电流 I 2, 将数据记入表 8-2 中 表 8-2 VCCS 的负载特性数据 R L /kω U 2 /V I 2 /ma 2. 测试电流控制电压源 (CCVS) 特性 实验电路如图 8-7 所示, 图中,I 1 用恒流源, 输出 U 2 两端接负载 R L (1) 测试 CCVS 的转移特性 U 2 =f(u 1 ) 调节恒流源输出电流 I 1, 用电压表测量对应的输出电压 U 2, 令 R L =2kΩ, 将数据记入 表 8-3 中 表 8-3 CCVS 的转移特性数据 I 1 / ma U 2 /V (2) 测试 CCVS 负载特性 U2=f(R L ) 保持 I 1 =0.2mA, 负载电阻 R L 用电阻箱, 并调节其大小, 用电压表测量对应的输出电 压 U 2, 将数据记入表 8-4 中 表 8-4 CCVS 的负载特性数据 R L /kω U 2 /V I 2 /ma 3. 测试电压控制电压源 (VCVS) 特性电压控制电压源 (VCVS) 可由电压控制电流源 (VCCS) 和电流控制电压源 (CCVS) 串联而成 实验时, 将 VCCS 的输入端 u 1 接恒压源的可调输出端, 输出端 i 2 与 CCVS 的输入端 i 1 相连,CCVS 的输出端 u 2 接负载 R L (1) 测试 VCVS 的转移特性 U 2 =f(u 1 ) 调节恒压源输出电压 U 1, 用电压表测量对应的输出电压 U 2, 令 R L =2kΩ, 将数据记入表 8-5 中 表 8-5 VCVS 的转移特性数据 U 1 / V U 2 /V (2) 测试 VCVS 的负载特性 U 2 =f(r L ) 29

30 保持 U 1 =2V, 负载电阻 R L 用电阻箱, 并调节其大小, 用电压表测量对应的输出电压 U 2, 将数据记入表 8-6 中 表 8-6 VCVS 的负载特性数据 R L /kω U 2 /V I 2 /ma 4. 测试电流控制电流源 (CCCS) 特性 电流控制电流源 (CCCS) 可由电流控制电压源 (CCVS) 和电压控制电流源 (VCCS) 串联而成 实验时, 将 CCVS 的输入端 i 1 接恒流源, 输出端 u 2 与 VCCS 的输入端 u 1 相连, VCCS 的输出端 i 2 接负载 R L (1) 测试 CCCS 的转移特性 I 2 =f(i 1 ) 调节恒流源输出电流 I 1, 令 R L =2kΩ, 用电流表测量对应的输出电流 I 2,I 1 I 2 分别用 EEL-31 组件中的电流插座 5-6 和 测量, 将数据记入表 8-7 中 表 8-7 CCCS 的转移特性数据 I 1 / ma I 2 / ma (2) 测试 CCCS 的负载特性 I2=f(R L ) 保持 I 1 =0.2mA, 负载电阻 R L 用电阻箱, 并调节其大小, 用电流表测量对应的输出电 流 I 2, 将数据记入表 8-8 中 表 8-8 CCCS 的负载特性数据 R L /kω U 2 /V I 2 /ma 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. 若受控源控制量的极性反向, 试问其输出极性是否发生变化? 4. 如何由两个基本的 CCVC 和 VCCS 获得其它两个 CCCS 和 VCVS, 它们的输入输出如何连接? 5. 了解运算放大器的特性, 分析四种受控源实验电路的输入 输出关系 30

31 七. 实验报告要求 1. 根据实验数据, 在方格纸上分别绘出四种受控源的转移特性和负载特性曲线, 并求出相应的转移参量 μ g r 和 β; 2. 参考实验数据, 说明转移参量 μ g r 和 β 受电路中哪些参数的影响? 如何改变它们的大? 3. 回答预习与思考题中的 3 4 题 ; 31

32 实验九 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 U 2 和电流 I 2 作为自变量, 以输入口的电压 U 1 和电流 I 1 作为应变量, 所得的方程称为双口网络的传输方程, 双口网络 图 9-1 如图 9-1 所示的无源线性双口网络 ( 又称为四端网络 ) 的传输方程为 U1 AU 2 B( I 2 ) I CU D( I ) 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, 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 : U10 U1S A ( 令 I 2 0, 即输出口开路时 ) B ( 令 U 2 0, 即输出口短路时 ) U 20 U 2S I10 I1S C ( 令 I 2 0, 即输出口开路时 ) D ( 令 U 2 0, 即输出口短路时 )(2) U 20 U 2S 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 U10 A 得 : R10 ( 令 I 2 0, 即输出口开路时 ) I10 C U1S B R1 S ( 令 U 2 0, 即输出口短路时 ) I1S D 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 32

33 可得 : R10 R1S, R20, R2S U 20 D R20 ( 令 I 1 0, 即输入口开路时 ) I C 20 U 2S B R2 S ( 令 U 1 0, 即输入口短路时 ) I A 2S, 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 R10, R20, R2S 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 : R R, B R A, C A/ R, D = C A R / S 2S 10 R 20 ), 与方程 AD- 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 : A A A B C, B A B B D, C C A D C 三. 实验设备 1. 直流数字电压表 直流数字电流表 2. 恒压源 ( 双路 0~30V 可调 ) 3. EEL 51D EEL 52 2, D C B D D 2, 四. 实验内容 实验电路如图 9-2(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 U 1, 各个电流均用电流插头 插座测量 图 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 的内容, 分别测量 T 型网络和 Π 型网络的电压 电流, 并计算出传输参数 A B C D 值, 将所有数据记入表

