金陵科技学院电路分析实验指导书(空白)

《电路分析》实验指导书

机电工程学院电气系

2016年12月

实验一 叠加定理验证实验

一、实验目的

1、掌握直流稳压电源和万用表的使用方法。

2、掌握直流电压和直流电流的测试方法。

3、验证叠加定理的正确性，进一步加深对线性电路中叠加定理的理解。 二、实验原理

叠加定理指出：在有几个独立源共同作用下的线性电路中，通过每一个元件的电流或其两端的电压，可以看成是由每一个独立源单独作用时在该元件上所产生的电流或电压的代数和。

如图1-1（a ）所示电路，电路中的各支路电流、电压等于图1-1（b ）中U SA 单独作用产生的电流、电压与图1-1（c ）中U SB 单独作用产生的电流、电压的代数和。

R

U

（a

）

R U R

（b ） （c ）

图1-1 叠加定理原理图

三、实验设备

四、实验内容与步骤

实验电路如图1-2所示，电路中线性电阻R1=R2=R3=220Ω，R4= 270Ω，R5= 200Ω，R6= 240Ω。U SA=20V，U SB=15V。双刀双掷开关K1、K2用途：双刀合向电源侧可接通电源，合向短接线侧可把电源置零。

图1-2 叠加定理实验接线图

1、对称电路（R1=R2=R3）

首先进行理论计算，计算结果记入表1-1中。

表1-1 叠加定理理论计算（一）

然后，分别测量当电源U SA单独作用时、U SB单独作用时、U SA和U SB共同作用时各支路的电流、电压。测量结果记入表1-2中。

表1-2 验证叠加定理（一）

2、不对称电路（R4≠R5≠R6）

首先进行理论计算，计算结果记入表1-3中。

表1-3 叠加定理理论计算（二）

然后，分别测量当电源U SA单独作用时、U SB单独作用时、U SA和U SB共同作用时各支路的电流、电压。测量结果记入表1-4中。

表1-4 验证叠加定理（二）

五、实验注意事项

1、用电流表测量各支路电流时应注意极性，将数据记录表格中时应标明“+”、“-”极性标志。

2、在使用测量仪表过程中注意及时变换正确的量程。

六、预习与思考

1、叠加定理中U SA和U SB的分别单独作用，在实验中应如何操作？可否直接将不作用的电源短接？

2、在实验电路中，若将一个电阻换成二极管，试问叠加定理的叠加性还成立吗？为什么？

七、实验报告要求

实验报告内容应包括实验目的、实验原理、实验设备、实验内容与步骤、实验结果分析。其中在实验结果分析中需要进行各支路电压、电流、功率的理论值计算（表1-1、表1-3），并与实验值比较，分析误差产生的原因，并得出实验结论。

实验二戴维宁定理验证实验

一、实验目的

1、理解等效置换的概念。

2、学习戴维宁等效参数的测试方法。

3、验证戴维宁定理的正确性，进一步加深对戴维宁定理的理解。

二、实验原理

戴维宁定理指出：任何一个含独立电源、线性电阻和受控源的一端口网络，对外电路来说，总可以用一个电压源和电阻的串联组合来等效置换，如图2-1（a）所示。此电压源的电压等于外电路断开时端口处的开路电压u oc，而电阻等于一端口的输入电阻R in（或等效电阻R eq），如图2-1（b）所示。

（a）

（b）

图2-1 戴维宁定理原理图三、实验设备

四、实验内容与步骤

有源一端口网络如图2-2所示，电路中U SN=30V，R1=120Ω，R2=360Ω，R3=240Ω，R4=180Ω。双刀双掷开关K1用途：双刀合向电源侧可接通电源，合向短接线侧可把电源置零。

图2-2 有源一端口网络

1、计算有源一端口网络的开路电压、短路电流和等效电阻。计算结果记入表2-1中。

2、测量有源一端口网络的开路电压。将U SN=30V接入电路，开关K1合向电源侧。用电压表测量开路电压U oc，测量结果记入表2-2中。

表2-2戴维宁定理测量

3、测量有源一端口网络的等效电阻

（1）采用开路电压、短路电流法

用毫安表测有源一端口网络的短路电流，测量结果记入表2-2中，并根据所测得

的开路电压和短路电流计算等效电阻，结果记入表2-2中。

（2）伏安法

电路如图2-3所示，将开关K1合向短接线侧。将外加电源接在U S端，把发光二极管和电位器短接，电流表接在1、2端，把U S调至10V，测量电流，并根据U S和所测电流计算等效电阻，结果记入表2-2中。

