电路实验.docx

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1、电路实验受控源VCCS、VCVS、CCVS、CCCS的特性曲线 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 实验原理与说明 1 受控源是双口元件，一个为控制端口，另一个为受控端口。受控端口的电流或电压受到控制端口的电流或电压的控制。根据控制变量与受控变量的不同组合，受控源可分为四类： 图6-1 受控源 电压控制电压源，如图6-1所示，其特性为： us=aucic=0 电压控制电流源，如图6-1所示，其特性为： is=gmuc ic=0 电流控制电压源，如图6-1所示，其特性为： us=gic

2、uc=0 电流控制电流源，如图6-1所示，其特性为： is=bic uc=0 2 运算放大器与电阻元件组成不同的电路，可以实现上述四种类型的受控源。各电路特性分析如下。 电压控制电压源： 运算放大器电路如图6-2所示。由运算放大器输入端“虚短”特性可知： u+=u-=u1 iR=2u1R2由运算放大器的“虚断”特性，可知： iR1=iR2 u1R2 u2=iRR1+iRR2=12(R1+R2) R1u1=au1 =1+R2 式 即运算放大器的输出电压u2受输入电压u1控制。其电路模型如图6-1所示。转移电压比： a=1+R1R2该电路是一个同相比例放大器，其输入与输出有公共接地端，这种连接方式

3、称为共地连接。 电压控制电流源： 运算放大器电路如图6-3所示。根据理想运放“虚短”、“虚断”特性，输出电流为：i2=iR=u1R 式 该电路输入，输出无公共接地点，这种连接方式称为浮地连接。 电流控制电压源： 运算放大器电路如图6-4所示。根据理想运放“虚短”，“虚断”特性，可推得： u2=-iRR=-i1R 式 即输出电压u2受输入电流i1的控制。其电路模型如图6-1所示。转移电阻为： g=u2i1=-R 式 电流控制电流源 运算放大器电路如图6-5所示。由于正相输入端“+”接地，根据“虚短”、“虚断”特性可知，“”端为虚地，电路中a点的电压为： ua=-iR1R1=-i1R1=-iR2R

4、2 所以， iR=i12R1R2输出电流： i2=iR1+iR2=i1+i1R1R2R1i1 式 =1+R2即输出电流i2只受输入电流i1的控制，与负载RL无关。它的电路模型如图6-1所示。转移电流比： b=i2i1=1+R1R2 式 三 实验设备 名称 数量 型号 1 直流稳压电源 1台 030V可调 1台 15V电源 2 万用表 2台 3 电阻 19只 1kW*3 1.5kW*1 2kW*2 3kW*1 4.7kW*1 10kW*2 4 集成运算放大器 1块 5 电位器 1只 6 短接桥和连接导线 若干 7 实验用9孔插件方板 1块 四 实验步骤 1 测试电压控制电压源特性 实验电路如图6

5、-6所示。 根据表6-1中内容和参数，自行给定U1值，测试VCVS的转移特性U2=f (U1)，计算值，并与理论值比较。 15kW*1 33kW*1 LM741 100kW/0.25W P8-1和50148 297mm 300mm 表6-1 VCVS的转移特性 R1=R2=1kW RL=10kW 给定值 测试值 计算值 U1 (V) U2 (V) 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 根据表6-2中内容和参数，自行给定RL值，测试VCVS的负载特性U2=f (RL)，计算值，并与理论值比较。 表6-2 VCVS的负载特性U2=f (RL) R1= 1kW R2=2kW U1=

6、1V 给定值 测试值 计算值 RL(kW) U2 (V) 3.0 4.7 10 15 33 根据表6-3中内容和参数，自行选择R1值，设计出不同电压转移比的受控电压源，计算值，并与理论值比较。 表6-3 VCVS的不同电压转移比 R2= 1kW RL=2kW U1=1V 给定值 测试值 计算值 2 测试电压控制电流源特性 R1(kW) U2(V) 1 1.5 2.0 3.0 4.7 实验电路如图6-7所示。 根据表6-4中内容，测试VCCS的转移特性I2=f (U1)，并计算gm值，并与理论值比较。 表6-4 VCCS的转移特性I2=f (U1) R1= 1kW RL=2kW 给定值 测试值

7、计算值 根据表6-5中内容，测试VCCS输出特性I2=f (RL)，并计算gm值。 表6-5 VCCS输出特性I2=f (RL) R1= 2kW U 1=1V 给定值 测试值 计算值 RL(kW) I2(mA) gm U1(V) I2(mA) gm 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 3 4.7 10 15 33 3 测试电流控制电压源特性 实验电路如图6-8所示。 根据表6-6中内容，测试CCVS的转移特性U2=f (I1)，并计算g值，并与理论值进行比较。 表6-6 CCVS的转移特性U2=f (I1) R1= 1kW RL=2kW 给定值 测试值 计算值 I1(mA)

