电路试验指导书
电路实验指导书路课程组编写国家电工电子实验教学中心北京交通大学2012电路实验教学可以使学生掌握实验的基本技能和实验方法，从实验数据中找出规律评估问题通过电路设计性实验教学，可以使学生提高综合设计能力、 工程能力以及分析问题解决问题的能力本章在每一个实验题目后面都附有思考题和选做题， 供学生参考选做，使优秀学生有发展和创新的空间模拟电子技术实验:模拟电子技术实验（24学时）低频放大器一基础综合测试基础性实验集成直流电源一半导体器件设计及应用设计性实验差分放大器一电路参数设计设计性实验多种波形发生器一集成运放的综合设计设计性实验功率放大器一电路故障与检测设计设计性实验语音放大器一电路综合设计综合性实验OCL低频功率放大器的设计选做实验恒温控制器的设计小功率线性稳压电源的设计小功率调频发射机的设计函数发生器6实验一电路元件伏安特性的测试通过对电路基本元件伏安特性的测试， 掌握线性电阻和非线性电阻元件的特点及其性能， 分析评估在实验中出现误差的原因，加强对相关领域理论的深刻理解，提高工程实践能力一、实验目的1. 学会识别常用电路元件的方法2. 掌握线性电阻、非线性电阻元件伏安特性的测试方法3. 熟悉实验台上直流电工仪表和设备的使用方法一、廉理说明电路元件的特性一般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1 =f(U)来表示，即用I-U平面上的一条曲线来表征，这条曲线称为该元件的伏安特性曲线。
电阻元 件是电路中最常见的元件， 有线性电阻和非线性电阻之分 实际电路中很少是仅由电源和线性电阻构成的“电平移动”电路，而非线性器件却常常有着广泛的使用，例如非线性元件二极管具有 单向导电性，可以把交流信号变换成直流量，在电路中起着整流作用万用表的欧姆档只能在某一特定的 U和I下测出对应的电阻值，因而不能测出非线性电阻的伏安特性一般是用含源电路“在线”状态下测量元件的端电压和对应的电流值，进而由公式 R=U/I求测电阻值1•线性电阻器的伏安特性符合欧姆定律 U = RI，其阻值不随电压或电流值的变化而变化，伏安特性曲线是一条通过坐标原点的直线， 如图1-1(a)所示，该直线的斜率等于该电阻器的电阻值图1-1元件的伏安特性2•白炽灯可以视为一种电阻元件， 其灯丝电阻随着温度的升高而增大 一般灯泡的“冷电阻”与“热电阻”的阻值可以相差几倍至十几倍 通过白炽灯的电流越大， 其温度越高，阻值也越大，即对一组变化的电压值和对应的电流值， 所得U/I不是一个常数，所以它的伏安特性是非线性的，如图1-1(b)所示3•半导体二极管也是一种非线性电阻元件，其伏安特性如图 1-1(c)所示二极管的电阻值随电压或电流的大小、方向的改变而改变。
它的正向压降很小(一般锗管约为 0.2〜0.3V，硅管约为0.5〜0.7V),正向电流随正向压降的升高而急剧上升， 而反向电压从零一直增加到十几至几十伏时，其反向电流增加很小，粗略地可视为零发光二极管正向电压在 0.5〜2.5V之间时，正向电流有很大变化可见二极管具有单向导电性，但反向电压加得过高，超过管子的极限值，则会 导致管子击穿损坏4•稳压二极管是一种特殊的半导体二极管，其正向特性与普通二极管类似，但其反向特性较 特殊，如图1-1(d)所示给稳压二极管加反向电压时，其反向电流几乎为零，但当电压增加到某 一数值时，电流将突然增加，以后它的端电压将维持恒定，不再随外加反向电压的升高而增大， 这便是稳压二极管的反向稳压特性实际电路中，可以利用不同稳压值的稳压管来实现稳压 三、实验设备序号名称型号与规格数量备注1可调直流稳压电源0 〜30V1台RTDG012万用表MF-30或其他1块3直流数字毫安表1块RTT014直流数字电压表1块RTT015二极管2CP15或其他1RTDG086稳压管2CW511RTDG087白炽灯12V1RTDG088线性电阻器1k Q /1W1RTDG08四、实验内容与步骤3-2接线，调节稳压电源 Us的数值，测出对应的电压表1•线性电阻器伏安特性的测定按图 和电流表的读数记入表 3-1中。
图3-2 图3-3表3-1线性电阻器的伏安特性UrW)0246810l(mA)2•测量白炽灯泡的伏安特性把图3-2中的电阻换成12V , 0.1A的小灯泡，重复步骤1的测试内容， 数据记入表3-2中UL为灯泡的端电压表3-2白炽灯泡的伏安特性Ul(v)0.1 0.5 1 2 3 4 5 I(mA)3•测定半导体二极管的伏安特性按图3-3 , 200Q为限流电阻，先测二极管的正向特性，正向压降可在 0〜0.75V之间取值特别是在曲线的弯曲部分 (0.5〜0.75之间)适当的多取几个测量点， 其正向电流不得超过 25mA ,所测数据记入表3-3中作反向特性实验时， 需将二极管D反接，其反向电压可在0〜30V之间取值，所测数据记入表3-4中表3-3二极管正向特性实验UdJv)00.40.50.550.60.650.680.700.720.75I(mA)表3-4二极管反向特性实验Ud_W)0-5-10-15-20-25-30I(mA)4.测定稳压二极管的伏安特性(1) 将图3-3中的二极管换成稳压二极管 (2CW51)，重复实验内容3的测量数据记入表 3-5中表3-5稳压二极管正向特性4 + (v)I(mA)(2)反向特性实验：将图 3-3中的200 Q电阻换成1K,2CW51反接，测2CW51的反向特性，稳压电源的输出电压从 0-20V,表3-6稳压二极管反向特性U(v)(V)I(mA)五、实验注意事项1. 测二极管正向特性时，稳压电源输出应由小至大逐渐增加， 应时刻注意电流表读数不得超过25mA，稳压源输出端切勿碰线短路。