34 2 中 T 型网络 输出端开路 I 2 =0 输出端短路 U 2 =0 表 9-1 测定传输参数的实验数据一 测 量 值 计算值 U 10 (V) U 20 (V) I 10 (ma) A C U 1S (V) I 1S (ma) I 2S (ma) B D Π 型网络 输出端开路 I 2 =0 输出端短路 U 2 =0 表 9-2 测定传输参数的实验数据二 测量值 计算值 U 10 (V) U 20 (V) I 10 (ma) A C U 1S (V) I 1S (ma) I 2S (ma) B D 2. 用 双端口分别测量法 测定级联双口网络传输参数 将 T 型网络的输出口与 Π 型网络的输入口连接, 组成级联双口网络, 根据 双端口分 别测量法 的原理和方法, 按照表 9-3 的内容, 分别测量级联双口网络输入口和输出口的 电压 电流, 并计算出等效输入电阻和传输参数 A B C D, 将所有数据记入表 9-3 中 表 9-3 测定级联双口网络传输参数的实验数据 输出端开路 I 2 =0 输出端短路 U 2 =0 U 10 (V) I 10 (ma) R 10 U 1S (V) I 1S (ma) R 1S 计算传输参数 输入端开路 I 1 =0 输入端短路 U 1 =0 U 20 (V) I 20 (ma) R 20 U 2S (V) I 2S (ma) R 2S A B C D 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 ); 2. 两个双口网络级联时, 应将一个双口网络 1 的输出端与另一双口网络 3 的输入端联接 34

35 六. 预习与思考题 1. 说明是双口网络的传输参数? 它们有何物理意义? 2. 试述双口网络 同时测量法 与 分别测量法 的测量步骤, 优缺点及其适用场合 ; 3. 用两个双口网络组成的级联双口网络的传输参数如何测定? 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. 写出各个双口网络的传输方程 ; 3. 验证级联双口网络的传输参数与级联的两个双口网络传输参数之间的关系 ; 4. 回答思考题

36 实验十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 RC 串联电路的相量轨迹及其作移相器的应用 3. 掌握日光灯线路的接线 4. 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 i 0 和 U 0 2. 如图 10 1 所示的 RC 串联电路, 在正弦稳态信号 U 的激励下,U 与 U R C 保持有 90 的相位差, 即当阻值 R 改变时,U R 的相量轨迹是一个半圆,U,U 与 U C R 三者形成一个直角形的电压三角形 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 10 4 所示, 图中 A 是日光灯管,L 是镇流器,S 是启辉器,C 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 1. 交流电压 电流 功率 功率因素表 ( 在主控制屏上 ) 2. 调压器 ( 在主控制屏上 ) 3.EL-55B,30W 镇流器,630V/4.3μF 电容器, 电流插头,40W/220V 白炽灯, 30W 日光灯 U UR UC 36

37 四. 实验内容 1. 用一个 220V/40W 的白炽灯泡和电容组成如图 10 2 所示的实验电路, 按下闭合按钮开关调节调压器至 220V, 验证电压三角形关系测量值计算值 U(V) U R (V) U C (V) U (U R, U C 组成 Rt ) U U/U 2. 日光灯线路接线与测量按图 10 3 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 U 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 U, U L, U A 等值, 验证电压 电流相量关系 UL UA 测量数值计算值 P(W) I(A) U(V) U L (V) U A (V) cos 启辉值正常工作值 3. 并联电路 电路功率因数的改善按图 10 4 组成实验线路经指导老师检查后, 按下绿色按钮开关调节自耦调压器的输出调至 220V, 记录功率表, 电压表读数, 通过一只电流表和三个电流取样插座分别测得三条支路的电流, 改变电容值, 进行三次重复测量 37

38 电容值测量数值计算值 ( F) P(W) U(V) U c (V) U L (V) U A (V) I(A) I C (A) I L (A) I (A) cos 五. 实验注意事项 1. 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 2. 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 3. 上电前确定交流调压器输出电压为零 ( 即调压器逆时针旋到底 ) 六. 预习思考题 1. 参阅课外资料, 了解日光灯的启辉原理 2. 在日常生活中, 当日光灯上缺少了启辉器时, 人们常用一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 38

39 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,u C =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,u C (t) 称为零状态响应 u c U S U t - Se U S U S 变化曲线如图 11-2 所示, 当 u C 上升到 0.632U S 0.632U S 所需要的时间称为时间常数, τ RC 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, u C (t) 称为零输入响应, u c U t - Se 0.368U 图 11-1 uc/v t/s 图 11-2 uc/v 变化曲线如图 11-3 所示, 当 u C 下降到 0.368U S 所 U S 需要的时间称为时间常数, τ RC 3. 测量 RC 一阶电路时间常数 0.368U S 图 11-1 电路的上述暂态过程很难观察, 为了 t/s 用普通示波器观察电路的暂态过程, 需采用图 11- 图 所示的周期性方波 us 作为电路的激励信号, 方波 T 信号的周期为 T, 只要满足 2 5, 便可在示波器的荧光屏上形成稳定的响应波形 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 u C, 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 U Cm a (cm) S 39

40 U S us a b uc/v 0.632a t t/s 图 11-4 图 11-5 取 b 0.632a (cm), 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 t t 时间 ), 该电路的时间常数 x (cm) cm cm 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 u R 与 du 方波输入信号 u s 呈微分关系, u RC S R dt, 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 u C 与方波输入信号 us 呈积分关系, 1 uc usdt RC, 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 us U S us U R us U C t t 三. 实验设备 1. 双踪示波器 2. 信号源 ( 方波输出 ) 3.KHDL-3 型电路原理实验箱 图 11-6 t 四. 实验内容 实验电路如图 11-7 所示, 认清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, 将信号源的 波形选择 开关置方波信号位置上, 将信号源的信号输 40