图2-3伏安法测等效电阻

（3）直接测量法

将一端口网络内部电源置零，用万用表测量网络两个端子之间的等效电阻。测量结果记入表2-2中。

4、验证戴维宁定理

如图2-4（a）所示，组成一个戴维宁等效电路，即用外电源U S（其值调到表2-2中所测得的U oc值）与戴维宁等效电阻R5=R eq相串后，外接R6=100Ω的负载，然后测电阻R6两端电压U R6和流过的电流值I R6，测得结果记入表2-3中。

表2-3戴维宁定理验证

如图2-4（b）所示，有源网络N的1-1＇端口外接负载，同样接R6=100Ω的负载，然后测电阻R6两端电压U R6和流过的电流值I R6，测得结果记入表2-3中。

（a ） （b ）

图2-4 戴维宁定理验证

五、实验注意事项

1、U SN 是网络N 内电源，U S 是外加电源，接线时极性位置及电压值不要弄错。

2、测量电压与电流时注意测量仪表的极性、方向和量程的选择。 六、预习与思考

1、测量一端口网络戴维宁等效电阻的方法有哪些？

2、戴维宁定理是否可以适用于非线性电路？ 七、实验报告要求

实验报告内容应包括实验目的、实验原理、实验设备、实验内容与步骤、实验结果分析。其中在实验结果分析中需要比较U oc 和 R eq 的理论计算值与实际测量值的不同，分析误差产生的原因，比较各种方法测得R eq 数值是否相同，并分析原因。对表2-3测得的数据进行分析并得出实验结论。

实验三 RC 一阶电路的响应测试

一、实验目的

1、测定RC 一阶电路的零输入相应，零状态响应及全响应

2、学习电路时间常数的测定方法

3、了解有关微分电路和积分电路的概念

4、进一步学会用示波器测绘图形 二、实验原理

1、动态网络的过渡过程是十分短暂的单次变化过程。要用普通示波器观察过渡过程和测量有关的参数，就必须使这种单次变化的过程重复出现。为此，我们利用信号发生器输出的方波来模拟阶跃激励信号，即利用方波输出的上升沿作为零状态响应的正阶跃激励信号；利用方波的下降沿作为零输入响应的负阶跃激励信号。只要选择方波的重复周期远大于电路的时间常数τ，那么电路在这样的方波序列脉冲信号的激励下，它的响应就和直流电接通与断开的过渡过程是基本相同的。

2、图3-1（b ）所示的 RC 一阶电路的零输入响应和零状态响应分别按指数规律衰减和增长，其变化的快慢决定于电路的时间常数τ。

3、时间常数τ的测定方法

用示波器测量零输入响应的波形如图3-1(a)所示。根据一阶微分方程的求解得知 //t RC t c m m u U e U e τ--== （3-1）

当t τ=时，()0.368

c m U U τ=。此时所对应的时间就等于τ。亦可用零状态响应波形增加到0.632 U m 所对应的时间测得，如图3-1(c)所示。

(a) 零输入响应 (b) RC 一阶电路 (c) 零状态响应

图 3-1一阶动态电路

4、微分电路和积分电路是RC 一阶电路中较典型的电路， 它对电路元件参数和输入信号的周期有着特定的要求。一个简单的 RC 串联电路， 在方波序列脉冲的重复激励下，当满足/2RC

T τ=时（T 为方波脉冲的重复周期）

，且由R 两端的电压作为响应输出，这就是一个微分电路。因为此时电路的输出信号电压与输入信号电压的微分成正比。如图3-2(a)所示。利用微分电路可以将方波转变成尖脉冲。

若将图3-2(a)中的R 与C 位置调换一下，如图3-2(b)所示，由 C 两端的电压作为响应输出。当电路的参数满足/2RC T τ=?条件时，即称为积分电路。因为此时电路的输出信号电压与输入信号电压的积分成正比。利用积分电路可以将方波转变成三角波。