1. 进行上述实验时，应先估算电压和电流值， 合理选择仪表的量程， 并注意仪表的极性3.如果要测 2AP9 的伏安特性，则正向特性的电压值应取1.1,0.13,0.15,0.17,0.19,0.21,0.24,0.30(V),反向特性的电压应取 0, 2, 4, 6, 8, 10 (V).六、预习思考题1.线性电阻与非线性电阻的概念是什么？电阻器与二极管的伏安特性有何区别？2•若元件伏安特性的函数表达式为 1 = f(U)，在描绘特性曲线时，其坐标变量应如何放置?3.稳压二极管与普通二极管有何区别，其用途如何？七、实验报告1•根据实验结果和表中数据，分别在坐标纸上绘制出各自的伏安特性曲线(其中二极管和稳 压管的正、反向特性均要求画在同一张图中，正、反向电压可取为不同的比例尺) 2•对本次实验结果进行适当的解释，总结、归纳被测各元件的特性3•必要的误差分析4•总结本次实验的收获实验二基尔霍夫定律及叠加定理1、实验目的（1） 对基尔霍夫电压定律和电流定律进行验证，加深对两个定律的理解2） .验证线性电路叠加原理的正确性，从而加深对线性电路的叠加性和齐次性的认识和理 解3） 学会用电流插头、插座测量各支路电流的方法2、实验原理（1）基尔霍夫定律KCL和KVL是电路分析理论中最重要的的基本定律，适用于线性或非线性电路、时变或非变电路的分析计算。
KCL和 KVL是对于电路中各支路的电流或电压的一种约束关系，是一种“电路 结构”或“拓扑”的约束，与具体元件无关而元件的伏安约束关系描述的是元件的具体特 性，与电路的结构（即电路的接点、回路数目及连接方式） 无关正是由于二者的结合，才能衍生出多种多样的电路分析方法（如节点法和网孔法）KCL指出：任何时刻流进和流出任一个节点的电流的代数和为零，即工i（t） =0或工I = 0KVL指出：任何时刻任何一个回路或网孔的电压降的代数和为零，即工u（t） =0或工U= 0运用上述定律时必须注意电流的正方向，此方向可预先任意设定2）叠加定理包含两部分内容：1） •线性电路的叠加性：在有几个独立源共同作用下的线性电路中，任何一条支路的电流或电压，都可以看成是由每一个独立源单独作用时在该支路所产生的电流或电压的代数和2） •线性电路的齐次性：当激励信号（某独立源的值）增加或减小 K倍时，电路的响应（即电路中各支路的电流和电压值）也将增加或减小 K倍某独立源单独作用是指：在电路中将该独立源之外的其他独立源“去掉” ，即电压源用短路线取代，电流源用开路取代，受控源保持不变对含非线性元件（如二极管）的电路，叠加原理不适用。
叠加原理一般也不适用于“功率的叠加” ，P=（工1）.（工U）工工IU3、实验内容（1）基尔霍夫定律实验线路如图1-1所示，用户可根据需要自己设计电路图2-11 ).实验前先任意设定三条支路的电流参考方向，如图中的 丨1、丨2、丨3所示，并熟悉线路结构，掌握各开关的操作使用方法2) •分别将两路直流稳压源接入电路，令 Ei= 6V , E2= 12V，其数值要用电压表监测3) •熟悉电流插头和插孔的结构，先将电流插头的红黑两接线端接至数字毫安表的“ +、―”极；再将电流插头分别插入三条支路的三个电流插孔中，读出相应的电流值，记入表 1-1中4) 用直流数字电压表分别测量两路电源及电阻元件上的电压值，数据记入表 1-1中表2-1基尔霍夫定律的验证内容电源电压(V)支路电流(mA)回路电压(V)E1E2I1I2I3习UfaU ABUcdU deMJ计算值测量值相对误差(2) 叠加定理1) 叠加原理的验证实验线路如图2-2 所示1•令电源E1单独作用时(将开关 S1投向E1侧，开关S2投向短路侧)，用直流数字电压表和 毫安表(接电流插头)测量各支路电流及各电阻元件两端的电压，数据记入表格 2-2。
2•令电源E2单独作用时(将开关 S1投向短路侧，开关 S2投向E2侧)，重复实验步骤1 的测量和记录IN4007[ 1F 丄 鬲 A Is 150£i B图2-2 叠加原理的验证表2-2线性电路叠加原理的验证测量项目实验内容-、Ei(v)E2(v)Ii(mA)I2(mA)I3(mA)Uab(v)Ucd(v)U AD(v)Ude(v)Ufa(v)Ei单独作用E2单独作用Ei+E2作用2E2单独作用Ei/2单独作用3•令Ei和E2共同作用时（开关Si和S2分别投向Ei和E2侧）,重复上述的测量和记录4. 将E2的数值增大两倍，调至（+ 12V），重复上述第3项的测量并记录5. 将E2的数值减小一倍，调至（+ 3V），重复上述第3项的测量并记录6. 将R5换成一只二极管1N4007 （即将开关S3投向二极管D侧）重复1〜5的测量过程，数 据记入表2-3中表2-3含二极管的非线性电路测量项目实验内容Ei(v)E2(v)Ii(mA)I2(mA)I3(mA)Uab(v)Ucd(v)U AD(v)Ude(v)Ufa(v)Ei单独作用E2单独作用Ei+E2作用2E2单独作用Ei/2单独作用7*自拟实验步骤做故障分析实验,(1) 故障一是在AB之间短路。