41 出端与示波器探头连接, 接通信号源电源, 调节信号源的频率旋钮 ( 包括 频段选择 开关 频率粗调和频率细调旋钮 ), 使输出信号的频率为 1kHz( 由频率计读出 ), 调节输出信号的 幅值调节 旋钮, 使方波的峰 - 峰值 V p-p =2V, 固定信号源的频率和幅值不变 1. 微分电路和积分电路 (1) 积分电路 : 如图 11-7 所示, 选择 R C 元件, 令 R=10kΩ,C=0.01μF 0.1μF 用示波器观察激励 u S 与响应 u C 的变化规律, 并记录响应波形 ( 幅度和频率 ) (2) 微分电路 : 如果 11-8 所示, 选择 R C 元件, 令 R=1 kω 10kΩ,C=0.01μF, 用示波器观察激励 u S 与响应 u R 的变化规律, 并记录响应波形 ( 幅度和频率 ) 图 11-9 积分电路硬件连接图 图 微分电路硬件连接图 2. RC 一阶电路的充 放电过程 (1) 测量时间常数 τ: 选择 R C 元件, 令 R=10kΩ,C=0.01μF, 用示波器观察激励 u S 与响应 u C 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=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 10kΩ 30kΩ), 定性地观察对响应的影响 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, 41

42 特别是观察双踪时, 要特别注意开关, 旋钮的操作与调节以及示波器探头的地线不允许同时接不同电势 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, 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? 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 一阶二阶电路 10k 通 30k 3300pF 断 10 F 2 F 1 F 0.1 F 0.01 F 3300pF 1000pF 0. 1 F 通 4. 7mH 断 通 断 10k 100k 10k 2k

43 实验十二 二阶电路暂态过程的研究 一. 实验目的 1. 研究 RLC 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 ; 理解 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 二. 原理说明 1. 零状态响应 在图 12-1 所示 R L C 电路中,u C (0)=0, 在 t=0 时开关 S 闭合, 电压方程为 : d 2 uc duc LC RC uc U dt dt 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 U 信号, 电容两端电压 u C 为响应信号 根据微分方程理论,u c 包含两个分量 : 暂态分量 uc 和稳态分量 u C, 即 u 图 12-1 C uc uc, 具体解与电路参数 R L C 有关 L - t 当满足 R 2 时 : uc ( t) uc uc Ae sin( t ) U C R 1 2L 其中, 衰减系数, 衰减时间常数 2L R 2 振荡频率 1 R ( ) LC 2L, 1 2 振荡周期 T f 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 U uc U uc U uc t t t (a) (b) (c) 图

44 为欠阻尼状态 L 当满足 R 2 时,u C 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 C 电阻很快消耗掉,u c 无法振荡, 变化曲线如图 12-2(b) 所示 当满足 R = 2 2. 零输入响应 L C 时,u c 的变化处在临界阻尼状态, 变化曲线如图 12-2(c) 所示 在图 12-3 电路中, 开关 S 与 1 端闭合, 电路处于稳定状态,u c (0)=U, 在 t=0 时开关 S 与 2 闭合, 输入激励为零, 电压方程为 : uc duc LC RC uc 0 dt dt 这是一个二阶常系数齐次微分方程, 根据微分方程理论,u c 只包含暂态分量 u, 稳态 d 2 分量 u 为零 和零状态响应一样, 根据 R 与 C L 2 的 C 大小关系,u c 的变化规律分为衰减振荡 ( 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 uc 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 U C 1. 双踪示波器 2. 信号源 ( 方波输出 ) 3.HE-19 元件箱 EEL-51D 图 12-3 四. 实验内容及步骤实验电路如图 12-1 所示, 其中,R 为可变电阻,L=15mH,C=0.01uF, 信号源的输出最大值 Um=2V, 频率 f=1khz 的方波脉冲通过插头接至实验电路的激励端, 同时用同轴电缆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. 改变电阻 R, 观察二阶电路的零输出响应和零状态响应由过阻尼过度到临界阻尼, 最后过度到欠阻尼的变化过度过程, 分别定性地描绘响应的典型变化波形 2. 改变欠值, 使示波器荧光屏上呈现稳定和欠阻尼响应波形, 定量测定此时电路的衰减常数 δ 和振荡频率 ω, 并记入表 12-1 中 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 δ 和 ω 的变化趋势, 并将数据记入表 12-1 中 44

45 电路参数 表 12-1 二阶电路暂态过程实验数据 元件参数 测量值 实验次数 R(kΩ) L(mH) C(uF) δ ω PF PF PF PF 五. 实验注意事项 1. 调节电位器 R 2 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. 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 ; 45

46 实验十三 交流串联电路的研究 一. 实验目的 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 : U R P 电阻元件的电阻 : R 或 R 2 I I U L 电感元件的感抗 X L I, X L 电感 L 2 f U C 1 电容元件的容抗 X C, 电容 C I 2 fx C U X 串联电路复阻抗的模 Z, 阻抗角 arctg I R P 2 其中 : 等效电阻 R, 等效电抗 X Z R 2 I 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 ) I U 是一种电动式仪表, 其中电流线圈与负载串联,( 具 u 有两个电流线圈, 可串联或并联, 以便得到两个电流量程 ), 而电压线圈与电源并联, 电流线圈和电压线圈的同名端 ( 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 500V 和 3A 三. 实验设备 2 46

