电工电子技术及应用实验报告.docx
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电工电子技术及应用实验报告
戴维南定理和诺顿定理的验证实验报告
一、实验目的
1.验证戴维南定理和诺顿定理的正确性,加深对该定理的理解。
2.掌握测量有源二端网络等效参数的一般方法。
二、原理说明
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。
戴维南定理和诺顿定理的验证─有源二端网络等效参数的测定
1
电路基本实验
(二)——戴维南定理及诺顿定理研究
一. 实验目的
1) 学习测量有源线性一端口网络的戴维南等效电路参数。
2) 用实验证实负载上获得最大功率的条件。
3) 探讨戴维南定理及诺顿定理的等效变换。
4) 掌握间接测量的误差分析方法。
二. 实验原理及方法 1. 实验原理
在有源线性一端口网络中,电路分析时,可以等效为一个简单的电压源和电阻串联(戴维南等效电路)或电流源与电阻并联(诺顿等效电路)的简单电路。
戴维南定理:
任何一个线性有源一端口网络,对外电路而言,它可以用一个电压源和一个电阻的串联组合电路等效,该电压源的电压等于该有源一端口网络在端口处的开路电压,而与电压源串联的等效电阻等于该有源一端口网络中全部独立源置零后的输入电阻。
诺顿定理:
任何一个线性有源一端口网络,对外电路而言,它可以用一个电流源和一个电导的并联组合电路等效,该电流源的电流等于该有源一端口网络在端口处的短路电流,而与电流源并联的电导等于该有源一端口网络中全部独立源置零后的输入电导。
2. 实验方法
(1)、测定有源线性一端口网络的等效参数:
自行设计一个至少含有两个独立电源、两个网孔的有源线性一端口网络的实验电路,列出相应测量数据的表格。
在端口出至少用两种不同的方法测量、计算其戴维南等效电路参数。
具体使用方法有:
方法一:
短路短路法——用高内阻电压表直接测量a、b端开路电压,则就是等效的开路电压;再用低内阻的电流表测量a、b端短路电流,则等效内
阻
。
方法二:
半偏法——用高内阻电压表直接测量开路电压
后,接负载电阻
2
。
调节,测量负载电阻的电压,当时,。
方法三:
控制变量法——控制电压源或者电流源输出不变,调节的大小,
读出电压电流表的读数。
若
过小,短路电流
会太大,这时候就不能测量短路电流,只可测量网
络的外特性曲线上除了和两点外的任两点的电流和电压,利
用公式计算和
(2)、负载上最大功率的获得:
仍用
(1)设计的电路,改变负载电阻的值,测
量记录端口处U、I值,找出负载上获得最大功率时的值,并于理论值进行比
较。
(3)、研究戴维南定理:
用
(1)中任一中测量方法获得的等效电路参数组成电路,测量端口参数,检查测量的端口参数是否落在其外特性曲线上。
(4)、用测量计算的等效参数组成诺顿等效电路,用数据检验与戴维南定理的互通性。
三. 实验线路
参数:
=400 Ω;
=1000 Ω;
=800 Ω;=8 mA;
=5 V。
四. 使用设备及编号
3
设备名称:
GDDS高性能电工电子实验台
五. 数据、图表及计算
1、 测定有源线性一端口网络的等效参数
(1)开路、短路法
=13.45 V ;
=10.61 A ;
=
≈1268 Ω 。
(2)半偏法 当
=0时,
=13.45。
当U=
时,
=1268 Ω;
=
≈10.61 A。
2、 负载上最大功率的获得
以电阻箱为负载,以其阻值为变量,由1中=1268Ω,猜测当阻值为
1268Ω时P为最大值。
次数 1 2 3
4
R/Ω 868 968 1068 1168 1268 1368 1468 1568 1668 I/mA 6.31 6.03 5.76 5.53 5.31 5.11 4.92 4.75 4.59 U/V 5.47
5.83
6.16
6.46
6.73
6.99
7.22
7.44
7.65
P/ 54.52 35.15 35.48 35.72 35.74 35.72 35.52 35.34 33.11
对上表的数据进行二次拟合得到以下图像:
4
于是可以得到,当
=1268时,功率P有最大值33.74×
W。
3、 戴维南定理的研究
戴维南等效电路
调节,测得的数据如下:
次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 R/Ω 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 U/V
0
1.68 3.24 4.33 5.21 5.94 6.54 7.05 7.50 7.88 I/mA 10.58 9.15
8.06
7.20
6.50
5.92
5.45
5.04
4.69
4.38
将以上测得数据的点在原U—I电路中标出:
5
根据点的分布情况 ,戴维南等效电路测得的数据,基本落在有源线性一端口网络的外特征线上。
4、 验证诺顿定理
诺顿等效电路
调节电阻,测得的数据如下:
次数 1 2 3 4 5 6
7
8
9
10
R/Ω 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 U/V