从输入输出波形来看，上述两个电路均起着波形变换的作用，请在实验过程仔细观察与记录。

(a) 微分电路 (b) 积分电路

图3-2 微分与积分电路

三、实验仪器

函数信号发生器*1；双踪示波器*1

四、实验内容与步骤

从输入输出波形来看，上述两个电路均起着波形变换的作用，请在实验过程仔细观察与记录。

1、选R ＝10K Ω，C ＝6800pF 组成如图3-2(b)所示的RC 充放电电路,接线方式如图3-3所示。

图3-3 测试电路图

2、i u 为脉冲信号发生器输出的U m ＝3V 、f ＝1KHz 的方波电压信号，将激励源i u 和响应c u 的信号分别连至虚拟示波器的两个输入口。

3、在示波器的屏幕上观察到激励与响应的变化规律，请测算出时间常数τ，比较理论计算值与仿真值的误差。（给出分析过程）

4、若电阻R ＝10K Ω不变，电容改变，令C ＝0.01μF ，观察并描绘响应的波形。继续增大C 之值，定性地观察对响应的影响。（给出分析过程和理由）

5、若电容C ＝0.01μF 不变，增减电阻R ，观察并描绘响应的波形，定性地观察对响应的影响（给出分析过程和理由）

6、若电容C ＝0.01μF 不变，电阻改变，令R ＝100Ω，组成如图3-2(a)所示的微分电路。在同样的方波激励信号（Um ＝3V ，f ＝1KHz ）作用下，观测并描绘激励与响应的波形。增减R 的值，定性地观察对响应的影响，并作记录。当R 增至1M Ω时，输入输出波形有何本质上的区别？

五、预习与思考

1、试举例说明如何测量一阶动态全响应的波形？ 六、实验报告要求

实验报告内容应包括实验目的、实验原理、实验设备、实验内容与步骤、实验结果分析。其中在实验结果分析中需要比较时间常数的理论计算值与仿真测量值的不同，分析误差产生的原因，对不同情况测得的数据进行分析并得出实验结论。

实验四 三相交流电路测试

一、实验目的

1、熟悉三相交流电路原理。

2、掌握对称与不对称三相电路中的电流、电压的线值和相值之间的关系，并能根据测量数据进行分析总结。

3、了解三相四线制中线的作用，加深对三相四线制供电系统中性线作用的理解。

4、进一步提高分析、判断和查找故障的能力。 二、实验原理

1、三相交流电路是一种复杂交流电路。三相交流电动势是由三相交流发电机产生的，三相正弦交流电压为

sin U u t ω=, s i n (120)V u t ω=-

o

,sin(120)W u t ω=+o

（4-1） 2、负载应作星形联接时，三相负载的额定电压等于电源的相电压。这种联接方式的特点是三相负载的末端连在一起，而始端分别接到电源的三根相线上。

3、负载应作三角形联接时，三相负载的额定电压等于电源的线电压。这种联接方式的特点是三相负载的始端和末端依次联接，然后将三个联接点分别接至电源的三根相线上。

4、电流、电压的“线量”与“相量”关系

测量电流与电压的线量与相量关系，是在对称负载的条件下进行的。画仿真图时要注意。

负载对称星形联接时，线量与相量的关系为：

（1）P L U U 3= （2）P L I I = 负载对称三角形联接时，线量与相量的关系为： （1）P L U U = （2）P L I I 3= 5、星形联接时中性线的作用

三相四线制负载对称时中性线上无电流，不对称时中性线上有电流。中性线的作用是能将三相电源及负载变成三个独立回路，保证在负载不对称时仍能获得对称的相电压。

如果中性线断开，这时线电压仍然对称，但每相负载原先所承受的对称相电压被破坏，各相负载承受的相电压高低不一，有的可能会造成欠压，有的可能会过载。

三、实验仪器

示波器 功率表

四、实验内容与步骤

建立三相测试电路如下图所示：

J2

Key = B

图4-1 三相负载星形联接实验电路图

1、接入示波器：测量ABC三相电压波形，并在下列空白处绘出图形。

计算三相电压相位差：

2、三相对称星形负载的电压、电流测量

1）图4-1中相电压有效值为220V，正确接入电压表和电流表，J1打开，J2 、J3闭合，测量对称星形负载在三相四线制（有中性线）时各线电压、相电压、相（线）电流和中性线电流、中性点位移电压，记入表4-1中。