47 1. 交流电压表 电流表 功率表 ( 在控制屏 ) 2. 自耦调压器 ( 输出可调的交流电压 ) 3.HE-19 元件箱 EEL 55B 30W 镇流器,630V/4.3μF 电容器, 电流插头,40W/220V 白炽灯,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. 测量白炽灯的电阻图 13-2 电路中的 Z 为一个 220V/40W 的白炽灯, 用自耦调压器调压, 使 U 为 220V, ( 用电压表测量 ), 并测量电流和功率, 记入数据表格 13-1 中 将电压 U 调到 110V, 重复上述实验 2. 测量电容器的容抗 W A 将图 13-2 电路中的 Z 换为 4.3μF/630V 的电容器 ( 改接电路时必须断开交流电源 ), V u 将电压 U 调到 220V, 测量电压 电流和功率, 记入数据表格 13-1 中 将电容器换为 2.2uF/630V, 重复上述实图 13-2 验 3. 测量镇流器的参数将图 13-2 电路中的 Z 换为镇流器, 将电压 U 分别调到 180V 和 90V, 测量电压 电流和功率, 记入数据表格 13-1 中 4. 测量日光灯电路 日光灯电路如图 13-3 所示, 用该电路取代图 13-2 电路中的 Z, 将电压 U 调到 220V, 测量日光灯管两端电 压 U R 镇流器电压 U RL 和总电压 U 以及电流和功率, 记 入数据表格 13-1 及表 13.2 中 u 镇流器 日光灯 图

48 表 13.1 测量元件 25W/220V 220 灯泡串联 110 电容 4.3μF/630V 220 电容 2.2μF/630V 220 镇流器 日光灯 220 测量数据 实验计算值 U(V) I(A) P(W) cosф R(Ω) X(Ω) L(H) 表 13.2 日光灯电路需要测量的电压 C(μ F) 日光灯管两端电压 U R 镇流器电压 U RL 总电压 U 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 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? 3. 参阅课外资料, 了解日光灯的电路连接和工作原理 ; 4. 当日光灯上缺少启辉器时, 人们常用一根导线将启辉器插座的两端短接一下, 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? 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 1. 根据实验 1 的数据, 计算白炽灯在不同电压下的电阻值 ; 48

49 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); 4. 根据实验 4 的数据, 计算日光灯的电阻值, 画出各个电压和电流的相量图, 说明各个电压之间的关系 49

50 实验十四 提高功率因数的研究 一. 实验目的 1. 研究提高感性负载功率因数的方法和意义 ; 2. 进一步熟悉 掌握使用交流仪表和自耦调压器 ; 3. 进一步加深对相位差等概念的理解 二. 原理说明 供电系统由电源 ( 发电机或变压器 ) 通过输电线路向负载供电 负载通常有电阻负载, 如白炽灯 电阻加热器等, 也有电感性负载, 如电动机 变压器 线圈等, 一般情况下, 这两种负载会同时存在 由于电感性负载有较大的感抗, 因而功率因数较低 若电源向负载传送的功率 P UI cos, 当功率 P 和供电电压 U 一定时, 功率因数 cos 越低, 线路电流 I 就越大, 从而增加了线路电压降和线路功率损耗, 若线路总电阻为 R l, 则 2 线路电压降和线路功率损耗分别为 Ul IRl 和 Pl I R l ; 另外, 负载的功率因数越低, 表明无功功率就越大, 电源就必须用较大的容量和负载电感进行能量交换, 电源向负载提供有功功率的能力就必然下降, 从而降低了电源容量的利用率 因而, 从提高供电系统的经济效益和供电质量, 必须采取措施提高电感性负载的功率因数 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=Q L -Q C 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 Q C =Q L 时, 总无功功率 Q=0, 此时功率因数 cos =1, 线路电流 I 最小 若继续并联电容器, 将导致功率因数下降, 线路电流增大, 这种现象称为过补偿 负载功率因数可以用三表法测量电源电压 U 负载电流 I 和功率 P, 用公式 P cos 计算 UI 本实验的电感性负载用铁心线圈,( 日光灯镇流器 ) 电源用 220V 交流电经自耦调压器调压供电 三. 实验设备 1. 交流电压表 电流表 功率表 ( 在主控制屏上 ) 2. 自耦调压器 ( 输出交流可调电压 ) 3.HE-19 元件箱 30W 镇流器,630V/4.3μF 电容器, 电流插头,30W 日光灯 50

51 四. 实验内容 按图 14-2 组成实验电路经指导老师检查后, 按下按钮开关, 调节自耦变压器的输出电压为 220V, 记录功率表 功率因数表 电压表和电流表的读数, 接入电容, 从小到大增加电容容值, 记录不同电容值时的功率表 功率因数表 电压表和电流表的读数, 并记入表 14-2 中 表 14-2 提高感性负载功率因数实验数据 C ( F ) P(W) U(V) U C (V)U L (V)U A (V) I(A) I C (A) I L (A) cos

52 五. 实验注意事项 1. 功率表要正确接入电路, 通电时要经指导教师检查 2. 注意输出电压为零 ( 即调压器逆时针旋到底 ) 3. 本实验用电流取样插头测量三个支路的电流 4. 在实验过程中, 一直要保持负载电压 U 2 等于 210V, 以便对实验数据进行比较 六. 预习与思考题 1. 电感性的负载为什么功率因数较低? 负载较低的功率因数对供电系统有何影响? 为什么? 2. 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? 此时感性负载上的电流和功率是否改变? 3. 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? 4. 自拟实验所需的所有表格 5. 了解日光灯工作原理 七. 实验报告要求 1. 根据实验 1 2 数据, 计算出日光灯和并联不同电容器时的功率因数 并说明并联电容器对功率因数的影响 绘制出功率因数与所并电容的曲线, 所并电容是否越大越好? 2. 根据表 14-1 中的电流数据, 说明 I=I C +I RL 吗? 为什么? 3. 画出所有电流和电源电压的相量图, 说明改变并联电容的大小时, 相量图有何变化? 4. 根据实验 2 3 数据, 从减小线路电压降 线路功率损耗和充分利用电源容量两个方面说明提高功率因数的经济意义 5. 回答思考题

