《電路與電子技術(shù)》(電路分析和模擬電路部分)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)
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1、《電路與電子技術(shù)》(電路分析和模擬電路部分)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 電路實(shí)驗(yàn)的基本知識(shí) 一 、實(shí)驗(yàn)的性質(zhì)和目的 實(shí)驗(yàn)是人類認(rèn)識(shí)客觀事物的重要手段。很多科學(xué)成果都是通過大量探索性實(shí)驗(yàn)而取得的。在理工科大學(xué)里,實(shí)驗(yàn)課程與課堂理論講授一樣,是教學(xué)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)課程中安排的實(shí)驗(yàn)課題,其內(nèi)容是成熟的,目的是明確的,結(jié)果是預(yù)知的,實(shí)驗(yàn)過程有老師的指導(dǎo),雖然沒有探索性實(shí)驗(yàn)?zāi)菢訌?fù)雜,但是對(duì)幫助學(xué)生較為系統(tǒng)地獲得有關(guān)實(shí)驗(yàn)的理論知識(shí)和培養(yǎng)有關(guān)實(shí)驗(yàn)的基本技能是必不可少的。 通過電路實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí),學(xué)生應(yīng): 1.掌握常用電子儀器儀表(包括萬用表、直流穩(wěn)壓電源、低頻信號(hào)發(fā)生器、晶體管毫伏表、及電子示波器
2、)的性能、使用方法。 2.學(xué)習(xí)并掌握基本的測量方法。(包括電流、電壓、阻抗的測量;網(wǎng)絡(luò)伏安特性的測量;網(wǎng)絡(luò)頻率特性的測量;以及網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)特性的測量。) 3.初步掌握專業(yè)實(shí)驗(yàn)技能,(包括正確選用儀器、儀表,合理制定實(shí)驗(yàn)方案,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和判斷,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的讀取和處理,誤差分析,實(shí)驗(yàn)報(bào)告的編寫。) 二 實(shí)驗(yàn)的過程和任務(wù) 一般講,一次完整的實(shí)驗(yàn)應(yīng)包括以下幾個(gè)過程: 設(shè)計(jì)----根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹贫▽?shí)驗(yàn)方案。 安裝調(diào)試----創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)條件。 3.觀測----定性的觀察和定量的測量。做實(shí)驗(yàn)首先強(qiáng)調(diào)觀察,集中精力于研究的對(duì)象,觀察它的現(xiàn)象、它對(duì)某一些影響因素
3、的響應(yīng)、它的變化規(guī)律和性質(zhì)等等;同時(shí)對(duì)研究對(duì)象本身的量值、和它隨外部條件而變化的程度等等作數(shù)量上的測量和分析。 4.整理和分析----對(duì)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行認(rèn)真的整理和分析,以求對(duì)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象和結(jié)果得出正確的理解和認(rèn)識(shí)。 電路實(shí)驗(yàn)的三個(gè)階段 (一)預(yù)習(xí)階段 實(shí)驗(yàn)收獲的大小和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行得是否順利,在很大程度上取決于學(xué)生事先預(yù)習(xí)、準(zhǔn)備的情況。學(xué)生實(shí)驗(yàn)前必須做到: 1.認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書,明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理及?shí)驗(yàn)所用測量儀器的使用方法?;卮痤A(yù)習(xí)思考題。 2.預(yù)定實(shí)驗(yàn)操作步驟,明確要測量那些數(shù)據(jù)?如何測得?對(duì)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),預(yù)習(xí)時(shí)必須設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路、擬定測試方案和選擇測量儀器,考慮實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的
4、誤差和問題。 3.寫預(yù)習(xí)報(bào)告。預(yù)習(xí)報(bào)告要包含實(shí)驗(yàn)名稱、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)線路圖等,對(duì)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)還應(yīng)包含設(shè)計(jì)計(jì)算的主要公式和計(jì)算結(jié)果的列表說明。另外,還要準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)記錄紙,并畫好記錄數(shù)據(jù)的表格,對(duì)一些重要的數(shù)據(jù),表格中還應(yīng)該包含其估算值,以便實(shí)驗(yàn)測量時(shí)選擇量程和記錄時(shí)對(duì)照。 (二)實(shí)驗(yàn)操作階段 實(shí)驗(yàn)操作可分為接線、查線、觀測及數(shù)據(jù)檢查、分析等幾個(gè)階段。 1.接線:接線前應(yīng)先熟悉本次實(shí)驗(yàn)所用的設(shè)備,合理安排位置,以方便接線、查線、現(xiàn)象的觀察和數(shù)據(jù)的測量。 接線時(shí)要按一定的次序,做到認(rèn)真仔細(xì)。 連接儀表時(shí)要特別注意量程和極性。 電源總是在查線無誤后才接入。 同一插孔(或接線柱)上的連接導(dǎo)線
5、不要太多(一般不超過3根),以防松動(dòng)或脫落。 2.查線:按照接線同樣的次序進(jìn)行查線。先查線路的結(jié)構(gòu),再查元件的參數(shù)、儀表的量程等。 經(jīng)查線無誤后,方可接上電源。 3.觀測:接上電源后,不要急于讀取和記錄數(shù)據(jù),應(yīng)先進(jìn)行調(diào)試,觀察出現(xiàn)的各種現(xiàn)象,注意觀察儀表的指示及有關(guān)量的變化情況,與事先的估計(jì)比較,若相差得很大,就有可能是電路發(fā)生故障,必須先排除。 調(diào)試正常后,就可進(jìn)行測量、數(shù)據(jù)及現(xiàn)象的記錄。測量時(shí)應(yīng)合理選擇儀表的量程,讀取數(shù)值的有效數(shù)字位數(shù)應(yīng)充分發(fā)揮儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)。 4.?dāng)?shù)據(jù)的檢查與分析:觀察和測量完畢后不要急于拆除線路,應(yīng)先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。首先檢查數(shù)據(jù)是否測全。第二檢查測量點(diǎn)的間
