仿真实验电阻电路.docx
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仿真实验电阻电路
仿真实验1电阻元件的伏安特性
一、实验目的
1、掌握电路的基本概念:
电压、电流、功率、参考点和节点电压。
2、研究电阻元件的伏安特性及其测定方法。
3、掌握EWB软件的基本使用方法、使用步骤,以及虚拟仪器的使用方法。
二、原理及说明
1、EWB软件(ElectronicsWorkbench)
EWB中文名称是电子工程师仿真工作室,是加拿大交换图像技术有限公司(INTERACTIVEIMAGETECHNOLOGIESLtd)在90年代初推出的电子设计自动化软件,在电子类课程教学、电子工程设计等领域广为应用。
2、基本概念
(1)电流:
单位时间内通过导体横截面的电荷量。
(2)电压:
单位正电荷从电路中由a点转移到b点时,电场力所做的功。
(3)功率:
电路中某一段所吸收或者提供能量的速率。
电功率为电流与电压的乘积,即P=UI。
(4)参考点(零电位点):
电路中任选的一个基准点。
在工程中常选大地作为参考,即认为大地电位为0。
在电子电路中,电路并不一定接地,常选一条特定的公共线(如金属机壳)作为参考点。
这条线常与底座相连,称作地线。
(5)节点电压(电位):
定义为各节点至参考节点间的电压降。
对节点电压,通常不需标示参考极性,参考点被认为是“-”端。
电位随着参考点的不同而改变,在电路分析中,不指明参考点而讨论电位是没有意义的。
3、基本元件和单口的伏安特性可以用电压表、电流表测定,称为伏安测量法(伏安表法)。
伏安表法原理简单,测量方便,同时适用于非线性元件伏安特性测量。
4、电阻元件
电阻元件的特性可以用该元件两端的电压U与流过元件的电流I的关系来表征,满足欧姆定律:
在U-I坐标平面上,线性电阻的特性曲线是一条通过原点的直线。
非线性电阻元件的电压、电流关系,不能用欧姆定律来表示,它的伏安特性一般为一曲线。
图1-1给出的是晶体二极管的伏安特性曲线。
三、实验内容
1、线性电阻的伏安特性
在EWB软件中建立如图1-2所示的电路,从EWB元件库中选取元件,其中电阻和连接点在基本库,直流电压源和接地在信号源库,电压表和电流表在测量器件库,选取元件后,按照图1-2要求设置相关参数,同时连接好电路。
并从EWB的测量仪器中选用测量探针,分别探测a、b点的电位。
按表1-1改变电压源的电压Us,测定相应的电流值和电压值记录于表1-1中,并计算电阻R=100Ω的功率。
图1-2
表1-1线性电阻的伏安特性
Us(v)
0
2
4
6
8
10
Ua(V)
Ub(V)
Uba(V)
I(mA)
P(W)
2、二极管(非线性电阻)伏安特性
在EWB工作环境下,按图1-3接接电路,在二极管库中找二极管元件。
其中200Ω为限流电阻。
实验中注意正向时二极管端电压为0-0.7v,电流不超过20mA。
按表1-2改变电压源的电压Us,将二极管两端电压与电流测试值填入表1-2中,并计算二极管的功率。
图1-3
表1-2二极管伏安特性(正向)
Us(v)
0.4
0.45
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
1.0
U(V)
I(mA)
P(W)
将二极管反接,作反向实验,观察实验现象。
按表1-3改变电压源的电压Us,将二极管两端电压与电流测试值填入表1-2中,并计算二极管的功率。
表1-3二极管伏安特性(反向)
Us(v)
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
U(V)
I(mA)
P(W)
四、思考与报告要求
1、给出仿真电路。
2、根据测量数据,绘制各元件的伏安特性曲线;
3、线性和非线性电阻的输出功率与负载的大小有什么关系?
4、改变电流表和电压表的极性,读数有变化吗?
