仿真实验-电阻电路

1、仿真实验 1 电阻元件的伏安特性一、实验目的1、掌握电路的基本概念：电压、电流、功率、参考点和节点电压。2、研究电阻元件的伏安特性及其测定方法。3、掌握 ewb 软件的基本使用方法、使用步骤，以及虚拟仪器的使用方法。二、原理及说明1、ewb 软件 (electronics workbench) ewb中 文 名 称 是 电 子 工 程 师 仿 真 工 作 室 ， 是 加 拿 大 交 换 图 像 技 术 有 限 公 司(interactive image technologies ltd)在 90 年代初推出的电子设计自动化软件，在电子类课程教学、电子工程设计等领域广为应用。2、基本概念（1）电

2、流：单位时间内通过导体横截面的电荷量。（2）电压：单位正电荷从电路中由a点转移到b 点时，电场力所做的功。（3）功率：电路中某一段所吸收或者提供能量的速率。电功率为电流与电压的乘积，即 p=ui 。（4)参考点（零电位点） ：电路中任选的一个基准点。在工程中常选大地作为参考，即认为大地电位为0。在电子电路中，电路并不一定接地，常选一条特定的公共线（如金属机壳）作为参考点。这条线常与底座相连，称作地线。（5）节点电压（电位） ：定义为各节点至参考节点间的电压降。对节点电压，通常不需标示参考极性，参考点被认为是“ -” 端。电位随着参考点的不同而改变，在电路分析中，不指明参考点而讨论电位是没有意义

3、的。3、基本元件和单口的伏安特性可以用电压表、电流表测定，称为伏安测量法（伏安表法） 。伏安表法原理简单，测量方便，同时适用于非线性元件伏安特性测量。4、电阻元件电阻元件的特性可以用该元件两端的电压u 与流过元件的电流i 的关系来表征，满足欧姆定律：ru i在 u-i 坐标平面上，线性电阻的特性曲线是一条通过原点的直线。非线性电阻元件的电压、电流关系， 不能用欧姆定律来表示，它的伏安特性一般为一曲线。图 1-1 给出的是晶体二极管的伏安特性曲线。三、实验内容1、线性电阻的伏安特性在 ewb 软件中建立如图1-2 所示的电路，从ewb 元件库中选取元件，其中电阻和连接点在基本库， 直流电压源和接

4、地在信号源库，电压表和电流表在测量器件库，选取元件后，按照图 1-2 要求设置相关参数，同时连接好电路。并从ewb 的测量仪器中选用测量探针，分别探测a、b 点的电位。按表1-1 改变电压源的电压us，测定相应的电流值和电压值记录于表 1-1 中，并计算电阻r=100 的功率。图 1-2 表 1-1 线性电阻的伏安特性us(v) 0 2 4 6 8 10 ua(v) ub(v) uba(v) i(ma) p(w) 2、二极管 (非线性电阻 )伏安特性在 ewb 工作环境下，按图1-3 接接电路，在二极管库中找二极管元件。其中200 为限流电阻。实验中注意正向时二极管端电压为0-0.7v，电流不

5、超过20ma。按表 1-2 改变电压源的电压us，将二极管两端电压与电流测试值填入表1-2 中，并计算二极管的功率。图 1-3 表 1-2 二极管伏安特性（正向）us(v) 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 1.0 u(v) i(ma) p(w) 将二极管反接，作反向实验，观察实验现象。按表1-3 改变电压源的电压us，将二极管两端电压与电流测试值填入表1-2 中，并计算二极管的功率。表 1-3 二极管伏安特性（反向）us(v) 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 u(v) i(ma) p(w) 四、思考与报告要求1、给出仿真电路。2、根据测量数据，绘制各元件的

6、伏安特性曲线；3、线性和非线性电阻的输出功率与负载的大小有什么关系？4、改变电流表和电压表的极性，读数有变化吗？仿真实验 2 电压源的伏安特性一、实验目的1、掌握电路的基本概念：电压、电流、功率、参考点和节点电压。2、研究电压源的伏安特性及其测定方法。3、掌握 ewb 软件的基本使用方法、使用步骤，以及虚拟仪器的使用方法。二、原理及说明1、ewb 软件 (electronics workbench) ewb中 文 名 称 是 电 子 工 程 师 仿 真 工 作 室 ， 是 加 拿 大 交 换 图 像 技 术 有 限 公 司(interactive image technologies ltd)