8、 U2(V) g(W) 0.1 0.2 0.4 0.8 1 1.5 2 2.5 4 根据表6-7中内容，测试CCVS输出特性U2=f (RL)，并计算r值。 表6-7 CCVS输出特性U2=f (RL) R1= 2kW I1=1.5mA 给定值 测试值 计算值 4 测试电流控制电流源特性 RL(kW) U2(V) g(W) 3 4.7 10 15 33 实验电路如图6-9所示 根据表6-8中内容，测试CCCS的转移特性I2=f (I1)，并计算值，与理论值进行比较 表6-8 CCCS的转移特性I2=f (I1) R1= 1kW R2= 1kW RL=2kW 给定值 测试值 计算值 根据表6-9

9、中内容，测试CCCS输出特性I2=f (RL)，并计算b值。 表6-9 CCCS输出特性I2=f (RL) R1= 2kW R2= 1kW I1=0.5mA 给定值 RL(kW) 3.0 4.7 10 15 33 测试值 计算值 I2(mA) R1R2I1(mA) I2(mA) 0.1 R1R20.2 0.4 0.8 1 1.5 2 2.5 4 b=1+ b=1+五 注意事项 1 运算放大器输出端不能与地短路，输入高电压不宜过高，输入电流不能过大，应在几十微安至几毫安之间。 2 运算放大器应有电源供电，其正负极性和管脚不能接错。 3 运算放大器的接地点与恒压源的地接在一起。 4 实验步骤3、步

10、骤4，电流控制电压源、电流控制电流源，在实验操作过程中为了能得到可调的且量程数值较小的电流，可用可调直流稳压源和100kW可调电阻，串联1kW电阻完成，具体连接可参考下图6-10。 六 分析和讨论 1 用所测数据计算各受控源系统，并与理论值进行比较，分析误差原因。 2 总结运算放大器的特点，以及你对此实验的体会。 RC一阶电路响应与研究 一、 实验目的 1 加深理解RC电路过渡过程的规律及电路参数对过渡过程的理解。 2 学会测定RC电路的时间常数的方法。 3 观测RC充放电电路中电流和电容电压的波形图。 4 阅读附录三，学习示波器的使用方法。 二、 实验原理与说明 1 RC电路的充电过程 在图

11、7-1电路中，设电容器上的初始电压为零，当开关S向“2”闭合瞬间，由于电容电压uc不能跃变，电路中的电流为最大，i=usR，此后，电容电压随时间逐渐升高，直至uc= Us；电流随时间逐渐减小，最后i=0；充电过程结束，充电过程中的电压uc和电流i均随时间按指数规律变化。uc和i的数学表达式为： uc(t)=Us1-e(-tRC) 式 i=UsRe-tRC式7-1为其电路方程，是一微分方程。用一阶微分方程描述的电路，为一阶电路。 上述的暂态过程为电容充电过程，充电曲线如图7-2所示。 理论上要无限长的时间电容器充电才能完成，实际上当t = 5RC时，uc已达到99.3% Us，充电过程已近似结束

12、。 2 RC电路的放电过程 在图7-1电路中，若电容C已充有电压Us，将开关S向“1”闭合，电容器立即对电阻R进行放电，放电开始时的电流为USR，放电电流的实际方向与充电时相反，放电时的电流i与电容电压uc随时间均按指数规律衰减为零，电流和电压的数学表达式为： uc(t)=Use-tRC 式 tRC i=-UsRe-式中，Us为电容器的初始电压。这一暂态过程为电容放电过程，放电曲线如图7-3所示。 3 RC电路的时间常数 RC电路的时间常数用表示，=RC，的大小决定了电路充放电时间的快慢。对充电而言，时间常数是电容电压uc从零增长到63.2% Us所需的时间；对放电而言，是电容电压uc从Us下

13、降到36.8%Us所需的时间。如图7-2，图7-3所示。 4 RC充放电电路中电流和电容电压的波形图 在图7-4中，将周期性方波电压加于RC电路，当方波电压的幅度上升为U时，相当于一个直流电压源U对电容C充电，当方波电压下降为零时，相当于电容C通过电阻R放电，图7-5(a)和(b)示出方波电压与电容电压的波形图，图7-5(c)示出电流i的波形图，它与电阻电压uR的波形相似。 5 微分电路和积分电路 图7-4的RC充放电电路中，当电源方波电压的周期T 时，电容器充放电速很快，若ucRCdudt uR，ucu，在电阻两端的电压uR=Ri RCducdt，这就是说电阻两端的输出电压uR与输入电压u的

14、微分近似成正比，此电路即称为微分电路，uR波形如图7-5(d)所示。 当电源方波电压的周期T时，电容器充放电速度很慢，又若uc 0，在1-1中产生的感应电压u1=M0，2-2线圈的2端与1-1线圈中的1端均为感应电压的正极性端，1端与2端为同名端。 同理，如果在开关S打开时，di1dt0，同样可用以上的原理来确定互感线圈内感应电压的极性，以此确定同名端。 上述同名端，也可以这样来解释，就是当开关S打开或闭合瞬间，电位同时升高或降低的端钮即为同名端。如图11-1中，开关S合上瞬间，电压表若正偏转，则1、2端的电位都升高，所以，1、2端是同名端。这是若将开关S再打开，电压表必反偏转，1、2端的电位