6、隔選擇是否合適,在曲線的平滑部分可少測幾點(diǎn),而在曲線的彎曲部分要多測幾點(diǎn)。第三檢查測量得的數(shù)據(jù)與事先估算的數(shù)據(jù)是否相符,如果相差很大,則應(yīng)檢查估算值,重做實(shí)驗(yàn)排除可能出現(xiàn)的故障,(在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)上述現(xiàn)象可能存在的故障有儀器或線路故障、測試方法不對(duì)、測試點(diǎn)不對(duì)、讀數(shù)錯(cuò)誤等。)并如實(shí)記錄兩次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,以備事后分析討論。第四自查完畢,將實(shí)驗(yàn)記錄交給指導(dǎo)老師檢查,經(jīng)指導(dǎo)老師認(rèn)可簽字后方可結(jié)束實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)完畢后應(yīng)在實(shí)驗(yàn)記錄紙上記下實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備的名稱規(guī)格和編號(hào),以備核查。 離開實(shí)驗(yàn)室前,應(yīng)拆除實(shí)驗(yàn)線路,將儀器設(shè)備放回原位,并且填好使用過的儀器使用記錄卡。 (三)總結(jié)報(bào)告階段 在實(shí)驗(yàn)操作階段完成
7、了定性的觀察和定量的測量取得資料數(shù)據(jù)后,工作并未結(jié)束。實(shí)驗(yàn)的重要一環(huán)是對(duì)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行認(rèn)真的整理和分析,寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 實(shí)驗(yàn)的總結(jié)報(bào)告是在實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)報(bào)告的基礎(chǔ)上完成的,在實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)報(bào)告的基礎(chǔ)上還應(yīng)增加以下內(nèi)容: 1. 實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備的名稱、規(guī)格、編號(hào)和數(shù)量。 2.將實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)重新抄列,表中還須列出由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)算出的數(shù)值,列出計(jì)算中主要的計(jì)算公式。 3.根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得及計(jì)算得到的數(shù)據(jù)繪制曲線,以便從曲線中清晰地看出各物理量之間的關(guān)系和發(fā)展趨勢。 討論與總結(jié) 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行充分的分析后得出實(shí)驗(yàn)的結(jié)論,誤差分析,對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象進(jìn)行解釋,提出自己的見解,說明心得體會(huì)、改進(jìn)意見及遺
8、留問題。 回答問題 回答實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中提出的或老師指定的問題。 四 測量誤差與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 關(guān)于誤差、有效數(shù)字等概念在物理實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)介紹。這里僅簡單歸納產(chǎn)生的原因,重點(diǎn)講述減小或消除誤差的辦法和試驗(yàn)結(jié)果的圖示處理方法。 (一) 誤差的性質(zhì)和分類 根據(jù)誤差的性質(zhì)和產(chǎn)生的原因可將誤差分成系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差、和過失誤差。 系統(tǒng)誤差 在測量過程中,如果測量數(shù)據(jù)的誤差具有恒定的或遵循某一規(guī)律而變化的性質(zhì)則稱為系統(tǒng)誤差。 偶然誤差(又稱隨機(jī)誤差) 在相同的條件下對(duì)同一物理量進(jìn)行多次重復(fù)測量時(shí)其值具有隨機(jī)特性的誤差稱為隨機(jī)誤差。 過失誤差 又稱粗差,它是因儀器故障測量者
9、操作讀數(shù)計(jì)算記錄錯(cuò)誤或存在不能容許的干擾導(dǎo)致的。這種誤差通常很大,明顯超過正常條件下的系統(tǒng)誤差或隨機(jī)誤差。 (二) 減小測量誤差的方法 根據(jù)誤差的性質(zhì)和產(chǎn)生的原因,可采取不同的方法來消除或減小其對(duì)結(jié)果的影響。 偶然誤差服從正態(tài)分布的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,影響測量的精密度。通常偶然誤差較小,可不予考慮。在需考慮時(shí),采用重復(fù)測量多次取其平均值的方法,來減小其對(duì)測量結(jié)果的影響。 過失誤差,應(yīng)在測量中盡量避免。如果出現(xiàn),則在確認(rèn)后予以舍去。 系統(tǒng)誤差影響測量的準(zhǔn)確度。需要通過試驗(yàn)研究分析產(chǎn)生的原因加以消除或減小其影響。系統(tǒng)誤差大體可分為以下幾類: 1. 儀器誤差:指因儀器自身機(jī)電性能的不完善引起的誤差
10、。 2.操作誤差:它是指在使用時(shí)對(duì)儀器的安裝調(diào)節(jié)操作不當(dāng)造成的誤差。減小或消除使用誤差的方法是嚴(yán)格按照儀器的技術(shù)規(guī)程操作使用,熟練掌握實(shí)驗(yàn)操作技巧。 3.方法誤差:測量中依據(jù)的理論不嚴(yán)密,或者不適當(dāng)?shù)睾喕瘻y量計(jì)算公式所引起的誤差。 4.環(huán)境誤差:指外界環(huán)境(溫度、濕度、電磁場等)超出儀器允許的工作條件引起的誤差。 5.人為誤差:測量者個(gè)人的習(xí)慣、偏向以及由于個(gè)人的感覺器官不完善而造成的誤差。為消除這類誤差,要求實(shí)驗(yàn)者提高操作技巧,改善不良習(xí)慣。 對(duì)系統(tǒng)誤差,如不能用簡單的方法確定或消除,還可以用一些特殊的測量方法來加以抵消。以下介紹兩種: 1.代替法
11、:在測量時(shí),先對(duì)被測量進(jìn)行測量,并記錄測量數(shù)據(jù),然后用一已知標(biāo)準(zhǔn)量替代被測量,并改變已知標(biāo)準(zhǔn)量的數(shù)值,使測量裝置恢復(fù)到原來的測量數(shù)值,則這時(shí)已知標(biāo)準(zhǔn)量的數(shù)值就是備測量的數(shù)值。 2.正負(fù)誤差抵消法:在相反的情況下進(jìn)行兩次測量,使兩次所發(fā)生的誤差等值而異號(hào),然后取兩次結(jié)果的平均值,便可將誤差消除。 (三) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖示處理 為了直觀地反映量之間的關(guān)系或變化規(guī)律,常需將實(shí)驗(yàn)結(jié)果用曲線的形式來表達(dá)。 在坐標(biāo)中(以直角坐標(biāo)為例)根據(jù)n對(duì)離散的測量數(shù)據(jù)(xj, y j )( j=1,2,3,。。。,n )繪制出能反映所給數(shù)據(jù)的一般變化趨勢的光滑曲線的方法稱為“曲線擬合”。