2) 故障二是在 DE之间断路3) 故障三是在 CD之间并接二极管IN4007，故障不要同时加上4、实验设备序号名称型号与规格数量备注1双输出直流稳压电源0〜30V可调1台RTDG012万用表MF-30或其它1块自备3直流数字电压表1RTT014直流数字毫安表1RTT015叠加原理实验电路板1RTDG025、 实验注意事项1. 两路直流稳压源的电压值和电路端电压值均应以电压表测量的读数为准，电源表盘指示 只作为显示仪表，不能作为测量仪表使用，恒压源输出以接负载后为准2. 谨防电压源两端碰线短路而损坏仪器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“ +、— ”极性当电表 指针出现反偏时，必须调换电流表极性重新测量，此时读得的电流值必须冠以负号6、 预习思考题(1) .根据图5-1的电路参数，计算出待测的电流 11、12、13和各电阻上的电压值，记入表 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) .若用指针式直流毫安表测各支路电流，什么情况下可能出现指针反偏，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？(3) .叠加原理中E1、E2分别单独作用，在实验中应如何操作？可否直接将不作用的电源 (E1 或E2)置零(短接)？(4) 实验电路中，若有一个电阻器改为二极管， 试问叠加原理的迭加性与齐次性还成立7、 实验报告(1)根据实验数据，选定实验电路中的任一个节点，验证 KCL的正确性；选定任一个闭合 回路，验证 KVL 的正确性。
2）根据所测实验数据，归纳、总结实验结论，即验证线性电路的叠加性与齐次性进行计算并作（ 3）误差原因分析 4）各电阻器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，结论 5）. 本次实验的收获与体会19实验三 戴维南定理和诺顿定理、实验目的1. 验证戴维南定理和诺顿定理的正确性，加深对两个定理的理解2. 掌握含源二端网络等效参数的一般测量方法3. 验证最大功率传递定理二、原理说明 戴维南定理与诺顿定理在电路分析中是一对“对偶”定理，用于复杂电路的化简，特别是当 “外电路”是一个变化的负载的情况在电子技术中， 常需在负载上获得电源传递的最大功率 选择合适的负载， 可以获得最大的 功率输出1. 戴维南定理 任何一个线性有源网络，总可以用一个含有内阻的等效电压源来代替，此电压源的电动势Es等于该网络的开路电压 Uoc,其等效内阻Ro等于该网络中所有独立源均置零 (理想电压源视为短接，理想电流源视为开路)时的等效电阻2. 诺顿定理任何一个线性含源单口网络， 总可以用一个含有内阻的等效电流源来代替， 此电流源的电流Is等于该网络的短路电流 Isc,其等效内阻Ro等于该网络中所有独立源均置零时的等效电阻。
Uoc、Isc 和 Ro 称为有源二端网络的等效参数3. 最大功率传递定理在线性含源单口网络中，当把负载 RL以外的电路用等效电路(Es+Ro或Is// Ro)取代时，若使Rl=Ro,则可变负载Rl上恰巧可以获得最大功率：Pmax =I sc2 • Rl/4=Uoc2/4 rl ( 1)4. 有源二端网络等效参数的测量方法⑴开路电压 Uoc 的测量方法① 直接测量法直接测量法是在含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,如图1(a)所示它适用于等效内阻 Ro较小，且电压表的内阻 Rv»Ro的情况下② 零示法在测量具有高内阻(Ro»Rv)含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 8-1(b)所示零示法测量原理是用一低内阻的稳压电源与被测有源二端网络进行比较, 当稳压电源的输出电压Es与有源二端网络的开路电压 Uoc相等时，电压表的读数将为“ 0”，然后将电路断开，测 量此时稳压电源的输出电压，即为被测有源二端网络的开路电压 何 « *(Rv»Ro)fi 1开路轨屁的测爺⑵短路电流Isc的测量方法① 直接测量法：是将有源二端网络的输出端短路，用电流表直接测其短路电流 Isc。
