电路分析基础实验指导书(1)改

电路分析实验指导书

目 录

实验一 电工仪表的使用与测量误差的计算„„„„„„„„„„„„„„„1 实验二 电路元件伏安特性的测量„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 实验三 直流电路中电位、电压的关系研究„„„„„„„„„„„„„„„10 实验四 基尔霍夫定律„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12 实验五 叠加定理的验证„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15 实验六 戴维南定理和诺顿定理的验证„„„„„„„„„„„„„„„„18 实验七 电压源与电流源的等效变换„„„„„„„„„„„„„„„„„23 实验八 受控源特性测试„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26 实验九 RC 一阶电路的动态过程研究实验„„„„„„„„„„„„„„„31 实验十 二阶动态电路响应的研究„„„„„„„„„„„„„„„„„„34 实验十一 RLC 元件在正弦电路中的特性实验„„„„„„„„„„„„„36 实验十二 RLC 串联谐振电路的研究„„„„„„„„„„„„„„„„„39 实验十三 双口网络测试„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„42 实验十四 RC 选频网络特性测试„„„„„„„„„„„„„„„„„„„45 实验十五 负阻抗变换器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„48 实验十六 回转器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„52 附1 典型电信号的观察与测量„„„„„„„„„„„„„„„„„„„56

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实验一 常用电工仪表的使用与测量误差的计算

一、实验目的

1、熟悉各类测量仪表、各类电源的布局及使用方法 2、掌握电压表、电流表内电阻的测量方法 3、熟悉电工仪表测量误差的计算方法

二、实验说明

1、为了准确地测量电路中实际的电压和电流，必须保证仪表接入电路不会改变被测电路的工作状态，这就要求电压表的内阻为无穷大；电流表的内阻为零。而实际使用的电工仪表都不能满足上述要求。因此，当测量仪表一旦接入电路，就会改变电路原有的工作状态，这就导致仪表的读数值与电路原有的实际值之间出现误差，这种测量误差值的大小与仪表本身内阻值的大小密切相关。 2、本实验测量电流表的内阻采用“分流法”，如图1-1所示。

图1-1 可调电流源

A为被测电阻（RA ）的直流电流表，测量时先断开开关S ，调节电流源的输出电流I 使A 表指针满偏转，然后合上开关S ，并保持I 值不变，调节电阻箱

RB 的阻值，使电流表的指针指在1/2满偏转位置，此时有IA=IS=1/2， RA=RB//R1，R1为固定电阻器之值，RB 由电阻箱的刻度盘上读得。 3、测量电压表的内阻采用分压法，如图1-2所示。

图1-2 可调稳压源 图1-3

V为被测内阻（RV ）的电压表，测量时先将开关S 闭合，调节直流稳压源的

输出电压，使电压表V 的指针为满偏转。然后断开开关S ，调节RB 使电压表V 的指示值减半。此时有 RV=RB+R1

电阻箱刻度盘读出值RB 加上固定电阻R1，即为被测电压表的内阻值。 电压表灵敏度为 S=RV/U（Ω/V）

4、仪表内阻引入的测量误差（通常称之为方法误差，而仪表本身构造上引起的误差称这仪表基本误差）的计算。 以图1-3所示电路为例，R1上的电压为

R 11

U ，若R 1=R 2，则U R 1=U U R 1=

R 1+R 22

R V R 1

现有一内阻为RV 的电压表来测量U R 1值，当RV 与R1并联后，R AB =

R V +R 1

以此来替代上式中的R1，则得

R V R 1

U 'R 1=V 1U

R V R 1

+R 2

R V +R 1

R V R 1⎛⎫ R 1⎪V 1⎪ 为U =U 'R 1-UR 1=U -V 1 +R 2R 1+R 2⎪ ⎪⎝R V +R 1⎭

-R 12R 2U

化简后得U = 22

R V R 1+2R 1R 2+R 2+R 1R 2R 1+R 2若R1=R2=RV，则得

U U =-

6

U 'R 1-U R 1-U /6

⨯100%=⨯100%=-33. 3 相对误差U %=

U R 1U /2

三、实验设备

四、实验内容

1、根据“分流法”原理测定MF500B 型（或其他型号）万用表直流毫安1mA

和10mA 档量限的内阻，线路如图1-1所示。

2、根据“分压法”原理按图1-2接线，测定万用表直流电压10V 和50V 档量限的内阻。

3、用万用表直流电压50V 档量程测量1-3电路中R1上的电压U R 1之值，并计五、实验注意事项：

1、实验台上提供所有实验的电源，直流稳压电源和恒流源均可调节其输出量，并由数字电压表和数字毫安表显示其输出量的大小，启动电源之前，应使其输出旋钮置于零位，实验时再缓缓地增、减输出。

