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1、电路分析基础实验讲义第三章实验项目（中文）实验1 基本元件伏安特性的测绘一实验目的1. 掌握线性、非线性电阻及理想、实际电压源的概念。2. 掌握测试电压、电流的基本方法。3. 掌握电阻元件及理想、实际电压源的伏安特性测试方法，学习利用逐点测试法绘制伏安特性曲线。4. 掌握直流稳压电源、直流电流表、直流电压表的使用方法。二实验设备1.电路分析综合实验箱2.直流稳压电源3.万用表4.变阻箱三实验原理一个二端元件的特性可以用该元件上的端电压U与通过该元件的电流I之间的关系来表示，即用U-I平面上的一条曲线来表征，这条曲线称为该元件的伏安特性曲线。1.线性电阻元件线性电阻元件的伏安特性服从欧姆定律，即
2、在U-I平面上定义的一条通过坐标原点且位于直角坐标平面中的1、3象限（正电阻）的直线，如图3.1(a)所示，该直线的斜率表征了它的电阻值。伏安特性曲线为直线的电阻称为线性电阻。在实验室里，我们常用的电阻器通常为碳膜电阻、金属膜电阻、线绕电阻以及线绕电位器、薄膜电位器等，它们在直流或很低的频率下使用时，其线性度较好，伏安特性曲线近似为一条直线。2.非线性电阻元件非线性电阻元件的伏安特性是在U-I平面上通过坐标原点的一条曲线，其阻值不是常数。常见的非线性电阻有白炽灯丝、普通二极管、稳压二极管等，下面分别对其进行简单介绍：1）白炽灯丝白炽灯灯丝是一种常见的非线性电阻，当其正常工作时，灯丝处于高温状态
3、，灯丝电阻随温度升高而增大，而灯丝温度又与通过灯丝的电流有关，电流越大，温度越高，相应的阻值也越大。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，其伏安特性曲线如图3.1(b)所示。2）普通二极管普通的半导体二极管是目前使用最广泛的非线性电阻元件之一。当向二极管两端加正向电压时（一般锗管约为0.20.3V，硅管约为0.50.7V），其正向电流随电压的升高而急速上升，而加反向电压时，当电压从零一直增加到几十伏，其反向电流增加的却很少，由此可见，二极管具有单向导电性。需要注意的是，反向电压如果加载的过高，超过二极管的极限值，会导致管子击穿损坏，其伏安特性曲线如图3.1(c)所示。3）
4、稳压二极管稳压二极管是一种较为特殊的半导体二极管，其正向特性与普通二极管类似，我们主要说明其反向特性。当加在二极管两端的反向电压较小时，其反向电流几乎为零，但当反向电压增加到某一数值时（通常称为管子的稳压值，不同的稳压管对应不同的稳压值），其电流会急速增加，稳压管反向击穿，即当反向电流在较大范围内变化时，稳压管两端电压几乎保持不变，表现出稳压特性，其伏安特性曲线如图3.1(d)所示。图3.13.理想电压源与实际电压源的端口特性理论上，理想电压源是一个二端理想元件，内阻R S为零，其输出电压U S(t)与通过它的电流无关，总保持为给定的时间函数。当U S(t)不随时间变化（即为常数）时，称为直流
5、理想电压源U S。其端口特性为平行于电流轴的直线，如图3.2(a)中实线所示。实际上，任何电源都存在内阻R S，因此实际电压源可以用一个理想电压源U S和电阻R S相串联的电路模型来表示，如图3.2(b)所示，其端口特性如图3.2(a)中虚线所示。图中越大，说明实际电压源内阻R S越大，其正切值代表实际电压源的内阻值R S。四实验内容1. 测绘线性电阻的伏安特性曲线R=。1）测试电路如图3.3所示，图中U S为直流稳压电源，R为被测电阻，阻值200用万用表的直流电压档监测被测电阻两端的电压，用毫安表测试通过被测电阻的电流。图3.32）调节直流稳压电源U S的输出电压，当伏特表的读数依次为表3.
