电路实验报告

电路原理电路原理 实验报告实验报告 2014 年 12 月 学学 院 院 理理 学学 院院 班班 级 级 电科电科 13 姓姓 名 名 管亮管亮 学学 号 号 厚德博学厚德博学 和而不同和而不同 实验一实验一 典型电信号的观察与测量典型电信号的观察与测量 一 实验目的 1 熟悉低频信号发生器 脉冲信号发生器的布局 各旋钮 开关的作用及使用方法 2 初步掌握用示波器观察电信号波形 定量测量出正弦信号和脉冲信号的波形参数 3 初步掌握示波器 信号发生器的使用 二 原理说明 1 正弦交流信号和方波脉冲信号是常用的电激励信号 分别由低频信号发生器和脉冲信号发生器 提供 正弦信号的波形参数是幅值 Um 周期 T 或频率 f 和初相 脉冲信号参数是幅值 Um 脉冲重复 周期 T 及脉宽 tK 2 电子示波器是一种信号图形测量仪器 可定量测出波形参数 从荧光屏的 Y 轴刻度尺量程分档 选择开关读得信号幅值 3 仪器介绍 三 实验内容 1 正弦波信号的观测 a 将示波器幅度和扫描速度微调旋钮旋至 校准 位置 b 通过电缆线 将信号发生器的输出口与示波器的 YA 或 YB 端相连 c 将信号发生器的输出信号类型选择为正弦波信号 示波器面板控制件的作用简介示波器面板控制件的作用简介 液晶显示屏液晶显示屏 电源开关电源开关 屏幕屏幕 操作键操作键 常用菜常用菜 单单 多功能旋钮多功能旋钮 触发控制触发控制 水平控制水平控制 垂直控制垂直控制 模拟信号输入模拟信号输入 外触发输入外触发输入 探头信号探头信号 补偿输出补偿输出 USB接口接口 d 接通电源 调节信号源的频率旋钮 使输出频率分别为 50Hz 1 5kHz 和 100kHz 由频率计读 出 输出幅值分别为有效值 1V 3V 5V 由交流毫伏表读得 调节示波器 Y 轴和 X 轴灵敏度开关到合 适的位置 从荧光屏上读得幅值及周期 数据填入表 1 和表 2 正弦信号频率的测定频率计读数所测项目 50HZ1500HZ20000HZ 示波器 t div 旋 钮 5ms250 s10 s 一个周期占有的格数42 55 信号周期 s 20ms625 s50 s 计算所得频率 HZ 50160020000 表 1 正弦波信号频率实验数据 正弦波信号幅值测定交流毫伏表读数所测项 目1V3V5V 示波器 V div 位置500mv2v5v 峰 峰值波形格数5 44 42 8 峰 峰值2 7v8 814 计算所得有效值0 96v3 114 95 表 2 正弦波信号幅值实验数据 2 方波脉冲信号的测定 a 将信号发生器的输出类型选择为方波信号位置上 b 调节信号源的输出幅度为 1 5V 用交流毫伏表测定 分别观测 100Hz 1kHz 和 100kHz 方波信号 的波形参数 c 使信号频率保持在 1kHz 调节幅度和脉宽旋钮 观察波形参数的变化 d 参照正弦波的测定自拟数据表格 方波信号频率的测定频率计读数所测项目 50HZ1500HZ20000HZ 示波器 t div 旋 钮 2 5ms250 s10 s 一个周期占有的格数7 822 614 88 信号周期 s 19 55m625 5 s48 8 s 计算所得频率 HZ 51 21598 1220491 50 表 3 方波信号频率实验数据 方波信号幅值测定交流毫伏表读数所测项 目1V3V5V 示波器 V div 位置1v2v5v 峰 峰值波形格数232 峰 峰值2v610 计算所得有效值1v35 表 4 方波信号幅值实验数据 四 实验要点 示波器的辉度不要过亮 以增加其使用寿命 调节仪器旋钮时 动作要平缓 要注意触发开关和电平调节旋钮应旋置标准位置 作定量测定时 t div 和 v div 的微调旋钮应旋置标准位置 并且示波器是经过校准的 信号发生器的接地端与示波器的接地端要相连一致 称共地 五 预习与解答 查阅相关资料 掌握示波器的基本原理与操作 示波器面板上 t div 和 v div 的含义是什么 观察本机标准信号时 要在荧光屏上得到两个周期的稳定波形 而幅度要求为五格 试问 