东南大学电路实验实验报告.docx
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东南大学电路实验实验报告
包路实验
实验报告
第二次实验
实验名称:
弱电实验
院系:
信息科学与工程学院专业:
信息工程
姓名:
学号:
实验时间:
年月曰
实验一:
PocketLab的使用、电子元器件特性测试和基尔霍夫定理
一、仿真实验
1•电容伏安特性
实验电路:
图i-i电容伏安特性实验电路
波形图:
图1-2电容电压电流波形图
思考题:
请根据测试波形,读取电容上电压,电流摆幅,验证电容的伏安特性表达式。
解:
UC164coswt164coswtmV,
Ur1000coswt1000sinwtmV,T5O0us;
2
ICIR
Ur2
-0.213sinwtmA,w4000;
RT
由cduC
而C—C
dt
0.206sinwtmA
lcCdUc且误差较小,即可验证电容的伏安特性表达式。
dt
2•电感伏安特性
实验电路:
图1-3电感伏安特性实验电路
波形图:
图1-4电感电压电流波形图
思考题:
1•比较图1-2和1-4,理解电感、电容上电压电流之间的相位关系。
对于电感而言,电压相位超前(超前or滞后)电流相位;对于电容而言,电压相位滞后(超前or滞后)电流
相位。
2•请根据测试波形,读取电感上电压、电流摆幅,验证电感的伏安特性表达式。
解:
UL2.8coswtmV,UR1000coswt1000sinwtmV,T500us;
2
UR2
lLIr-0.213sinwtmA,w4000;
RT
而Ldik2.7coswtmV
dt
diL
UlLl且误差较小,即可验证电感的伏安特性表达式。
dt
二、硬件实验
1.恒压源特性验证
表1-1不同电阻负载时电压源输出电压
电阻k
0.1
1
10
100
1000
电源电压(V)
4.92
4.98
4.99
4.99
4.99
2•电容的伏安特性测量
示波器波形
CH2:
Maxil009mVMinj-1014mVVppi2024mV
图1-5电容电压电流波形图
3•电感的伏安特性测量
示波器液形
CH2:
Max:
1009mVMini-1014mVVpp;2024mV
图1-6电感电压电流波形图
4.基尔霍夫定律验证
表1-2基尔霍夫验证电路
待测值
I1
I2
I3
Vb
计算值
0.366mA
0.978mA
1.344mA
1.34V
测量值
0.364mA
0.975mA
1.35mA
1.35V
相对误差(103)
5.46
3.07
4.46
7.46
思考题:
1•根据实验数据,选定节点,验证KCL的正确性。
对于B点,I1I20.3640.9751.339(A)
I3I1I2近似满足,验证的KCL的正确性。
2验证KVL
表1-3验证KVL
节点
9
8
计算值
2.32V
0.77V
测量值
2.32V
0.77V
相对误差
0
0
对于节点5、9、&0构成的回路:
U594.992.322.67(V),U982.320.771.55(V),U800.7700.77(V)
U504.9904.99(V)
U50U59U98U80
即验证了KVL的正确性。
实验二:
电路定律的验证和受控源仿真预习题:
1•根据实验一中电阻的伏安特性测量方法,请自行设计实验方法,绘制二极管的伏安特性曲
线,了解其工作性能。
图2-1二极管伏安特性曲线
2.请运用戴维宁定理,计算图
3.(补充)采用PocketLab
2-3。
2-14电路的Rload,Req和Veq,填入表
的math功能,直接获得二极管的伏安特性曲线。
图2-2二极管伏安特性曲线
硬件实验一:
叠加定理验证
表2-1验证叠加定理
实验内容
测量项目
IimA
I2mA
I3mA
VbV
Vi单独作用
1.14
-0.103
1.03
1.03
V2单独作用
-0.155
0.468
0.31
0.31
Vi、V2共同作用
0.98
0.365
1.34
1.34
表2-2验证叠加定理(二极管)
实验内容
测量项目
I1mA
I2mA
I3mA
VbV
V1单独作用
2.794
-0.254
2.54
2.54
V2单独作用
0
0.46
0.46
0.46
V1、V2共同作用
2.307
0.243
2.55
2.55
思考题:
1•根据实验数据,验证线性电路的叠加性。
纯电阻电路为线性电路。
由表2-1,可以看出,每纵列的数据,第一行的数加上第二行的数等于第三行的数,即V!