12、 在要求不高的情況下曲線擬合的最簡單辦法是觀察法,通過觀察畫出一條光滑的曲線,使所給的數(shù)據(jù)均勻地分布在曲線的兩側(cè)。這種方法不夠精確,如圖 1 所示。 工程上最常用的曲線擬合法是“分段平均法”。先把所有數(shù)據(jù)點(diǎn)在坐標(biāo)圖上標(biāo)出;再根據(jù)數(shù)據(jù)分布情況,把相鄰的2 ~ 4個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)劃為一組,然后求出每組數(shù)據(jù)點(diǎn)的幾何重心把它們標(biāo)于坐標(biāo)圖上,然后根據(jù)它們繪制出光滑的曲線,如圖 2 所示。 精度要求更高時(shí),可采用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)曲線擬合。這里不作介紹,可參閱有關(guān)資料。 圖 1 圖 2
13、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式 姓名 專業(yè)班級(jí) 實(shí)驗(yàn)時(shí)間 成績 實(shí)驗(yàn)課程 實(shí)驗(yàn)題目 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 二、實(shí)驗(yàn)原理:實(shí)驗(yàn)方法、原理圖、定理和定律等簡單敘述 三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)過程: 1、 實(shí)驗(yàn)接線圖 2、 實(shí)驗(yàn)步驟(明確每步的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)、記錄實(shí)驗(yàn)測試資料) 四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理(實(shí)驗(yàn)原始資料應(yīng)附在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中) 1、對(duì)記錄下來實(shí)驗(yàn)資料整理進(jìn)行處理(包括曲線繪制) 2、對(duì)實(shí)驗(yàn)資料進(jìn)行理論分析(包括理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)測試數(shù)值與理論計(jì)算值進(jìn)行誤差分析
14、、找出實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生誤差的原因等) 3、 實(shí)驗(yàn)結(jié)論 五、實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備:儀器設(shè)備或關(guān)鍵組件的名稱、型號(hào)與規(guī)格及其數(shù)量等 六、實(shí)驗(yàn)體會(huì) 實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)問題的解決 實(shí)驗(yàn)思考題回答 實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn) 實(shí)驗(yàn)一 常用儀器的使用和元件伏安特性研究 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1.熟悉函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的各旋紐、開關(guān)的作用及其使用方法。 2.熟悉示波器各旋紐、開關(guān)的作用及其使用方法,初步掌握用示波器觀察電信號(hào)波形,定量測出正弦信號(hào)和脈沖信號(hào)的波形參數(shù)。 二、實(shí)驗(yàn)說明 1.正弦交流信號(hào)和方波脈沖信號(hào)是常用的電激勵(lì)信號(hào),由函數(shù)信號(hào)發(fā)生器提供。 正弦信號(hào)的波形參數(shù)是幅值Um、周期T(或頻率f)和初相Φ:
15、方波脈沖信號(hào)的波形參數(shù)是幅值Um、脈沖重復(fù)周期T及脈寬tk。本實(shí)驗(yàn)裝置能提供頻率范圍為20Hz~100KHz,幅值可在0~5V之間連續(xù)可謂的上述信號(hào)。并由六位LED數(shù)碼管顯示信號(hào)的頻率,不同類型的輸出信號(hào)可由波形選擇開關(guān)來選取。 2.電子示波器是一種信號(hào)圖形觀察和測量儀器,可定量測出電信號(hào)的波形參數(shù),從熒光屏的Y軸刻度尺并結(jié)合其量程分檔選擇開關(guān)(Y軸輸入電壓靈敏度V/div分檔選擇開關(guān))讀得電信號(hào)的幅值:從熒光屏的X軸刻度尺并結(jié)合其量程分檔選擇開關(guān)(時(shí)間掃描速度s/div分檔選擇開關(guān)),讀得電信號(hào)的周期、脈寬、相位差等參數(shù)。為了完成對(duì)各種不同波形、不同要求的觀察和測量,它還有一些其它的調(diào)節(jié)和
16、控制旋鈕,希望在實(shí)驗(yàn)中加以摸索和掌握。 一臺(tái)雙蹤示波器可以同時(shí)觀察和測量兩個(gè)信號(hào)波形。 3.實(shí)驗(yàn)設(shè)備 序號(hào) 名 稱 型號(hào)與規(guī)格 數(shù)量 備注 1 雙蹤示波器 1 2 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 1 3 交流毫伏表 1 4 頻率計(jì) 1 三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1.雙蹤示波器的自檢 (1)將示波器面板部分的“標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)”插口,通過示波器專用同軸電纜線接至雙蹤示波器的Y軸輸入插口CH1或CH2端。 (2)開啟示波器電源,指示燈亮,稍后,熒光屏將出現(xiàn)一條或兩條水平掃描基線,調(diào)節(jié) “輝度”、“聚焦”、“輔助聚焦”、使掃描基線粗細(xì)、亮度適中。如果
17、找不到掃描基線,可調(diào)節(jié)“X軸位移”或“Y軸位移”旋鈕。 (3)通過選擇幅度和掃描速度靈敏度,并將它們的微調(diào)旋鈕旋至“校準(zhǔn)”位置,從熒光屏上讀出該“標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)”的幅值與頻率,并與標(biāo)稱值(0.5V,1KHz的方波信號(hào))作比較。 2.正弦波信號(hào)的觀測 (1)將示波器的幅度和掃描速度微調(diào)旋鈕旋至“校準(zhǔn)”位置。 (2)將函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的波形選擇開關(guān)置“正弦”位置,通過電纜線將“信號(hào)輸出”口與示波器的CH1(或CH2)插座相連。 (3)接通電源,調(diào)節(jié)信號(hào)源的頻率旋鈕,使輸出頻率分別為50Hz,0.5KHz和20KHz(由頻率計(jì)讀出),輸出幅值分別為有效值0.1V,1V,3V(由交流毫伏表讀得),調(diào)
18、節(jié)示波器Y軸和X軸靈敏度至合適的位置,并將它們的微調(diào)旋鈕旋至“校準(zhǔn)”位置。從熒光屏上讀得周期及幅值,記入表中。 頻率計(jì)讀數(shù) 項(xiàng)目測定 正弦波信號(hào)頻率的測定 50Hz 500Hz 20000Hz 示波器“SEC/DIV”位置 一個(gè)周期占有的格數(shù) 信號(hào)周期(s) 計(jì)算所得頻率(Hz) 交流毫伏表讀數(shù) 項(xiàng)目測定 正弦波信號(hào)幅值的測定 0.1V 1V 3V 示波器“VOLTS/DIV”位置 峰峰值波形格數(shù) 峰值 計(jì)算所得