53 实验十五 交流电路频率特性的测定 U I C C 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 频率计和交流毫伏表 二. 原理说明 1. 单个元件阻抗与频率的关系 U R U R 对于电阻元件, 根据 R 0, 其中 R, 电阻 R 与频率无关 ; I R I R U L U 对于电感元件, 根据 L jx L, 其中 X 2 fl I L, 感抗 XL 与频率成正比 ; L I L U C 对于电容元件, 根据 jx C, 其中 I X C 1, 容抗 XC 与频率成反比 2 fc C 测量元件阻抗频率特性的电路如图 15 1 所示, 图中的 r 是提供测量回路电流用的标准电阻, u 流过被测元件的电流 (I R I L I C ) 则可由 r 两端的电压 Ur 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 X L 和 X C 的数值 2. 交流电路的频率特性图 15-1 由于交流电路中感抗 X L 和容抗 X C 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 Re (j ) N ( j ) A( ) ( ) E x (j ) 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 ; 53

54 (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 (a) (b) (c) 图 15-2 在本实验中, 研究几个典型电路的幅频特性, 如图 15-2 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 f C 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 f C 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 f C1 称为下限截止频率,f C2 称为上限截止频率, 通频带 BW =f C2 -f C1 三. 实验设备 1. 信号源 ( 含频率计 ) 2. 交流毫伏表 3.EEL 51D 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 15 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 U R U L U C 和 Ur, 将实验数据记入表 15-1 中 并通过计算得到各频率点的 R X L 和 X C 表 15-1 R L C 元件的阻抗频率特性实验数据频率 f(khz) R(k ) Ur(V) U R (V) 54

55 I R (ma)=ur/r R=U R /I R Ur(V) X L (k ) U L (V) I L (ma)=ur/r X C (k ) X L =U L /I L Ur(V) U C (V) Ic(mA)=Ur/r Xc=U C /Ic 2. 高通滤波器频率特性 实验电路如图 15-3 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 )ui, 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, 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 15-2 中 表 15-2 频率特性实验数据 U i 图 15-3 f(khz) U R (V) U C (V) U O (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 U C, 将实验数据记入表 15-2 中 4. 带通滤波器频率特性实验电路如图 15-4 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 U O, 将实验数据记入表 15-2 中 U i 图

56 五. 实验注意事项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 X L 和容抗 X C? 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 15-1 实验数据, 在方格纸上绘制 R X L X C 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 15-1 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 15-2 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 f C, 并与计算值相比较 ;(2) 说明它们各具有什么特点 4. 根据表 15-2 实验数据, 在方格纸上绘制带通滤波器的幅频特性曲线, 从曲线上求得截止频率 f C1 和 f C2, 并计算通频带 BW 56

57 实验十六 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 16-1 所示 RC 串 并联电路的频率特性 : U o 1 N(j ) U 1 i 3 j( RC ) RC U o 1 其中幅频特性为 : A( ) U i ( RC ) RC 2 ui 图 16-1 uo 1 RC 相频特性为 : ( ) o arctg RC i 3 幅频特性和相频特性曲线如图 16-2 所示, 幅频特性呈带通特性 1 1 当角频率 时, A ( ), ( ) 0 RC 3 1 u O 与 u I 同相, 即电路发生谐振, 谐振频率 f0 2 RC 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 u I 同相, 其大小是输入电压的三分之一, 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 16-3 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 网络输图 16-2 入电压 )U I 恒定, 改变频率 f, 用交流毫伏表监视 U I, 并测量对应的 RC 网络输出电压 U O, 计算出它们的比值 A=U O /U I, 然后逐点描绘出幅频特 57

58 性 ; 示波器 u/v t/s 信号源 ui RC 网络 uo 毫伏表 图 16-3 图 16-4 测量相频特性 : 保持信号源输出电压 ( 即 RC 网络输入电压 )U I 恒定, 改变频率 f, 用 交流毫伏表监视 U I, 用双踪示波器观察 u O 与 u I 波形, 如图 16-4 所示, 若两个波形的延 ui uo 图 16-5 图 16-6 t 时为 Δt, 周期为 T, 则它们的相位差 360, 然后逐点描绘出相频特性 T 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 16-5, 其幅频特性具有带阻特性, 如图 16-6 所示 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 51D 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 16-3 所示, 其中,RC 网络的参数选择为 :R=2kΩ,C=0.22μF, 信号源输出正弦波电压作为电路的输入电压 u i, 调节信号源输出电压幅值, 使 U i =2V 58

59 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 U i =2V 不变 ( 用交流毫 1 伏表监视 ), 测量输出电压 U 0,( 可先测量 A 时的频率 fo, 然后再在 fo 左右选几个频率 3 点, 测量 U 0 ), 将数据记入表 16-1 中 在图 16-3 的 RC 网络中, 选取另一组参数 :R=200Ω,C=2.2μF, 重复上述测量, 将数据记入表 16-1 中 R=2k C=0.22 F R=200 C=2.2 F f (Hz) U O (V) f (Hz) U O (V) 2. 测量 RC 串 并联电路的相频特性 表 16-1 幅频特性数据 实验电路如图 16-3 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 16-2 中 R=2k C=0.22 F R=200 C=2.2 F f (Hz) T(ms) t (ms) f (Hz) T(ms) t (ms) 表 16-2 相频特性数据 3. 测定 RC 双 T 电路的幅频特性实验电路如图 16-3 所示, 其中 RC 网络按图 16-5 连接, 实验步骤同实验 1, 将实验数据记入自拟的数据表格中 五. 实验注意事项 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 59