、V2共同作用的效果和V!
,V2单独作用效果的叠加结果一样,即验证了线性电路的叠加性。
2•通过实验步骤5及分析表格中数据你能得出什么结论?
将R5换成二极管后,得到表2-2实验结果,分析表2-2数据发现不再有表2-1数据的规律,即不满足叠加性,因此判断,二极管不是线性元件,此电路不是线性电路。
硬件实验二:
戴维宁定理验证
表2-3测试等效电路的Veq和Isc
Isc(mA)
Veq(V)
Req
Rload
计算值
N.C
3.58
5/6k
1k
测量值
4.25
3.55
0.83k
0.99k
表2-4验证戴维宁定理
MmA)
Veq(V)
原始电路
0.94
1.88
等效电路
0.93
1.86
思考题:
请自行选定除开路电压、短路电流法之外的一种测有源二端网络开路电压及等效内阻的方
法,设计实验过程对上面的电路测定,给出实验方法和测试结果。
答:
用电压源代替内阻r2,改变电压源电压大小,测多组端口电压和电流的数据,做出伏安特性曲线图。
则I0时的电压值即为开路电压,直线斜率的倒数即为等效内阻。
硬件实验三:
采用运放测试电压控制电流源(VCCS特性
1.测试VCCS勺转移特性i2fU,
o
5150
「0Qoo
Ama/—
■5
2
u
0.25
0.2
*系列1
表2-6VCCS的转移特性数据
VCC转移特性曲线
U1/V
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
I2/mA
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
0.16
0.18
0.20
图2-3VCCS转移特性曲线
转移参量=旦10k
Ui
2.测试VCCS勺负载特性i2fRl
表2-7VCCS的负载特性数据
Rl/k
47
20
10
4.7
3
2
1
0.2
0.1
I2/mA
0.07
0.139
0.207
0.209
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
vcv负载特性曲线
50
2030
10
40
*系列1
2515
a「a-0
oo
AmM—
RL/千欧
图2-4VCCS负载特性曲线
实验三:
一阶电路的时域分析
一、仿真实验
1•电容特性
实验任务1
解释:
电阻的电压电流关系为:
uiR,所以电阻的电压波形仍为方波;
电容的电压电流关系为:
1t
uCtuCt0itdt,所以
Ct。
10001,0t10msuCtV
10,t10ms
实验任务2
电容中的能量WCt12ms:
121625
WCt12ms—cu-11010510J
2
2
电流源提供的能量WI
0~12ms:
Wi0~12msIU
30014
IUCUr1103o1000t5dt1104J
请解释WC和WI之间为什么会存在差异:
答:
Wi包含了Wc和Wr两部分,电阻以热量形式消耗电流源的能量,而电容储存能量,即
WIWCWr。
实验任务3
图3-2电容电阻电压波形图
(2)
波形变化:
电容电压变化率变为原来的二分之一,10ms时达到的稳定值也是原来的一半。
解释:
两个相同的电容并联,等效阻抗变为原来两倍,则电压变化率和电压的值均变为原来一半。
2•电感特性
实验任务1
图3-3电感中电流波形图
解释:
电感的电流电压关系为:
1t
iLtiLt0—uLtdt,所以
Lt。
iLt10t,0t15mSA
0.1,t15ms
电感中的能量Wc(t=15ms):
WLt15ms
-LI2110010310010325104J
22
电压源提供的能量Wv(0~15ms):
0.01
WV0~15ms
实验任务2
图3-4电感中电流波形图
(2)注:
图中流过两电感的电流相等,因此两曲线重合,其和为干路电流。
波形变化:
电感电流变化率变为原来的两倍,15ms时达到的稳定值也是原来的两倍。
解释:
两个相同的电感并联,等效阻抗变为原来一半,则电流变化率和电流的值均变为原来两倍。
实验任务3
计算得到的电感电流的响应:
I0I00A
I0.1A
0t0.01s
0.1
“100t
1e
t0.01s0.1
0.1A
1
1e
t0.01s0.1
1
11100t
ee
100t
刚0.11e,0t0.01
即IA
0.11e1e1100t,t0.01
二、硬件实验
1.硬件实验一
实验任务1
示波器截图(100Hz):
示波器波形
匚H2:
Max;-2mVMin;-2mVVppiOmV
图3-6电容上电压(100Hz)
实验任务2
示波器截图(1kHz):
示波器波形
CH2:
Max^2mVMin;-2mVVpp^)mV
图3-7电容上电压(1kHz)
示波器截图(5kHz):
示波器波形
匸H2:
Maxi^rriVMin:
-29mVVpp:
26mV
图3-8电容上电压(5kHz)
思考:
在输入方波频率一定的时候,输出响应的幅度与电路时间常数的关系如何?