19、有效值 3.方波脈沖信號(hào)的測定 (1)將函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的波形選擇開關(guān)置“方波”位置。 (2)調(diào)節(jié)信號(hào)源的輸出幅度為3.0V(用示波器測定),分別觀測100Hz,3KHz和30KHz方波信號(hào)的波形參數(shù)。 (3)使信號(hào)頻率保持在3KHz,調(diào)節(jié)幅度和脈寬旋鈕,觀測波形參數(shù)的變化。記錄之。 4.將方波信號(hào)和正弦信號(hào)同時(shí)分別加到示波器的CH1和CH2兩個(gè)輸入口,調(diào)節(jié)有關(guān)旋鈕,觀測兩路信號(hào)的波形(定性地觀察,具體內(nèi)容自擬)。 四、預(yù)習(xí)思考題 認(rèn)真閱讀示波器的使用說明 1.示波器面板上“sec/div”和“volts/div”的含義是什么? 2.觀察本機(jī)“標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)”時(shí),要在
20、熒光屏上得到兩個(gè)周期的穩(wěn)定波形,而幅度要求為五格,試問Y軸電壓靈敏度應(yīng)置于哪一檔位置?“t/div”又應(yīng)置于哪一檔位置? 3.應(yīng)用雙蹤示波器觀察到如圖1-8-1所示的兩個(gè)波形,Y軸的“v/div”的指示為0.5V,“t/div”指示為20μS,試問這兩個(gè)波形信號(hào)的波形參數(shù)為多少? 五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 1.整理實(shí)驗(yàn)中顯示的各種波形,繪制有代表性的波形。 2.總結(jié)實(shí)驗(yàn)中所用儀器的使用方法及觀測電信號(hào)的方法。 3.如用示波器觀察正弦信號(hào),熒光屏上出現(xiàn)圖1-8-2所示情況,試說明測試系統(tǒng)中哪些旋鈕的位置不對(duì)?應(yīng)如何調(diào)節(jié)? 4.心得體會(huì)及其它。 六、實(shí)驗(yàn)注意現(xiàn)項(xiàng) 1.示波器的輝度不要過亮。
21、 2.調(diào)節(jié)儀器旋鈕時(shí),動(dòng)作不要過猛。 3.調(diào)節(jié)示波器時(shí),要注意觸發(fā)開關(guān)和電平調(diào)節(jié)旋鈕的配合使用,以使顯示的波形穩(wěn)定。 4.作定量測試時(shí),“sec/div”和“volts/div”的微調(diào)旋鈕應(yīng)旋置“標(biāo)準(zhǔn)”位置。 5.為防止外界干擾,函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的接地端與示波器的接地端要連續(xù)在一起(稱共地)。 圖1-8-1 用雙蹤示波器觀察波形 圖1-8-2 示波器調(diào)節(jié)研究 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 學(xué)會(huì)識(shí)別常用電路元件的方法。 掌握線性電阻、非線性電阻元件伏安特性的逐點(diǎn)測試法。 掌握實(shí)驗(yàn)裝置上直流電工儀表和設(shè)備的使用方法。 實(shí)驗(yàn)方案說明 (一)理論基礎(chǔ) 任何一個(gè)二端元件的特性
22、可用該元件上的端電壓U與通過該元件的電流I之間的函數(shù)關(guān)系I=f(U)來表示,即用I-U平面上的一條曲線來表征,這條曲線稱為該元件的伏安特性曲線。 1.電阻器的伏安特性曲線是一條通過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線,如圖1-2-1中曲線a所示,該直線的斜率等于該電阻器的電阻值。 圖1-2-1 伏安特性曲線 2.一般的白熾燈在工作時(shí)燈絲處于高溫狀態(tài),其燈絲電阻隨著溫度的升高而增大,通過白熾燈的電流越大,其溫度越高,阻值也越大,一般燈泡的“冷電阻”與“熱電阻”的阻值可相差幾倍或幾十倍,所以它的伏安特性如圖1-2-1中的曲線b所示。 3.一般的半導(dǎo)體二極管是一個(gè)非線
23、性電阻元件,其特性如圖1-2-1中曲線c所示。正向壓降很?。ㄒ话愕逆N管約為0.2~0.3V,硅管約為0.5~0.7),正向電流隨正向壓降的升高而急驟上升,而反向電壓從零一直升到十多伏到幾十伏時(shí)其反向電流增加很小,粗略地可視為零??梢姸O管有單向?qū)щ娦裕聪螂妷杭拥眠^高,超過管子的極限值,則會(huì)導(dǎo)致管子擊穿損壞。 4.穩(wěn)壓二極管是一種特殊的二極管,其正向特性與普通的二極管類似,但其反向特性較特別,如圖1-2-1中曲線d。在反向電壓開始增加時(shí),其反向電流幾乎為零,但當(dāng)反向電壓增加到某一定數(shù)值時(shí)(此值稱為管子的穩(wěn)壓值,有各種不同穩(wěn)壓值的穩(wěn)壓管)電流將突然增加,以后它的端電壓將維持穩(wěn)定,不再
24、隨外加的反向電壓的升高而增大。 (二)方案說明 本實(shí)驗(yàn)將按圖1-2-2和圖1-2-3接線,逐點(diǎn)測量二端元件的電流和對(duì)應(yīng)的電壓值,并根據(jù)結(jié)果數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上繪出元件的伏安特性。 圖1-2-2 測電阻伏安特性 圖1-2-3 測二極管正向伏安特性 (三)實(shí)驗(yàn)設(shè)備 序號(hào) 名稱 型號(hào)與規(guī)格 數(shù)量 備注 1 可調(diào)直流穩(wěn)壓電源(箱內(nèi)) 0~30V 1 2 電路實(shí)驗(yàn)箱 1 3 萬用電表 MF-500 1 4 二極管 2CP15 1 DGJ-05 5 穩(wěn)壓管 2CW51 1 DGJ-05 6
25、白熾燈泡 12V/0.1A 1 DGJ-05 7 線性電阻器 200Ω,1KΩ 1 DGJ-05 三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1.測定線性電阻器的伏安特性 按圖1-2-2接線,調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓U,從0伏開始緩慢地增加,一直到10V,記下相應(yīng)的電壓表和電流表地讀數(shù)。 U (v) 0 2 4 6 8 10 I (mA) 2.測定非線性白熾燈泡的伏安特性 將圖2-2中地R1換成一只12V的小燈泡,重復(fù)一的步驟。 U(V) 0 2 4 6 8 10 I(mA) 3.測定半導(dǎo)體二極管的伏安
26、特性 按圖1-2-3接線,R為限流電阻,測二極管D的正向特性時(shí),其正向電流不得超過25 mA,正向壓降可在0~7.5V之間取值。特別是在0.5~0.75之間更要多取幾個(gè)測量點(diǎn)。作反向特性實(shí)驗(yàn)時(shí),只需將圖1-2-3中的二極管D反接,且其反向電壓可以加到30V左右。 正向特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) U(V) 0 0.2 0.4 0.5 0.55 … … 0.75 I(mA) 反向特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) U(v) 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 I(mA) 4.測定穩(wěn)壓二極管的伏安特性 只