7、在 90 年代初推出的电子设计自动化软件，在电子类课程教学、电子工程设计等领域广为应用。2、基本概念（1）电流：单位时间内通过导体横截面的电荷量。（2）电压：单位正电荷从电路中由a点转移到b 点时，电场力所做的功。（3）功率：电路中某一段所吸收或者提供能量的速率。电功率为电流与电压的乘积，即 p=ui 。（4)参考点（零电位点） ：电路中任选的一个基准点。在工程中常选大地作为参考，即认为大地电位为0.在电子电路中， 电路并不一定接地，常选一条特定的公共线（如金属机壳）作为参考点。这条线常与底座相连，称作地线。（5）节点电压（电位） ：定义为各节点至参考节点间的电压降。对节点电压，通常不需标示参

8、考极性，参考点被认为是“ -” 端。电位随着参考点的不同而改变，在电路分析中，不指明参考点而讨论电位是没有意义的。3、基本元件和单口的伏安特性可以用电压表、电流表测定，称为伏安测量法（伏安表法） 。伏安表法原理简单，测量方便，同时适用于非线性元件伏安特性测量。4、电压源理想电压源的内部电阻值rs 为零， 其端电压us(t)是确定的时间函数，而与流过电源的电流大小无关。如果us(t)不随时间变化（即为常数），则该电压源称为直流理想电压源us，其伏安特性曲线如图1-1(a)中曲线 a 所示，实际电源的伏安特性曲线如图1-1(a)中曲线 b 所示，它可以用一个理想电压源us 和电阻rs 相串联的电路

9、模型来表示(图 1-1(b)。显然 rs越大，图1-1（a）中的角也越大，其正切的绝对值代表实际电源的内阻rs。三、实验内容1、理想电压源的伏安特性按图 1-2 接电路，电压源us(v)=10 （v） ，100 为限流电阻。按表1-1 改变 r 数值，记录相应的电压值与电流值于表1-1 中。图 1-2 表 1-1 理想电压源的伏安特性r（ k）理论值1.0 0.5 0.3 0.2 0.1 实测值u(v) i(ma) p(w) 2、实际电压源的伏安特性按图 1-3 接接电路，电压源us(v)=10 （v） 。按下仿真启动/停止开关，启动电路，按表1-2 改变 r 数值，记录相应的电压值与电流值于

10、表1-2 中，观察电压表和电流表的读数。图 1-3 表 1-2 实际电压源的伏安特性r（ k） 理论值1.0 0.5 0.3 0.2 0.1 实测值u(v) i(ma) p(w) 四、思考与报告要求1、给出仿真电路。2、根据测量数据，绘制各元件的伏安特性曲线；3、电压源的输出功率与负载的大小有什么关系？4、改变电流表和电压表的极性，读数有变化吗？仿真实验 3 电流源元件的伏安特性一、实验目的1、掌握电路的基本概念：电压、电流、功率、参考点和节点电压。2、研究电流源的伏安特性及其测定方法。3、掌握 ewb 软件的基本使用方法、使用步骤，以及虚拟仪器的使用方法。二、原理及说明1、ewb 软件 (e

11、lectronics workbench) ewb中 文 名 称 是 电 子 工 程 师 仿 真 工 作 室 ， 是 加 拿 大 交 换 图 像 技 术 有 限 公 司(interactive image technologies ltd)在 90 年代初推出的电子设计自动化软件，在电子类课程教学、电子工程设计等领域广为应用。2、基本概念（1）电流：单位时间内通过导体横截面的电荷量。（2）电压：单位正电荷从电路中由a点转移到b 点时，电场力所做的功。（3）功率：电路中某一段所吸收或者提供能量的速率。电功率为电流与电压的乘积，即 p=ui 。（4)参考点（零电位点） ：电路中任选的一个基准点。在

12、工程中常选大地作为参考，即认为大地电位为0.在电子电路中， 电路并不一定接地，常选一条特定的公共线（如金属机壳）作为参考点。这条线常与底座相连，称作地线。（5）节点电压（电位） ：定义为各节点至参考节点间的电压降。对节点电压，通常不需标示参考极性，参考点被认为是“ -” 端。电位随着参考点的不同而改变，在电路分析中，不指明参考点而讨论电位是没有意义的。3、基本元件和单口的伏安特性可以用电压表、电流表测定，称为伏安测量法（伏安表法） 。伏安表法原理简单，测量方便，同时适用于非线性元件伏安特性测量。4、电阻元件5、电流源理想电流源向负载提供的电流is(t)是确定的函数， 与电源的端电压大小无关。如