6、1中所列电压值时，读毫安表的读数，将相应的电流值记录在表格中。3）在坐标纸上绘制线性电阻的伏安特性曲线，并测算电阻阻值。表3.12. 测绘非线性电阻的伏安特性曲线1）测试电路如图3.4所示，图中D为二极管，型号为IN4004，作为待测的非线性电阻，观测其正向特性。R W为可调电位器。2）将直流稳压电源的输出电压设置为5V。图 3.4表3.23）缓慢调节R W，使伏特表的读数依次为表3.2中所列电压值时，读毫安表的读数，将相应的电流值记录在表格中。注意：测量时，应时刻监测电流表读数，使其不得超过30mA。4）在坐标纸上绘制非线性电阻的伏安特性曲线。3. 测绘理想电压源的伏安特性曲线实验中，我们将
7、直流稳压电源作为本次实验的被测对象，这是由于其内阻很小，在与外电路等效电阻相比可以忽略不计的条件下，可以视为理想电压源。(a)(b)图3.51）首先，连接电路如图3.5（a）所示，不加负载电路，直接用伏特表测试直流稳压电源的输出电压，将其设置为10V。2）然后，测试电路如图3.5（b）所示，其中R L为变阻箱，R为限流保护电阻。3）调节变阻箱R L，使毫安表的读数依次为表3.3中所列电流值时，读伏特表的读数，将相应的电压值记录在表格中。表3.34）在坐标纸上绘制理想电压源的伏安特性曲线。4. 测绘实际电压源的伏安特性曲线实验中，我们将直流稳压电源串联一个电阻R S来模拟具有一定内阻的实际电压源
8、。1）首先，连接电路如图3.6（a）所示，不加负载电路，直接用伏特表测试实际电压源的输出电压，将其设置为10V。其中R S为实际电压源的内阻，阻值51R=。S 2）然后，测试电路如图3.6（b）所示，其中R L为变阻箱。（a）（b）图3.6数，将相应的电压值记录在表格中。4）在坐标纸上绘制实际电压源的伏安特性曲线，要求理想电压源和实际电压源的伏安特性曲线画在同一坐标轴中表 3.4五注意事项1. 实验操作中，直流稳压电源开关打开前一定要检查电路，确认没有短路，才能开启，以免损坏设备。2. 使用各类仪表时，必须注意其量程的选择，量程选大了会增加测量误差，选小了则可能损坏仪表，故在无法估计合适量程时
9、，采用从大到小的原则，先采用最大量程，然后根据测试结果，调节至适当量程。六预习思考题1. 线性电阻与非线性电阻的概念是什么？两者的伏安特性有何区别？2. 仪表的内阻会影响测量的结果，根据书中2.2节讲述的电流表内接法和外接法分析图3.3选择的是哪种方法，试分析原因？3. 根据实验中给定的相关参数，估算应选用功率为多大瓦数的电阻？七实验报告要求1. 记录实验数据，绘制伏安特性曲线，其中理想电压源和实际电压源的伏安特性曲线画在同一坐标轴中。2. 依据绘制的线性电阻伏安特性曲线测算线性电阻阻值。3. 伏安特性曲线必须用坐标纸绘制。4. 测试的原始数据经指导教师签名后应附在实验报告中。5. 心得体会及
10、其它。实验2 含源线性单口网络等效电路及其参数测定一实验目的1. 验证戴维南定理和诺顿定理，加深对两个定理的理解。2. 通过对含源线性单口网络外特性及其两种等效电路外特性的测试、比较，加深对等效电路概念的理解。3. 学习测量等效电路参数的一些基本方法。二实验设备1.电路分析综合实验箱2.直流稳压电源3.万用表4.变阻箱三实验原理包含电源和线性电阻、受控源的单口网络简称为含源线性单口网络。所谓等效，是指就含源线性单口网络的外部特性而言，该网络被等效电路替代后，不影响外电路（即负载电路）的伏安关系。1.戴维南定理含源线性单口网络不论其电路结构如何复杂，就其端口的外部特性来说，可以等效为一个电压源和