60 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 16-1 和表 16-2 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 60

61 实验十七 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 17 1 所示的 R L C 串联电路中, 电路复 1 1 阻抗 Z R j( L ), 当 L 时,Z=R,U R C C 与 I 同相, 电路发生串联谐振, 谐振角频率 1 0 LC, 1 图 17-1 谐振频率 f0 2 LC 在图 17-1 电路中, 若 U 为激励信号,U 为响应信 号, 其幅频特性曲线如图 所示, 在 f=f0 时,A=1, U R =U,f f0 时,U R <U, 呈带通特性 A=0.707, 即 U R =0.707U 所对应的两个频率 f L 和 fh 为下限频率和上限频率,f H -f L 为通频带 通频带的宽窄与电阻 R 有关, 不同电阻值的幅频特性曲线如图 17-3 所示 电路发生串联谐振时,U R =U,U L =U C =QU,Q 称图 17-2 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 U R U L U C, 绘制 R L C 串联电路的幅频特性曲线, U U C 并根据 f f H fl 计算出通频带, 根据 Q L 或 U U Q f 0 计算出品质因数图 17-3 f f, h L R 三. 实验设备 61

62 1. 信号源 ( 含频率计 ) 2. 交流毫伏表 3.HE-19 元件箱四. 实验内容 1. 按图 17 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 9mH 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 U 0 的读数为最大 F 时, 读得频率计上的频率值即为电路的谐振频率 f0, 并 R 测量 UC 与 UL 之值 ( 注意及时更换毫伏表的量程 ) 3. 在谐振点两侧, 按频率递增或递减 500Hz 或图 kHz, 依次各取 8 个测量点, 逐点测出 UO,UL,UC 之值, 记入数据表格 f (khz) U O (V) U L (V) U C (V) 4. 改变电阻值 (R 为 100Ω), 重复步骤 2,3 的测量过程 f (khz) U O (V) U L (V) U C (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 U L 和 U C 数值前, 应将毫伏表的量限改大约十倍, 而且在测量 U L 与 U C 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? 62

63 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 U R 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 : U R =f (f), UL=f (f), UC=f (f) 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 ; 4. 对两种不同的测 Q 值的方法进行比较, 分析误差原因 ; 5. 回答思考题 1 2 5; 6. 试总结串联谐振的特点 63

64 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 U P 的 3 倍, 线电流 IL 等于相电流 IP, 即 : U 3 U, I I, 流过中线的电流 IN=0; 作 Δ 形联接时, 线 L P L P 电压 U L 等于相电压 U P, 线电流 I L 是相电流 I P 的倍, 即 : I L 3 I P, UL U P 不对称三相负载作 Y 联接时, 必须采用 Y O 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,I L I p, 但只要电源的线电压 U L 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 1. EEL 55B 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 64

65 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 在用到 EEL-55B 组件时, 两个灯炮应该串联, 做不对称实验时, 将第四相灯泡并到另 三相灯泡的任意一相即可 (1) 在有中线的情况下, 用高压电流取样导线测量三相负载对称和不对称时的各相电 流 中线电流, 并测量各相电压, 将数据记入表 18-1 中 (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 U NNˊ, 将数据记入表 18-1 中 表 18 1 负载星形联接实验数据 中线每相灯组数负载相电压 (V) 电流 (A) 连接 A B C UA U B U C I A I B I C I N U NN (V) 有 无 断开 1 2 短路 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 表 18 2 负载三角形联接实验数据 每相灯组数 相电压 (V) 线电流 (A) 相电流 (A) A-B B-C C-A U AB U BC U CA I A I B I C I AB I BC I CA

66 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 4. 实验时, 应将每相的两个灯泡串联, 做不对称实验时, 将第四相并到其他三相的另一相上 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, Ul 3U p 在什么条件下成立? 在三角形连 接时, I 3I 在什么条件下成立? l p 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? 4. 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 66

67 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 ) L2 对于三相不对称负载, 用三个单相功 L3 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 W 1 W 2 W 3, 则 N 三相功率 P=W 1 +W 2 +W 3, 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 L1 W1 W2 图 19-1 对称, 也不论负载是 Y 接还是 Δ 接, 都图 19-2 可用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 W 1 W 2, 则三相功率 P W U I cos(30 - ) U I cos(30 ), W1 2 l l l l 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,W 1 =W 2, 即两个功率表读数相等 ; (2) 当负载功率因数 cos 0.5, 60, 将有 一个功率表的读数为零 ; (3) 当负载功率因数 cos 0.5, 60, 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, 指针式功率表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 L1 L2 L3 W1 L1 L2 L3 W2 W3 W1 图 19-3 A B C 三相对称负载 N 67

68 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 W U l I lsin, 其中 为负载的阻抗角, 则三相负载的无功功率 Q 3W 三. 实验设备 1. 交流电压表 电流表 功率表 2. 三相调压输出电源 3. EEL 55B 四. 实验内容 1. 三相四线制供电, 测量负载星形联接 ( 即 Y 0 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 220V( 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 负载情况 Y 接对称负载 Y 接不对称负载 开灯组数测量数据计算值 A 相 B 相 C 相 P A (W) P B (W) P C (W) P(W) 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 68

69 表 19-2 三相三线制三相负载功率数据 负载情况 开灯组数 测量数据 计算值 A 相 B 相 C 相 P 1 (W) P 2 (W) P(W) Y 接对称负载 Y 接不对称负载 Δ 接不对称负载 Δ 接对称负载 五. 实验注意事项每次实验完毕, 均需将三相调压器旋钮调回零位, 如改变接线, 均需重新开三相电源, 以确保人身安全 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 的数据, 并和理论计算值相比较 ; 2. 总结 分析三相电路功率测量的方法 69