13、果 is(t)不随时间变化（即为常数），则该电流源为直流理想电流源is，其伏安特性曲线如图1-1(a)中曲线 a 所示。实际电源的伏安特性曲线如图1-1(a)中曲线 b 所示，它可以用一个理想电流源 is 和电导 gs 相并联的电路模型来表示(图 1-1(b) 。显然， gs 越大，图1-1(a)中的 角也越大，其正切的绝对值代表实际电源的电导值gs。图 1-1 三、实验内容1、理想电流源的伏安特性按图 1-2 接电路，电流源is(ma)=100 （ma） ，100 为限压电阻。按下仿真启动/停止开关，启动电路， 观察电压表和电流表的读数。按表 1-1 改变 r 数值， 记录相应的电压值与电流

14、值于表1-1 中，并计算电流源的功率。图 1-2 表 1-1 理想电流源的伏安特性r（ k） 理论值1.0 0.5 0.3 0.2 0.1 实测值u(v) i(ma) p(w) 2、实际电流源的伏安特性按图 1-3 接线 ,电流源的值为is(ma)=100(ma ） 。按表 1-2 改变 r 数值（将可调电阻与电路断开后调整） ，记录相应的电压值与电流值于表1-2 中。图 1-3 表 1-2 实际电流源的伏安特性r（ k） 理论值1.0 0.5 0.3 0.2 0.1 计算值u(v) i(ma) p(w) 四、思考与报告要求1、给出仿真电路。2、根据测量数据，绘制各元件的伏安特性曲线；3、电流

15、源的输出功率与负载的大小有什么关系？4、改变电流表和电压表的极性，读数有变化吗？仿真实验 4 受控电压源的转移特性和输出特性一、实验目的1、研究受控电压源的转移特性和输出特性，以及测定方法。二、原理及说明1、受控源是由电子器件抽象而来的一种模型，具有输入端的电压或电流能够控制输出端的电压或电流的特点。根据控制量与受控量电压或电流的不同，受控源有四种： 电压控制电压源 (vcvs) ； 电压控制电流源(vccs) ； 电流控制电压源(ccvs) ； 电流控制电流源(cccs)，其电路模型如图2-1 所示。四种受控源的电压、电流关系如下：(1) 电压控制电压源（vcvs ） ：i1=0 ，u2=

16、u1(2) 电压控制电流源（vccs ） ，i1=0 ，i2= gmu1 (3) 电流控制电压源（ccvs ） ，u1=0，u2=rmi1 (4) 电流控制电流源（cccs） ，u1=0，i2= i1其中 为转移电压比（或电压增益），rm 为转移电阻，gm 为转移电导，为转移电流比（或电流增益） 。三、实验内容1、受控源vcvs 的转移特性和输出特性（1）按图 2-2 接线， rl取 2k，运算放大器在模拟集成电路库中。按表 2-1 改变电压源电压u1，测量 u1及相应的u2值，填入表 2-1 中。绘制 u2-u1曲线，并由其线性部分求出转移电压比 。表 2-1 vcvs u1(v) 0 1

17、2 3 4 5 il(ma) u2(v) （2）保持 u1=2v，按表5-1 调节 rl值，测量u2及 il值，填入表2-2 中，绘制u2-il曲线。表 2-2 vcvs rl(k )短路1 5 10 50 100 开路il(ma) u2(v) 四、思考与报告要求1、给出仿真电路。2、根据实验数据，分别受控源的转移特性和负载特性曲线，并求出相应的转移参量。3、举例说明受控源的实际电路。4、分析下面电路图（图2-3）的特性。图 2-3 仿真实验 5 受控电流源的转移特性和输出特性一、实验目的1、研究受控源的转移特性和输出特性，以及测定方法。二、原理及说明1、受控源是由电子器件抽象而来的一种模型，

18、具有输入端的电压或电流能够控制输出端的电压或电流的特点。根据控制量与受控量电压或电流的不同，受控源有四种： 电压控制电压源 (vcvs) ； 电压控制电流源(vccs) ； 电流控制电压源(ccvs) ； 电流控制电流源(cccs)，其电路模型如图2-1 所示。四种受控源的电压、电流关系如下：(1) 电压控制电压源（vcvs ） ：i1=0 ，u2= u1(2) 电压控制电流源（vccs ） ，i1=0 ，i2= gmu1 (3) 电流控制电压源（ccvs ） ，u1=0，u2=rmi1 (4) 电流控制电流源（cccs） ，u1=0，i2= i1其中 为转移电压比（或电压增益），rm 为转移

