电工实验指导(实验一~实验四).doc

电子电工学实验指导(适用专业 化学工程与工艺) 目 录实验一 电路基本定律及定理的验证2实验二 常用电子仪器使用与测量5实验三 单管放大电路10实验四 模拟信号运算电路12实验一 电路基本定律及定理的验证1. 实验目的学习实验室规章制度和基本的安全用电常识，熟悉实验电源、实验设备情况。通过对电路基本定律(基尔霍夫、叠加定理、戴维南定理)的验证，加深对定律的理解和灵活应用；学会电路中电压、电流的测量方法。明确实际测量中存在的误差，学会分析误差。2. 实验设备和器材直流可调稳压电源。直流电压、电流表。电阻元件、可调电阻。3. 实验原理与说明(1)基尔霍夫定律(KCL、KVL)基尔霍夫定律是电路的基本定律，适用于集总参数电路。KCL：任一时刻，任一节点，所有流出该节点的电流代数和恒为零，即i0。KVL：任一时刻，任一回路，沿某绕行方向所有元件电压的代数和恒为零，即u0。(2)叠加定理在线性电路中，任一支路的电流或电压都是电路中各个独立电源分别单独作用于电路时，在该支路中所产生的电流或电压的代数和。电源单独作用是指：除该电源外，其他独立源取零，即电压源用短路线代替，电流源用开路代替。(3)戴维南定理任一线性含源二端网络，对外电路而言，均可用一个电压源和一个电阻串联的组合来等效-戴维南等效电路。电压源的电压为含源二端网络的开路电压UOC；等效电阻为对应无源二端网络的等效电阻R0。(4)误差分析测量值与真实值间的差异称为误差。误差有两类：绝对误差=|测量值-真实值|，相对误差=(绝对误差/真实值)100%。实际测量中，应利用合理测试手段使误差最小。4. 实验内容及步骤(1)基尔霍夫定律(KCL、KVL)的验证实验电路如图1-1，图中I1、I2、I3的方向为假设的参考方向，为防止电流表内阻影响测量精度，在实测I1I3时电流表应分别接入。 图1-1将两路直流稳压电源（令U112V，U26V）分别接入电路。用直流电流表测量各电流值；用直流电压表分别测量各电压值，将测量结果记录于表1-1中。表1-1被测量I1(mA)I2(mA)I3(mA)U1(V)U2(V)UFA(V)U3(V)UED(V)UAB(V)UCD(V)计算值测量值相对误差(2)叠加定理的验证实验电路如图1-1。双路稳压源的输出分别调节为12V和6V接至图1-1中U1和U2处。U1电源单独作用时：电路中接入U1电源；断开U2电源，用导线连接U2断开处；用直流电流表测量各支路电流，用直流电压表测量UAD，数据记入表1-2。表 1-2测量内容I1(mA)I2(mA)I3(mA)U3(V)U1单独作用时U2单独作用时U1、U2共同作用时U2电源单独作用时：电路中接入U2电源；断开U1电源，用导线连接U1断开处；将数据记入表1-2。U1和U2共同作用时：将U1、U2电源均接入电路，将数据记入表1-2。(3)戴维南定理验证实验电路如图1-2(a)。接入稳压电源U1=12V和U2=6V，用电压表测量AD端的开路电压UAD，即戴维南等效电路的电源电压UOC，数据记入表1-3。(a)实验电路 (b)等效电路图1-2 有源二端网络图1-3测R0电路测戴维南等效电阻R0将有源二端网络中的电压源U1(12V) 和U2(6V)断开，用导线连接U1、U2断开处，不接R3，在AD间外加电压U=6V（由稳压电源供电），串入电流表测量I1、I2，计算电流I，如图1-3所示；则等效电阻R0=U/I，将数据记入表1-3。表1-3被测量UOC(V)I1I2IR0计算值测量值用戴维南定理测量测量电路如图1-4，图中电压源Us调到上述所测得的开路电压Uoc之值，电阻Rs取上述所测得的R0值(电阻箱上获取)，接入直流电流表和电压表测量电阻R3(510W)上电流I3及电压U3，数据记录表1-4中。