实验指导

1实验一戴维南定理理论一、实验原理任何一个线性网络，如果只研究其中的一个支路的电压和电流，则可将电路的其余部分看做一个有源一端口网络。而任何一个线性有源一端口网络对外部电路的作用，可用一个等效电压源和等效电阻串联来代替。等效电压源的电压等于一端口网络的开路电压Uoc，等效内阻等于一端口网络中各电源均为零时（电压源短接，电流源断开）无源一端口网络的输入电阻R0。这个结论就是戴维南定理。线性有源单端口网络UocR0任何线性有源单端口网络戴维南等效电路等效图2.1戴维南定理二、实验方法1.比较测量法戴维南定理是一个等效定理，因此应想办法验证等效前后对其他电路的影响是否一致，即等效前后的外特性是否一致。整个实验过程首先测量原电路的外特性，再测量等效电路的外特性。最后进行比较两者是否一致。等效电路中等效参数的获取，应根据电路结构推导计算出。实验中器件的参数应使用实际测量值，实际值和器件的标称值是有差别的。所有的理论计算应基于器件的实际值。2.测量电路的选取关于测量电路的选取，其实戴维南定理对所有线性网络都适用，但在实际测量电路的选2择时必须考虑实际器件的其他参数。如一个电阻，在原理图中理论上可以让它流过1000A电流，但对一个实际的电阻来说器件将很快因温度升高而烧毁，因此为了保证实验的顺利进行，实验电路必须保证所有器件能正常工作。因此本实验电路中所有电阻的功率都在实际器件的承受范围。本实验采用图2.2的实验电路。图2.2实验电路3.测量点个数以及间距的选取测试过程中测量点个数以及间距的选取，与测量特性和形状有关。对于直线特性，应使测量间隔尽量平均，对于非线性特性应在变化陡峭处多测些点。测量的目的是为了用有限的点描述曲线的整体形状和细节特征。因此应注意测试过程中测量点个数以及间距的选取。为了比较完整反应特性形状，一般取测量点10个以上。本实验中由于特性曲线是直线形状，因此测量点应均匀选取。为了保证测量点分布合理，应先测量特性的最大值和最小值，再根据点数合理选择测量间距。4.电路的外特性测量方法在输出端口上接可变负载（如电位器），改变负载（调节电位器）测量端口的电压和电流。三、注意事项1.电流表的使用。由于电流表内阻很小，防止电流过大毁坏电流表。先使用大量程（A）粗测，再使用常规量程。2.等效电源电压和等效电阻的理论值计算，应根据实际测量值，而不是标称值。3.为保证外特性测量点的分布合理，应先测出最大值和最小值。再根据外特性线性的特征均匀取点。3基础实验一、实验目的1.掌握原理图转化成接线图的方法。2.掌握定理的实验验证方法。二、实验仪器与器件1.万用表2.直流稳压电源3.电阻（220、两个270、330、1.8KΩ、2.2KΩ）三、预习要求1.电路的串并联原理。2.等效参数的计算。根据实验电路推算出等效参数的计算公式。3.开路电压和短路电流的理论计算。4.万用表的使用。5.准备数据记录表。四、实验内容1.测量器件的实际值，计算等效电源电压和等效电阻。R等效=？2.连接实验电路。R0的测试值：需要在输入端预留插口两个可变电位器预留插口注意：考虑到电流表串联，预留插口3.测量实验电路的外特性。为了完整描述外特性，建议测量十点以上。4.连接等效电路，并测量实验电路的外特性。4URL(V)Uoc0实验值I(mA)等效前I(mA)等效后仿真值I(mA)等效前I(mA)等效后五、实验报告要求1.绘制实验接线图。2.根据测量数据，在同一个坐标下绘制等效前后外特性。比较分析，得出实验结论。六、实验思考题1.为何开路电压理论值和实际测量值一样，而短路电流却不一样。2.本实验原理图是按照安培表外接法绘制的，考虑安培表外接和内接对本实验有何差别。实验二阶电路的动态响应理论一、实验原理图6.1RLC串联二阶电路用二阶微分方程描述的动态电路称为二阶电路。图6.1所示的线性RLC串联电路是一个典型的二阶电路。