此方法适用于内阻值 Ro较大的情况若二端网络的内阻值很低时，会使 Isc很大，则不宜直接测其短路电流② 间接计算法：是在等效内阻 Ro已知的情况下，先测出开路电压 Uoc，再由lsc= Uoc/Ro计算得出⑶等效内阻Ro的测量方法①直接测量法：将有源二端网络电路中所有独立源去掉， 用万用表的欧姆档测量去掉外电路 后的等效电阻Ro②加压测流法：将含源网络中所有独立源去掉，在开路端加一个数值已知的独立电压源 E,如图2所示，并测出=E/I流过电压源的电流 I，则RoIRC32加压蒯感撫測普馥何阻根据测出的开路电压和短路电③ 开路、短路法：分别将有源二端网络的输出端开路和短路， 流值进行计算：Ro= Uoc/lsc④ 伏安法：伏安法测等效内阻的连接线路如图 3(a)所示，先测出有源二端网络伏安特性如图3(b)所示，再测出开路电压 Uoc及电流为额定值In时的输出端电压值 Un,根据外特性曲线中的几何关系，则内阻为(2)r Uoc Uoc —Un Ro=tg 护一Isc InB(a)违挟感路Rp-MUL(b)伏姿特性图3伏安法测等效内阻⑤ 半电压法调被测有源二端网络的负载电阻 Rl，当负载电压为被测有源二端网络开路电压 Uoc的一半时,负载电阻值(由电阻箱的读数确定)即为被测有源二端网络的等效内阻值。
⑥ 外加电阻法：先测出有源二端网络的开路电压 Uoc,然后在开路端接一个已知数值的电阻r, 并测出其端电压Ur，则有Uoc _ UrRo r r■ Ro = (Uoc/Ur -1).r实际电压源和电流源都具有一定的内阻， 不能与电源本身分开 所以在去掉电源时， 其内阻也去掉了，因此会给测量带来误差三、实验内容与步骤被测有源二端网络如图 4(a))所示图4验证戴维南定理和诺顿定理1•测有源二端网络的等效参数⑴按图4(a)线路，将有源二端网络电路中所有独立源去掉 (Es用短路线代替，Is开路)，用万用表的欧姆档测量去掉外电路后的等效电阻 Ro；然后用加压测流法测出 E和I，再由Ro = E/I求出Ro⑵用开路电压、短路电流法测定戴维南等效电路和诺顿等效电路的 Uoc、Isc 按图4(a)线路接入稳压电源Es和恒流源Is,测定Uoc和Isc，计算Ro之值⑶用伏安法测等效内阻 Ro在有源二端网络输出端接入负载电阻箱 Rl，测出额定电流In =15mA下的额定电压 Un，根据公式②计算等效内阻 Ro,数据记入表1中表1测等效内阻Ro直测法加压测流法开路、短路法伏安法*外加电阻法Ro(Q)E(V)I(mA)Ro(Q)Uoc(V)Isc(mA)Ro(Q)Un(mA)I N(mA)Ro(Q)u，(V)R，(Q)Ro(Q)*⑷ 用外加电阻法测等效内阻 Ro。
在有源二端网络输出 AB端接入已知阻值 R'= 510Q的电阻，测量负载端电压 U',数据记入表8-1中2. 负载实验⑴测量仃袒曲屈洛时外粘弘4(a)的 AB端接入负载电阻箱Rl,改变阻值，测出相应的电压和电流值，数据记入表 2中表2有源二端网络的外特性 Rl( Q )0ooU(V)I(mA)阻Ro之值，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,i2.j验证戴维南定理：用一只 1kQ的电位器，将其阻值调整到等于按步骤“ 1 ”所得的等效电如图4（b）所示（开关S投向1），测其外特性，对戴氏定理进行验证，数据记入表 3中表3戴维南等效电路的外特性Rl( Q )0ooU(V)I(mA)*⑶ 验证诺顿定理：将上一步骤用作等效电阻 Ro的电位器（阻值不变）与直流恒流源Is并联，恒流源的输出调到步骤“ 1”时所测得的短路电流Isc之值，如图4（b）所示（开关S投向2），测其 外特性，对诺顿定理进行验证，数据记入表 4中表4诺顿等效电路的外特性Rl( Q )0ooU(V)I(mA)五、实验注意事项1. 测量电流时要注意电流表量程的选取，为使测量准确，电压表量程不应频繁更换。
2. 实验中，电源置零时不可将稳压源短接3. 用万用表直接测 Ro时，网络内的独立源必须先去掉，以免损坏万用表4. 改接线路时，要关掉电源5. 实验步骤中打*号的内容可以根据情况选做六、预习思考题1.在求戴维南等效电路时，测短路电流Isc的条件是什么？在本实验中可否直接作负载短路实 验？请在实验前对线路 4（a）预先作好计算，以便调整实验线路及测量时可准确地选取电表的量程并比较其优缺点2•总结测有源二端网络开路电压及等效内阻的几种方法,七、实验报告并分析产生误差1.根据步骤2和3,分别绘出曲线，验证戴维南定理和诺顿定理的正确性, 的原因2•根据实验步骤中各种方法测得的Uoc与Ro与预习时电路计算的结果作比较，你能得出什么结论3•归纳、总结实验结果实验四 交流参数的测试及感性负载功率因数提高的电路设计1.实验目的(1) 掌握交流参数的测试方法(三表法) 2) 掌握感性负载功率因数提高的方法和实际意义3) 了解日光灯电路的基本原理，并学会日光灯电路的正确连接和使用4) 掌握正确使用交流电流表、电压表、功率表的方法2 .预习要求(1) 复习交流串并联电路中电压和电流的相量关系及提高功率因数的意义和方法。