表1-4被测量戴维南等效电路测量U3（V）I3（mA） 图1-45. 实验注意事项稳压电源的两输出线间不得相碰，以免造成短路事故。用电流表测量支路电流时，或者用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。测量时应注意仪表量程的更换。当实验仪表超量限应及时更换至高位档。所有需要测量的电压值，均以电压表测量的读数为准。 US也需测量，不应取电源本身的显示值。线路改接时，要关闭电源。6. 预习思考题根据图1-1及图1-2(a)中的电路参数，计算出各待测值，分别记入表1-1及表1-3中；以便实验测量时，可正确地选定电流表和电压表的量程，有助于对操作失误作出及时的判断。用直流电流表测量电流时，若参考方向与实际方向不符会有何显示？如何正确判断所测得的电流方向？令U1、U2分别单独作用应如何操作？可否将不作用的电源（U1或U2）短接置零？ 7. 实验报告根据实验数据，选定节点A及实验电路中的任一个闭合回路，验证KCL、KVL的正确性。分析误差原因。根据实验数据经分析、归纳、总结，验证线性电路叠加性。电阻器的功率消耗能否用叠加定理计算得出？试用上述实验数据计算并作结论。根据表1-1、表1-2及表1-4，对比支路电流I3、U3计算结果，并分析产生误差的原因。根据实验数据，画出戴维南等效电路。归纳测有源二端网络开路电压、等效内阻的方法。写出实验的心得体会及其它。实验二 常用电子仪器使用与测量1.实验目的(1)学习电子电路实验中常用的电子仪器示波器、函数信号发生器等的主要性能、各旋钮开关的作用及正确使用方法。(2)初步掌握用双踪示波器观察正弦信号波形和读取波形参数的方法。2.实验设备与器材双踪示波器 一台函数信号发生器 一台3.实验原理与说明在模拟电子电路实验中，测试和定量分析电路的静态和动态的工作状况时，经常使用的电子仪器有示波器、函数信号发生器、交流毫伏表、指针式（数字式）万用表等。它们之间的连接如图2-1所示。接线时应注意，为防止外界干扰，各仪器的公共接地端应连接在一起，称共地。示波器、函数信号发生器和交流毫伏表的接线通常使用专用电缆线。 示波器：用来观察电路中各点的波形，监视电路是否正常工作；同时还用于测量信号波形的周期、幅度、相位差及观察电路的特性曲线等。 函数信号发生器：提供频率和电压都可调节的信号。直流稳压电源：为电路提供所需的直流稳压电源。 毫伏表：用于测量信号的有效值。万用表：用于测量电路的静态工作点和直流电压值。图2-1 模拟电子电路中常用电子仪器布局图(1)示波器示波器是电子行业广泛应用的重要测量仪器之一，主要用以观测各种周期性或非周期性变化的电信号之波形、电压幅度、周期时间（T）、不同波形的相位关系等要素。本实验主要采用DF4321型双踪示波器，下面介绍其一般使用方法及操作要点，也可供其它型号的示波器作为一般用法的“操作指南”。其原理和详尽的使用资料请参阅有关产品说明书。1）开机前预置将触发方式选择（MODE）开关置于AUTO（即自动）键。调整亮度控制（INTENSITV）旋钮于旋转全行程的中间位置。置扫描速率（TIME/DIV）开关于0.1mS位置。置CH1（或CH2）的输入耦合方式选择开关置于GND位置。调整垂直（）和水平（）移位（POSITION）旋钮均于1/2全行程的位置。将 内触发选择（INTTRIG）开关置于CH1 （或CH2）。将Y轴垂直工作方式选择（MODE）开关置于 CH1 （或CH2）2）测量状态的预置当上述步骤完成后，可开启电源待机预热，若半分钟后屏幕仍无任何显示时，a.可顺时针试调节亮度控制旋钮，直至出现一条水平状扫描线（光栅）为止；b.试调节垂直（）和水平（）移位旋钮，令光栅移位至屏幕的正中央为止，若仍无任何光栅显示的迹象时，可能预示着机内扫描电路有故障，须关机送修；如光栅已出现时，应根据该扫描线的显示状态，反复并交替调节亮度控制旋钮及聚焦控制（FOCUS）旋钮，使光栅既清晰可辨，又不感到刺眼为止。