可以用下述二阶线性常系数微分方程来描述：5s2U2cccudtduRCdtudLC（6-1）初始值为CICidttduUuLtcc000)0()()0(求解该微分方程，可以得到电容上的电压uc(t)。再根据：dtducticc)(可求得ic(t)，即回路电流iL(t)。式（6-1）的特征方程为：01pp2RCLC特征值为：20222,11)2(2pLCLRLR(6-2)定义：衰减系数（阻尼系数）LR2自由振荡角频率（固有频率）LC10由式6-2可知，RLC串联电路的响应类型与元件参数有关。1．零输入响应动态电路在没有外施激励时，由动态元件的初始储能引起的响应，称为零输入响应。电路如图6.2所示，设电容已经充电，其电压为U0，电感的初始电流为0。(1)CLR2，响应是非振荡性的，称为过阻尼情况。电路响应为：)()()()()(212112012120tPtPtPtPCeePPLUtiePePPPUtu图6.2RLC串联零输入响应电路图6.3二阶电路的过阻尼过程uLtmU06响应曲线如图6.3所示。可以看出：uC(t)由两个单调下降的指数函数组成，为非振荡的过渡过程。整个放电过程中电流为正值，且当2112lnPPPPtm时，电流有极大值。（2）CLR2，响应临界振荡，称为临界阻尼情况。电路响应为ttcteLUtietUtu00)()1()(t≥0响应曲线如图6.4所示。图6.4二阶电路的临界阻尼过程(3)CLR2，响应是振荡性的，称为欠阻尼情况。电路响应为teLUtiteUtudtddtdCsin)(),sin()(000t≥0其中衰减振荡角频率2220d2LRLC1，darctan响应曲线如图6.5所示。U0t图6.5二阶电路的欠阻尼过程图6.6二阶电路的无阻尼过程7（4）当R＝０时，响应是等幅振荡性的，称为无阻尼情况。电路响应为tLUtitUtuC00000sin)(cos)(响应曲线如图6.6所示。理想情况下，电压、电流是一组相位互差90度的曲线，由于无能耗，所以为等幅振荡。等幅振荡角频率即为自由振荡角频率0，注：在无源网络中，由于有导线、电感的直流电阻和电容器的介质损耗存在，R不可能为零,故实验中不可能出现等幅振荡。2．零状态响应动态电路的初始储能为零，由外施激励引起的电路响应，称为零输入响应。根据方程6-1，电路零状态响应的表达式为：)()()t()t(2121121212tptpStptpSSCeeppLUiepepppUUu）（0t与零输入响应相类似，电压、电流的变化规律取决于电路结构、电路参数，可以分为过阻尼、欠阻尼、临界阻尼等三种充电过程。3．状态轨迹对于图6.1所示电路，也可以用两个一阶方程的联立（即状态方程）来求解：LULtRiLtudttdiCtidttdusLCLLc)()()()()(初始值为00)0()0(IiUuLc其中，)(tuc和)(tiL为状态变量，对于所有t≥0的不同时刻，由状态变量在状态平面上所确定的点的集合，就叫做状态轨迹。二、实验方法1．为方便起见，可以方波信号作为电路的输入信号。调节方波信号的周期，可以观测到完整的响应曲线，即可分别观察零状态响应和零输入响应。2．响应曲线的测量：回路中的电阻可用一固定电阻R1与一可变电阻R2替代，调节可变电阻器的值，即可观察到二阶电路的零输入响应和零状态响应由过阻尼过渡到临界阻尼，最后过渡到欠阻尼的变8化过程。3．衰减振荡角频率d和衰减系数的测定：以方波信号作为电路的输入信号,使方波周期Tα,从示波器上观察响应欠阻尼响应的波形如图6.7所示，读出振荡周期Td。则dddTf2221ln1hhTd其中h1、h2分别是两个连续波峰的峰值。05101520253035404550-1-0.500.511.5Tdh1h2tuC(t)图6.7二阶欠阻尼响应的波形4．状态轨迹的测定：示波器置于水平工作方式。