19、电阻，gm 为转移电导，为转移电流比（或电流增益） 。三、实验内容1、受控源cccs 的转移特性和输出特性（1）按图 2-2 接线， rl取 2k。按表 2-1 改变电流源电流is，测量 il及相应的u2值，填入表2-1 中。绘制il-is曲线，并由其线性部分求出转移电流比 。表 2-1 cccs is(ma ) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 il(ma) u2(v) （2）保持 is =0.4ma ，按表 2-2 调节 rl值，测量 u2及 il值，填入表2-2 中，绘制负载特性 u2-il曲线。表 2-2 cccs rl(k )0 0.1 0.2 10 16 30 il(ma)

20、u2(v) 四、思考与报告要求1、给出仿真电路。2、根据实验数据，分别受控源的转移特性和负载特性曲线，并求出相应的转移参量。3、举例说明受控电流源的实际电路。4、分析下面2 个电路图（图2-3）的特性。仿真实验 6 基尔霍夫定律的验证一、实验目的1、验证并加深理解基尔霍夫定律。2、进一步熟悉ewb 软件的使用。二、原理及说明1、基尔霍夫定律这是集总电路的基本定律。它包括电流定律和电压定律。基尔霍夫电流定律：在集总电路中，任何时刻，对任一节点，所有支路电流的代数和恒等于零，即 : i=0 基尔霍夫电压定律：集总电路中，任何时刻，沿任一回路内所有支路或元件电压的代数和恒等于零,即: u=0三、实验

21、内容1、基尔霍夫定律的验证(1) 按图 3-1 接线。其中k1、k2 是双掷开关，在ewb 软件的基本库中。(2) 设置电压源参数，使us1=10v ，us2=6v。(3) 将 k1、k2 合向电源一边， 按表 3-1 中各参量进行测量并记录，验证基尔霍夫定律。(4) 按照表 3-1 中的数据， 改变电压源电压，重新对各参量进行测量并记录，验证基尔霍夫定律。图 3-1 表 3-1 基尔霍夫定律us1=10v us2=6v us1=-10v us2=-20v us1=5v us2=20v 基尔霍夫电流定律i1(ma) i2(ma) i3(ma) 结论基尔霍夫电压定律uab(v) ubc(v) u

22、bd(v) uda(v) ucd(v) 结论四、思考与报告要求1、给出仿真电路。2、用各表中仿真实验测得数据验证基尔霍夫定律的正确性。3、根据电路图，计算各表中所列各项的理论值，并与仿真实验结果进行比较。仿真实验 7 叠加原理的验证一、实验目的1、加深对叠加原理的理解，以及适用范围的认识。2、进一步熟悉ewb 软件的使用。二、原理及说明1、叠加原理如果把独立电源称为激励，由它引起的支路电压、电流称为响应， 则叠加原理可简述为：在任意线性网络中，多个激励同时作用时，总的响应等于每个激励单独作用时引起的响应之和。叠加原理是线性电路的一个重要定理，体现了线性电路的基本性质。所谓某一电源单独作用，是指

23、其他的电源不作用，即电压源的输出电压为0，电流源的输出电流为0，保留其内阻。三、实验内容1、叠加原理的验证(1) 按图 3-1 接线。其中k1、k2 是双掷开关，在ewb 软件的基本库中。(2) 设置电压源参数，使us1=10v ，us2=6v。图 3-1 实验电路如图3-1。1) 把 k2 掷向短路线一边，k1 掷向电源一边，使us1 单独作用，测量各电流、电压并记录于表3-1 中。2) 把 k1 掷向短路线一边，k2 掷向电源一边，使us2 单独作用，测量各电流、电压并记录在表3-1 中。3) 把 k1、k2 掷向电源一边，使两电源共同作用，测量各电流、电压并记录在表3-1中。(3) 按照

24、表 3-1 中的数据，改变电压源电压，重新对各参量进行测量并记录。表 3-1 叠加原理i1(ma) i2(ma) i3(ma) uab(v) ubc(v) ubd(v) us1=10v us2=6v us1单独作用us2单独作用us1、 us2共同作用验证叠加原理us1=-10v us2=-20v us1单独作用us2单独作用us1、 us2共同作用验证叠加原理us1=5v us2=20v us1单独作用us2单独作用us1、 us2共同作用验证叠加原理四、思考与报告要求1、给出仿真电路。2、用各表中仿真实验测得数据验证叠加原理的正确性。3、根据电路图，计算各表中所列各项的理论值，并与仿真实验

25、结果进行比较。仿真实验 8 戴维南定理和最大功率传递定理的验证一、实验目的1、验证戴维南定理和最大功率传递定理。2、学习测量有源二端网络的开路电压和等效电阻。3、加深对等效概念的理解。二、原理及说明1、戴维南定理任何一个线性有源二端网络，对其外部而言， 都可以用一个电压源和电阻相串联的支路等效代替。 其中， 电压源的输出电压为有源二端网络开路时的开路电压，电阻为原网络除源后的等效电阻。2、最大功率传递定理由含源线性单口网络传递给可变负载r 的功率为最大的条件是：负载r 应与戴维南或诺顿等效电阻相等。一个含有内阻ro的电源给rl供电，其功率为：为求得 rl 从电源中获得最大功率的最佳值，我们可以