仿真实验2电压源的伏安特性
一、实验目的
1、掌握电路的基本概念:
电压、电流、功率、参考点和节点电压。
2、研究电压源的伏安特性及其测定方法。
3、掌握EWB软件的基本使用方法、使用步骤,以及虚拟仪器的使用方法。
二、原理及说明
1、EWB软件(ElectronicsWorkbench)
EWB中文名称是电子工程师仿真工作室,是加拿大交换图像技术有限公司(INTERACTIVEIMAGETECHNOLOGIESLtd)在90年代初推出的电子设计自动化软件,在电子类课程教学、电子工程设计等领域广为应用。
2、基本概念
(1)电流:
单位时间内通过导体横截面的电荷量。
(2)电压:
单位正电荷从电路中由a点转移到b点时,电场力所做的功。
(3)功率:
电路中某一段所吸收或者提供能量的速率。
电功率为电流与电压的乘积,即P=UI。
(4)参考点(零电位点):
电路中任选的一个基准点。
在工程中常选大地作为参考,即认为大地电位为0.在电子电路中,电路并不一定接地,常选一条特定的公共线(如金属机壳)作为参考点。
这条线常与底座相连,称作地线。
(5)节点电压(电位):
定义为各节点至参考节点间的电压降。
对节点电压,通常不需标示参考极性,参考点被认为是“-”端。
电位随着参考点的不同而改变,在电路分析中,不指明参考点而讨论电位是没有意义的。
3、基本元件和单口的伏安特性可以用电压表、电流表测定,称为伏安测量法(伏安表法)。
伏安表法原理简单,测量方便,同时适用于非线性元件伏安特性测量。
4、电压源
理想电压源的内部电阻值Rs为零,其端电压US(t)是确定的时间函数,而与流过电源的电流大小无关。
如果US(t)不随时间变化(即为常数),则该电压源称为直流理想电压源Us,其伏安特性曲线如图1-1(a)中曲线a所示,实际电源的伏安特性曲线如图1-1(a)中曲线b所示,它可以用一个理想电压源Us和电阻Rs相串联的电路模型来表示(图1-1(b))。
显然Rs越大,图1-1(a)中的角θ也越大,其正切的绝对值代表实际电源的内阻Rs。
三、实验内容
1、理想电压源的伏安特性
按图1-2接电路,电压源Us(V)=10(V),100Ω为限流电阻。
按表1-1改变R数值,记录相应的电压值与电流值于表1-1中。
图1-2
表1-1理想电压源的伏安特性
R(KΩ)
理论值
1.0
0.5
0.3
0.2
0.1
实测值
U(V)
I(mA)
P(W)
2、实际电压源的伏安特性
按图1-3接接电路,电压源Us(V)=10(V)。
按下仿真启动/停止开关,启动电路,按表1-2改变R数值,记录相应的电压值与电流值于表1-2中,观察电压表和电流表的读数。
图1-3
表1-2实际电压源的伏安特性
R(KΩ)
理论值
1.0
0.5
0.3
0.2
0.1
实测值
U(V)
I(mA)
P(W)
四、思考与报告要求
1、给出仿真电路。
2、根据测量数据,绘制各元件的伏安特性曲线;
3、电压源的输出功率与负载的大小有什么关系?
4、改变电流表和电压表的极性,读数有变化吗?
仿真实验3电流源元件的伏安特性
一、实验目的
1、掌握电路的基本概念:
电压、电流、功率、参考点和节点电压。
2、研究电流源的伏安特性及其测定方法。
3、掌握EWB软件的基本使用方法、使用步骤,以及虚拟仪器的使用方法。
二、原理及说明
1、EWB软件(ElectronicsWorkbench)
EWB中文名称是电子工程师仿真工作室,是加拿大交换图像技术有限公司(INTERACTIVEIMAGETECHNOLOGIESLtd)在90年代初推出的电子设计自动化软件,在电子类课程教学、电子工程设计等领域广为应用。
2、基本概念
(1)电流:
单位时间内通过导体横截面的电荷量。
(2)电压:
单位正电荷从电路中由a点转移到b点时,电场力所做的功。
(3)功率:
电路中某一段所吸收或者提供能量的速率。
电功率为电流与电压的乘积,即P=UI。
(4)参考点(零电位点):
电路中任选的一个基准点。
在工程中常选大地作为参考,即认为大地电位为0.在电子电路中,电路并不一定接地,常选一条特定的公共线(如金属机壳)作为参考点。
这条线常与底座相连,称作地线。
(5)节点电压(电位):