2）打开开关J2，测量对称星形负载在三相三线制（无中性线）时电压、相电压、相（线）电流、中性线电流和中性点位移电压，记入表1中。

表4-1 三相对称星形负载的电压、电流

3）根据测量数据分析三相对称星形负载联接时电压、电流“线量”与“相量”的关系，并给出分析结论。

3、三相不对称星形负载的电压、电流测量

1）正确接入电压表和电流表，J1闭合，J2 、J3闭合，测量不对称星形负载在三相四线制（有中性线）时各线电压、相电压、相（线）电流和中性线电流、中性点位移电压。记入表4-2中。

2）打开开关J2，测量不对称星形负载在三相三线制（无中性线）时各线电压、相电压、相（线）电流、中性线电流和中性点位移电压，记入表2中。

3）根据测量数据分析，说明三相负载不对称时中性线的主要作用，由此得出为什么中性线不允许加装熔断器的原因？

4、三相对称星形负载故障分析

1）三相对称星形负载，将U相断路，即J3打开，J1打开、J2闭合，测量四线制时各线电压、相电压、相（线）电流和中性线电流、中性点位移电压。记入表4-3中。

2）上述负载中，打开开关J2，测量三线制U相断路时各线电压、相电压、相（线）电流和中性线电流、中性点位移电压，记入表4-3中。

表4-3 三相对称星形负载故障分析

3)负载对称，星形联接，无中线，若有一相负载发生断路故障，对其余两相负载的影响如何？

五、实验注意事项

测量时如产生微小的误差和软件版本有一定原因，微小的误差对结果无太大影响。

六、预习与思考

1、三相负载作三角形连接，试分析负载在对称和不对称两种情况下，线电流与相电流之间有何关系？

2、三相负载作三角形连接，试分析负载在对称和不对称两种情况下，线电压与相电压之间有何关系？

七、实验报告要求

1、认真整理实验数据，分析负载在对称和不对称两种情况下，线电压与相电压、线电流与相电流之间的关系。

2、实验结果分析中需要比较理论计算值与仿真测量值的不同，分析误差产生的原因，对不同情况测得的数据进行分析并得出实验结论

3、掌握三相负载星形连接时中线的作用。

实验五交流电路参数和功率的测量及功率因数提高

一、实验目的

1、了解功率表的结构原理，掌握功率表的使用方法。

2、会用“一表法”、“二表法”、“三表法”测量三相交流电路的有功功率

3、掌握日光灯线路的接线；

4、理解改善电路功率因素的意义并掌握其方法

二﹑实验原理

1、功率表

1）测量电功率时，应根据被测电路电压高低和电流大小合理选择功率表电压与电流的量程，功率表的电压线圈与负载并联、电流线圈与负载串联。对于交流电路，为提高测量精度，还应根据被测电路的功率因数高低选用普通功率表或是低功率因数功率表。

功率表测量有功功率时有两种接线方式，如图5-1（a）、（b）所示。

a)b)

图5-1 功率表测量有功功率的接线方式

2）两种接线方式原则上都是可行的，为减小功率表中电压线圈和电流线圈回路损耗引起的测量误差，应根据负载实际情况确定接线方式。当负载电阻大于功率表电流线圈回路电阻时（如电压较高电流较小的场合），通常采用图5-1(a)的接法。若负载电阻小于或接近功率表电压线圈回路电阻时，宜采用图5-1(b)的接法。通常，功率表电流线圈回路的功率损耗比电压线圈回路损耗小得多。