70 实验二十单相电度表的校验 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 n N W 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 I S min 100% I N 式中的 IN 为电度表的额定电流 (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, 70

71 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 3A(5A) 的电度表, 接线图见图 20-1 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 黄 绿红接负载接电源图 20-1 兰 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.NEEL 17 组件 ( 含电度表 白炽灯 ) 或 EEL 55 组件 4.NEEL 23 组件 ( 含 10kΩ/3W 电位器 10kΩ/8W 电阻 5.1kΩ/8W 电阻 ) 或 EEL-52 组件 5. 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 kwh A W V 图 20-2 按图 20-2 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 220V, 按表 20-1 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 20-1 中 为了准确和熟悉起见, 可重复多做几次 71

72 负载情况 (40W 白炽灯个数 ) U (V) 表 20-1 校验电度表准确度数据测量值计算值 I (A) P (W) 时间 (s) 转数 n 实测电能计算电能 W(kWh) W(kWh) ΔW/W 电度表常数 N 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 20-2 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 10kΩ/3W 电位器, 记下使电度表铝盘刚开始转动的最小电流值 I min, 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 72

73 实验二十一功率因数表的使用及相序测量 一. 实验目的 1. 掌握三相交流电路相序的测量方法 ; 2. 熟悉功率因数表的使用方法, 了解负载性质对功率因数的影响 二. 实验原理 1. 相序指示器相序指示器如图 21-1 所示, 它是由一个电容器和两个白炽灯按星型联接的电路, 用 来指示三相电源的相序 在图 21-1 电路中, 设 U U U 为三相对称电 A 源相电压, 中点电压 u U U U A B C X N C R RC U - j B N u jx C RB RC 设 X C R B R C, U A U P 0 U P 代入上式得 : B U N ( 0.2 j0.6) U P 则 U B U B U N ( 0.3 j1.466) U P C U B 1.49U P U U U ( 0.3 j0.266) U U 0. U C 可见 U C B U C N,B 相的白炽灯比 C 相的亮 B P C C 4 A P A B u C X C N u C u B RC RB 图 21-1 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 2. 负载的功率因数在图 21-2(a) 电路中, 负载的有功功率 P UI cos, 其中 cos 为功率因数, 功率因数角 X L X C arc tan R 且 当 X L X C 0, cos >0, 感性负载 ; 当 X L X C 0, cos >0, 容性负载 ; 当 X L X C 0, cos =1, 电阻性负载 可见, 功率因数的大小和性质由负载参数的大小和性质决定 73

74 三. 实验设备 1. 交流电压表 电流表 功率表和功率因数表 2.EEL 52 EEL 55B 30W 镇流器,630V/4.3μF 电容器, 电流插头,40W 日光灯 3. 三相调压器 四. 实验内容 1. 测定三相电源的相序 (1) 按图 21-1 接线, 图中,C=2.2 F/630V,R A R B 为两个 220V 40W 的白炽 灯, 调节三相调压器, 输出线电压为 220V 的三相交流电压, 测量电容器 白炽灯和中点 电压 U N, 观察灯光明亮状态, 作好记录 设电容器一相为 A 相, 试判断 B C 相 V A (a) W Z 图 21-2 (2) 将电源线任意调换两相后, 再接入电路, 重复步骤 (1), 并指出三相电源的相序 2. 负载功率因数的测定按图 21-2(a) 接线, 阻抗 Z 分别用电阻 (220V/40W 白炽灯 ) 感性负载(220V/40W 白炽灯和镇流器串联 ) 和容性负载 (220V/40W 白炽灯和 4.3 F /630V 电容串联 ) 代替, 如图 21-2(b) (c) (d) 所示, 将测量数据记入表 21-1 中 表 21-1 测定负载功率因数数据负载情况 U (V) I (A) P (W) cos 负载性质 电阻 感性负载 容性负载 五. 实验注意事项 1. 每次改接线路都必须先断开电源 ; 2. 功率表和功率因数表实验板内部已连在一起, 实验中只连接功率表即可 六. 预习与思考题 1. 在图 21-1 电路中, 已知电源线电压为 220V, 试计算电容器和白炽灯的电压 ; 2. 什么是负载的功率因数? 它的大小和性质由谁决定? 3. 测量负载的功率因数有几种方法? 如何测量? R (b) R L (c) R C (d) 74

75 实验二十二 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 22-1(a) (b) 所示 ( +1) ( +1) 1 2 (a) 图 22-1 (b) 在理想情况下, 其电压 电流关系为 : 对于 INIC 型 : U 2 U1 I 2 K1I1 (K 1 为电流增益 ) 对于 VNIC 型 : U 2 K 2U1 I 2 I1 (K 2 为电压增益 ) 如果在 INIC 的输出端接上负载阻抗 ZL, 如图 1 2 INIC 1 2 ZL 图 所示, 则它的输入阻抗 Zi 为 U1 U 2 K1U 2 K I I K I Z i 1Z L 即输入阻抗 Zi 为负载阻抗 ZL 的 K 1 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 22-3 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 : U1 U U U 2, 又 I 5 I 6 0, I1 I 3, I 2 I 4 75