Y 轴电压灵敏度应置于哪一档位置 t div 又应置于哪一档位置 应用双踪示波器观察到如题图所示的两个波形 Y 轴的 v div 的指示为 0 5V t div 指示为 100 s 试问这两个波形信号的波形参数为多少 六 实验要求 对实验中显示的各种波形进行整理 绘制出具有代表性的波形 总结实验中所用仪器的使用方法及观测电信号的方法 如用示波器观察正弦信号时 荧光屏上出现如下图情况时 试说明原因并提出解决办法 实验二实验二 R R L L C C 元件阻抗特性的测定元件阻抗特性的测定 一 实验目的 1 验证电阻 感抗 容抗与频率的关系 测定 与特性曲线 fR fXL fXC 2 加深理解 R L C 元件端电压与电流间的相位关系 二 原理说明 1 在正弦交变信号作用下 电阻元件两端电压与流过的电流有关系式R IRU 在信号源频率较低情况下 略去附加电感及分布电容的影响 电阻元件的阻值与信号源频率无f 关 其阻抗频率特性如图 1 所示 fR 如果不计线圈本身的电阻 又在低频时略去电容的影响 可将电感元件视为纯电感 有关系式 L R 感抗 IjXU LL fLXL 2 感抗随信号源频率而变 阻抗频率特性如图 1 所示 fXL 在低频时略去附加电感的影响 可将电容元件视为纯电容 有关系式 感抗 IjXU CC fC Xc 2 1 容抗随信号源频率而变 阻抗频率特性如图 1 所示 fXC 图 2 RLC r U Z f R C X L X 图 1 2 单一参数 R L C 阻抗频率特性的测试电路如图 2 所示 图中 R L C 为被测元件 r 为电流取样电阻 改变信号源频率 测量 R L C 元件两端的电压 流过被测元件的电流则可由 r 两端电压除以 r 得到 R U L U C U 3 元件的阻抗角 即相位差 随输入信号的频率变化而改变 同样可由实验方法测得阻抗角 的频率特性曲线 f 用双踪示波器测量阻抗角 相位差 的方法 将欲测量位相差的两个信号分别接到双踪示波器 和两个输入端 调节示波器有关旋钮 使示波器屏 A Y B Y 幕上出现两条大小适中 稳定的波形 如图 3 所示 荧 光屏上数得水平方向一个周期占 n 格 相位差占 m 格 则实际的相位差 阻抗角 为 T n 格 m 格 t t u i 图 3 n m 0 360 三 实验设备 函数信号发生器 交流毫伏表 双踪示波器 实验电路元件 r 100 频率计 kR1mHL10 FC 1 四 实验内容 1 测量单一参数 R L C 元件的阻抗频率特性 实验线路如图 2 所示 取 r 100 通过电缆线将函数信号 kR1mHL10 FC 1 发生器输出的正弦信号接至电路输入端 作为激励源 并用交流毫伏表测量 使激励电压的有效值u 为 并在整个实验过程中保持不变 3UV 改变信号源的输出频率从逐渐增至 用频率计测量 并使开关分别接通200Hz5kHzS R L C 三个元件 用交流毫伏表分别测量 并通过计算得到各频率点 R U r U L U r U C U r U 时的 和之值 计入表中 R L X C X 频率 f Hz2005001000200040005000 R UV 0 950 960 9630 930 9360 976 r UV 0 070 090 090 0790 0630 07 Rr IUr mA 0 70 90 90 790 630 7 R RR RUI k 1 41 11 071 171 41 4 L UV 0 440 4820 6050 8171 0181 032 r UV 0 7170 7120 6810 5840 3820 305 Lr IUr mA 7 17 16 85 843 823 05 L LLL XUI k 0 0620 0670 0890 140 2670 338 C UV 1 4961 3671 0460 6680 3040 223 r UV 0 1950 4520 7320 8620 8410 800 Cr IUr mA 1 954 527 328 628 418 00 C CCC