2) 熟悉日光灯电路的组成及工作原理3) 熟悉交流电压表、电流表、功率表的使用3 •实验原理(1) 三表法测交流电路的等效参数正弦交流激励下的等效参数 (阻抗值)，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,如图1所示，然后通过计算得 到所求的等效参数，这种方法称为三表法根据交流电路的欧姆定律，可以有：阻抗的模：|z | =U/I电路的功率因数：cos$=P / UI等效电阻：R=P/ I2 = |Z | cos©等效电抗：X =|Z | sin©对于感性元件：X = XL = 2n fL对于容性元件：X = Xc =1/ 2 n fC(2) 交流电路中的功率因数及改善1 )功率因数交流电路的功率因数定义为有功功率与视在功率之比，即:cos© = P / S=P/ UI (P=UI cos ©)其中©为电路的总电压与总电流之间的相位差 2） 功率因数提高的实际意义功率因数的大小关系到电源设备容量的利用率和输电线路能量的消耗交流电路的负载多为感性 （如日光灯、电动机、变压器等 ），电感与外界交换能量本身需要一 定的无功功率，因此功率因数比较低 （cos© V 1）。
从供电方面来看，在同一电压下输送给负载一定的有功功率时，所需电流就较大，若将功率因数提高 （如cos© = 1 ），所需电流就可小些这样即可提高供电设备的利用率，又可减少线路的能量损失3） 功率因数提高的方法为了提高交流电路的功率因数，可在感性负载两端并联适当的电容C,如图 2所示并联电容C以后，对于原电路所加的电压和负载参数均未改变，但由于 Ic的出现，电路的总电流 I减小了，总电压与总电流之间的相位差 ©减小，即功率因数 cos©得到提高电感负载所需的无功功率大部分或全部由电容器供给，使供电系统的能量得到充分利用« 2 篁施數瞎的功準阿数观敌事（3）日光灯电路的工作原理1）日光灯电路的组成日光灯由灯管、启辉器和镇流器组成如图 3 所示镇流器作用：a•在灯管启辉瞬间产生一个比电源电压高的多的自感电压帮助启辉 b•限制日光灯的工作电流启辉器作用：在电路中起自动开关作用电容是防止灯管启辉时对无线电干扰2 ）日光灯电路的工作原理日光灯管的工作原理：当灯管两端加上高压时，管内水银蒸气游离放电，发出弧光，弧光中的紫外线射到管壁荧粉上， 使它受到激励而发光 日光灯管的工作特性如图 4所示，由图可见日光灯 管在开始游离放电时需要足够高的电压，正常工作时灯管两端电压较低。
35图4日光灯管伏安特性日光灯电路的工作过程：当接通电源瞬间，电源电压都加在启辉器光管的两电极之间，使 u ”型的双金属片接通，这时日光灯的灯丝通过电极与电源构成一个闭合回路同时，启辉器接通后电极间电压为零，启辉器停止放电，倒 U”型双金属片冷却，在此瞬间回路中的电流突然断电，于是镇流器两端产生一个比电源电压高得多的感应电压连同电源电压一 起加在灯管两端，使管内水银蒸气游离放电，发出弧光，管壁荧粉受到弧光激励而发光4 •实验任务(1) 设计一 RL串联交流电路，实验参考线路图如下，测量以下参数：总电压U总，电感上的电压U rL ,电阻R上的电压U R , RL串联支路中的电流I,总功率P;并计算出实验电路中的各部分参数，将数据填入表 1中o 出O U 頻率=200H2R=10訂 Q▼幅废：1SV值 试 测算 计项目£P㈣r团\L数据□(2) 设计一日光灯电路，选择所需仪表设备1 )在日光灯工作时，测量日光灯电路电流、电源电压、灯管电压、镇流器电压以及功率、功率 因数2 )将上述电路的功率因数提高到 0.95，请设计出电路和电路元件参数再分别测量日光灯电路电流、电源电压、灯管电压、镇流器电压以及功率、功率因数。
3 )测量日光灯的起步电压和熄灭电压5. 注意事项日光灯的启动电流较大，启动时要注意电流表及功率表电流线圈的量程，以免损坏仪表6 •思考题为何采用并联电容来提高功率因数？串联电容行不行？为什么？7 .实验报告要求(1) 将实验数据整理并列表记录，加以分析2) 观察当并联电容值变化时，总电流 I的变化情况，并分析其原因3) 画出日光灯的等效电路，计算相关的电路元件参数4) 总结功率因数提高的方法，画出相关电路并说明原理5) 回答思考题6) 分析日光灯的起步电压和熄灭电压 设计型实验实验五串联谐振电路的研究通过串联谐振电路的实验， 掌握串联谐振电路的特点及其性能， 分析评估在实验中出现误差的原因，加强对相关领域理论的深刻理解，提高工程实践能力一、 实验目的通过电感和电容元件串联而成的简单的串联电路， 观察谐振现象，了解谐振电路特性， 设计测量谐振频率f品质因数Q、通带宽,：f及谐振曲线的方法，加深其理论知识的理解，提高学生的基 本技能和工程素质二、 设计要求及技术指标（1） 设计一个谐振频率 f0在350~400Hz、品质因数 Q在5~7之间的串联谐振电路2） 计算该电路元件参数3） 设计测量谐振频率f。