0
1.86
3.28 4.40 5.29 6.00 6.62 7.14 7.58 7.96 I/mA 10.61 9.36
8.22
7.35
6.63
6.00
5.52
5.10
4.75
4.44
六. 数据的误差处理
1、 测定有源线性一端口网络的等效参数
=1267Ω,=
×100%=
×100%=0.08%。
因为电压表的准确度=20V×0.5%=0.1V;电流表的准确度=20mA×
基尔霍夫定律的验证实验报告
实验目的
1.验证基尔霍夫定律的正确性,加深对基尔霍夫定律的理解。
2.学会用电流插头、插座测量各支路电流。
3.运用multisim软件仿真。
实验仪器
可调直稳压电源、直流数字电压表、直流数字电流表、实验电路板
实验原理
1.基尔霍夫定律是电路的基本定律。
测量某电路的各支路电流及每个元件两端的电压,能分别满足基尔霍夫电流定律(KCL)和电压定律(KVL)。
即对电路中任一借点而言,应有∑I=0,对任一闭合电路而言,应有∑U=0.
实验内容与步骤
1.分别将两路直流稳压电源介入电路,令U1=6V,U2=12V。
(先调准输出电压值,再接入实验线路)用DGJ-04挂箱的“基尔霍夫定律/叠加原理”电路板。
2.实验前任意设定三条支路电流正方向,如图1-1中的I1,I2,I3的方向已设定。
闭合回路的正方向可任意设定。
3.熟悉电流插头的结构,将电流插头的两端接至数字电流表的“+、-”两端。
4.将电流插头分别插入三条支路的三个电流插座中,读出并记录电流值。
5.用直流数字电压表分别测量两路电源以及电阻元件上的电压值,记录于表
(1)。
6.将开关指向二极管,重新测量两路电源及电阻元件上的电压值,记录于表
(2)。
7.将开关指向电阻,分别测量三种故障情况下的两路电源及电阻元件上的电压值,记录于表3、4、5.
图1
被测量
I1(mA)
I2(mA)
I3(mA)
U1(V)
U2(V)
UFA(V)
UAB(V)
UAD(V)
UCD(V)
UDE(V)
计算值
1.93
5.99
7.92
6.00
12.00
0.98
-5.99
4.04
-1.98
0.98
测量值
2.00
6.00
7.98
6.13
12.11
1.02
-6.03
4.08
-1.98
1.02
相对误差
3.63%
0.17%
0.76%
2.17%
0.92%
4.08%
0.67%
0.99%
0.00%
4.08%
数据记录
表1
图2
被测量
I1(mA)
I2(mA)
I3(mA)
U1(V)
U2(V)
UFA(V)
UAB(V)
UAD(V)
UCD(V)
UDE(V)
计算值
3.92
0.00
3.92
6.00
12.00
2.00
0.00
2.00
-10.00
2.00
测量值
4.00
0.00
4.00
6.14
12.12
2.04
0.00
2.04
-10.07
2.04
相对误差
2.04%
0.00%
2.04%
2.33%
1.00%
2.00%
0.00%
2.00%
0.70%
2.00%
表2
被测量
I1(mA)
I2(mA)
I3(mA)
U1(V)
U2(V)
UFA(V)
UAB(V)
UAD(V)
UCD(V)
UDE(V)
计算值
0.00
6.52
6.52
6.00
12.00
2.68
-6.25
3.33
-2.15
0.00
测量值
0.00
6.56
6.56
6.14
12.00
2.79
-6.59
3.35
-2.17
0.00
相对误差
0.00%
0.64%
0.64%
2.33%
1.00%
4.10%
1.12%
0.60%
0.93%
0.00%
表3故障1:
FA开路
被测量
I1(mA)
I2(mA)
I3(mA)
U1(V)
U2(V)
UFA(V)
UAB(V)
UAD(V)
UCD(V)
UDE(V)
计算值
5.88
9.02
14.90
6.00
12.00
3.00
-9.02
0.00
-2.97
3.00
测量值
5.98
9.04
14.86
6.14
12.12
3.06
-9.10
0.00
-3.00
3.06
相对误差
1.70%
0.22%
0.27%
2.33%
1.00%
2.00%
0.89%
0.00%
1.01%
2.00%
表4故障2:
AD短路
被测量
I1(mA)
I2(mA)
I3(mA)
U1(V)
U2(V)
UFA(V)
UAB(V)
UAD(V)
UCD(V)
UDE(V)
计算值
3.92
0.00
3.92
6.00
12.00
2.00
0.00
2.00
-10.00
2.00
测量值
4.00
0.00
4.00
6.14
12.12
2.04
0.00
2.04
-10.07
2.04
相对误差
2.04%
0.00%
2.04%
2.33%
1.00%
2.00%
0.00%
2.00%
0.70%
2.00%
表5故障3:
CD开路
思考题
1.根据图1-1的电路参数,计算出待测的电流I1、I2、I3和各电阻上的电压值,记入表中,以便实验测量时,可正确地选定电流表和电压表的量程。
2.在图1-1的电路中A、D两节点的电流方程是否相同?