定义为各节点至参考节点间的电压降。
对节点电压,通常不需标示参考极性,参考点被认为是“-”端。
电位随着参考点的不同而改变,在电路分析中,不指明参考点而讨论电位是没有意义的。
3、基本元件和单口的伏安特性可以用电压表、电流表测定,称为伏安测量法(伏安表法)。
伏安表法原理简单,测量方便,同时适用于非线性元件伏安特性测量。
4、电阻元件
5、电流源
理想电流源向负载提供的电流Is(t)是确定的函数,与电源的端电压大小无关。
如果Is(t)不随时间变化(即为常数),则该电流源为直流理想电流源Is,其伏安特性曲线如图1-1(a)中曲线a所示。
实际电源的伏安特性曲线如图1-1(a)中曲线b所示,它可以用一个理想电流源Is和电导Gs相并联的电路模型来表示(图1-1(b))。
显然,Gs越大,图1-1(a)中的θ角也越大,其正切的绝对值代表实际电源的电导值Gs。
图1-1
三、实验内容
1、理想电流源的伏安特性
按图1-2接电路,电流源Is(mA)=100(mA),100Ω为限压电阻。
按下仿真启动/停止开关,启动电路,观察电压表和电流表的读数。
按表1-1改变R数值,记录相应的电压值与电流值于表1-1中,并计算电流源的功率。
图1-2
表1-1理想电流源的伏安特性
R(KΩ)
理论值
1.0
0.5
0.3
0.2
0.1
实测值
U(V)
I(mA)
P(W)
2、实际电流源的伏安特性
按图1-3接线,电流源的值为Is(mA)=100(mA)。
按表1-2改变R数值(将可调电阻与电路断开后调整),记录相应的电压值与电流值于表1-2中。
图1-3
表1-2实际电流源的伏安特性
R(KΩ)
理论值
1.0
0.5
0.3
0.2
0.1
计算值
U(V)
I(mA)
P(W)
四、思考与报告要求
1、给出仿真电路。
2、根据测量数据,绘制各元件的伏安特性曲线;
3、电流源的输出功率与负载的大小有什么关系?
4、改变电流表和电压表的极性,读数有变化吗?
仿真实验4受控电压源的转移特性和输出特性
一、实验目的
1、研究受控电压源的转移特性和输出特性,以及测定方法。
二、原理及说明
1、受控源是由电子器件抽象而来的一种模型,具有输入端的电压或电流能够控制输出端的电压或电流的特点。
根据控制量与受控量电压或电流的不同,受控源有四种:
电压控制电压源(VCVS);电压控制电流源(VCCS);电流控制电压源(CCVS);电流控制电流源(CCCS),其电路模型如图2-1所示。
四种受控源的电压、电流关系如下:
(1)电压控制电压源(VCVS):
I1=0,U2=μU1
(2)电压控制电流源(VCCS),I1=0,I2=gmU1
(3)电流控制电压源(CCVS),U1=0,U2=rmI1
(4)电流控制电流源(CCCS),U1=0,I2=αI1
其中μ为转移电压比(或电压增益),rm为转移电阻,gm为转移电导,α为转移电流比(或电流增益)。
三、实验内容
1、受控源VCVS的转移特性和输出特性
(1)按图2-2接线,RL取2KΩ,运算放大器在模拟集成电路库中。
按表2-1改变电压源电压U1,测量U1及相应的U2值,填入表2-1中。
绘制U2-U1曲线,并由其线性部分求出转移电压比μ。
表2-1VCVS
U1(V)
0
1
2
3
4
5
IL(mA)
U2(V)
(2)保持U1=2V,按表5-1调节RL值,测量U2及IL值,填入表2-2中,绘制U2-IL曲线。
表2-2VCVS
RL(KΩ)
短路
1
5
10
50
100
开路
IL(mA)
U2(V)
四、思考与报告要求
1、给出仿真电路。
2、根据实验数据,分别受控源的转移特性和负载特性曲线,并求出相应的转移参量。
3、举例说明受控源的实际电路。
4、分析下面电路图(图2-3)的特性。
图2-3
仿真实验5受控电流源的转移特性和输出特性
一、实验目的
1、研究受控源的转移特性和输出特性,以及测定方法。
二、原理及说明
1、受控源是由电子器件抽象而来的一种模型,具有输入端的电压或电流能够控制输出端的电压或电流的特点。
根据控制量与受控量电压或电流的不同,受控源有四种:
电压控制电压源(VCVS);电压控制电流源(VCCS);电流控制电压源(CCVS);电流控制电流源(CCCS),其电路模型如图2-1所示。