27、要將圖1-2-3中的二極管換成穩(wěn)壓管,重復(fù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容3的測量。 正向特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) U(v) I(mA) 反向特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) U(V) I(mA) 討論與思考 1.線性電阻與非線性電阻的概念是什么?電阻器與二極管的伏安特性有何區(qū)別? 2.設(shè)某器件伏安特性曲線的函數(shù)式為I=f (u),在逐點(diǎn)繪制曲線時(shí),其坐標(biāo)變量應(yīng)如何放置? 3.穩(wěn)壓二極管與普通二極管有何區(qū)別,其用途如何? 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 1.根據(jù)各實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分別在方格紙上繪制出光滑的伏安特性曲線。(其中二極管和穩(wěn)壓二極管的正向、反向特性均要求畫在同一張圖中,正、反向電壓可取為不同的比例尺)
28、 2.根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,總結(jié)、歸納被測各元件的特性。 3.必要的誤差分析。 4.心得體會(huì)及其他。 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng) 1.測二極管正向特性時(shí),穩(wěn)壓電源輸出應(yīng)由小至大逐漸增加,應(yīng)時(shí)刻注意電流表讀數(shù),不得超過30mA,穩(wěn)壓源輸出端切勿碰線短路。 2.進(jìn)行不同實(shí)驗(yàn)時(shí),應(yīng)先估算電壓和電流值,合理選擇儀表的量程,勿使儀表超量程,儀表的極性也不可接錯(cuò)。 實(shí)驗(yàn)二 基爾霍夫定律的驗(yàn)證 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 掌握基爾霍夫定律,加深對(duì)電路參考方向的理解。 實(shí)驗(yàn)原理及方法: 基爾霍夫定律是電路普遍適用的基本定律。不論是線性電路還是非線性電路,不論是非時(shí)變電路還是時(shí)變電路。在任一節(jié)
29、點(diǎn)的各支路電流必須滿足∑I=0,此定律也稱為基爾霍夫節(jié)點(diǎn)電流定律(KCL);同時(shí)任一回路的各個(gè)元件電壓和電源電壓必定滿足 ∑U=0,此定律也稱為基爾霍夫回路電壓定律(KVL)。 運(yùn)用上述兩個(gè)定律時(shí)必須注意各支路或閉合回路中電流的正(即參考)方向,此方向可預(yù)先任意設(shè)定。 本實(shí)驗(yàn)將采用圖1-3-1 所示電路,用電流表和電壓表直接測量電流和電壓。 圖1-3-1基爾霍夫定律的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)線路 實(shí)驗(yàn)設(shè)備同上。 三 、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)步驟: 實(shí)驗(yàn)線路如圖1-3-1所示. 1、實(shí)驗(yàn)前先設(shè)定三條支路的電流參考方向,如圖中I1、I2、I3所示
30、。 2、分別將兩路直流穩(wěn)壓電源接入電路,令E1=12V(采用12V固定電源),E2=6V(采用0-30V可調(diào)電源)。 3、用直流數(shù)字電流表分別測量各支路的電流,串接入電流表時(shí)必須注意其正負(fù)極性要按圖中的規(guī)定。紀(jì)錄測得的數(shù)據(jù)。 4、用直流數(shù)字電壓表分別測量兩路電源電壓及各電阻元件的電壓值,并接電壓表時(shí)應(yīng)注意電位高低要按圖中的規(guī)定。記錄測得的數(shù)據(jù)。 5、數(shù)據(jù)處理。分析測量誤差,提出減少測量誤差的方法。 被測量 I1(mA) I2(mA) I3(mA) E1(V) E2(V) UDA (V) UAB(V) UAC(V) 計(jì)算值
31、 測量值 誤差 5(選做)調(diào)節(jié)E2使I2的讀數(shù)為零。測量各支路的電流和各元件兩端的電壓值,記錄、列表。 四、實(shí)驗(yàn)主意事項(xiàng) 1、電壓源絕不能碰線或短路。 2、儀表使用時(shí)注意檔位、連接及極性、量程、讀數(shù)等。 五、預(yù)習(xí)要求與思考題 根據(jù)圖1-3-1的電路參數(shù),計(jì)算出待測電流I1、I2、I3和各電阻上電壓值,填入表中,以便實(shí)驗(yàn)測量時(shí),可正確選定電表的量程。 六、試驗(yàn)報(bào)告要求 1、根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),選定實(shí)驗(yàn)電路中的任一個(gè)節(jié)點(diǎn),驗(yàn)證KCL的正確性。 2、根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),選定實(shí)驗(yàn)電路中的任一個(gè)閉合回路,驗(yàn)證KVL的正確性。
32、3、誤差原因分析。 4、實(shí)驗(yàn)心得體會(huì)及其實(shí)驗(yàn)改進(jìn)想法。 實(shí)驗(yàn)三 疊加原理的驗(yàn)證 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 驗(yàn)證疊加原理,加深對(duì)線性電路疊加性和比例性的認(rèn)識(shí)。 二、實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)方法 1、疊加原理是指在線性電路中,任何一元件的電壓或電流都可以看成是每個(gè)獨(dú)立源分別單獨(dú)作用在該元件上的電壓或電流的代數(shù)和。由此還可以推理,在線性電路當(dāng)其激勵(lì)信號(hào)(即獨(dú)立電源)增大或減小K倍時(shí),電路的響應(yīng)(即在電路中各個(gè)元件上的電壓或電流)也將增大或減小K倍。 2、本實(shí)驗(yàn)采用圖1-6-1線路。通過轉(zhuǎn)換開關(guān)可實(shí)現(xiàn)讓電源單獨(dú)作用或共同作用。當(dāng)把圖1-6-1中C、D兩點(diǎn)導(dǎo)線直接連接時(shí)(二極管被
33、短路,相當(dāng)于二極管不接入電路),電路為線性,當(dāng)把圖1-6-1中C、D兩點(diǎn)導(dǎo)線拆開時(shí)線路由于二極官的接入而變?yōu)榉蔷€性。 本實(shí)驗(yàn)中將測量電路分別為線性和非線性兩種情況下,在電源單獨(dú)作用和作用時(shí),測出各支路電流和電壓,從而驗(yàn)證線性電路的疊加性和疊加原理的適用條件。 三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)步驟 實(shí)驗(yàn)線路如圖1-6-1所 圖1-6-1疊加原理實(shí)驗(yàn)線路圖 1、按圖1-6-1線路接線,把圖1-6-1中C、D兩點(diǎn)用導(dǎo)線直接連接,E1接12V固定電壓源,E2接可調(diào)電壓源(0~30V),并調(diào)到+6V。 2、令E1單獨(dú)作用時(shí)(即將開關(guān)S1投向E1側(cè)
34、,開關(guān)S21投向短路側(cè)),用直流數(shù)字電壓表和毫安表測量各支路電流及各電阻元件兩端電壓,數(shù)據(jù)記入表中,測量時(shí)注意電表的極性和讀數(shù)的正負(fù)。 3、令E2單獨(dú)作用時(shí)(即將開關(guān)S1投向短路側(cè),開關(guān)S21投向E1側(cè)),用直流數(shù)字電壓表和毫安表測量各支路電流及各電阻元件兩端電壓,數(shù)據(jù)記入表中,測量時(shí)注意電表的極性和讀數(shù)的正負(fù)。 4、令E1和E2共同作用時(shí)(開關(guān)S1和S2分別投向E1和E2側(cè)),重復(fù)上述的測量和記錄。 5、將E1轉(zhuǎn)換成6V,E2調(diào)節(jié)到3V,重復(fù)上述2 ~4項(xiàng)的測量和記錄。 6、將E2的數(shù)值調(diào)到+12V,重復(fù)上述3項(xiàng)的測量和記錄。