为什么?
答:
不相同,因为电流参考方向不一致,对应正负号不一致。
3.在图1-1的电路中可以列出几个电压方程?
它们与绕行方向有无关系?
答:
3个,它们与绕行方向有关。
4.实验中,若用指针式万用表直流毫安档测各支路电流,在什么情况下可能出现指针反偏,应如何处理?
在记录数据时应注意什么?
若用直流数字电流表进行测量时,则会有什么显示呢?
答:
用万用表测量时,当接线反接时指针会反偏;记录数据时注意电流的参考方向,若电流的实际方向与参考方向一致,电流取正号,反之,则取负号;若用直流数字电流表进行测量,显示结果会带有正负号,已经考虑了电流的方向。
实验报告要求
1.回答思考题;
2.根据实验数据,选定试验电路中的任一节点,验证基尔霍夫电流定律(KCL)的正确性;
答:
选择图1中的节点A,有2.00+6.00=7.98≈8.00,即I1+I2=I3,
所以符合KCL定律。
3.根据实验数据,选定试验电路中的任一闭合回路,验证基尔霍夫电压定律(KVL)的正确性;
答:
图1中,EFAD回路中,有0.98+4.04+0.98=6.00,即UFA+UAD+UDE=U1
所以符合KVL定律。
4.列出求解电压UEA和UCA的电压方程,并根据实验数据求出他们的数值;
答:
UEA=UED+UDA=-1.02+(-4.08)=-6.10V;
UCA=UCD+UDA=-1.98+(-4.08)=-6.06V
5.写出实验中检查、分析电路故障的方法,总结查找故障体会;
答:
故障一:
I1=0,I2=I3=6.56,UAD=3.35,UFA=2.79,UDE=0,故应为FA开路;故障二:
UAD=0,AD短路;故障三:
UAB=0,UFA=UADUDE=2.00,UCD=-10.00,CD开路。
6.运用multisim软件仿真。
《晶体三极管放大器电流放大仿真》
一、实验目的和要求
1.学习共射放大电路的设计方法与调试技术;
2.掌握放大器静态工作点的测量与调整方法,了解在不同偏置条件下静态工作点对放大器性能的影响;
3.学习放大电路的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻及频率特性等性能指标的测试方法;
4.了解静态工作点与输出波形失真的关系,掌握最大不失真输出电压的测量方法;
5.进一步熟悉示波器、函数信号发生器的使用。
二、实验内容和原理
1.静态工作点的调整与测量
2.测量电压放大倍数
3.测量最大不失真输出电压
4.测量输入电阻
5.测量输出电阻
6.测量上限频率和下限频率
7.研究静态工作点对输出波形的影响
三、主要仪器设备
示波器、信号发生器、万用表
共射电路实验板
四、操作方法和实验步骤
1.静态工作点的测量和调试
实验步骤:
(1)按所设计的放大器的元件连接电路,根据电路原理图仔细检查电路的完整性。
(2)开启直流稳压电源,用万用表检测15V工作电压,确认后,关闭电源。
(3)将放大器电路板的工作电源端与15V直流稳压电源接通。
然后,开启电源。
此时,放大器处于工作状态。
(4)调节偏置电位器,使放大电路的静态工作点满足设计要求ICQ=6mA。
为方便起见,测量ICQ时,一般采用测量电阻RC两端的压降VRc,然后根据ICQ=VRc/Rc计算出ICQ。
(5)测量晶体管共射极放大电路的静态工作点,并将测量值、仿真值、理论估算值记录在下表中进行比较。
2.测量电压放大倍数(RL=∞、RL=1kΩ)
实验步骤:
(1)从函数信号发生器输出1kHz的正弦波,加到电路板上的Us端。
(2)用示波器检查放大电路输出端是否有放大的正弦波且无失真。
(3)用示波器测量输入Ui电压,调节函数信号发生器幅度,使电路输入Ui=10mV(有效值)。