3）测量精度的校准及一般使用方法示波器属精密测量仪器，它的精度可以利用每台示波器自我设置的、具有固定频率（f=1KHZ）、固定电压输出幅度的“机内标准信号源”进行校准（又称为“自校信号源”）；因型号不同，“自校信号源”的电压输出幅度可能有所不同，应根据信号输出端的标识加以确认；“自校信号源”所产生的波形为标准方波，在检测时若被测量数据（包括Vp与T）与标称数据相吻合，说明该台示波器的准确度合格，否则为不合格。a）精度校准将输入耦合方式选择开关置AC状态；按照频率f=1KHZ计算出周期时间T（T与f互为倒数，故此T=1/f=1/1000HZ=1/1000S=1mS）。由CH1或CH2输入端口处接入专用探头线，垂直工作方式开关(MODE)置于对应端口；将探头线的热端（用于传输信号的非接地端，通常配以红色标识；否则为冷端，配以黑色标识，意为接地）鳄鱼夹夹在自校信号源的电压输出端口处（此时为本机内 共地，故黑夹可悬空）；顺时针调节扫描微调控制（CAL）旋钮到底（处于校准位）；扫描扩展控制键（PULL10）须揿入；调整通道选择开关（VOLTS/DIV）所处位置，顺时针调节Y轴 微调控制CAL钮到底，使之处于校准位，令方波波形幅度占据屏幕垂直方向的80%左右；调节“扫描速率选择开关”（TIME/DIV），令指针指在0.1mS位置，此时方波波形每周期应占屏幕水平方向的十格（即0.1mS10格=1mS，此时显示为一个周期时间）；若“扫描速率”开关指针指在0.2mS位置时，方波波形每周期应占屏幕水平方向的五格，全屏显示为两个周期时间（每周期时间各占五格，即0.2mS5格=1mS）。b）测量时应注意的要点当“扫描速率”（TIME/DIV开关所指示数值）为被测周期时间的整数倍率时，波形在屏幕上能够较稳定地显示，否则（例如出现波形向左、右移动，多个叠加或闪烁等不稳定现象时）应调节触发电平控制LEVEL旋钮，可使波形的显示状态稳定。重要提示：但凡需要读取周期时间或电压幅值之前，必须先将X或Y轴的微调控制CAL钮顺时针旋到底（即处于校准位），否则测量无意义。波形每周期占水平方向的格数及幅度占垂直方向的格数愈多，测量愈精确。c）数据的读取方法调节垂直（）或水平（）移位（POSITION）旋钮，将波形的起始点（线）移位并恰好相交（或重叠）于屏幕左方标尺上的垂直与水平轴线的交叉点（线）处；以标尺的此点（或线）作为波形测量时的基点（线），由基点（线）至波形的终点（线）在X轴上所占的格数，与“扫描速率”（ TIME/DIV）开关所指之时间数值的乘积即是被测波形的周期时间；由基点（线）向上至波形的顶点在Y轴上所占的格数，与通道选择开关（VOLTS/DIV即V/DIV）所指之电压值的乘积即是被测波形的电压幅度值（VP或VPP）。注意：示波器只能直接观察及读取到被测信号的周期时间与电压幅值VP或VPP。4）示波器的双踪（双通道）显示功能的使用方法当需要对两簇不同的信号波形进行比对时，可采用从两Y轴（即CH1、CH2;以下同）同时输入两个不同信号并显示在屏幕上进行即时比对，方法如下：a）将示波器的CH1、CH2轴输入端分别（需要输入两路信号时）接入示波器的探头线，探头线的测试端（红色）及接地端（黑色）分别夹在待测点及共地点端。b）置CH1及CH2的输入耦合方式选择开关（AC/GND/DC）于AC位（若测量信号中含有直流成份时，应置于DC位），即Y1及Y2的输入耦合开关置于非接地位（）。