35、 表6-1 測量項(xiàng)目 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 E1 (V) E2 (V) I1 (mA) I2 (mA) I3 (mA) UAB (v) UCD (v) UAD (v) UEA (v) E1單獨(dú)作用 E2單獨(dú)作用 E1與E2 共同作用 E1/2單獨(dú)作用 E2/2單獨(dú)作用
36、 E1/2與E2/2共同作用 2E2單獨(dú)作用 7、將圖1-6-1中C、D兩點(diǎn)間的連接導(dǎo)線拆除(即將二極管IN4007接入電路)重復(fù)上述1~6項(xiàng)的測量過程并測量數(shù)據(jù)記入表6-2。 四、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng) 1、用電流表測量各支路電流時(shí),或者用電壓表測量電壓降時(shí),應(yīng)注意電表的正負(fù),正確判斷測得值的“+”、“-”號(hào)后,記入數(shù)據(jù)表格。 2、注意電表的量程的切換。 表6-2 測量項(xiàng)目 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
37、E1 (V) E2 (V) I1 (mA) I2 (mA) I3 (mA) UAB (v) UCD (v) UAD (v) UEA (v) E1單獨(dú)作用 E2單獨(dú)作用 E1與E2 共同作用 E1/2單獨(dú)作用 E2/2單獨(dú)作用 E1/2與E2/2共同作用 2E2單
38、獨(dú)作用 五、討論與思考 1、疊加原理中E1、E2分別單獨(dú)作用,在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)如何操作?可否直接將不作用的電源(E1或E2)去掉? 2、若將E2改為電流源,則如何驗(yàn)證疊加原理? 3、實(shí)驗(yàn)電路中,若在線路中接入二極管,試問疊加原理與比例性還成立嗎?為何? 六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 1、根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證線性電路的疊加性與比例性(齊次性)。 2、各電阻所消耗的功率是否符合疊加原理?試通過計(jì)算來回答。 3、通過實(shí)驗(yàn)步驟7及分析表格中數(shù)據(jù),你能得出什么樣結(jié)論? 實(shí)驗(yàn)四 戴維南定理的驗(yàn)證 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 驗(yàn)證戴維南定理,掌握線性等效網(wǎng)
39、絡(luò)電路參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測定方法。 二、實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)方法 1、等效電源定理 等效電源定理是電路理論中非常重要的定理,它包括戴維南定理和諾頓定理。任何一個(gè)線性含源網(wǎng)絡(luò),如果只研究其中一條支路的電壓和電流,則可將電路的其余部分看成是一個(gè)有源二端網(wǎng)絡(luò)(即一端口網(wǎng)絡(luò))。 戴維南定理是指任何一個(gè)線性含源二端網(wǎng)絡(luò),總可以用一個(gè)電壓源與電阻串聯(lián)的支路來代替。電壓源的電動(dòng)勢Es等于該網(wǎng)絡(luò)的開路電壓Uoc,而電阻Ro等于該網(wǎng)絡(luò)所有獨(dú)立電源為置零(但其內(nèi)阻保留)時(shí)的端口等效電阻。 諾頓定理是指任何一個(gè)線性含源二端網(wǎng)絡(luò),總可以用一個(gè)電流源與電阻并聯(lián)組合來代替,此電流源的電流Is等于該網(wǎng)絡(luò)的
40、短路電流Isc,其電阻Ro定義同戴維南定理。 圖1-7-1 線性含源網(wǎng)絡(luò)的戴維南定理和諾頓定理 2、有源二端等效參數(shù)的測量方法 (1)開路電壓Uoc、短路電流Isc測Ro 在有源二端網(wǎng)絡(luò)輸出端開路時(shí),用電壓表直接測量其輸出端的開路電壓Uoc,然后再將其輸出短路,用電流表測其短路電流Isc,則內(nèi)阻 Ro=Uoc/Isc (1-7-1) 注意:如果二端網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)阻很小,將其輸出端口短路,則易損壞其內(nèi)部元件,因此常不采用。
41、(2)伏安法測量Ro 用電壓表、電流表測出有源二端網(wǎng)絡(luò)的外特性如圖1-7-2所示。根據(jù)外特性曲線求出斜率tgΦ,則內(nèi)阻 Ro=tgΦ=?U/?I= Uoc/Isc (1-7-2) 也可以先測量開路電壓Uoc,再測量電流為為額定值IN時(shí)的輸出端電壓值UN,則內(nèi)阻為 Ro=(Uoc-UN)/IN (1-7-3) 圖1-7-2 伏安法測量等效內(nèi)阻 圖1-7-3 半電壓法測量等效內(nèi)阻 (3)半電壓法測量Ro 如圖
42、1-7-3所示,當(dāng)負(fù)載RL上電壓為被測網(wǎng)絡(luò)開路電壓一半時(shí),負(fù)載電阻(可由電阻箱的讀數(shù)確定,也可以用萬用表測得)即為被測有源二端網(wǎng)絡(luò)的等效內(nèi)阻值。 (4)二次電壓法測量Ro 用電壓表測出有源二端網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載電壓UL,其計(jì)算公式為 Ro=(Uoc/UL -1 )RL (1-7-4) 其中Uoc為輸出端的開路電壓,RL為負(fù)載電阻。 (5)零示法測開路電壓Uoc 在測量具有高內(nèi)阻有源二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓時(shí),用電壓表進(jìn)行直接測量會(huì)造成較大的誤差,為了消除電壓表內(nèi)阻的影響,往往采用零示測量法,如圖1-7-5所
43、示。 零示法測量原理是一低內(nèi)阻的穩(wěn)壓電源與被測有源二端網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行比較,當(dāng)穩(wěn)壓電源輸出電壓與有源二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓相等時(shí),電壓表的讀數(shù)將為“0”,然后將電路斷開,測量此時(shí)穩(wěn)壓電源的輸出電壓,即為被測有源網(wǎng)絡(luò)的開路電壓。 圖1-7-4 二次電壓法測量等效內(nèi)阻 圖1-7-5 零示法測開路電壓Uoc 三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)步驟 被測有源二端網(wǎng)絡(luò)圖1-7-6(a) 所示 Ω (a) (b) 圖1-7-6 戴維南定理實(shí)驗(yàn)線路
44、 1、用開路電壓與短路電流法測戴維南等效電路的Uoc和Ro 。 按圖1-7-6測量開路電壓Uoc、短路電流Isc,并計(jì)算出Ro 。 Uoc(V) Isc(mA) Ro(Ω) 2、負(fù)載外特性 按圖1-7-6(a)線路改變RL阻值,測量有源二端網(wǎng)絡(luò)的外特性。 RL(Ω) U(V) I(mA) 3、驗(yàn)證戴維南定理 按圖1-7-6(b)線路,用一只1KΩ的電位器(或利用固定電阻串并聯(lián)方法),將其電阻值調(diào)整到等于所測到等效電阻Ro,然后與調(diào)定的電壓源Uoc相串聯(lián),構(gòu)