(4)负载开路,用示波器测出输出电压Uo有效值,求出开路放大倍数。
(5)负载接上1kΩ,再次测Uo,求出带载放大倍数。
3.测量最大不失真输出电压(RL=∞、RL=1kΩ)
(1)负载开路,逐渐增大输入信号幅度,直至输出刚出现失真。
(2)用示波器测出此时的输出电压有效值,即为最大不失真输出电压Vomax。
(3)负载接上1kΩ,再次测Vomax。
4.测量输入电阻Ri(RL=1kΩ)
测量原理:
放大电路的输入电阻可用电阻分压法来测量,图中R为已知阻值的外接电阻,分别测出Vs和Vi,则
实验步骤:
(1)从函数信号发生器输出正弦波,加到电路板上的Us端。
(2)用示波器测出Us和Ui电压。
(3)求出输入电阻。
5.测量输出电阻RO
测量原理:
放大电路的输出电阻可用增益改变法来测量,保持信号源幅度不变,分别测出负载开路时的输出电压VO'和带上负载RL后的输出电压VO,则
实验步骤:
(1)从函数信号发生器输出正弦波(幅度和频率?
),加到共射放大电路的输入端。
(2)断开负载,用示波器测出输出电压Vo'。
(3)接上负载,用示波器测出输出电压Vo。
(4)计算输出电阻Ro
6.测量上限频率和下限频率(RL=∞、RL=1kΩ)
1)从函数信号发生器输出1kHz的正弦波,加到放大电路输入端。
2)用交流毫伏表测输出电压,调节输入信号幅度,使输出Vo=1V。
(取1V有什么好处?
)
3)保持输入信号幅度不变,降低信号频率,使输出幅度下降至0.707Vo时(用什么测?
)得到下限频率fL。
4)保持输入信号幅度不变,增大信号频率,使输出幅度下降至0.707Vo时得到上限频率fH
7.研究静态工作点对输出波形的影响(RL=∞)
1)负载开路,输入1kHz、幅度合适的正弦信号,用示波器监视输出电压。
2)调节电位器RWb,使静态电流ICQ增大到足够大,测量并记录集电极静态电流。
(ICQ用什么测?
如何测?
)
3)逐渐增大输入信号,使输出波形出现明显的失真。
记录此时的示波器波形,测量刚出现失真时的最大不失真输出电压。
4)减小输入信号,使电路回到正常的放大状态(输出电压无失真)。
5)调节电位器RWb,使静态ICQ下降到足够小,测量并记录集电极静态电流。
6)逐渐增大输入信号,使输出波形出现明显的失真。
记录此时的示波器波形,测量刚出现失真时的最大不失真输出电压。
五、实验数据记录和处理
1.静态工作点的测量和调试
VB/V
VE/V
VC/V
ICQ/mA
理论值
5.258
4.558
9
6
仿真值
5.271
4.558
9
6
实测值
5.15
4.54
8.99
6
2.测量电压放大倍数(绝对值)
测试条件
实测值
理论值AV
仿真值AV
VS/mV
Vi/mV
VO/V
AV
RL=∞
35
10
0.978
97.8
92.34
90.604
RL=1kΩ
35
10
0.493
49.3
46.17
46.340
3.测量最大不失真输出电压
先出现缩顶失真先出现削底失真
同时出现缩顶和削底失真
测试条件
实测值
理论值
仿真值
VOMAX(有效值)
VOMAX(峰值)
VOMAX(峰值)
VOMAX(峰值)
RL=∞
2.29V
3.06V
3.75V
3.69V
RL=1kΩ
2.78V
3.79V
4.27V
4.16V
4.测量输入电阻Ri
输入电阻(实测值)
理论值
仿真值
VS/mV
Vi/mV
Ri
Ri
Ri
35
10
2040Ω
1334Ω
1393Ω
5.测量输出电阻RO
输出电阻(实测值)
理论值
仿真值
VO’/V
VO/V
Ri
RO
RO
0.978
0.493
984Ω
1000Ω