XUI k 0 7670 3020 1430 0770 0360 029 2 用双踪示波器观察串联和串联电路在不同频率下阻抗角的变化情况 并作记录 rLrC 20010005000 频率 fHz rLrCrLrCrLrC 格 n 0 10 10 40 60 80 9 格 m 5 15 63 43 23 33 7 度 7 066 4242 3567 58788 5 五 实验注意事项 1 交流毫伏表属于高阻抗电表 测量前必须调零 六 预习思考题 1 图 2 中各元件流过的电流如何求得 2 怎样用双踪示波器观察串联和串联电路阻抗角的频率特性 rLrC 七 实验报告 1 根据实验数据 绘制 R L C 三个元件的阻抗频率特性曲线 2 根据实验数据 绘制串联和串联电路的阻抗角频率特性曲线 并总结 归纳出结论 rLrC 实验三 R L C 串联谐振电路的研究 一 实验目的 1 学习用实验方法测试 R L C 串联谐振电路的幅频特性曲线 2 加深理解电路发生谐振的条件 特点 掌握电路品质因数的物理意义及其测定方法 二 原理说明 1 在图 1 所示的 R L C 串联电路中 当正弦交流信号源的频率改变时 电路中的感抗 容抗f 随之而变 电路中的电流也随而变 取电路电流作为响应 当输入电压维持不变时 在不同信fI i U 号频率的激励下 测出电阻 R 两端电压之值 则 然后以为横坐标 以为纵坐标 绘 o U o U I R fI 出光滑的曲线 此即为幅频特性 亦称电流谐振曲线 如图 2 所示 R L C i U o U I 图 I 0 I 0 2 I f 0 f L f H f 图 2 在处 即幅频特性曲线尖峰所在的频率点 该频率称为谐振频率 0 1 2 ff LC CL XX 此时电路呈纯阻性 电路阻抗的模为最小 在输入电压为定值时 电路中的电流达到最大值 i U o I 且与输入电压同相位 从理论上讲 此时 式中的称为电路 i U 00iR UUU 00LCi UUQU Q 的品质因数 3 电路品质因数 Q 值的两种测量方法 一是根据公式 00LC ii UU Q UU 测定 与分别为谐振时电容器 C 和电感线圈 L 上的电压 另一方法是通过测量谐振曲线的通 0L U 0C U 频带宽度 HL fff 再根据 0 HL f Q ff 求出 Q 值 式中为谐振频率 和是失谐时 幅度下降到最大值的倍时的上 下频率点 0 f H f L f 1 2 Q 值越大 曲线越尖锐 通频带越宽 电路的选择性越好 在恒压源供电时 电路的品质因数 选择性与通频带只决定于电路本身的参数 而与信号源无关 三 实验设备 函数信号发生器 交流毫伏表 双踪示波器 频率计 谐振电路实验线路板 四 实验内容 1 按图 3 电路接线 取 C 1nf L 100ml C 1nf L 100ml 调节信号源输出电压为 2V 正弦信号 510R 并在整个实验过程中保持不变 R L C i U o U I 图 函数信号 发生器 2 N 1 N 交流毫伏表 2 找出电路的谐振频率 其方法是 将交流毫伏表跨接在电阻两端 令信号源的频率由小逐渐 0 f 变大 注意要维持信号源的输出幅度不变 当的读数为最大时 读得频率计上的频率值即为电路的 o U 谐书定频率 并测量 之值 注意及时更换毫伏表的量限 记入表格中 0 f o U 0L U 0C U R k 0 fkHz 0 U V 0 L UV 0 C UV 0 ImVQ 115 9151 41427 7227 722 77227 718 15 9151 4149 439 420 9439 43 3 在谐振点两侧 应先测出下限频率和上限频率及相对应的值 然后再逐点测出不同频 L f H f o U 率下值 记入表格中 o U R k 取值跨度不够大 下数值作参考列 0 f f kHz 14 5 8 14 78 13 14 9 15 9 16 19 17 1 24 17 4 26 0 U V 0 8881 0081 0641 411 0190 907 0 51 I mV 0 5920 