45、成如圖1-7-6(b) 線路,仿照步驟測其外特性,記錄所測數(shù)據(jù)并驗(yàn)證定理的正確性,分析誤差原因。 RL(Ω) U(V) I(mA) 4、驗(yàn)證諾頓定理 按圖1-7-7線路,驗(yàn)證諾頓定理,實(shí)驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)表格自擬。 圖1-7-7 驗(yàn)證諾頓定理實(shí)驗(yàn)線路 5、二次電壓法和零示法測量被網(wǎng)絡(luò)的等效內(nèi)阻Ro及其開路電壓Uoc,實(shí)驗(yàn)線路及數(shù)據(jù)表格自擬。(提高性實(shí)驗(yàn)) 四、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng) 1、測量時(shí)注意電流量程的更換。 2、電壓源置零時(shí)不可將穩(wěn)壓源短接。 3、用萬電表測量R
46、o時(shí),網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的獨(dú)立源必須先置零,以免損壞萬用表,其次,歐姆表必須經(jīng)條零后在進(jìn)行測量。 4、改接線路時(shí),要關(guān)閉電源。 五、討論與思考 1、在求戴維南等效電路時(shí),作短路實(shí)驗(yàn),測Isc的條件是什么?在本實(shí)驗(yàn)線路可否直接做短路實(shí)驗(yàn)? 2、對(duì)測量有源二端網(wǎng)絡(luò)開路電壓及其等效內(nèi)阻的幾種方法進(jìn)行比較,說明它們的優(yōu)缺點(diǎn)。 五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 1、整理、歸納、總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 2、提出實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方法。 實(shí)驗(yàn)五 RC一階電路響應(yīng)測試 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1.測定RC一階電路的零輸入響應(yīng),零狀態(tài)況響應(yīng)及完全響應(yīng)。 2.掌握電路時(shí)間常數(shù)的測定方法。 3
47、.了解有關(guān)微分電路和積分電路的概念。 4.進(jìn)一步學(xué)會(huì)用示波器測繪圖形。 二、實(shí)驗(yàn)方案與原理說明 1.動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的過渡過程是十分短暫的單次變化過程,對(duì)時(shí)間常數(shù)τ較大的電路,可用慢掃描長余輝示波器觀察光點(diǎn)移動(dòng)的軌跡。然而能用一般的雙蹤示波器觀察過渡過程和測量有關(guān)的參數(shù),必須使這種單次變化的過程重復(fù)出現(xiàn)。為此,我們利用信號(hào)發(fā)生器輸出的方法來模擬階躍激勵(lì)信號(hào),即令方波輸出的上升沿作為零狀態(tài)響應(yīng)的正階躍激勵(lì)信號(hào):方波下降沿作為零輸入響應(yīng)的負(fù)階躍激勵(lì)信號(hào),只要選擇方波的重復(fù)周期遠(yuǎn)大于電路的時(shí)間常數(shù)τ,電路在這樣的方波序列脈沖信號(hào)的激勵(lì)下,它的影響和直流電源接通與斷開的過渡過程是基本相同的。 2.RC
48、一階電路的零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)分別按指數(shù)規(guī)律衰減和增長,其變化的快慢決定于電路的時(shí)間常數(shù)τ。 3.時(shí)間常數(shù)τ的測定方法 圖1-9-1(a)所示電路 用示波器測得零輸入響應(yīng)的波形如圖1-9-1(b)所示。 根據(jù)一階微分方程的求解得知 (1-9-1) 當(dāng)t=τ時(shí),Uc(τ)=0.368E ,此時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間就等于τ。亦可用零狀態(tài)響應(yīng)波形增長到0.632E所對(duì)應(yīng)的時(shí)間測得,如圖1-9-1(c)所示。 圖1-9-1 一階時(shí)間常數(shù)τ的測定方法 4.微分電路和積分電路是RC一階電路
49、中較典型的電路,它對(duì)電路元件參數(shù)和輸入信號(hào)的周期有著特定的要求。一個(gè)簡單的RC串聯(lián)的電路,在方波序列脈沖的重復(fù)激勵(lì)下,當(dāng)滿足 (T為方波脈沖的重復(fù)周期) (1-9-2) 時(shí),且由R端作為響應(yīng)輸出,如圖1-9-2(a)所示。這就構(gòu)成了一個(gè)微分電路,因?yàn)榇藭r(shí)電路的輸出信號(hào)電壓與輸入信號(hào)電壓的微分成正比。 (b) 圖1-9-2 RC微分電路和積分電路 若將圖9-2(a)中的R與C位置調(diào)換一下,即由C端作為響應(yīng)輸出,且當(dāng)電路參數(shù)的選擇滿足
50、 (1-9-3) 條件時(shí),如圖1-9-2(b)所示即構(gòu)成積分電路,因?yàn)殡娐返妮敵鲂盘?hào)電壓與輸入信號(hào)電壓的積分成正比。 從輸出波形看,上述兩個(gè)電路均起著波形變換的作用,請(qǐng)?jiān)趯?shí)驗(yàn)過程中仔細(xì)觀察與記錄。 5.實(shí)驗(yàn)設(shè)備 序號(hào) 名 稱 型號(hào)與規(guī)格 數(shù)量 備注 1 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 1 2 電路實(shí)驗(yàn)箱 3 雙蹤示波器 1 4 一階實(shí)驗(yàn)線路板 1 三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 實(shí)驗(yàn)線路板的結(jié)構(gòu)如圖1-9-3所示,認(rèn)請(qǐng)
51、R、C元件的布局及其標(biāo)稱值,各開關(guān)的通斷位置等等。 1.選擇動(dòng)態(tài)線路板上R、C元件,令 (1)R=10KΩ,C=3300Pf 組成如圖1-9-1(a)所示的RC充放電電路,E為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出,取Um=3V,f=1KHz的方波電壓信號(hào),并通過兩根同軸電纜線,將激勵(lì)源u和響應(yīng)uc的信號(hào)分別連至示波器的兩個(gè)輸入口YA和YB,這時(shí)可在示波器的屏幕上觀察到激勵(lì)與響應(yīng)的變化規(guī)律,求測時(shí)間常數(shù)τ,并描繪及u及uc波形。 稍改變電容值或電阻值,定性觀察對(duì)響應(yīng)的影響,記錄觀察到的現(xiàn)象。 (2)令R=10KΩ,C=0.01μf,觀察并描繪響應(yīng)波形,繼續(xù)增大C之值,定性觀察對(duì)響應(yīng)的影響。 2.選擇動(dòng)
52、態(tài)板上R、C元件,組成如圖1-9-2(a)所示微分電路,令C=0.01μf,R=1KΩ。 在同樣的方波激勵(lì)信號(hào)(Um=3V,f=1KHz)作用下,觀測并描繪激勵(lì)與響應(yīng)的波形。 增減R之值,定性觀察對(duì)響應(yīng)的影響,并作記錄,當(dāng)R增至10MΩ,輸入輸出波形有何本質(zhì)上的區(qū)別? 四、討論與思考 1.什么樣的電信號(hào)可作為RC一階電路零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)和完全響應(yīng)的激勵(lì)信號(hào)? 2.已知RC一階電路R=10KΩ,C=0.01μf,試計(jì)算時(shí)間常數(shù)τ,并根據(jù)τ值的物理意義,擬定測定τ的方案。 3.何謂積分電路和微分電路,它們必須具備什么條件?它們?cè)诜讲ㄐ蛄忻}沖的激勵(lì)下,其輸出信號(hào)波形的變化規(guī)律如何?
