《电工电子学》实验指导书

电工电子学实验指导书 机电学院实验中心 2011年9月目 录实验一 电路基本定律- 2 -实验二 RC一阶电路响应测试- 6 -实验三 三相交流电路- 9 -实验四 三相异步电动机的控制- 12 -实验五 共射极单管放大电路- 15 -实验六 集成运算放大器- 19 -实验七 门电路与触发器- 22 -实验八 集成计数器与寄存器的应用- 25 -实验九 555定时器及其应用- 29 -实验十 直流稳压电源综合实验- 31 -实验一 电路基本定律一、实验目的1验证基氏定律（KCL、KVL）2验证迭加定理3验证戴维南定理4加深对电流、电压参考方向的理解5正确使用直流稳压电源和万用电表二、仪器设备1TPEDG2电路分析实验箱 1台2MF10 型万用表及数字万用表 各1台三、预习内容1认真阅读TPEDG2电路分析实验箱使用说明（见附录）2预习实验内容步骤；写预习报告，设计测量表格并计算理论值3根据TPEDG2电路分析实验箱设计好连接线路四、实验原理1基尔霍夫电流、电压定律及叠加定理（1）基尔霍夫电流定律（KCL） 在集总电路中，任一瞬时，流向某一结点的电流之和等于由该结点流出的电流之和。R1R2R3E1E2ABI1I2I3图1-1 验证基尔霍夫电流、电压定律电路原理图电路原理图及电流的参考方向如图1-1所示。根据KCL，当E1、E2共同作用时，流入和流出结点A的电流应有：I1+I2-I3=0成立。（2）基尔霍夫电压定律（KVL）在集总电路中，任一瞬时，沿任一回路所有支路电压的代数和恒等于零。其电路原理图及电流的参考方向如图1-1所示。根据KVL应有：E1-UR1-UR3=0；或E1-UR1+UR2-E2=0；或E2-UR1-UR2=0成立。（3）叠加定理在线性电路中，任一支路中的电流（或电压）等于电路中各个独立源分别单独作用时在该支路产生的电流（或电压）的代数和。所谓一个电源单独作用是指除了该电源外其他所有电源的作用都去掉，即理想电压源所在处用短路代替，理想电流源所在处用开路代替，但保留它们的内阻，且电路结构不作改变。由于功率是电压或电流的二次函数，因此叠加定理不能用来直接计算功率。 电路原理图及电流的参考方向如图1-1所示。分别测量E1、E2共同作用下的电流I1、I2、I3；E1单独作用下的电流I1、I2、I3和E2单独作用下的电流I1、I2、I3。根据叠加原理应有：I1=I1+ I1； I2= I2+ I2； I3=I3+ I3成立。2戴维南定理线性有源二端网络ab等效成+-abUOCReq任何一个线性有源二端口网络，对于外电路而言，总可以用一个理想电压源和电阻的串联形式来代替。理想电压源的电压等于原二端口网络的开路电压UOC ，其电阻（又称等效电阻）等于网络中所有电压源短路、电流源开路时的入端等效电阻Req，见图1-2。图1-2 戴维南定理示意图（1）开路电压的测量方法a直接测量法：当有源二端网络的等效电阻Req与电压表的内阻相比可以忽略不计时，可以直接用电压表测量开路电压。b零示法：在测量具有高内阻有源二端网络的开路电压时，用电压表直接测量会造成较大误差。为了消除电压表内阻的影响，采用零示法。即用一个低内阻的稳压电源与被测有源二端网络进行比较，当稳压电源的输出电压与二端网络的开路电压相等时，电压表的读数将为0。然后将电路断开，测量此时稳压电源的输出电压，即为二端网络的开路电压UOC。（2）等效电阻的测量方法a短路电流法：用电压表测得开路电压UOC后，将开路端短路，测其短路电流ISC，则等效电阻Req=UOC/ISC。此方法测量简便，但可能因短路电流过大会损坏电路内部的元件，对于等效电阻较小的二端网络，一般不宜采用。b两次电压测量法：先测开路电压UOC，再在开路端接一个已知负载电阻RL，测RL两端的电压UL，则等效电阻。