2、稳压源的输出不允许短路，恒流源的输出不允许开路。

3、电压表应与电路并联使用，电流表与电路串联使用，并且都要注意极性与量程的合理选择。

六、思考题

1、根据实验内容1和2，若已求出1 mA档和10V 档的内阻，可否直接计算得出10 mA档和50V 档的内阻？

2、用量程为10A 的电流表测实际值为8A 的电流时，实际读数为8.1A ，求测量的绝对误差和相对误差。 3、如图1-4（a ）、(b)为伏安法测量电阻的两种电路，被测电阻的实际值为RX ，电压表的内阻为RV ，电流表的内阻为RA ，求两种电路测电阻RX 的相对误差。

(a) 图1-4 (b)

七、实验报告

1、列表记录实验数据，并计算各被测仪表的内阻值。 2、计算实验内容3的绝对误差与相对误差。 3、对思考题的计算。

实验二 电路元件伏安特性的测量

一、实验目的

1、学会识别常用电路和元件的方法。

2、掌握线性电阻、非线性电阻元件及电压源和电流源的伏安特性的测试方法。

3、学会常用直流电工仪表和设备的使用方法。

二、实验原理

任何一个二端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I=f(U)表示，即I-U 平面上的一条曲线来表征，即元件的伏安特性曲线。

1、线性电阻器的伏安特性曲线是一条通过坐标原点的直线，如图2-1中a 曲线所示，该直线的斜率等于该电阻器的电阻值。

2、一般的白炽灯在工作时灯丝处于高温状态，其灯丝电阻随着温度的升高而增大。通过白炽灯的电流越大，其温度越高，阻值也越大。一般灯泡的“冷电阻”与“热电阻”的阻值相差几倍至几十倍，所以它的伏安特性曲线如图2-1中b 曲线所示。

3、一般的半导体二极管是一个非线性电阻元件，其伏安特性曲线如图2-1中c 曲线所示。正向压降很小（一般的锗管约为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几

十伏时，其反向电流增加很小，粗略地可视为零。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，但其反向特性较特别，如图2-1中d 曲线所示。在反向电压开始增加时，其反向电流几乎为零，但当电压增加到某一数值时（称为管子的稳压值，有各种不同稳压值的稳压管）电流将突然增加，以后它的端电压将维持恒定，不再随外加的反向电压升高而增大。注意：流过稳压二极管的电流不能超过管子的极限值，否则管子会被烧坏。

图 2-1 各种电路元件的伏安特性曲线

三、实验设备

四、实验内容

1、测定线性电阻器的伏安特性

按图2-2接线，调节稳压电源的输出电压U ，从0伏开始缓慢地增加，一直到10V ，记下相应的电压表和电流表的读数U R 、I 。

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图2-2

2、测定非线性白炽灯泡的伏安特性

3、测定半导体二极管的伏安特性

按图2-3接线，R 为限流电阻器。测二极管的正向特性时，其正向电流不得超过35mA ，二极管D 的正向施压U D+可在0～0.75V 之间取值，特别是在0.5～0.75V 之间更应多取几个测量点。做反向特性实验时，只需将图2-3中的二极管D 反接，且其反向施压U D －可加到30V 。

图2-3

4、测定稳压二极管的伏安特性

只要将图2-3中的二极管换成稳压二极管，重复实验内容3的测量。测量

点自定。

5、测定电压源伏安特性

图2-4

按图2-4连接电路图，调节U 为5V ，改变R L 的值，测量U 和I 的值。记入

6、测定电流源伏安特性

图2-5

按图2-5接好电路图，调节R L 的值，测出各种不同RL 值时的I 和U ，记入表中：

六、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35mA 。

2、进行不同实验时，应先估算电压和电流值，合理选择仪表的量程，切勿使仪表超量程，仪表的极性亦不可接错。

七、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、设某器件伏安特性曲线的函数式为I = f(U)，试问在逐点绘制曲线时，其坐标变量应如何放置？

