直流电路的测量与研究

2．所需设备和器件
(1) 直流稳压电源 (2) 九孔板实验仪 (3) 万用表 (4) 毫安表 (5) 变阻箱 (6) 电阻器 1.2.2 实验内容 1．验证戴维南定理（必做部分） （1）测量有源二端网络的外特性曲线 按照图 1-5(a)所示连接电路，其中 Us=8v，R1 =220Ω，R2=56Ω，R3 =200Ω，RL 由变阻 箱提供，改变负载电阻 RL 的阻值，测量对应不同 RL 值时的电压 U 和电流 I，将数据记入表 1-1 中。当 RL 从 0→∞时，将电压表和电流表的读数记录在表 1-1 中。 1台 1台 1块 1块 1只 1只
图 1-7 验证齐性定理的实验电路 表 1-4 验证齐性定理的实验数据 I/mA Us /V 理论值 12V 8V 1.2.3 实验相关说明 1．所需设备和器件 双路直流稳压电源 1 台 万用表 九孔板 1块 1块 测量值 误差 理论值 测量值 误差 U/V
电阻元件 3 个 电阻箱 2个
导线 若干 2．注意事项 （1）预习实验中涉及的仪器设备的相关功能和使用方法； （2）预习过程中应对关键理论值进行计算或对数据变化趋势做理论上的估计，以便在实验 过程中及时发现异常现象； （3）不能把未知电压直接接入待测电路，要先调整好所需电源电压值，再接入待测电路。 （4）改接线路的过程要关掉直流稳压电源，注意直流稳压电源的输出端不允许短路； （5）测试过程要用万用表监测稳压电源的输出是否有波动，如果输出有变化应及时调整至
a
有源 网络

a
U OC b
有源 网络
I SC
b
（a） （b） 图 1-1 开短路法测量等效电阻 R0 分别用电压表和电流表测量 ab 端子间的开路电压 Uo c 和短路电流 Isc，则线性有源二端 网络等效电阻 R0 为
R0
（2）伏安法
U oc Isc
如待测网络等效电阻较小，不宜直接测量其短路电流，可采用伏安法。测量电路如图 1-2 所示。先用电压表测量 ab 端子间开路电压 Uoc，之后接入负载电阻 RL ，分别测量负载端 电压 U 和电流 I，则线性有源二端网络等效电阻 R0 为
RL /Ω U/V I/mA Isc U 等/V I 等/mA
0
100
200
270
Ro
290
400
600
1000
∞
Uoc
上表中当 RL =0 时，电流表的读数即为短路电流 Isc ，当 RL →∞（断开电流表）时，电 压表的读数即为开路电压 Uoc 。由 Uoc 和 Isc 即可得到等效电阻 R0 。将测量结果记入表格 1-2 中。 表 1-2
I1
线性 有源 网络I
（a）

I2
R
U1

线性 有源 网络II
（b）
U2 R

图 1-8 线性有源二端网络 3．叠加定理在处理电源单独作用时，不作用的电源应如何操作？
实验要求的数值； （6）万用表使用中要根据待测电量的种类和大小选择正确功能档位和适当量程；注意在电 路中不能直接用欧姆档测量电路电阻； （7）叠加定理在测试过程中根据参考方向和测量情况正确记录数据的正负号； 3．报告要求 （1）计算 Uoc，Isc，Ro 的理论值，与实测值作比较，分析误差形成原因； （2）在同一坐标系绘制有源二端网络等效前后的外特性曲线，分析戴维南定理是否得到验 证； （3）对叠加定理，齐性定理数据进行误差计算和来源分析；结合所用仪表精度等级考察误 差是否在允许范围； （4）说明实验过程中的故障现象及排除方法。 1.3 实验延展与讨论 1. 实验数据全部来自万用表的测量，在分别选择模拟式万用表和指针式万用表的情况下讨 论以下问题： （1）在选定的参考方向下，如何确定测试数据的正负？ （2）在电压表内阻对被测电路的分流作用可以忽略的情况下，用精度 2.5 级的指针式万 用表测量 0.8V 的直流电压，分别选择 1V 和 10V 量程测量，可能产生的最大误差分别是多 少？ （3）数字万用表会比指针式万用表测量更准确吗？ 2．验证戴维南定理讨论： （1）测量有源网络的外特性时要求测量负载电阻值为 0 和∞时的端子间电压和电流，实际 操作应如何调整电阻箱？ （2）根据实际测量的数据分析是否适合使用开短路法之外的其他方法测试等效电阻？用其 他方式测试的等效电阻与开短路法所得的等效电阻相比较有差别吗？试对不同的等效电阻 测量方式引入的误差来源进行分析； （3）线性有源二端网络的外特性是否与负载有关？ （4）线性有源二端网络如图 1-8 所示，已知 R=1KΩ时，U1 =U2 ,I1 =I2 ，能否断定图（a） 、 （b） 中的有源网络等效?
a
有源 网络
V b
U
RL
图 1-4 半电压法测量等效电阻 Ro 1.1.2 叠加定理 叠加定理：在线性电路中，电路某处的电流或电压等于各独立源分别单独作用时在该处 产生的电流或电压的代数和。 1.1.3 齐性定理 齐性定理：在线性电路中，当所有激励都同时增大或缩小若干倍时，响应也将增大或缩 小同样的倍数。
压，数据记入表 1-3 中。
图 1-6 验证叠加定理的实验电路 表 1-3 验证叠加定理的实验数据 Uab /V 直流稳压电源 理论值 测量值 误差 Us1 、Us2 共同作用 Us1 单独作用 Us2 单独作用 理论值 测量值 误差 理论值 测量值 误差 Ubo /V Ubc/V
3．验证齐性定理（选做部分） 按图 1-7 所示连接电路。 分别测量 Us 不同值时电路相应位置的电压 U 和电流 I， 数据记入表 1-4 中。
a
V
有源 网络
b
(4) 半电压法
稳 压 电 源
图 1-3 零示法测量线性有源二端网络的开路电压 Uoc 测量电路如图 1-4 所示。在测量完有源网络的开路电压Ｕoc 后，调整负载电阻 RＬ的阻 值，同时用电压表监测电阻两端的电压 U，当 U 为Ｕoc 的一半时，负载电阻的阻值即为网络 的等效电阻 Ro 值。考虑电压表内阻的影响，该方法适合等效电阻较小的有源网络。
R0
U oc - U I
a
有源 网络
Leabharlann Baidu