c）选择Y轴的工作方式：（由工作方式选择开关MODE所处的位置确定）当MODE开关置于CH1位置时，只有进入CH1输入端的信号可显示在屏幕上；当MODE开关置于CH2位置时，只有进入CH2输入端的信号可显示在屏幕上；当MODE开关置于ALT位置时，进入CH1、CH2输入端的信号以交替显示的方式显示在屏幕上；当MODE开关置于CHOP位置时，进入CH1、CH2输入端的信号将同时显示在屏幕上；当MODE开关置于ADD位置时，进入CH1、CH2输入端的信号将以代数和的形式显示在屏幕上。(2)函数信号发生器函数信号发生器按需要输出正弦波、方波、三角波等信号波形。函数信号发生器的输出电压峰峰值最小2mV、最大可达20V，其幅值可以通过幅度键(Amp)进行设置；输出信号频率可以通过频率键(Freq)进行设置。函数信号发生器作为信号源，它的输出端不允许短路。本实验主要采用EE1610C型合成函数信号发生器，操作要点简介如下。1) 接通并开启信号发生器交流电源。2) 选择或设置所需要的信号波形(正弦波、方波、三角波等)，按键如图2-2(a)、(b)、(c)所示。开机后主函数输出信号为正弦波。 (a)正弦波 (b)方波 (c)三角波图2-2 设置信号波形3) 选择或设置所需要的信号频率(单位：Hz，kHz、MHz)，按键如图2-3(a)所示。 (a)设置频率 (b)设置幅度图2-3 设置频率及幅度4) 设置输出幅度(单位：mV，V)，按键如图2-3(b)所示。5) 其余常用按键如图2-4所示。(a)频率幅度输入时的单位 (b) 频率输入时的单位 (c)复用键图2-4 常用按键6) 主函数输出口连接专用电缆。 以输出正弦波为例说明输出信号的设置。1)开机后主函数输出信号为正弦波，频率3MHz、幅度1Vpp；屏幕显示如图2-5所示。图2-52)按“Freq”键使输入焦点转为频率输入，按“数字”键和“频率单位”键输入需要的频率；如图2-6所示。图2-63)按“Amp”键使输入焦点转为幅度输入，按“数字”键和“幅度单位”键输入需要的幅度；还可以按“shift”+“Amp”键切换幅度的显示，以切换幅度单位为有效值。如图2-7所示。 (a)输出为峰峰值 (b)输出为有效值图2-7信号发生器原理和详尽的使用资料请参阅有关产品说明书。4、实验内容及步骤(1) 用示波器机内校正信号对示波器进行自检。1）扫描基线调节将示波器的显示方式开关置于“单踪”显示（CH1或CH2），输入耦合方式开关置“GND”，触发方式开关置于“自动”。开启电源开关后，调节“辉度”、“聚焦”、“辅助聚焦”等旋钮，使荧光屏上显示一条细而且亮度适中的扫描基线。然后调节“X轴位移”（ ）和“Y轴位移”（）旋钮，使扫描线位于屏幕中央，并且能上下左右移动自如。2）测试“自校信号”波形的幅度、频率将示波器的“自校信号”通过专用电缆线引入选定的Y通道（CH1或CH2），将Y轴输入耦合方式开关置于“AC”或“DC”，触发源选择开关置“内”，内触发源选择开关置“CH1”或“CH2”。调节X轴“扫描速率”开关（TIME/DIV）和Y轴“通道选择”开关（VOLTS/DIV），使示波器显示屏上显示出一个或数个周期稳定的方波波形。 a测试“自校信号”幅度 将Y轴的微调控制CAL钮顺时针旋到底（即处于校准位），Y轴“通道选择”开关置适当位置，读取校正信号幅度，记入表2-1。表 2-1标准值实测值幅度Up-p（V）0.5周期T（s）0.001频率f（kHz）1计算值(f=1/T)b校准“校正信号”频率将“扫速微调”旋钮置“校准”位置，“扫描速率”开关置适当位置，读取校正信号周期，并换算成频率记入表2-1。(2)用示波器测量交流信号的电压幅值调节函数信号发生器，输出信号频率为 1kHz、有效值为3V的正弦波信号。适当选择示波器通道灵敏度选择开关“VOLTS/DIV”的位置，使示波器屏幕上能观察到完整、稳定的正弦波，则根据此时屏幕上Y 方向上的格数就能读出信号电压值。