3）功率表的错误接法。

a)电流接反b)电压接反U

I

1

I 2

I 负载

电

源U

I 1

I 2

I c)电流、电压接反

源U

I

1

I 2

I 图5-2 功率表测量有功功率的错误接线方式

2、功率测量方法

三相交流电路的有功功率测量有“一表法”、“二表法”和 “三表法”。

一表法适用于三相四线系统的对称负载，用一个单相功率表测量任一相负载的功率，将读数乘以3即为三相对称负载的总有功功率。

图 5-3 一表法测量三相有功功率的线路

对于三相三线系统交流电路，无论三相负载是否对称以及三相负载是星形或三角

形联结，通常采用二表法测量有功功率，测量线路如图5-4所示。

图 5-4 二表法测量三相有功功率的线路

三相负载的瞬时总功率p 可表示为

p =p A +p B +p C =u A i A +u B i B +u C i C （5-1） 式中u A 、u B 、u C 和i A 、i B 、i C 分别为相电压和相电流。

对于三相三线系统交流电路，若负载对称，三相电流瞬时值之和为

i A+ i B +i C=0 （5-2) 则总功率又可以表示为

p=u A i A+u B i B+ u C(-i A-i B)

=(u A-u C) i A+ (u B-u C) i B

=u AC i A+ u BC i B =p I+p II （5-3）式中，u AC和u BC为线电压。

按正弦电路求平均功率的方法，将上式瞬时功率p取一个周期的平均值即得三相平均功率P为：

P=U AC I A cos?1+ U BC I B cos?2（5-4）式中，?1、?2分别为U AC与I A 和U BC与I B之间的相位差。

对于功率因数角为?（滞后）的三相对称负载，其相量图如图5-5所示。

由相量图可知，两个功率表的读数分别为

P I=U AC I A cos( 30°-?) (5-5)

P II=U BC I B cos( 30°+?) (5-6) 三相有功功率为两功率表之和

P=P I+P II

= U AC I A cos( 30°-?) + U BC I B cos( 30°+?)

UI cos?(5-7）式中，U、I分别为线电压和线电流。

U

BC

U

B

U

B

I

A

U A

I AC

U

图5-5 三相对称负载时相量图

由上述可知，当?=0时，有P I=P II。若相电流滞后相电压的角度?>60°时P II 为负值，第二个功率表指针反向偏转，不能读出被测功率数值。此时，应将功率表极性开关拨向“—”或将电流线圈（电压线圈）的引线端反接，三相功率等于第一个功

率表读数减去第二个功率表读数，即

P = P I +（—）P II = P I —P II （5-8） 由于三相总功率是两个功率表的代数和，因此其中任一功率表的读数是没有意义的。

测量三相四线系统不对称星形联结负载时，有功功率可以采用三表法，三相总功率为三个功率表的读数之和，测量线路如图5-6所示。

需要说明的是三相四线系统不对称星形联结的负载不能采用二表法测量有功功率，因为此时中线电流不为零。

图 5-6 三表法测量三相有功功率的线路

3、功率因数提高

1）荧光灯的组成

荧光灯电路主要由灯管、启辉器和镇流器（可视为具有铁心的电感线圈）组成，荧光灯工作电路图如图5-7所示。

图 5-7 荧光灯工作电路图

2）提高荧光灯电路的功率因数原理

为了提高感性负载的功率因数，常用的方法是感性负载两端并联补偿电容器，以供给感性负载所需的部分无功功率。荧光灯正常工作后，可看成由灯管和镇流器串联的电路。灯管相当于一个电阻元件（R ），镇流器是一个带铁心的电感线圈（相当于一个电阻（r ）、电感（L ）串联的元件）。这样，荧光灯电路就看成一个（R+r ）L 串联电

路。（R+r）L串联电路是感性电路，设电压相位超前于电流相位θ角，则电路的功率因数为cosθ。

cosθ为负载网络的功率因数；θ为负载网络的阻抗角，即负载网络端口电压与电流的相位差。为了提高荧光灯电路的功率因数，常用的方法就是与感性负载两端并联电容器，其电路图如图5-8（a）所示。

图5-8 提高电路功率因数的实验图与向量图

相位的相量图如图5-8（b）所示，由相量图可见并联电容器后，负载网络端口电压与电流的相位差为θ'。由于θ>θ'，故cosθ

（5-9）根据并联电容的容量不同，这种补偿有欠补偿（cosθ<1，负载网络呈感性）、全补偿（cosθ=1）和过补偿（cosθ<1，负载网络呈容性）3种情况。

三、实验仪器

表5-1实验仪器

五、实验内容与步骤

1、三相电路星形连接测试功率：

1）画出如下图：