c半电压测量法：调电位器RL大小，当其两端的电压等于二端网络开路电压的一半时，RL的阻值即为等效电阻Req的值。五、实验内容与步骤1、验证基尔霍夫电流（KCL）、电压（KVL）定律 实验线路中取的E1=3V、E2=6V，R1=R2=R3=1k，连接电路，测量各支路电流及各元件两端的电压值，验证结果，自拟表格。2、验证叠加定理测量E1、E2单独作用和共同作用时，各支路的电流值。数据填入表1-1。表1-1 验证叠加定理计算测量误差计算测量误差计算测量误差作用作用、作用3、验证戴维南定理用戴维南定理测量R3支路的电流I3。按实验原理，选择合适的测量方法测量开路电压UOC和等效电阻Req的值。然后用直流电压源和可变电位器分别调出UOC和Req的值，再串上R3支路，测量R3支路的电流I3。注意：1一定要接好线后再开电源，切勿带电接线。 2选定参考方向后，按参考方向插入指针式万用表表笔。测量电压或电流时， 如果指针正偏，测量值为正，电压或电流的实际方向与参考方向一致；如指针反偏，则必须调换万用表表笔极性，重新测量，此时，测量值为负正，说明电压或电流的实际方向与参考方向相反。六、实验报告要求1数据分析：用你所测得的实验数据如何验证定律及定理的？2与计算值比较，分析误差原因。3请回答问题： 1）你是如何通过电流表的串入，测试并理解参考方向这一概念的？ 2）在验证戴维南定理的实验中，如果线性二端网络的内阻和你所用的万用电表内阻接近， 还能用实验原理中讲述的方法测量Req吗？又应该如何得到Req的测量值？实验二RC一阶电路响应测试一、实验目的 1. 掌握RC一阶动态电路零状态响应和零输入响应的概念。 2. 学习电路时间常数的测量方法。 3. 掌握有关微分电路和积分电路的概念。 4. 进一步学会用示波器观测波形。二、仪器设备1TPEA3模拟电路实验箱 1台2YB1602P 系列功率函数信号发生器 或EM1652 系列数字信号源 1台3KENWOOD CS-4125A 20MHz 2通道示波器 1台三、实验原理1 RC电路的方波响应图2-1（a）所示为RC串联电路。为了用示波器观察电路的过渡过程，用方波来代替输入阶跃激励信号。当输入为正负对称的方波信号时（如图2-1（b）所示），电路是一个输入激励和电容初始值均不为零的全响应过程。图2-1（c）所示为电容两端的响应波形。图2-1 方波激励下的响应波形图（c）中，0 时间段是电容器的充电过程，T时间段是电容器的放电过程。它们分别按指数规律增长和衰减，其变化的快慢决定于电路的时间常数（=RC）。当输入方波的脉宽tp，即电容充电较快，能够达到稳态值时，便可利用示波器测量时间常数。用示波器测量时间常数的方法：在电容充电响应波形上，读出电容器从充电起始值到稳态值之间的值Um，然后在纵轴上找到0.632Um值对应的点，通过该点做水平线与响应波形相交，再通过该点做垂线与横轴交于a点，读出电容起始值与a点之间的格数（即oa段的格数），则时间常数= oa段的格数扫描时间s/div。 也可以通过放电响应波形，按图示方法测量，即= bc段的格数扫描时间s/div。2微分电路和积分电路 微分电路和积分电路是电容器充放电现象的一种应用，电路如图2-2所示。微分电路中，当时间常数很小时，输出电压uR正比于输入电压ui的微分，即；积分电路中，当时间常数很大时，输出电压uC正比于输入电压ui的积分，即。 (a)微分电路 (b) 积分电路 图2-2 微分电路与积分电路当输入电压ui的波形为正负对称的方波时，微、积分电路输入、输出电压波形如图2-3所示。如改变时间常数与方波脉冲宽度tP的比值，电容器充放电的快慢就不同，因此输出电压的波形就不同。 (a) 微分电路uR波形 (b) 积分电路uC波形图2-3 微分、积分电路输出波形在微分电路中，当tP时，电容器充电很慢，输出电压uR与输入电压ui的波形很相近。