实验二-叠加定理和戴维宁定理的验证

1实验二叠加定理和戴维宁定理的验证一、实验目的1．通过实验加深对基尔霍夫定律、叠加原理和戴维南定理的理解。2．学会用伏安法、短路电流法、二次电压法测一端口网络等效内阻。3．正确使用直流电压表、电流表及直流稳压电源。二、预习要求1．阅读本次实验各项内容及附录，熟悉实验电路图，了解各仪器仪表的使用方法。2．复习基尔霍夫定律、叠加原理和戴维南定理。分析电路时注意标明电流、电压的正方向。3．了解测试有源一端口网络开路电压和等效电阻的方法。三、实验原理1．基尔霍夫定律（1）电流定律（KCL）：在集总参数电路中，任何时刻，对任一节点，所有各支路电流的代数和恒等于零，即∑i＝0。正常约定，流出节点的支路电流取正号，注入节点的支路电流取负号。（2）电压定律（KVL）：在集中参数电路中，任何时刻，沿任一回路内所有支路或元件电压的代数和恒等于零，即∑u＝0。通常接口约定，凡支路电压或元件电压的参考方向与回路绕行方向一致者为正量，反之取负号。运用上述定律时必须注意各支路电流或闭合回路的正方向，此方向可预先任意设定。2.叠加定理叠加原理指出：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，可以看成是由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。线性电路的齐次性是指当激励信号（某独立源的值）增加或减小K倍时，电路的响应（即在电路中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。注：①每个独立源单独作用②仅适用于线性电路③电压、电流的“+”、“—”号④功率不能叠加3.戴维宁定理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流，则可将电路的其余部分看作是一个有源二端网络（或称为含源一端口网络）。戴维南定理指出：任何一个线性有源网络，总可以用一个电压源与一个电阻的串联来等效代替，此电压源的电动势Us等于这个有源二端网络的开路电压Uoc，其等效内阻R0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。Uoc和R0或者ISC和R0称为有源二端网络的等效参数。22.有源二端网络等效参数的测量方法(1)开路电压、短路电流法测R0在有源二端网络输出端开路时，用电压表直接测其输出端的开路电压Uoc，然后再将其输出端短路，用电流表测其短路电流Isc，则等效内阻为SCOCOIUR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)伏安法测R0用电压表、电流表测出有源二端网络的外特性曲线，如图2-1所示。根据外特性曲线求出斜率tgφ，则内阻SCOCOIUIUtgR也可以先测量开路电压Uoc，再测量电流为额定值IN时的输出端电压值UN，则内阻为NNOCOIUUR(3)半电压法测R0如图2-2所示，当负载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）即为被测有源二端网络的等效内阻值。(4)零示法测UOC在测量具有高内阻有源二端网络的开路电压时，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2-3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。（5）两次电压法先测量有源二端网络的开路电压U0，再在两端钮间接入一个已知电阻RL，测电阻RL两端的电压UL，则LLORUUR)1(０图2-1图2-2图2-33四、实验内容（一）、叠加定理的验证实验线路如图2-4所示，用DICE-DGA挂实验箱的“基尔夫定律/叠加原理”模块。图2-41.将两路稳压源的输出分别调节为12V和6V，接入U1和U2处。开关S3投向R5侧。2.令U1电源单独作用（将开关S1投向U1侧，开关S2投向短路侧）。用直流数字电压表和直流数字毫安表（接电流插头）测量各支路电流及各电阻元件两端的电压，记录之。测量项目实验内容U1(V)U2(V)I1(mA)I2(mA)I3(mA)UAB(V)UCD(V)UAD(V)UDE(V)UFA(V)U1单独作用U2单独作用U1、U2共同作用3.令U2电源单独作用（将开关S1投向短路侧，开关S2投向U2侧），重复实验步骤2的测量，记录之。4.令U1和U2共同作用（开关S1和S2分别投向U1和U2侧），重复上述的测量，并记录之。5.将R5（330Ω）换成二极管1N4007（即将开关S3投向二极管IN4007侧），重复1～5的测量过程，记录之。测量项目实验内容U1(V)U2(V)I1(mA)I2(mA)I3(mA)UAB(V)UCD(V)UAD(V)UDE(V)UFA(V)U1单独作用U2单独作用U1、U2共同作用实验注意事项1.用指针式电流表测量电流时，或者用指针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。（二）、戴维宁定理的验证被测有源二端网络如图2-5(a)。4(a)图2-5(b)1.用开路电压、短路电流法测定戴维南等效电路的Uoc、R0和诺顿等效电路的ISC、R0。按图2-5(a)接入稳压电源Us=12V和恒流源Is=10mA，不接入RL。测出UOc和Isc,并计算出R0。2.负载实验按图2-5(a)接入RL。改变RL阻值，测量有源二端网络的外特性曲线。U（v）I（mA）3.验证戴维南定理：从电阻箱上取得按步骤“1”所得的等效电阻R0之值，然后令其与直流稳压电源（调到步骤“1”时所测得的开路电压Uoc之值）相串联，如图2-5(b)所示，仿照步骤“2”测其外特性，对戴氏定理进行验证。U（v）I（mA）根据步骤2、3，分别绘出曲线，验证戴维南定理的正确性，并分析产生误差的原因。4.有源二端网络等效电阻（又称入端电阻）的直接测量法。见图2-5（a）。将被测有源网络内的所有独立源置零（将电流源IS断开，去掉电压源US，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RL开路时A、B两点间的电阻，此即为被测网络的等效内阻R0，或称网络的入端电阻Ri。实验注意事项1.测量时应注意电流表量程的更换。2.步骤“4”中，电压源置零时不可将稳压源短接。3.用万用表直接测R0时，网络内的独立源必须先置零，以免损坏万用表。其次，欧姆档必须经调零后再进行测量。4.用零示法测量UOC时，应先将稳压电源的输出调至接近于UOC，再按图2-3测量。5.改接线路时，要关掉电源。Uoc(v)Isc(mA)R0=Uoc/Isc(Ω)ΩI5五、思考题1.在叠加原理实验中，要令U1、U2分别单独作用，应如何操作？可否直接将不作用的电源（U1或U2）短接置零？2.叠加定理实验电路中，若有一个电阻器改为二极管，试问叠加原理的迭加性与齐次性还成立吗？为什么？4.将戴维南定理中实测的R0与理论计算值R0进行比较，分析电源内阻对误差的影响。5.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。六、实验设备序号名称型号与规格数量备注1可调直流稳压电源0~12V1DICE-DGA直流稳压电源12VDICE-DGA3直流电压表0～30V或0～200V1DICE-DGA4直流毫安表0~20mV1DICE-DGA5基尔夫定律/叠加原理1DICE-DGA6可调直流恒流源0～10mA1DICE-DGA7万用表18戴维南定理实验电路1DICE-DGA