品质因数Q、通带宽,：f及谐振曲线的方法三、 实验原理（1）串联谐振的基本原理由电感和电容元件串联组成的一端口网络如图 7.1所示该网络的等效阻抗是电源频率的函数z =r j （丄-r C）当该网络发生谐振时，其端口电压与电流同相位即R■L -1 C =0，得到谐振角频率电感箱图7.1 R、L、C串联电路■0=1 LC定义谐振时的感抗 ®L或容抗1/wC为特性阻抗p,特性阻 抗p与电阻R的比值为品质因数 Q,即卩q「/R»：0L/R=.j_/C R（2）品质因数谐振时，电路的阻抗最小当端口电压 U 一定时，电路的电流达到最大值（图 7.2），该值的大 小仅与电阻的阻值有关， 与电感和电容的值无关； 谐振时电感电压与电容电压有效值相等， 相位 相反电抗电压为零，电阻电压等于总电压，电感或电容电压是总电压的 Q倍，即U r -U sU L =U c = QU S（3）通带宽及谐振曲线RLC串联电路的电流是电源频率的函数，即 |z(j ⑸| ¥宙 WL+1/Q2 U /R Io 2 2 j 2 2$1 +Q (怕 ^o -Co/eo) J +Q (灼⑷o —购⑷)在电路的L、C和信号源电压 Us不变的情况下，不同的 R值得到不同的Q值。
对应不同Q值的电流幅频特性曲线如图 7.3(a)所示为了研究电路参数对谐振特性的影响，通常采用通用谐振曲线对上式两边同除以 Io作归一化处理，得到通用频率特性I 11 o $1 +Q2 (⑷曲o -矶心)2与此对应的曲线称为通用谐振曲线该曲线的形状只与 Q值有关Q值相同的任何 R、L、C串联谐振电路只有一条曲线与之对应图 73 (b)绘出了对应不同 Q值的通用谐振曲线b)通用谐振曲线图5.3 R、L、C串联谐振电路的特性曲线通用谐振曲线的形状越尖锐，表明电路的选频性能越好定义通用谐振曲线幅值下降至峰值的0.707倍时对应的频率为截止频率 fc幅值大于峰值的 0.707倍所对应的频率范围称为通带宽理论推导可得：f f2 - 口 f Q由上式可知，通带宽与品质因数成反比4 •设计过程(1) 确定电路元件参数实验电路如图7.4所示，其中 尺=5?，是电流取样电阻信号源输出正弦波，有效值 Us=5V按图7.5所示电路计算(图7.5为图7.4的等效电路，其中 RmA为电流表内阻，Rl为电感线圈内阻，其值可查表 7.1、表7.2 )信号源信号源图7.4串联谐振实验电路R mA1 -11■R1图7.5 “图7.4”的等效电路设计要求：元件选择满足 f0在350~400Hz、Q在5~7之间。
提示：由于电感与电流表的内阻是电路的主要电阻，故此应根据 Q、Us,确定L值和电流表量程；计算Q值时包括R仁C值应在表7.3范围内确定：L=，Rl=，电流表量程：_， RmA = _计算：C= _， Q=， Io=_， fci、fc2 的电流，即 I 「2 二_表7.1电流表量程与对应的内阻量程/mA50100200400内阻/ Q4824126表7.2电感值与对应的内阻电感/H0.10.20.30.40.50.60.70.80.91内阻/ Q39.557.972.585.597.3108119129138146表.7.3电容箱调节范围旋钮1旋钮2旋钮3旋钮4总电容量电容调节范围/uF(0 —10)*0.1(0 —10)*0.01(0 —10)*0.001(0 —10)*0.0001四个值相加5.测试步骤(1)观察串联谐振现象按预习中的给定量： Us=5V , Ri=5?，以及计算的L、C值，组成图7.4所示实验电路调节信■■- CH1_，CH2 示波器帝丄信号源号源输出频率：由低到高，观察电流表指针变化 变化规律为：随着f的升高，电流表读数由零开始， 逐渐有一定读数，在f = f0 =左右时，I~ |0 (电路发图7.6用示波器观测端口电压、电流波形生谐振）。
当f继续升高，电流表读数逐渐下降若在上述过程中，电流表读数一直为零（或Ivvlo）, 则说明电路出现故障（或电路参数有误） ，查找原因，排除故障2） 测试、记录实验数据调节信号源频率使电流表读数保持在最大值，用示波器观测端口电压、电流相位差，如图 7.6所示微调信号源输出频率，使其相位差为零此时的频率值，即为谐振频率 fo测试该谐振点的Io、Ul、Uc有效值，以及端口电压、电流波形，填入表 7.4的相应栏内；调节信号源频率分别为 截止频率点fci、fc2处（即电流表读数为最大值的 0.707倍），测试这两点的I、Ul、Uc有效值，以及电压、电流波形，填入表 7.4的相应栏内3） 测定通用谐振曲线调节信号源频率，测量回路电流测量点以fo为中心，左右取点在通频带内，测量点多取几点 测量结果填入表7.5中表7.4串联谐振电压、电流数据测试点频率f / Hz端口电流1 /mA电感线圈电压Ul/ V电容电压 Uc/ V端口电压、电流波形谐振点（fo）截止频率点（fci）截止频率点（fc2）表7.5谐振曲线（归一化）测量数据频率f / Hzfo回路电流1 /mA频率f / fo1变压器、整流桥（400V 3A ）三端集成稳压器（7812、7912）三极管、电阻电容等。