3、在图2-3中，设U=3V，U D+ = 0.7V，则毫安表（mA ）表读数为多少？ 4、稳压二极管与普通二极管有何区别，其用途如何？

八、实验报告

1、根据各实验数据，分别在方格纸上绘制出光滑的伏安特性曲线。（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、根据实验结果，总结、归纳各被测元件的特性。 3、必要的误差分析。

实验三 直流电路中电位、电压的关系研究

一、实验目的

1、验证电路中电位与电压的关系。 2、掌握电路电位图的绘制方法。

二、实验原理

在一个闭合电路中，各点电位的高低视所选的电位参考点的不同而改变，但任意两点间的电位差（即电压）则是绝对的，它不因参考点的变动而改变。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。

电位图是一种平面坐标一、四象限内的折线图，其纵坐标为电位值，横坐标为各被测点。要制作某一电路的电位图，应先以一定的顺序对电路中各被测点编号。以图3-1的电路为例，如图中A ～F ，并在坐标轴上按顺序、均匀间隔标上A 、B 、C 、D 、E 、F 、A 。再根据测得的各点电位值，在各点所在的垂直线上描点。用直线依次连接相邻两个电位点，即得该电路的电位图。在电位图中，任意两个被测点的纵坐标值之差即为两点之间的电压值。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的，但其各点电位变化的规律却是一样的。

在作电位图或实验测量时必须正确区分电位和电压的高低，按照惯例，是以电流方向上的电压降为正，所以，在用电压表测时，若仪表指针正向偏转，则说明电表正极的电位高于负极的电位。

三、实验设备

四、实验内容

图3-1

按图3-1接线。

1、分别将两路直流稳压电源接入电路，令U1 = 6V，U2 = 12V 。（先调整输出电压值，再接入实验线路中。电压应该用万用表测）。

2、以图3-1中的A 点作为电位的参考点，分别测量B 、C 、D 、E 、F 各点的电位值φ及相邻两点之间的电压值UAB 、UBC 、UCD 、UDE 、UEF 及UFA ，数据列于表中。

五、实验注意事项

1、本实验电路单元可设计多个实验，在做本实验时根据给出的电路图选择开关位置，连成本实验电路。

2、测量电位时，用万用表的直流电压档或用数字直流电压表测量时，用负表棒（黑色）接参考电位点，用正表棒（红色）接被测点，若指针正向偏转或显示正值，则表明该点电位为正（即高于参考点电位）；若指针反向偏转或显示负值，此时应调换万用表的表棒，然后读出数值，此时在电位值之前应加一负号（表明该点电位低于参考点电位）。

六、思考题

若以F 点为参考电位点，实验测得各点的电位值，现令E 点作为参考电位点，试问此时各点的电位值应有何变化？

七、实验报告

1、根据实验数据，绘制两个电位图形，并对照观察各对应两点间的电压情况。两个电位图的参考点不同，但各点的相对顺序应一致，以便对照。

2、完成数据表格中的计算，对误差作必要的分析。 3、总结电位相对性和电压绝对性的结论。

实验四 基尔霍夫定律

一、实验目的

1、加深对基尔霍夫定律的理解, 用实验数据验证基尔霍夫定律。 2、学会用电流表测量各支路电流。

二、实验原理

1、基尔霍夫电流定律（KCL ）：基尔霍夫电流定律是电流的基本定律。即对电路中的任一个节点而言，流入到电路的任一节点的电流总和等于从该节点流出的电流总和，即应有∑I=0。

2、基尔霍夫电压定律（KVL ）：对任何一个闭合回路而言，沿闭合回路电压降的代数总和等于零，即应有∑U=0。这一定律实质上是电压与路径无关性质的反映。

基尔霍夫定律的形式对各种不同的元件所组成的电路都适用，对线性和非线性都适用。运用上述定律时必须注意各支路或闭合回路中电流的正方向，此方向可预先任意设定。

三、实验设备

四、实验内容

实验线路如图4-1。把开关K1接通U1，K2接通U2，K3接通R4。就可以连接出基尔霍夫定律的验证单元电路，如图4-2。

图

4-1

图4-2

1、实验前先任意设定三条支路和三个闭合回路的电流正方向。图4-2中的I1、I2、I3的方向已设定。三个闭合回路的电流正方向可设为ADEFA 、BADCB 、FBCEF 。