当Y轴输入)(tuc波形，X轴输入)(tiL波形时，适当调节Y轴和X轴幅值，即可在荧光屏上显现出状态轨迹的图形，如图6.8所示。（a）零输入欠阻尼（b）零输入过阻尼图6.8二阶电路的状态轨迹三﹑实验注意事项1．对于回路的总电阻，要考虑到实际电感器中的直流电阻RL和电流取样电阻r。2．调节R2时，要细心、缓慢，临界阻尼要找准。3．为清楚观察波形，可将一个完整周期内的波形尽可能放大。4．实验时注意各个仪器的地相连。9LR2R1C信号发生器示波器图6.8二阶电路实验接线图基础实验一、实验目的1.学习用实验的方法来研究二阶动态电路的响应。2.研究电路元件参数对二阶电路动态响应的影响。3.研究欠阻尼时，元件参数对α和固有频率的影响。4.研究RLC串联电路所对应的二阶微分方程的解与元件参数的关系。二、实验仪器与器件1.低频信号发生器2.交流毫伏表3.双踪示波器4.万用表5.可变电阻6.电阻、电感、电容(电阻100Ω,电感10mH、4.7mH,电容47nF)，可变电阻（680Ω）。三、预习要求1.根据二阶电路实验电路元件的参数，计算出处于临界阻尼状态的R2之值。2.弄清利用示波器测得二阶电路零输入响应欠阻尼状态的衰减常数α和振荡频率ωd的理论依据。3.根据实验内容，设计实验数据记录表格。4.思考在欠阻尼过渡过程中，电路中能量的转化过程。5.撰写预习报告。四、实验内容1.按图6.8所示电路接线（R1=100ΩL=10mHC=47nF）102.调节可变电阻器R2之值，观察二阶电路的零输入响应和零状态响应由过阻尼过渡到临界阻尼，最后过渡到欠阻尼的变化过渡过程，分别定性地描绘、记录响应的典型变化波形。3.调节R2使示波器荧光屏上呈现稳定的欠阻尼响应波形，定量测定此时电路的衰减常数α和振荡频率ωd。4.改变一组电路参数，如增、减L或C之值，重复步骤2的测量，并作记录5.对欠阻尼情况，在改变电阻R时，观察衰减振荡角频率d及衰减系数对波形的影响五、实验报告要求1.写明实验步骤，填写数据记录表格2.把观察到的各个波形分别画在坐标纸上，并结合电路元件的参数加以分析讨论。3.利用欠阻尼响应波形，定量计算一组电路参数下电路的衰减常数α和振荡频率ωd，分析衰减振荡角频率ωd及衰减系数对波形的影响。4.观察改变电路参数时，ωd与α的变化趋势，并作记录5.根据实验参数，计算欠阻尼情况下方波响应中的ωd数值，并与实测数据相比较，分析误差原因。6.归纳、总结电路和元件参数的改变，对响应变化趋势的影响。六、实验思考题1.如果矩形脉冲的频率提高（如2KHz），对所观察到的波形是否有影响。2.当RLC电路处于过阻尼情况时，若再增加回路的电阻R，对过渡过程有何影响，当电路处于欠阻情况时，若再减小回路的电阻R，对过渡过程又有何影响？为什么？在什么情况下电路达到稳态的时间最短？3.在欠阻尼过渡过程中，电路中能量的转化情况。实验串联谐振电路理论一、实验原理RLC串联电路如图7.1所示，改变电路参数L、C或电源频率时，都可能使电路发生谐振。11us图7.1RLC谐振串联电路该电路的阻抗是电源角频率的函数)1(CLjRZ（7-1）当10LC时，电路中的电流与激励电压同相，电路处于谐振状态。谐振角频率LC10，谐振频率012fLC。谐振频率仅与元件LC、的数值有关，而与电阻R和激励电源的角频率无关，当0时，电路呈容性，阻抗角＜0；当0时，电路呈感性，阻抗角＞0。1．电路处于谐振状态时的特性：(1)回路阻抗RZ0，0Z为最小值，整个回路相当于一个纯电阻电路。(2)回路电路I0的数值最大，RUIs0(3)电阻的电压UR的数值最大,SRUU(4)电感上的电压UL与电容上的电压UC数值相等，相位相差180。SCLQUUU2．电路的品质因数Q和通频带B电路发生谐振时，电感上的电压(或电容上的电压)与激励电压之比称为电路的品质因数Q，即CLRRLUUUUQSCSL1)(