1000Ω
6.测量上限频率和下限频率
测试条件
实测值
仿真值
fL
fH
fL
fH
RL=∞
91.5Hz
29.7kHz
172.12Hz
34.58MHz
RL=1kΩ
92.1Hz
51.9kHz
175.47Hz
63.30MHz
7.研究静态工作点对输出波形的影响
ICQ
先出现
VOMAX
正/负半周
形状
7.68mA
饱和
977mV
负
削底
2.55mA
截止
1.51V
正
缩顶
六、实验结果与分析
共射放大电路的静态工作点在实验中随可变电阻Rb1的阻值而改变,实验中和仿真均调整电位器使ICQ=6mA,而且理论值根据仿真的参数计算,实际上并不合理,因为仿真使用的三极管规格和实验不同,理论计算的值更适用于仿真结果,实验结果仅能用作参考。
电压放大倍数的实验值、理论值和仿真值都较为接近,由共射放大电路的放大倍数表达式
其中rbe已确定,RL’为等效负载,当负载增大时放大倍数也会增大,但本实验电路中最大的负载电阻为RC=1kΩ,外接RL=1kΩ时,等效负载为500Ω,因此开路的放大倍数应该为接1kΩ负载时的两倍,实验中开路放大倍数为97.8倍,负载1kΩ的放大倍数为49.3倍,97.8/49.3=1.98,非常符合预期。
最大不失真输出电压实际上在示波器难以测量,因为通过人眼判断正弦波形是否失真偏于主观,往往无法准确判定在某静态工作点下波形失真的临界输出电压,且当负载不同时,截止失真和饱和失真出现的先后可能不同,故实验中测得的数据仅作娱乐。
另外还保存了几种失真在不同位置出现的图片,也可以在仿真中进行观察。
输入电阻和输出电阻的理论值和仿真值非常吻合,但输入电阻的实验值差距较大,可能的原因是输入电压VS经过一个5.1kΩ的电阻RS分压,另一部分Vi作为放大电路的输入信号,但实验中的VS和Vi没有反复测量,可能在操作过程中已经变化,由输入电阻的计算公式如下:
而R比较大,可见VS和Vi的数量级相同,而且为比值形式,所以它们取值的较小变化对结果也会有较大影响,实验中应更加注重这两个数据的测量准确性。
通频带宽的测量,实验结果比仿真带宽更窄,也是三极管特性不同的原因,而且实验中由于结电容效应更加显著,通频带宽也会变窄。
对于不同静态工作点的输出特性,可以看出下图中当ICQ较小时,负载线斜率大小较小,正弦波形更靠近截止方向;当ICQ增大时,负载线斜率变大,正弦波更靠近饱和方向。
因此实验中ICQ=2mA时先出现了截止失真,ICQ=7mA时先出现了饱和失真。
七、讨论、心得
本次实验有较多心得,主要是巩固了理论课的知识,前面用到的很多理论计算都不太容易,但最后跟仿真都符合得很好,但另一方面我认为本实验的仿真对实验没有太大的对比价值,因为三极管元件型号不同,且电位器位置也未必和实验一样,测算的数据自然也有很多不同。
但某些测量值存在较大的偏差,为了解释这些偏差需要了解电路里一些在实际实验中可能显著的现象比如结电容效应等,也加深了我对电路元件特性的认识。
另外,在老师所给实验PDF的第8页中,放大倍数的公式里不应该出现(1+β)Rb2的项,而rbe的计算公式中按照前面的约定,300应该改为200。
(1)试分析电路中的Re2、Rb1、Cb起什么作用?
答:
Re2作为发射极电阻,起到了很好的负反馈作用,当由于某些外部原因(如温度改变)引起电路内部参数变化,假设IC增大,相当于IE增大,则射极电阻Re2两端电压也增大,由于VCC不变,所以VBE减小,从而IC减小,使电流稳定;
Rb1在电路中起到了保护电位器的作用,当电位器调节到0时,IC可能比较大烧坏管子,R
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