若要作为
积分器使用,如图所示电路的RC时间常数需要满足什么条件?
答:
时间常数越大,输出响应的幅度越小,电容充电来不及完成就开始放电;时间常数越小,
输出响应的幅度越大,但不超过峰峰值。
若要作为积分器使用,需:
1.保证电压变化周期与时间常数的适当比例,105较为合适,
使得电容上的电压有较大变化;2.电路的RC时间常数应远大于5ms(即方波的半个周期长
度)。
2.硬件实验二
实验任务1
示波器波形
匚制2:
Max;23mVMin;-29inVVpp;53mV
图3-9电阻上电压波形图(100nF)
功能:
微分器
解释:
在一个周期中,经过一个高电平后,电路进入零输入响应状态,此时,由电容放电。
电阻上电压变化情况与电路中电流变化情况相同,即电路中电流以指数形式衰减。
实验任务2示波器截图(C1=10nF):
示波器波形
CH2:
Max:
-2mVVppiOmV
图3-10电阻上电压波形图(1OnF)
功能:
微分器,将方波信号转变为尖脉冲信号。
思考:
在输入方波频率和边沿时间一定的时候,若输出响应只需要提取输入信号的边沿信息,
则输出幅度与电路RC时间常数的关系如何?
答:
电路RC常数越大,输出幅度越大。
示波器波形
CH2:
Max:
23mVMin:
-29mVVpp:
53mV
图3-11电阻上电压波形图(10uF)功能:
输出的波形与输入的相同,即耦合。
实验四:
RLC电路的频率响应
一、仿真实验
1.RLC串联电路
实验任务1
图4-1阻抗幅频特性和相频特性截图
实验任务2
图4-2网络函数幅频特性和相频特性截图图中两光标间距即为3dB带宽。
思考:
R1的值对网络函数的3dB带宽有什么影响?
答:
R1增大,品质因数Q减小,网络函数的3dB带宽增大。
2.RLC并联电路
图4-3阻抗幅频特性截屏
图中游标间距即为3dB带宽。
图4-4阻抗相频特性截图
思考:
R1的值对输出电压的3dB带宽有什么影响?
答:
Ri增大,品质因数Q增大,网络函数的3dB带宽减小。
二、硬件实验
1.RLC低通滤波器
示波器截图1(f100Hz):
图4-5输入输出波形(100Hz)
示波器截图2(输出幅度下降到输入幅值的0.707倍):
图4-6输入输出波形(输出幅度下降到输入幅值的0.707倍)
J
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邙ta-:
去盲吋忖41
2.RLC带通滤波器
实验任务1
示波器截图1(输出幅度最大)
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CQ91
St£iriFrequanKtif
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m100Hz
^10000Hi
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■
]Q(perdecHde)
100«v
空灯rtnluat>
n鑒坐副战
:
40dB
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框熬*栋耀丸忻
祁攜平标罟,.申
:
-560°
图4-7幅频特性和相频特性曲线
图4-8
局珂;弓Mr-=-55fnVUppcllCip-iV
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图4-9
示波器截图3(输出幅度下降到最大输出幅度的0.707倍,且相位滞后)
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祁斛舸I,一申
:
o&
:
-360°
—JTIJ
图4-11幅频特性和相频特性曲线
中心频率:
6310Hz
峰值增益:
0.66
-3dB带宽:
0.95
思考:
根据讲义上图4-10所示的电路参数,该滤波器峰值增益的理论值是多少?
实际测试值
和理论值之间的差异由什么原因导致的?
答:
该滤波器峰值增益的理论值应约为0.995。
但由于实验所用的电感不是理想电感,存在电阻,所以实际测试值和理论值之间存在差异。
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- 东南大学 电路 实验 报告