2、分别将两路直流稳压源接入电路，令U1 = 8V，U2 = 12V。 3、用电流表分别测量三条支路的电流，并记录电流值。

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，记录之。

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。U1、U2也需测量，不应取电源本身的显示值。

2、防止稳压电源两个输出端碰线短路。

3、所读得的电压或电流值的正、负号应根据设定的电流参考方向来判断。 4、测量时，应先估算电流、电压的大小，以选择合适的量程，以免损坏电表。

5、若用指针式电流表进行测量时，若指针反偏（电流为负值时），此时必须调换电流表极性，重新测量，此时指针正偏，但读得的电流值必须冠以负号。

六、预习思考题

1、根据图4-2的电路测量参数，计算出待测的电流I1、I2、I3和各电阻上的电压值，记入表中，以便实验测量时，可正确地选定毫安表和电压表的量程。

2、实验中，若用指针式万用表直流毫安档测各支路电流，在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，则会有什么显示呢？

七、实验报告

1、根据实验数据，选定节点A ，验证KCL 的正确性。 2、根据实验数据，选定实验电路中的任一个闭合回路，验证KVL 的正确性。 3、将支路和闭合回路的电流方向重新设定，重复1、2两项验证。 4、误差原因分析。

实验五 叠加定理的验证

一、实验目的

1、验证线性电路叠加原理的正确性，加深对线性电路的叠加性和齐次性的认识和理解。

2、学习复杂电路的连接方法

二、实验原理

如果把独立电源称为激励，由它引起的支路电压、电流称为响应，则叠加原理可以简述为：在有多个独立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，可以看成是每一个独立源单独作用时在该元件上所产生的电流或电压的代数和。

在含有受控源的线性电路中，叠加定理也是适用的。但叠加定理不适用于功率计算，因为在线性网络中，功率是电压或者电流的二次函数。

线性电路的齐次性是指当激励信号（某独立源的值）增加或减少K 倍时，电路的响应（即在电路其他各电阻元件上所建立的电流和电压值）也将增加或减小K 倍。

三、实验设备

四、实验内容

实验线路如图5-1所示。

图5-1 叠加原理验证单元

1、将两路稳压源的输出分别调节为12V 和6V ，接到U1和U2处。 2、令U1电源单独作用（将开关K1投向U1, 开关K2投向短路侧）。用直流数字电压表和毫安表分别测量各支路电流及各电阻元件两端的电压，数据记入表5-1。

3、令U2电源单独作用（将开关K1投向短路侧，开关K2投向U2侧），重复实验步骤2的测量并记录，数据记入表5-1。

4、令U1和U2共同作用（开关K1和开关K2分别投向U1和U2侧），重复上述测量，重复实验步骤2的测量并记录，数据记入表5-1。 5、将U2的数值调至+12V，重复上述第3项的测量并记录，数据记入表5-1。 6、将R4换成二极管IN4004，把开关K3打向二极管IN4004侧，重复步骤1～5。数据记入表5-2。

表5-2

五、实验注意事项

1、用电流表测量各支路电流时，或者用电压表测量电压降时，应注意仪表的极性，正确判断测得值的＋、－号后，记入数据表格。

2、注意仪表量程的及时更换。

六、预习思考题

1、可否直接将不作用的电源（U1或U2）短接置零？

2、实验电路中，若有一个电阻器改为二极管，试问叠加原理的叠加性与齐次性还成立吗？为什么？

七、实验报告

1、根据实验数据表格，进行分析、比较、归纳、总结实验结论，即验证线性电路的叠加性与齐次性。

2、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，进行计算并作结论。

3、通过实验步骤6及分析表格5-2的数据，你能得出什么样的结论？

实验六 戴维南定理和诺顿定理的验证

一、实验目的

1、验证戴维南定理和诺顿定理，加深对戴维南定理和诺顿定理的的理解。 2、掌握有源二端口网络等效电路参数的测量方法。

二、实验原理

1、任何一个线性含源网络，如果仅研究其中一条支路的电压和电源，则可将电路的其余部分看作是一个有源二端口网络（或称为有源二端网络）。

戴维南定理指出：任何一个线性有源二端口网络，总可以用一个电压源和一个电阻的串联来等效代替，如图6-1

图6-1

其电压源的电动势U S 等于这个有源二端口网络的开路电压U OC ，其等效内阻R 0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。