11、电阻的串联模式。电压源的电压等于该网络端口的开路电压U OC，其电阻等于该网络中所有独立源为零值（电压源短接，电流源开路）时所得的网络等效电阻R0。这种电压源和电阻的串联模式称为戴维南等效电路，网络端口的开路电压和等效电阻是表征该单口网络特性的两个参数。2.诺顿定理含源线性单口网络不论其电路结构如何复杂，就其端口的外部特性来说，可以等效为一个电流源和电阻的并联模式。电流源的电流等于该网络端口的短路电流I SC，其电阻等于该网络中所有独立源为零值（电压源短接，电流源开路）时所得的网络等效电阻R0。这种电流源和电阻的并联模式称为诺顿等效电路，网络端口的短路电流和等效电阻是表征该单口网络特性的两个参
12、数。四实验内容1.含源线性单口网络端口外特性测定1）测量电路如图3.7所示，虚线所框中的部分为被测的含源线性单口网络，A、B 为网络端口。R L为变阻箱，接入电路作为单口网络的外部负载，其中直流稳压电源的输出电压为10V。图3.72）调节变阻箱R L，使其阻值依次为表3.5中所列电阻值时，读伏特表的读数，将相应的电压值记录在表格中，并计算通过负载R L的电流值填写在表格中。表3.53）在坐标纸上绘制含源线性单口网络的外特性曲线。2. 等效电路参数测定1）测量含源线性单口网络开路电压U OC测量开路电压的方法不只一种，当含源线性单口网络的等效电阻较小，与电压表内阻相比可忽略不计时，直接用电压表测
13、量其开路电压U OC。（1）测量电路如图3.8所示，其中直流稳压电源的输出电压为10V。图 3.8（2）用伏特表测量含源线性单口网络两个端口A、B间的电压，即为开路电压U OC。图 3.92）测量含源线性单口网络短路电流I SC（1）测量电路如图3.9所示，其中直流稳压电源电压为10V 。（2）用毫安表测量通过含源线性单口网络两个端口A 、B 间的电流，即为短路电流I SC 。3）测量含源线性单口网络等效内阻R 0测量等效内阻的方法有很多种，本书中列举两种常用的测量方法。 （1）开路电压、短路电流法由前面已经测得含源线性单口网络端口A 、B 间的开路电压U OC 和短路电流I SC ，可以直接
14、求得等效内阻R 0。0OC SC U R I =（2）半压法前面已经测得含源线性单口网络的开路电压U OC ，在A 、B 端口处接一个已知负载R L ，如图3.10（a ）所示，图3.10（b ）给出了相应的等效电路，由此可知：OC AB OC AB 00AB(1)LL U U UU R R R R U -=?=-因此，当AB OC 12U U =时，则0L R R =。 （a ）（b ）图3.10具体的测量电路如图3.11所示，其中直流稳压电源的输出电压为10V 。调节变阻箱R L ，使其两端电压值U AB 为前面测得开路电压U OC 的一半时，记录变阻箱的阻值，此时，该阻值即为所求的等效内
15、阻，即R L = R 0。 图3.113. 验证戴维南等效电路1）测量电路如图3.12所示，虚线所框中的部分为替代原含源线性单口网络的戴维南等效电路，R L为变阻箱，接入电路作为单口网络的外部负载，其中U OC和R0分别为前面测得的开路电压和等效内阻。图 3.122）调节变阻箱R L，使其阻值依次为表3.6中所列电阻值时，读伏特表的读数，将相应的电压值记录在表格中，并计算通过负载R L的电流值填写在表格中。表 3.63）在坐标纸上绘制戴维南等效电路的外特性曲线。4. 验证诺顿等效电路1）测量电路如图3.13所示，虚线所框中的部分为替代原含源线性单口网络的诺顿等效电路，R L为变阻箱，接入电路作为单口网络的外部负载，其中I SC和R0分别为前面测得的短路电流和等效内阻。图 3.132）调节变阻箱R L，使其阻值依次为表3.7中所列电阻值时，读伏特表的读数，将相应的电压值记录在表格中，并计算通过负载R L的电流值填写在表格中。表 3.73）在坐标纸上绘制诺顿等效电路的外特性曲线。要求将本实验1、3、4部分要求的含源线性单口网络、戴维南等效、诺顿等效三条外特性曲线