四种受控源的电压、电流关系如下:
(1)电压控制电压源(VCVS):
I1=0,U2=μU1
(2)电压控制电流源(VCCS),I1=0,I2=gmU1
(3)电流控制电压源(CCVS),U1=0,U2=rmI1
(4)电流控制电流源(CCCS),U1=0,I2=αI1
其中μ为转移电压比(或电压增益),rm为转移电阻,gm为转移电导,α为转移电流比(或电流增益)。
三、实验内容
1、受控源CCCS的转移特性和输出特性
(1)按图2-2接线,RL取2KΩ。
l按表2-1改变电流源电流IS,测量IL及相应的U2值,填入表2-1中。
绘制IL-IS曲线,并由其线性部分求出转移电流比α。
表2-1CCCS
IS(mA)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
IL(mA)
U2(V)
(2)保持IS=0.4mA,按表2-2调节RL值,测量U2及IL值,填入表2-2中,绘制负载特性U2-IL曲线。
表2-2CCCS
RL(KΩ)
0
0.1
0.2
10
16
30
IL(mA)
U2(V)
四、思考与报告要求
1、给出仿真电路。
2、根据实验数据,分别受控源的转移特性和负载特性曲线,并求出相应的转移参量。
3、举例说明受控电流源的实际电路。
4、分析下面2个电路图(图2-3)的特性。
仿真实验6基尔霍夫定律的验证
一、实验目的
1、验证并加深理解基尔霍夫定律。
2、进一步熟悉EWB软件的使用。
二、原理及说明
1、基尔霍夫定律
这是集总电路的基本定律。
它包括电流定律和电压定律。
基尔霍夫电流定律:
在集总电路中,任何时刻,对任一节点,所有支路电流的代数和恒等于零,即:
ΣI=0
基尔霍夫电压定律:
集总电路中,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:
ΣU=0
三、实验内容
1、基尔霍夫定律的验证
(1)按图3-1接线。
其中K1、K2是双掷开关,在EWB软件的基本库中。
(2)设置电压源参数,使US1=10V,US2=6V。
(3)将K1、K2合向电源一边,按表3-1中各参量进行测量并记录,验证基尔霍夫定律。
(4)按照表3-1中的数据,改变电压源电压,重新对各参量进行测量并记录,验证基尔霍夫定律。
图3-1
表3-1基尔霍夫定律
US1=10V
US2=6V
US1=-10V
US2=-20V
US1=5V
US2=20V
基尔霍夫
电流定律
I1(mA)
I2(mA)
I3(mA)
结论
基尔霍夫
电压定律
Uab(V)
Ubc(V)
Ubd(V)
Uda(V)
Ucd(V)
结论
四、思考与报告要求
1、给出仿真电路。
2、用各表中仿真实验测得数据验证基尔霍夫定律的正确性。
3、根据电路图,计算各表中所列各项的理论值,并与仿真实验结果进行比较。
仿真实验7叠加原理的验证
一、实验目的
1、加深对叠加原理的理解,以及适用范围的认识。
2、进一步熟悉EWB软件的使用。
二、原理及说明
1、叠加原理
如果把独立电源称为激励,由它引起的支路电压、电流称为响应,则叠加原理可简述为:
在任意线性网络中,多个激励同时作用时,总的响应等于每个激励单独作用时引起的响应之和。
叠加原理是线性电路的一个重要定理,体现了线性电路的基本性质。
所谓某一电源单独作用,是指其他的电源不作用,即电压源的输出电压为0,电流源的输出电流为0,保留其内阻。
三、实验内容
1、叠加原理的验证
(1)按图3-1接线。
其中K1、K2是双掷开关,在EWB软件的基本库中。
(2)设置电压源参数,使US1=10V,US2=6V。
图3-1
实验电路如图3-1。
1)把K2掷向短路线一边,K1掷向电源一边,使Us1单独作用,测量各电流、电压并记录于表3-1中。
2)把K1掷向短路线一边,K2掷向电源一边,使Us2单独作用,测量各电流、电压并记录在表3-1中。
3)把K1、K2掷向电源一边,使两电源共同作用,测量各电流、电压并记录在表3-1中。
(3)按照表3-1中的数据,改变电压源电压,重新对各参量进行测量并记录。
表3-1叠加原理
I1(mA)
I2(mA)
I3(mA)