表2-2交流信号的电压测量(3) 用示波器测量交流信号的频率 将示波器扫描开关的“微调”旋钮置于校准位置，在预先校准的条件下，“TIME/DIV”的刻度值表示屏幕X方向坐标每格所代表的时间值，再乘以信号周期相应的格数，就可算出信号的周期，周期的倒数就是信号的频率。调节信号发生器，输出信号频率为1kHz、有效值为3V的正弦波。适当调节示波器的旋钮，使屏幕上显示清晰的波形。然后根据表2-3所示的信号频率要求调节，用示波器测试其周期计算频率，将所测结果与已知频率比较。表2-3 交流信号频率测量5.实验注意事项1)示波器及信号发生器应保持仪器共地。2)使用示波器时波形应在荧光屏中央且大小适中，波形完整且稳定。6.预习思考题(1)示波器输入信号耦合开关置“AC”、“DC”、“GND”位置有何不同？(2)什么叫正弦波的有效值？什么叫正弦波的峰值？ (3)函数信号发生器有哪几种输出波形？它的输出端能否短接？ 7.实验报告(1) 认真记录实验数据并填写相应表格。(2) 分析测量结果与理论值的误差，讨论其原因。(3) 回答预习思考题。(4) 总结信号发生器是如何改变其输出信号的频率和电压的。实验三 单管放大电路1. 实验目的学会放大器静态工作点的测量与调试方法，分析静态工作点对放大器性能的影响。掌握放大器电压放大倍数的测试方法。熟悉常用电子仪器及模拟电路实验设备的使用。2. 实验设备和器材函数信号发生器、双踪示波器、万用电表、Dais系列实验装置各一台。3. 实验原理与说明图31为电阻分压式工作点稳定单管放大器实验电路图。它的偏置电路采用RB1和RB2组成的分压电路，并在发射极中接有电阻RE1、RE2，以稳定放大器的静态工作点。当在放大器的输入端加入输入信号ui后，在放大器的输出端便可得到一个与ui相位相反，幅值被放大了的输出信号u0，从而实现了电压放大。 图3-1 共射极单管放大器实验电路， 电压放大倍数： 输入电阻 输出电阻 由于电子器件性能的分散性比较大，因此在设计和制作晶体管放大电路时，离不开测量和调试技术。在设计前应测量所用元器件的参数，为电路设计提供必要的依据，在完成设计和装配以后，还必须测量和调试放大器的静态工作点和各项性能指标。一个优质放大器，必定是理论设计与实验调整相结合的产物。因此，除了学习放大器的理论知识和设计方法外，还必须掌握必要的测量和调试技术。放大器的测量和调试一般包括：放大器静态工作点的测量与调试，消除干扰与自激振荡及放大器各项动态参数的测量与调试等。4. 实验内容及步骤(1) 按图3-1实验原理图连线，检查无误后接通电源。(2)测量静态工作点静态工作点测量条件：输入接地即使Ui=0.在步骤1连线基础上，C1接地（即Ui=0），调节RW，使IC=1.5mA（即URCQ4.5V），用万用表测量有关各值。记入表3-1。表31 IC=1.5mA测量值计算值UB（V）UE（V）UC（V）URCQ（V）UBE（V）UCE（V）IC（mA）(3) 测量电压放大倍数断开C1接地的线，从放大器的A端输入一个频率为1KHz、有效值为25mV的正弦信号，同时用双踪示波器观察放大器输入电压Ui（A处）和输出电压Uo（C2处）的波形，在Uo波形不失真的条件下用示波器测量下述三种情况下的Uo值（C2处），并用双踪示波器观察Uo和Ui的相位关系，记入表3-2(表中记录Uo为有效值)。表 32 IC=1.5mA Ui=25mV （有效值）RC（K）RL（K）Uo（V）AV观察记录一组Uo和Ui波形31.532.4 注意：示波器观察的都是峰峰值，需换算为有效值填入表中。(4)观察静态工作点对输出波形失真的影响 在步骤3的RC=3K，RL= 连线条件下，调节静态工作点(当ui=0，调节RW使URCQ4.5V)，放大器的A端输入1KHz、有效值为25mV的正弦波，再逐步加大输入信号，使输出电压Uo足够大但不失真。然后保持输入信号不变，分别增大和减小RW，使波形出现失真，用示波器观察输出电压波形，并总结。