76 I 4 I U Z U I Z 2 L Z I 2 Z 2 U I Z I Z I Z Z i 1 1 Z Z 1 2 Z L KZ L 1 Z Z 2 2 可见, 该电路属于电流倒置型 1 2 Z L (INIC) 负阻抗变换器, 输入阻抗 ZI 等于负载阻抗 ZL 乘 -K 倍 图 22-3 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 ; Z1 R1 10 假设 Z 1 R1 1k, Z2 R2 300 时, K Z2 R 若负载为电阻, Z L RL时, Z1 KZ L RL 3 若负载为电容 C, Z L 时, Z1 KZ L - j L ( 令 L ) 2 j C 3 j C C 3 若负载为电感 L, Z L j L时, Z1 KZ L j L ( 令 C ) 2 3 j C L 10 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. 双踪示波器 6.EEL 54B, EEL-51D 四. 实验内容 电压源 1 1 R1 3 3 图 测量负电阻的伏安特性实验电路如图 22-4 所示, 图中 :U 1 为恒压源的可调稳压输出端, 负载电阻 R L 用电阻箱, R 1 =1kΩ,R 2 =300Ω (1) 调节负载电阻箱的电阻值, 使 R L =300Ω( 用 1K 电位器 ), 调节恒压源的输出电压, 4 R2 2 2 RL 76

77 使之在 (0~1V) 范围内的取值, 分别测量 INIC 在不同输入电压 U1 时的输入电流 I1, 将数据记入表 22-1 中 (2) 令 R L =600Ω, 重复上述的测量, 将数据记入表 22-1 中 表 22-1 负电阻的伏安特性实验数据 U1(V) R L =300 I1(mA) U1 平均 (V) I1 平均 (ma) R L =600 U1(V) 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) 2. 阻抗变换及相位观察用 0.1 F 的电容器 ( 串一电阻 500Ω) 和 100mH 的电感 ( 串 500Ω) 分别取代 RL, 用低频信号源 ( 正弦波形,f= Hz) 取代恒压源, 调节低频信号使 U 1 <1V, 并用双踪示波器观察并记录 U 1 与 I1 以及 U 2 与 I 2 的相位差 (I1 I 2 的波形分别从 R 1 R 2 两端取出 ) 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 22-1 数据, 完成要求的计算, 并绘制负阻特性曲线 ; 2. 根据实验 2 的数据, 解释观察到的现象, 说明负阻变换器实现阻抗变换的功能 ; 3. 回答思考题 77

78 实验二十三回转器特性测试 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 23-1(a) (b) 所示 (a) 图 23-1 (b) I 1 0 G U 理想回转器的导纳方程为 : I 2 G 0 U 或写成 I 1 GU 2; I 2 GU 1 U 1 0 R I 1 也可写成电阻方程 : U 2 R 0 I 2 或写成 U 1 RI 2; U 2 RI 1 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 2 I 1 GU 2 G U 2 U 2 Y i, 又 Z U I / G I I G Y 1 i j C j L, 其中 2 C L 2 G L 1, j C 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 78

79 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 三. 实验设备 1. 信号源 2. 交流毫伏表 3. 双踪示波器 4.EEL 54B EEL-51D 或 EEL-52 四. 实验内容 测定回转器的回转常数 实验电路如图 23-2 所示, 在回转器的 信 RL 号 端接纯电阻负载 R L ( 电阻箱 ), 取样电阻 R S =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 源 RS URS 图 23-2 载电阻 RL 时的 U1 U2 和 U RS, 并计算相应的电流 I1 I2 和回转常数 G, 一并记入表 23-1 中 R L (k ) 表 23-1 测定回转常数的实验数据 测量值计算值 U 1 (V) U 2 (V) U RS (V) I 1 (ma) I 2 (ma) G =I 1 /U 2 G =I 2/U 1 G =(G +G )/2 2. 测试回转器的阻抗逆变性质 (1) 观察相位关系实验电路如图 23-2 所示, 在回转器 2 2 端的电阻负载 R L 用电容 C 代替, 且 C=0.1 F, 用双踪示波器观察回转器输入电压 U 1 和输入电流 I 1 之间的相位关系, 图中的 R S 79

80 为电流取样电阻, 因为电阻两端的电压波形与通过电阻的电流波形同相, 所以用示波器观察 URS 上的电压波形就反映了电流 I 1 的相位 (2) 测量等效电感 在 2 2 两端接负载电容 C=0.1 F, 用交流 毫伏表测量不同频率时的等效电感, 并算出 I 1 L L 及误差 ΔL, 分析 U U 1 U RS 之间的相 量关系 信号源 C1 1 2 C2 RS URS 图 测量谐振特性 实验电路如图 23-3 所示, 图中 :C 1 =1 F,C 2 =0.1 F, 取样电阻 R S =1kΩ 用回转器 作电感, 与 C 1 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 23-2 中规定的各个电压, 并找出 U 1 的峰值 将测量数据和计算值记入表 23-2 中 表 23-2 谐振特性实验数据 f (Hz) 参数 U 1 (V) U RS (V) I 1 =U RS /R S (ma) L =U 1 /2 fi 1 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 80

81 1. 根据表 23-1 数据, 计算回转电导 ; 2. 根据实验 2 的结果, 画出电压 电流波形, 说明回转器的阻抗逆变作用, 并计算等效电感值 ; 3. 根据表 23-2 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 81

82 实验二十四 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 S 对位置有关 E 1. 判断互感线圈同名端的方法 (1) 直流法如图 24-1 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 V A N1 N2 图 24-2 N1 N2 ma 图 24-1 (2) 交流法如图 24-2 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 U 13 U 12 和 U 34, 若 U 13 是两个绕组端压之差, 则 1 3 是同名端 ; 若 U 13 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 24-2 电路中, 互感线圈的 N1 侧施加低 U 20 =ωmi 1, 可算得互感系数为 压交流电压 U 1, 测出 I1 及 U 2 根据互感电势 E 2M U M 2 I 1 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 82