6800 7090 9410 6790 604 f kHz 1414 514 716 517 117 2 0 U V 0 7140 8881 0081 2721 0190 979 1 5 I mV 0 4470 5910 6710 8480 6790 653 4 取 重复步骤 2 3 的测量过程 1 5Rk 五 实验注意事项 1 测试频率点的选择应在靠近谐振频率附近多取几点 在变换频率测试时 应调整信号输出幅度 使其维持在 1V 输出不变 2 在测量 数值前 应及时改换毫伏表的量限 而且在测量 时毫伏表的 十 0L U 0C U 0L U 0C U 端接 C 与 L 的公共点 其接地端分别触及 L 和 C 的近地端 N1和 N2 3 实验过程中交流毫伏表电源线采用两线插头 六 预习思考题 1 根据实验电路板给出的元件参数值 估算电路的谐振频率 2 改变电路的哪些参数可以使电路发生谐振 电路中 R 的数值是否影响谐振频率值 3 如何判别电路是否发生谐振 测试谐振点的方案有哪些 4 电路发生串联谐振时 为什么输入电压不能太大 如果信号源给出 1 V 的电压 电路谐振时 用交流毫伏表测和 应该选择多大的量限 L U C U 5 要提高 R C 串联电路的品质因数 电路参数应如何改变 6 谐振时 比较输出电压与输入电压是否相等 试分析原因 o U i U 7 谐振时 对应的与是否相等 如有差异 原因何在 0L U 0C U 七 实验报告 1 根据测量数据 绘出不同 Q 值时两条幅频特性曲线 2 计算出通频带与 Q 值 说明不同 R 值时对电路通频带与品质因数的影响 3 对两种不同的测 Q 值的方法进行比较 分析误差原因 4 通过本次实验 总结 归纳串联谐振电路的特性 实验四 并联谐振电路的研究 一 实验目的 1 利用计算机分析谐振电路的特性 2 加深电路发生谐振的条件和特点 掌握电路品质因数的物理意义和测定方法 3 学习掌握用仿真软件的波特图仪测试谐振电路的幅频特性曲线 二 原理说明 任何含有电感 L 和电容 C 的电路 如果局部或全部处于无功功率完全补偿状态 而使电路的局部 或总电压和电流同相 便称此电路 局部或全部 处于谐振状态 处于谐振状态的电路 如果 L 与 C 串联则称为串联谐振 如果 L 与 C 并联则称为并联谐振 谐振是线性电路在正弦稳态下的一种特定的 工作状态 通过调节电路参数 电感 L 或电容 C 的值 或是改变电源的频率 能发生谐振的电路 称 为谐振电路 图 1 所示为理想电感和电容并联的电路 在该电路中 电路的导纳为 若要使得电压 U 与电流 I 同相 则必须满足 图 1 并联谐振电路图 RLC 并联电路产生并联谐振的条件为 在 RLC 并联电路发生谐振时 电压 U 与电流 I 同相 电路表现为纯电阻 电源只提供有功功率 电感和电容的无功功率完全互相补偿 不与电源进行能量交换 电路的总阻抗为最大值 当电源电压 一定时 总电流最小 并联支路中的电容电流 IC和电感电流 IL相等 其值可能远大于电路的总电流 I 所以 并联谐振也被称为电流谐振 RLC 并联谐振电路的特点如下 1 谐振时 电路呈电阻性 导纳的模最小 2 电阻中电流达到最大 且与外施电流相等 3 谐振时 IL IC 0 即电感电流和电容电流大写相等 方向相反 在并联谐振电路中 电感和电容支路产生大电流的能力可以用品质因数来表示 并联谐振时 电 容和电感上通过的电流和总电流的关系如下面的公式所示 品质因数定义为电容支路电流或电感电流与总电流在谐振点的比值 三 实验内容与步骤 1 测试频率特性确定谐振点 1 在 Multisim13 环境中创建如图 2 所示电路 R1 50K 串入 R1是为了构成恒流源 图中 指针可以实时观察电路中的支路电流 示波器可以观测电压和电流之间的相位关系 可根据电路实验 参数自己设计 图 2电感线圈与电容并联谐振电路实验接线图 2 按下仿真软件 启动 停止 开关 启动电路 打开波特图仪面板 如图 3 所示 按照 3 图进 行设置 将测试指针移至频率特性最高点 读出其对应频