Uab(v)
Ubc(v)
Ubd(v)
US1=10V
US2=6V
US1单独作用
US2单独作用
US1、US2共同作用
验证叠加原理
US1=-10V
US2=-20V
US1单独作用
US2单独作用
US1、US2共同作用
验证叠加原理
US1=5V
US2=20V
US1单独作用
US2单独作用
US1、US2共同作用
验证叠加原理
四、思考与报告要求
1、给出仿真电路。
2、用各表中仿真实验测得数据验证叠加原理的正确性。
3、根据电路图,计算各表中所列各项的理论值,并与仿真实验结果进行比较。
仿真实验8戴维南定理和最大功率传递定理的验证
一、实验目的
1、验证戴维南定理和最大功率传递定理。
2、学习测量有源二端网络的开路电压和等效电阻。
3、加深对等效概念的理解。
二、原理及说明
1、戴维南定理
任何一个线性有源二端网络,对其外部而言,都可以用一个电压源和电阻相串联的支路等效代替。
其中,电压源的输出电压为有源二端网络开路时的开路电压,电阻为原网络除源后的等效电阻。
2、最大功率传递定理
由含源线性单口网络传递给可变负载R的功率为最大的条件是:
负载R应与戴维南或诺顿等效电阻相等。
一个含有内阻ro的电源给RL供电,其功率为:
为求得RL从电源中获得最大功率的最佳值,我们可以将功率P对RL求导,并令其导数等于零:
解得:
ro=RL
得最大功率:
3、开路电压的测量
当有源二端口网络的等效电阻Req与电压表的内阻相比可以忽略不计时,可以用电压表直接测量有源二端口网络的开路电压UOC。
4、等效电阻的测量
对于已知的线性含源一端口网络,其入端等效电阻R0可以从原网络计算得出,也可以通过实验手段测出。
在有源二端口网络的输出端并接电压表,外电路选用可调电阻器,在外电路负载回路中串接电流表,如图4-1所示。
调节电阻值,得到该网络的伏安特性曲线,如图4-2所示,根据特性曲线的斜率计算等效电阻R0:
图4-1等效电阻的测量电路图4-2伏安特性曲线
三、实验内容
1、戴维南定理的验证
(1)在EWB软件中按图4-3连接电路,打开外电路的控制开关,测量有源二端口网络的开路电压。
(2)通过控制键Ctrl+R,改变可调电阻器的电阻值,测定端点数据U、I记录于表4-1。
注意:
为了使绘制负载的P(I)曲线准确平滑,应在负载获得最大功率时,在附近适当多测几点。
图4-3有源二端网络
表4-1有源二端口网络的伏安特性
开路
100%
80%
60%
40%
20%
短路
仿真
结果
U/V
-3
I/mA
P
理论
计算
U
I
P
(3)将负载断开,测量负载的开路电压,计算单口网络的等效电阻,则开路电压为______________,等效电阻为___________。
(4)在EWB软件中分别按图4-4连接电路,分析图4-3所示电路的戴维南等效电路,重复上述步骤2进行仿真分析,将所测数据填入表4-2。
图4-4所示电路的戴维南等效电路
表4-2戴维南等效电路的伏安特性
开路
100%
80%
60%
40%
20%
短路
仿真
结果
U
I
理论
计算
U
I
4、最大功率传递定理的验证
(1)根据表4-1中数据计算并绘制功率随RL变化的曲线:
P=f(RL)。
(2)观察P=f(RL)曲线,验证最大功率传输条件是否正确。
四、思考与报告要求
1、给出仿真电路。
2、用各表中仿真实验测得数据验证电路理论。
3、在含源二端网络与戴维南等效电路中,当负载从0变化到时,负载中的电流和负载两端电压的变化情况是否一致?
4、当一端口网络的等效电阻与电压表内阻相比不可以忽略时,用电压表直接测量开路电压,就会影响被测电路的原工作状态,使所测电压与实际值有较大误差。
采用什么方法可以排除电压表内阻对测量所造成的影响?
5、说明等效电路的其他测量方法。
仿真实验9诺顿定理和最大功率传递定理的验证
一、实验目的
1、验证诺顿定理和最大功率传递定理。
2、学习测量有源二端网络的短路电流和等效电阻。
3、加深对等效概念的理解。
二、原理及说明
1、诺顿定理
任何一个线
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- 关 键 词:
- 仿真 实验 电阻 电路