15、都为降低。 图11-1 直流法测同名端 图11-2 交流法测同名端 交流法 如图11-2所示，将两线圈的1-2串联，在1-1加交流电源。分别测量的有效值，若U12=U1-U2，则1端和2端为同名端；若U12=U1+U2，则1端与2端为同名端。 2互感系数M的测定 测量互感系数的方法较多，这里介绍两种方法。 如图11-3表示的两个互感耦合线圈的电路，当线圈1-1接正弦交流电压，线圈2-2开路时，则=jM ，而互感其中w为电源的角频率，I差，电压表应选用内阻较大的。为线圈1-1中的电流。为了减少测量误如果选用晶体管毫伏表，则线圈1-1中的电流可以采用间接测量法。 图11-3 测量开路互感电压 图1

16、1-4 互感耦合电路的入端阻抗 利用两个互感耦合线圈串联的方法，也可以测量它们之间的互感系数。当两线圈顺向串联时，其等值电感：L顺=L1+L2+2M。当两线圈反向串联时，等值电感为：L反=L1+L2-2M。只要分别测出L顺、L反，则M=/4。 实验中要测量线圈的自感时，可以用相位法测量，测量出线圈的端电压U，电流I和相角，则可以计算出线圈的自感L： L=XL=UsinFIww利用两互感线圈顺向串联时等效电感大，反向串联时等效电感小的特点，在相同电压下，电流的大小将不相同，这样也能判断两线圈的同名端 3在互感耦合电路中，如图11-4所示，若在线圈1-1上施加电压，在线圈2-2端接入阻抗： Z1=

17、U1I122wM=R1+R2+X2R222222+22wMjX1-R2+X2X222222=(R1+R1f)+j(X1+X1f) 其中，X1=wL1，R22=R2+RL，X22=wL2+XL。R1+X1j是原边的复阻抗，R2+L2j是副边的复阻抗，RL+XLj是引入副边的复阻抗。副边电路对原边电路的反射电阻R1f和反射电抗X1f分别为： R1f=XM22222R22+XR22， X1f=-XM22222R22+XX22 由此可见，当线圈2-2接入感性负载时，将使入端电阻增大，入端感抗减少；若线圈2-2接入容性负载时，且X22=L2+XL为容性，X1f为感性，将使入端电阻和入端感抗增大。 三 实

18、验设备 名称 数量 型号 1 调压器 1台 交流0-24V 2 相位表/电量仪 1台 3 直流稳压电源 1台 4 万用表 1台 5 互感耦合线圈 2组 500圈 6 U型铁芯 1副 7 电阻 1只 1*1 8 电容 1只 235F*1 9 短接桥和连接导线 若干 P8-1和50148 10 实验用9孔插件方板 1块 297mm300mm 四 实验步骤 1 测定两互感耦合线圈的同名端 分别用图11-1，图11-2所示的直流法US取5V，和交流法US取5V，测定两端耦合线圈的同名端，注意两种方法测定的同名端是否相同。在测量时，必须在两线圈内插入一个公共U型铁芯以增强耦合的程度。记下两线圈的同名端编

19、号。 (b) 图11-5 测量开路互感电压 2 测定两互感耦合线圈的互感系数M 用开路互感电压法 首先，用万用表测量两线圈的电阻R1、R2，然后分别按图11-5 (b)接线，测得U1、I1、1、U20和U2、I2、2、U10，记入表11-1中，取I1=I2=0.5A，并计算L1、L2、MA、MB的值。 表11-1 测互感系数实验数据 U1 I1 1 测 量 值 U20 U2 I2 2 U10 L1 计 算 值 L2 MA MB 用等效电感法 按图11-6接线，分别测量L1与L2顺向串联和反向串联式的电压U、电流I及相角，I=0.5A，记入表11-2中，计算L顺、L反及M。 表11-2 测互感系

20、数实验数据 顺向串联 U I U反向串联 I 计算值 L顺 L反 M 图11-6 互感耦合线圈的顺串和反串 图11-7 互感耦合电路 3 互感耦合电路的反射阻抗 按图11-7接线，分别测量副边为空载及电阻和电容负载下的电压电流U1、I1、1，记入表11-3。计算不同负载下的入端阻抗，同时计算反射电阻，反射电抗。 表11-3 测反射阻抗，反射电抗实验数据 测 量 值 U1 I1 1 复阻抗 计算值 R1fX1f空载 RL=_ C=_ 五 讨论与分析 根据实验步骤3的实验结果，讨论互感对入端阻抗的影响。 日光灯cos的提高 一实验目的 1进一步理解交流电路中电压、电流的相量关系 2学习感性负载电路提高功率因数的方法 3进一步熟悉日光灯的工作原理 二预习要求 1熟悉R、L串联电路中电压与电流的关系 2在R、L串联与C并联的电路中，你准备如何求cos值 3预习日光灯的工作原理，启动过程 4. 阅读附录一，学习多功能智能仪表的使用方法与操作。 三原理说明 本实验中RL串联电路用日光灯代替，日光灯原理电路如图12-1所示。 图12-1 灯管工作时，可以认为是一电阻负载。镇流器是一个铁心线圈，可以认为是一个电感量较大的感性负