26、将功率p对 rl 求导，并令其导数等于零：解得：ro=rl得最大功率：3、开路电压的测量当有源二端口网络的等效电阻req与电压表的内阻相比可以忽略不计时，可以用电压表直接测量有源二端口网络的开路电压uoc。4、等效电阻的测量对于已知的线性含源一端口网络，其入端等效电阻r0可以从原网络计算得出，也可以通过实验手段测出。在有源二端口网络的输出端并接电压表，外电路选用可调电阻器，在外电路负载回路中串接电流表，如图4-1 所示。调节电阻值，得到该网络的伏安特性曲线，如图4-2 所示，根据特性曲线的斜率计算等效电阻r0：0tanuri-3 图 4-1 等效电阻的测量电路图 4-2 伏安特性曲线三、实验内

27、容1、戴维南定理的验证(1) 在 ewb 软件中按图4-3 连接电路，打开外电路的控制开关，测量有源二端口网络的开路电压。(2) 通过控制键ctrl+r ，改变可调电阻器的电阻值，测定端点数据u、i 记录于表4-1。注意：为了使绘制负载的p（i）曲线准确平滑，应在负载获得最大功率时，在附近适当多测几点。图 4-3 有源二端网络表 4-1 有源二端口网络的伏安特性lr开路100% 80% 60% 40% 20% 短路仿真结果u/v i/ma p 理论计算u i p (3)将负载断开，测量负载的开路电压，计算单口网络的等效电阻，则开路电压为_，等效电阻为_。(4) 在 ewb 软件中分别按图4-4

28、 连接电路，分析图4-3 所示电路的戴维南等效电路，重复上述步骤2 进行仿真分析，将所测数据填入表4-2。图 4-4 所示电路的戴维南等效电路表 4-2 戴维南等效电路的伏安特性lr开路100% 80% 60% 40% 20% 短路仿真结果u i 理论计算u i 4、最大功率传递定理的验证(1) 根据表 4-1 中数据计算并绘制功率随rl变化的曲线：p=f(rl)。(2) 观察 p=f(rl)曲线，验证最大功率传输条件是否正确。四、思考与报告要求1、给出仿真电路。2、用各表中仿真实验测得数据验证电路理论。3、在含源二端网络与戴维南等效电路中，当负载从0 变化到时，负载中的电流和负载两端电压的变

29、化情况是否一致？4、当一端口网络的等效电阻与电压表内阻相比不可以忽略时，用电压表直接测量开路电压， 就会影响被测电路的原工作状态，使所测电压与实际值有较大误差。采用什么方法可以排除电压表内阻对测量所造成的影响？5、说明等效电路的其他测量方法。仿真实验 9 诺顿定理和最大功率传递定理的验证一、实验目的1、验证诺顿定理和最大功率传递定理。2、学习测量有源二端网络的短路电流和等效电阻。3、加深对等效概念的理解。二、原理及说明1、诺顿定理任何一个线性有源二端口，对其外部而言， 都可以用一个电流源并联电阻的组合来等效代替。电流源电流等于该网络的短路电流，电阻为原网络除源后的等效电阻。2、最大功率传递定理

30、由含源线性单口网络传递给可变负载r 的功率为最大的条件是：负载r 应与戴维南或诺顿等效电阻相等。一个含有内阻ro的电源给rl供电，其功率为：为求得 rl 从电源中获得最大功率的最佳值，我们可以将功率p对 rl 求导，并令其导数等于零：解得：ro=rl得最大功率：3、短路电流的测量调节负载电位器为0%，或者用短路线将负载短路，测量负载的短路电流isc。4、等效电阻的测量对于已知的线性含源一端口网络，其入端等效电阻r0可以从原网络计算得出，也可以通过实验手段测出。在有源二端口网络的输出端并接电压表，外电路选用可调电阻器，在外电路负载回路中串接电流表，如图4-1 所示。调节电阻值，得到该网络的伏安特性曲线，如图4-2 所示，根据特性曲线的斜率计算等效电阻r0：0tanuri-3 图 4-1 等效电阻的测量电路图 4-2 伏安特性曲线三、实验内容1、诺顿定理的验证(1) 在 ewb 软件中按图4-3 连接电路，打开外电路的控制开关，测量有