7 .思考题（1） 如何从坐标纸绘制的谐振曲线，求出品质因数 Q和通频带. ：f？（2） 将实验值与理论值进行比较，进行误差分析，给出相应结论8•选做题（1） 改变电容C值为任务1中的二倍，Us、Ri、L值同任务1调节信号源输出频率，找到谐 振点fo、截止频率点fc,测定出Q值2） 自行设计fo=1OOO Hz，L=0.4 H，调节电容C值，使电路谐振自拟表格测定I-C谐振曲线 计算品质因数Q值实验六 三相交流电路综合实验三相交流电路综合实验是三相交流电路的综合应用 包含负载为三相灯箱时的星形接法、 角形接法及三相四线电路、三相三线电路测量各相电压和线电压、相电流和线电流，三相电路 的有功功率和无功功率的测量1．实验目的 通过本实验可以更好地掌握和理解对称与不对称三相电路的星形接线方法和三角形接线方 法中的相值、线值的测量方法；功率表的接线方法；三相交流电路功率 ( 包括有功功率、无功功率、功率因数等 ) 的测量让学生学会对电压、电流和功率的相关理论的估算，然后进行测量， 并对实验数据进行误差掌握不对称负载中点位移现象，加深对中线作用的理解2．设计要求 验证对称三相电路中相线制的关系、三相电路有功功率的测量方法： ( 非电和电专业都要求 ) (1) 三相四线负载为星形接法的白炽灯：a 对称负载时，测量各相，线的电压及电流，并测三相功率(自选测定方法) ；b 不对称负载时，测量各相，线的电压及电流，测中线电流，并测三相功率(自选测定方法)(2) 三线负载为星形及三角形接法：a 星形接法：在对称及不对称情况下，重复 (1) b 的测试内容并增加中点电压的测量；b 三角形接法：在对称及不对称情况下，重复 (1) a 的测试内容；(3) 故障情况：负载为三角形接法a A'B' 相断线，重复 (1) a 的测试内容；b A 线断线，测量各相，线的电压及电流；(4) 三相三线情况下， 如果负载中点无法触及或根本无中点， 设计测量三相有功功率的可行方案， 并进行测量。
5) 三相三线情况下，负载对称，每相均为白炽灯和电容器并联组成改变每相电容值，找出电 容为何值时“两表法”中的一块表将反偏转中点位移、三相无功功率的测量： ( 电专业要求，非电专业可以选做 )(1) 三相三线对称 Y 形负载中有一相断线，测中点电压并确定中性点在电压相量图中的位置2) 三相三线对称 Y 形负载中有一相短路，重复 1 的测量与分析4) 三相三线对称 Y 形电阻性负载，当三相负载中有两相负载同时减为原来的一半(或电阻增大 一倍)，测中点电压并用相量图分析5) 三相三线 Y 形负载， A 相为纯电容性负载时，测无功功率和中点电压，并画相量图 3．实验原理a、线电压与相电压的关系在三相星形联结电源如图所示， 可以获得两种电压， 即相电压和线电压 相电压是指电源每相两端之间的电压，即相线与中线之间的电压， 并规定相电压的参考方向是从相线指向中线 其有效值用U、UB、U或一般用U表示，如图中UA UB、Ub线电压指相线与相线之间的电压，如图中 U^b UBb Uh,其有效值用 UAB UBc、Uh或一般用 U表示星形联结时相线电压之间的关系如下根据KVL定律，有U ab =Ua - U BU BC =U B - U CUcA =Uc - U A做相量图，如图所示。
图 星形联结时相线电压相量图根据相线电压相量图（a），有Uab 二.3Ja /30°做出全部相量图如图（b）所示，即Uab =Ua -Ub = 3JA'°Ubc =Ub -Uc =%/3U —Uca =Uc -Ua =.3Uc30°三角形联 结的对称三相电源，没 有中点，相电压就是线 电压有效值表示为 Uab = U Bc二Uca二U1 -Up，故负载的相电压等于电源的线电压时，应当采用三角形联结b、线电流与相电流的关系如下图所示为三相四线制电路相电流：流过每相负载的电流，如 IA、IB、Ic线电流：流过 A、B、C三端线的电流，如IA、I（b、Ic相电流就是线电流中线电流：ll ="a ' Ib ' I*c在如图所示三相△形联结的负载中： A o-图三相四线制电路相电流：流过每相负载的电流 IIab、Ibc、Ica线电流：流过端线的电流 Ia、IB、lc线电流为：|A =|IAB -l)CA图三相三线制电路Ibl)BC - llABlc=“CA—'NbC相量图如图所示，根据相线电流相量图，有O-3ZBAJk/—30°o图 △形负载的电流相量图即当相电流对称时，线电流也是对称的，其大小是相电流的,3倍，其相位滞后于相应的相电流 30°。
c、三相电路功率的测量测量三相三线制电路功率常用的方法是两表法接线方式：两个功率表的电流线圈串联接在任一相端线中，“ *”标端在电源测电压线圈标端分别与各自电流线圈“ *”标端短接，电压线圈的另一端接在没有接电流线圈的端线上，如 图所示在三相三线制电路中，无论负载是对称还是不对称，是星形还是三角形连接，若两功率表 W、W2测得的读数为Pl、P2,则三相功率为 P=R+P2，三个线电流总有i A+i B+i c=0 即 i c=-( i A+i b)线电压与相电压的关系为Uac =Ua 一Uc, Ubc =Ub 一 Uc两个功率表的瞬时功率之和为P P2 = UAciA +UbJb=(UA -Uc)iA (Ub -Uc)iB= UAiA -UciA UBiB -UciB= UAiA UBiB -Uc(iA iB)= UAiA UBiB Ucic二 Pa PB Fc可见，两个功率表的瞬时功率之和等于三相负载瞬时功率之和因此 P1+F2在一个周期内的平均值等于三相负载瞬时功率之和在一个周期内的平均值，即 Pa+R+R^Pi+R 用两表法测量三相三线制电路的功率时， 会出现功率表反转的现象，在这种情况下，应将反转的那个功率表的电流线圈两端对换，此时测得三相功率 P=P1-F2。