5. 实验注意事项不要带电接线或更换无件。静态测试时，Ui = 0；动态测试时，要注意共地。6. 预习思考题若放大器的输出波形失真，应如何解决?基本共射放大器中交流负载电阻RL，对放大倍数和输出电压波形有何影响?7. 实验报告根据实验数据估算三极管的电流放大倍数b。列表整理测量结果，并把实测的静态工作点、电压放大倍数之值与理论计算值比较（取一组数据进行比较），分析产生误差原因。讨论负载开路时集电极电阻RC对放大倍数的影响；讨论负载电阻RL对放大倍数的影响。讨论静态工作点变化对放大器输出波形失真的影响。分析讨论在调试过程中出现的问题。写出实验的心得体会及其它。实验四 模拟信号运算电路1实验目的(1)研究由集成运算放大器组成的比例、加法和减法等基本运算电路的功能。(2)了解运算放大器在实际应用时应考虑的一些问题。(3)进一步熟悉双踪示波器、信号发生器的使用。2实验设备与器材 双踪示波器、万用表、Dais系列实验仪各一台，集成运算放大器1个，电阻器、电容器若干。3实验原理 集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系。在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。1)反相比例运算电路电路如图4-1所示。对于理想运放，该电路的输出电压与输入电压之间的关系为 图4-1 反相比例运算电路为减小输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻R2=R1RF。 2)反相加法电路 图4-2 反相加法运算电路电路如图4-2所示，输出电压与输入电压之间的关系为 R3=R1R2RF 3)同相比例运算电路 图4-3（a）是同相比例运算电路，它的输出电压与输入电压之间的关系为 R2=R1RF 当R1时，U0=Ui，即得到如图4-3（b）所示的电压跟随器。图中R2=RF，用以减小漂移和起保护作用。一般RF取10kW，RF太小起不到保护作用，太大则影响跟随性。图4-3 同相比例运算电路4)差动放大电路(减法器)对于图4-4所示的减法运算电路，当R1=R2，R3=RF时，有如下关系式： 图4-4 减法运算电路4实验内容及步骤 实验前要看清运放组件各管脚的位置；切忌正、负电源极性接反和输出端短路，否则将会损坏集成块。(1)反相比例运算电路 1)把运放按图4-1正确连线，接通直流电源。2)输入f=100Hz，Ui=0.5V（峰峰值）的正弦交流信号，用示波器测量Ui、U0值（表格填入都为有效值或都为峰峰值），并用示波器观察U0和Ui的相位关系，记入表4-1。表 41 Ui=0.5V（峰峰值），f=100HzUi(V)U0(V)Ui波形U0波形Av实测值计算值(2)同相比例运算电路 1)按图4-3(a)连接实验电路，接通直流电源。实验步骤同上，将结果记入表4-2。2)将图4-3(a)改为4-3(b)电路重复内容1)。表 42 Ui=2V, f=100HzUi(V)U0(V)Ui波形U0波形Av实测值计算值(3)反相加法运算电路 1)把运放按图4-2正确连接实验电路。2)输入信号采用直流信号源，实验前应使用万用表先行测量并定义输入电压Ui1、Ui2，将输出电压U0记入表4-3中。（注：当该直流信号源左侧的自锁式开关揿入时，信号源输出幅值为0.5V间连续可调；当开关弹出时，信号源输出幅值为5V间连续可调。） 表 43Ui1(V)131.5-13Ui2(V)1-2-1.5-2-3U0(V)(4)减法运算电路 1)按图4-4正确连接实验电路。 2)采用直流输入信号，实验步骤同内容3，记入表4-4。表 44Ui1(V)4-22-32Ui2(V)2-1-222U0(V)5实验注意1)