a
U OC b
有 有 有 有
RL
U
I
b
（b）
（a）
图 1-2 伏安法测量等效电阻 R0 （3）零示法 如待测网络是高内阻的， 直接用电压表测量其开路电压会造成较大误差， 为消除电压表 内阻对测量的影响，可采用零示法。测量电路如图 1-3 所示。图中稳压电源相当于一个低内 内阻的线性有源二端网络，调节稳压电源输出，当图中的电压表示数为零时，稳压电源的输 出电压即为待测有源网络的开路电压。 稍后可通过测量网络的短路电流或用伏安法测量网络 的等效电阻。
U oc
I sc
R0
U oc I sc
等效电阻的 理论计算值
根据表 1-1 和表 1-2 中的数据， 绘制原网络与等效网络的外特性曲线， 验证戴维南定理。 2．验证叠加定理（选做部分） 按图 1-6 所示连接电路, 其中定值电阻的标称值分别为 R1 =160Ω，R2 =200Ω，
R3 =220Ω。分别测量 Us1 、Us2 共同作用、Us1 单独作用、Us2 单独作用三种状态下各元件电
1.2. 实验目的、内容及要求 1.2.1 实验目的与所需设备 1. 实验目的 (1) 验证戴维南定理、叠加定理和齐性定理的结论，加深对其内容的理解； (2) 学习线性有源二端网络等效电路参数的测量方法； (3) 掌握直流稳压电源的使用和注意事项； (4) 掌握万用表测量直流电压、电流和电阻的方法。
实验一 直流电路的测量与研究 实验内容部分分为必做实验和选做实验两部分， 可根据学时和学生具体情况的不同进行 相应的取舍。 实验问题的延展和讨论部分可加深对实验内容的理解和思考， 作为实验的进阶 部分能拓宽思路和锻炼实验技能。 1.1 基本网络定理和相关测试方法 1.1.1 戴维南定理 1．戴维南定理：一个含有独立源的线性二端电阻网络（简称线性有源二端网络）对外 可以等效为一个电压源和一个电阻相串联的电路。 此电压源的电压 Uoc 等于该二端网络的开 路电压；电阻 R0 等于该二端网络中所有独立源均置零时的等效电阻。 2．线性有源二端网络等效电阻 R0 的测量方法 测量有源网络等效电阻的方法较多， 根据待测网络的不同特点， 可选用不同的测量方法。 （1）开短路法 测量电路如图 1-1 所示。
R0
U OC
c I等

U 等 RL
o
(a) 图 1-5 验证戴维南定理的实验电路 （2）测量有源二端网络等效电路的外特性曲线 根据表 1-1 中的开路电压 Uoc 和短路电流 Isc，利用开短路法求出等效电阻 Ro 。之后按 照图 1-5(b)所示电路接线，改变负载电阻 RL 的阻值，测量对应不同 RL 值时的电压 U 等和电 流 I 等，将数据记入表 1-1 中。 表 1-1 验证戴维南定理的实验数据 (b)