53、這兩種電路有何功用? 五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 1.根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果,在方格紙上繪出RC一階電路充放電時(shí)uc的變化曲線,由曲線測得τ值,并與參數(shù)值的計(jì)算結(jié)果作比較,分析誤差原因。 2.根據(jù)實(shí)驗(yàn)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。 3.心得體會(huì)及其他 圖1-9-3 一階、二階實(shí)驗(yàn)線路板 實(shí)驗(yàn)六 諧振電路的研究 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1.學(xué)習(xí)測量RLC串聯(lián)諧振電路的幅頻特性; 2.通過測量幅頻特性曲線,加深理解電路的“選頻”特性; 3.加深理解品質(zhì)因數(shù)Q的意義。 二、實(shí)驗(yàn)原理及方法 1、在圖1-11-1 所示串聯(lián)電
54、路,外加正弦電壓us ,電路產(chǎn)生正弦電流i。電感L兩端的正弦電壓uL 超前電流i 90,而電容C兩端的正弦電壓uc落后電流I 90。,所以u(píng)L和uc的相位差為180,它們有互抵減的作用。當(dāng)uL和uc兩正弦電壓幅度相等時(shí),它們就相互抵消為零,外加電壓us全部加到電阻上,電流為最大。這時(shí)電路達(dá)到串聯(lián)諧振狀態(tài)。 圖1-11-1 RLC串聯(lián)電路 RLC串聯(lián)諧振的頻域阻抗為: (1-11-1) 當(dāng)電抗為零時(shí),上式為:
55、 (1-11-2) 電路發(fā)生串聯(lián)諧振,電流最大,阻抗變成純電阻。諧振角頻率用ω0 表示,頻率用f0 表示。從(1-11-2)式可求出諧振角頻率和頻率為: 和 (1-11-3) 阻抗的模值為: (1-11-4) 由此可見,在諧振時(shí),阻抗等于純電阻R(最小)。當(dāng)頻率低于諧振頻率時(shí),阻抗呈現(xiàn)容性,模值增大;當(dāng)頻率高于諧振頻率時(shí)
56、,阻抗呈現(xiàn)感性,模值也增大。 在諧振時(shí),由于電流最大,L和C上的端電壓大小相等并相互抵消,但是各自的電壓值卻是很大的。特別是當(dāng)電路有效電阻R很小時(shí),L和C上的諧振電壓可能是外加電壓Us的很多倍。因此,串聯(lián)諧振也稱為電壓諧振,可利用這一諧振特性,從眾多頻率不同的信號(hào)中選出頻率為f0的信號(hào)。 電路有效電阻R越小,L和C上的諧振電壓ULO、UCO與外加電壓Us的比值越大,電路的選頻性能越好。于是將這個(gè)電壓比定義為諧振回路的品質(zhì)因數(shù)Q: (1-11-5) 或
57、 (1-11-6) 電流隨角頻率的變化關(guān)系咳由下面的式子表示: (1-11-7) 代入和得出: (1-11-8) 其模值表達(dá)式為 (1-11-9) 據(jù)此,可畫出如圖1-11-2所示的諧振幅頻特性曲線。 圖1-11
58、-2 諧振曲線 從諧振特性曲線可見,頻率偏離諧振點(diǎn)時(shí),電流要下降。曲線下降到0.707處的頻率稱為“半功率”頻率或“-3dB”頻率。半功率頻率顯然有兩個(gè)。設(shè)上半功率頻率為ω2,下半功率頻率為ω1,ω2,-ω1或者f2-f1稱為電路的通頻帶寬度。觀察(1-11-9)式,當(dāng)ω =ω1或ω=ω2時(shí),有 或 (1-11-10) 因而有 (1-11-11) (1-11-12) 由于ω =ω1和ω=ω2只能取正值,且ω2大于ω1,所以
59、 (1-11-13) 即 (1-11-14) 這是品質(zhì)因數(shù)的又一表達(dá)式。 三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備 1、 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 2、 晶體毫伏表 3、 實(shí)驗(yàn)電路元器件或?qū)嶒?yàn)箱 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟 按圖1-11-3所示連接電路,調(diào)節(jié)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器使輸出正弦電壓為1V(rms)。 圖1-11-3 實(shí)驗(yàn)電路 注意:晶體毫伏表測量R的電壓,不是直接測量電路電流,例如,當(dāng)測得R電壓為1mV
60、時(shí),就可知道電流為0.1mA。保持輸出正弦電壓為為某一值,改變正弦信號(hào)的頻率值,測量出電流隨頻率變化的數(shù)據(jù),記錄在表1-11-1中,并填寫表1-11-1中有關(guān)項(xiàng)。 2、根據(jù)表中數(shù)據(jù)畫出諧振頻率特性的歸一化曲線,即曲線坐標(biāo)I/I0表示,橫坐標(biāo)用 ω/ω0表示,如圖1-11-3所以。 表1-11-1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 頻率f(Hz) 2 f1 f0 f2 20 電流I(mA) I1 I2 ω/ω0 ω1/ω
61、0 ω2/ω0 I/I0 0.707 0.707 3.用公式(1-11-14)計(jì)算出品質(zhì)因數(shù)Q和諧振電壓UL0、UC0 。 五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng) 每次改變信號(hào)源的頻率,都應(yīng)保持輸出信號(hào)電壓的為1V。 在測量確定f1 、f0和f2 3點(diǎn)頻率時(shí),必須反復(fù)、細(xì)致測量才能找出正確的數(shù)值。 在諧振點(diǎn)附近應(yīng)多測量幾點(diǎn)。 六、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)與思考 1、圖1-11-2所示諧振曲線的縱坐標(biāo)是I/I0,橫坐標(biāo)是ω/ω0。而不是直接用I和ω做坐標(biāo),這有什么好處?畫頻率特性曲線還有一種更合理的坐標(biāo)是什么? 2、根據(jù)用0.707帶寬表示的Q的表達(dá)式(1-11-14)畫出3條不同Q值的諧振曲線。 3、諧振電路中的有效電阻包括哪些損耗電阻? 六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 較正確地測出f1 、f0和f2 3點(diǎn)頻率。 將測出的振幅頻率用表格表示。 根據(jù)表1-11-1所示數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上畫出諧振曲線特性的歸一化曲線。 計(jì)算出Q值和電容、電感上的諧振電壓。 回答預(yù)習(xí)與思考題并提出實(shí)驗(yàn)中的問題。
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