证明：P =Pi P2 =Uac I a COS 二亠 Ubc Ib COS 卩当负载对称时，由图所示的相量图知R 二U AC I A COS：二UclcCOS(30° )P2 二UbcIbCOS： =UcIc cos(30° )由以上两式可知 6=0，贝U R=P2◎大于60 °,或小于60 °,则F2为负值，即功率表的指针反向偏转图 对称负载星形联结时的向量图必须指出：当用两瓦表法测量三相功率时，两个瓦特表读数的代数和正好等于三相的总功率，但其中每一个瓦特表的读数是没有意义的4 .主要参考元器件三相灯箱、电阻电容等5. 思考题(1) 在预习时，掌握三相功率的测量、相线值的关系的相关内容2) 说明测量原理用实验值验证⑶预习测量三相无功功率的理论知识，说明测量原理⑷定性画出对称三相电路三角形接线时，负载的某一相断线和 A线断线时的电压与电流相量图5) 在三相四线制供电系统中，中性线的作用是什么？(6) 分析三表跨相法测量三相无功功率的理论依据7) 总结测量功率的几种方法及相应条件8) 定性画出相量图6. 注意事项(1) 本实验电源电压较高，应注意安全，每次改接线之前先断电2) 测量功率时应用电压表与电流表分别监视功率表的电压和电流，以防过载。
⑶ 在三相三线电路中， A相为纯电容性负载时， B相电压较高，千万注意安全⑷ 跨相测无功功率时，一定要摘掉 U*和I*之间的短接线，以免造成相间短路7．选做题 ( 非电专业不要求 )(1) 三相三线对称 Y 形电阻性负载，当三相负载中有一相负载减为原来的一半(或电阻增大一 倍)，测中点电压并用相量图分析2) 三相三线Y形负载，A相为电阻和电容并联时，测无功功率和中点电压，并画相量图3) 三相三线对称 Y 形负载，每相均为白炽灯和电容并联时，测无功功率和中点电压，并画相量 图验证型实验实验七 RC动态响应通过RC一阶电路实验，需要对电容元件的特性以及电压的惯性特点有较深刻的认识、 了解积分电路和微分电路的概念，通过此实验，对一阶电路的三要素理解更加深入1.实验目的通过RC一阶电路实验，对电容元件的特性以及电压的惯性特点有较深刻的认识， 加深对相关理论的理解观测一阶 RC电路的零输入响应，零状态响应，确定 RC电路的时间常数，了解积分电路和微分电路的概念，进一步学会用示波器测绘图形，提高学生的基本技能和工程素质2 •实验原理1）电路的结构，元件的参数或激励发生改变，电路将打破原有的平衡状态（稳态过程） ，各支路电压电流进行重新分配，经过一段时间达到新的稳定状态。
这一段时间我们称之为“暂态过程”， 或过渡过程这一过程的响应由以下三个要素决定：初始值，稳态值和时间常数一阶电路中的全响应为：X C士口 』u,) =uc(t)血(0 .) -Uc(O .)]e" 零输入响应：uC(t) =uC(0 )eAI 零状态响应：uC (t)二 uC (t) - uC (0 )e 丄1 Uc (t):稳态解；Uc (0 ):初始值Uc (0 ):稳态解在t=0+时刻的值.:一阶电路的时间常数2） RC 一阶电路的零输入响应和零状态响应分别按指数规律衰减和增长，其变化的快慢决 定于电路的时间常数 3）微分电路和积分电路时 RC 一阶电路中较典型的电路，它对电路元件参数和输入信号的周期有着特定的要求一个简单的 RC串联电路，在方波脉冲的周期（T）满足0.5T>> .，电阻R两端的电压作为输出（如下图 （a）），此电路为微分电路因为此时输出信号与输入信号的微分运算成正比利用微分电路可将宽脉冲转变为尖脉冲当加在 RC串联电路中的方波周期满足0.5T<< £输出响应变为电容 C两端的电压（如下图（b））,此电路为积分电路因为此时电路的 输出信号与输入信号电压的积分成正比。
利用积分电路可以将方波转变成三角波 这两个电路都起着波形变化的作用 R（U）微分电路（b）积分电路3.测量步骤1）确定输入方波的频率过渡过程是一个十分短暂的单次变化过程， 对于只能用普通示波器观察过渡过程并测量相关参数的实验，就必须是这种单次变化的过程重复出现， 为达到此目的，我们可以利用函数发生器输出的方波来模拟激励信号，即利用方波的上升沿作为零状态响应的起始时刻； 利用方波的下降沿作为零输入响应的起始时刻 注意选择方波的高低电平的持续时间， 工程上认为，当过渡过程持续了 3~7 .，过渡过程结束，因此方波的高低电平的持续时间必须大于 3~7 .，这样电路在此方波序列脉冲信号的激励下，它的响应就和直流电源接通与断开的过渡过程基本相同2）测量出零状态，零输入时的电容电压及电阻电压的波形3 ）时间常数的测定0.632Um所对应的时间为.学会使用示波器中的光标测量4）观察与测量微分电路和积分电路的响应，并对输入和输出波形进行比较4 .主要参考元器件双踪示波器，函数发生器，电阻，电容5. 实。