诺顿定理指出：任何一个线性有源网络，总可以用一个电流源与一个电阻并联组成来等效代替，如图

6-2

图6-2

此电流源的电流I S 等于这个有源二端口网络的短路电流I SC ，其等效内阻R 0

定义同戴维南定理。

U OC (US ) 和R 0或者I SC (IS ) 和R 0称为有源二端口网络的等效参数。 2、有源二端口网络等效参数的测量方法

（1）开路电压、短路电流法测R 0 在有源二端口网络输出端开路时，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，用电流表测其短路电流I SC ，其等效内阻为R 0 = U OC /ISC 。如果二端网络的内阻很小，若将其输出端口短路则易损坏其内部元件，因此不宜用此法。

（2）伏安法

用电压表、电流表测出有源二端网络的外特性如图6-3根据外特性曲线求

U OC -U N

出斜率tg Ф, 则内阻为R 0=。

I N

用伏安法，主要是测量开路电压及电流为额定值I N 时的输出端电压值U N ，

U OC -U N

则内阻为R 0=。

I N

若二端网络的内阻值很低时，则不宜测其短路电流。

图6-3

（3）半电压法测R 0

如图6-4所示，当负载RL 的电压为被测网络开路电压的一半时，负载电阻（由电阻箱的读数确定）即为被测有源二端口网络的等效内阻值。

图 6-4

（4）零示法测U OC

在测量具有高内阻有源二端口网络的开路电压时，用电压表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6-5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，测量此时稳压电源的输出电压，即为被测有源二端网络的开路电压。

图6-5

三、实验设备

四、实验内容

被测有源二端网络如图6-6

图6-6

图6-6

1、用开路电压、短路电流法测定戴维南等效电路的U OC 、R 0和诺顿等效电路的I SC 、R 0。按图6-6（a ）接入稳压电源U S2= 10V和恒流源I S2 = 10mA。接入负载RL mA 表）。

2、负载实验

3、验证戴维南定理：用一只470Ω的电位器作为R0，将其阻值调整到等于按步骤“1”所得的等效电阻R0之值，然后令其与直流稳压电源U S1（调到步骤“1”时所测得的开路电压U OC 之值）相串联，如图6-6（b ）所示，把U

S1和R L 4、验证诺顿定理：用一只470Ω的电位器作为R0，将其阻值调整到等于按步骤“1” 所得的等效电阻R0之值，然后拿其与直流恒流源I S1（调到步骤“1”时所测得的短路电流I SC 之值）相并联，如图6-6

（c ），把I S1和0然后再与R 15、有源二端网络等效电阻（又称入端电阻）的直接测量法。见图6-6（a ）。将被测有源网络的所有独立源置零（去掉电流源I S 和电压源U S ，并在原电压源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R L 开路时A 、B 两点间的电阻，此即为被测网络的等效电阻R 0，或称网络的入端电阻R i 。

6、用半电压法和零示法测量被测网络的等效内阻R 0及其开路电压U OC 。线路及数据表格自拟。

五、实验注意事项

1、测量时，应注意电流表量程的更换。

2、步骤“5”中，电压源置零时不可将稳压源短接。

3、用万用表直接测R 0时，网络内的独立源必须先置零，以免损坏万用表；其次，欧姆表必须经调零后再进行测量。

4、改接线路时，要关掉电源。

六、预习思考题

1、在求戴维南或诺顿等效电路时，作短路实验，测I SC 的条件是什么？在本实验中可否直接作负载短路实验？请实验前对线路图6-6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。

2、说明测有源二端网络开路电压及等效内阻的几种方法，并比较其优缺点。

七、实验报告

1、据步骤2、3、4，分别绘出曲线，验证戴维南定理和诺顿定理的正确性，并分析产生误差的原因。

2、根据步骤1、5、6的几种方法测得U OC 与R 0与预习时电路计算的结果作比较。

3、归纳、总结实验结果。

实验七 电压源与电流源的等效变换

一、实验目的

1、掌握电源外特性的测试方法。

2、验证电压源与电流源等效变换的条件。

二、实验原理

1、一个直流稳压电源在一定的电流范围内，具有很小的内阻。故在实用中，常将它视为一个理想的电压源，即其输出电压不随电流而变化。其外特性曲线，即其伏安特性曲线U=f(I)是一条平行于I 轴的直线。

一个恒流源在使用中，在一定的电压范围内，可视为一个理想的电流源。 2、一个实际的电压源（或电流源），其端电压（或输出电流）不可能不随负载而变，因为它具有一定的内阻值。故在实验中，用一个小阻值的电阻（或大电阻）与稳压源（或恒流源）相串联（或并联）来模拟一个实际的电压源（或电流源）。