随着和tP比值的减小，电阻两端电压uR的波形逐渐变成正负尖脉冲，如图2-3（a）所示。越小，尖脉冲越陡。因此，构成微分电路的条件是：（1）tP（通常tP时，电容器充电缓慢，后又经电阻缓慢放电，电容两端电压uC的波形逐渐变成三角波，越大，充放电越缓慢，输出三角波的线性度越好，如图2-3（b）所示。因此，构成积分电路的条件是：（1）tP（通常5 tP），（2）从电容阻两端输出。四、实验内容调节信号发生器，输出Upp3V、f1kHz（tP=T/2=0.5ms）的方波电压作为阶跃激励信号。1按图2-2（a）连接电路，将方波信号加在ui端， 改变电阻或电容的参数，分别观察tP时ui和uR的波形。要求：自选元件参数，并测出uR波形的峰峰值。2按图2-2（b）连接电路，输入方波不变，改变电阻或电容的参数，分别观察tP、 =tP和 R1时，占空比约为50%。振荡周期、占空比仅与R1 、R2和C1有关，不受电源电压变化的影响。改变R1 、R2，即可改变占空比。改变C1时，只单独改变周期，而不影响占空比。同时要求R1 与R2 均应大于或等于1k ，但R1R2应小于或等于3.3M。） 六、实验报告要求1绘出观测到的波形。2. 分析、总结实验结果。3在多谐振荡器电路中，是否能输出锯齿波电压？应怎样连接？实验十 直流稳压电源综合实验一、实验目的 1熟悉单相半波整流、全波整流及桥式整流电路的特点和区别。2观察电容器的滤波作用。3. 掌握分立元器件稳压电路与集成稳压电路的原理及测量方法。二、仪器设备1TPEA3模拟电路实验箱 1台2YB1602P 系列功率函数信号发生器 或EM1652 系列数字信号源 1台3KENWOOD CS-4125A 20MHz 2通道示波器 1台4NY4520型双通道交流毫伏表 1台三、实验原理及参考电路 直流稳压电源组成框图如图所示。220V交流电压U1经过电源变压器降压后为交流电压U2，再经过整流电路、滤波电路及稳压电路，在输出端得到需要的、稳定的直流电压。1.整流电路整流电流是利用二极管的单相导电性，将交流电压变为单向的脉动的直流电压。有以下三种：1)单相半波整流电路电路如图10-1（a）所示。整流输出电压平均值U0=0.45U2通过负载的直流电流二极管截止时所承受的最大反向电压2)单相全波整流电路电路如图10-1（b）所示。整流输出电压平均值U0=0.9U2通过负载的直流电流二极管截止时，每个二极管承受的最大反向电压(3)单相桥式全波整流电路电路如图10-1（c）所示。整流输出电压平均值U0=0.9U2通过负载的直流电流二极管截止时，每个二极管承受的最大反向电压 在单相桥式整流电路的变压器中，只有交流电流流过；而在半波和全波整流电路中，均有直流分量流过。因此，单相桥式整流电路的变压器效率较高，总体性能优于单相半波和全波整流电路，故广泛应用于直流电源中。2. 滤波电路 经过整流电路得到的输出电压，因为脉动较大，因此需要利用电感或电容等储能元件，滤去输出电压中的纹波。小功率稳压电源中常使用电容滤波电路，其电路如图10-2所示。 在整流电路的内阻不太大，时间常数 = RLC (35)T/2时，电容滤波电路的负载平均电压U0=1.2U2，流经二极管的平均电流，二极管承受的最大反向电压。因此，电容滤波电路的优点是：电路简单，输出电压纹波较小，负载平均电压较高；其缺点是：输出电压受电网电压和负载变化的影响较大，输出不稳定，因此，仅适用于负载电压较高，且负载变动不大的场合。3稳压电路1）稳压管稳压电路是利用稳压二极管的稳压特性，达到稳定输出电压的目的。电路如图10-3所示。电阻R为限流电阻，起保护稳压管的作用。输出电压U0等于稳压管的稳定电压UZ。稳压电路的工作原理：负载不变，当电网电压升高使电压UI增大时，输出电压U0也随之增大。根据稳压管反相特性，IDZ的急剧增加，使得IR增大，电阻R上的压降增大，抵消了UI的升高，从而保证了输出