苏州大学电子信息学院电路与信号实验报告

戴维南定理
一、 实验目的
1、 深刻理解和掌握戴维南定理。

2、 掌握测量等效电路的方法。

3、 初步掌握用Multisim 软件绘制电路原理图。

4、
初步掌握Multisim 、Voltmeter 、Ammeter 等仪表的使用以及DC Operating Point Patameter Sweep 等SPICE 仿真分析方法。

5、 掌握电路板的焊接技术以及直流电源、万用表等仪器仪表的使用。

6、 初步掌握Origin 绘图软件的应用。

二、 实验原理
一个含独立源、线性电阻和受控源的一端口网络，对外电路来说，可以用一个电压源和电阻的串联组合等效置换，其等效电源的电压等于该一端口网络的开路电压，其等效电阻等于该一端口网络中所有独立源都置为零后的输入电阻。

这一定理称为戴维南定理。

1
2
线形有源一端口网络
Uoc
R0
1
2
3
任何线性有源一端口网络 戴维南等效电路 三、 实验内容
1、测量电阻的实际值，结果填入下表，计算等效电源电压和等效电阻； 器件
R1
R2 R3 R11 R22 R33 阻值（欧） 1792
220.5
269.4
2189
272.5
333.3
（等效电源电压为 2.627V 等效电阻为251.293欧） 2、Multisim 仿真
<1>创建电路：从元器件库中选择电压源，电阻，创建下图电路，同时接入万用表；
<2>用万用表测量端口的开路电压和短路电流，并计算等效电阻； （开路电压2.627V ，短路电流 10.453mA,等效电阻 251.293欧） <3>用万用表的Ω档测量等效电阻，与2所得结果比较； （测量等效电阻为 251.315 欧，与2中电阻几乎相等） <4>、根据电路电压和等效电阻创建等效电路；
<5>用参数扫描法（对负载电阻R4参数扫描）测量原电路及等效电路的外特性，观测DC Operating Point,将测量结果填入下表中。

负载电阻（欧）负载电压（V）负载电流（mA）
Multisim 实验板Multisim 实验板
原电路等效电
路
原电路等效电
路
原电路等效电
路
原电路等效电
路
300 1.43 1.43 1.45 1.44 4.76 4.76 4.63 4.69 600 1.85 1.85 1.88 1.87 3.09 3.09 2.97 2.98 900 2.05 2.05 2.07 2.06 2.28 2.28 2.23 2.25 1200 2.17 2.17 2.18 2.18 1.81 1.81 1.79 1.80 1500 2.25 2.25 2.27 2.26 1.50 1.50 1.47 1.48 1800 2.30 2.30 2.32 2.31 1.28 1.28 1.26 1.27 2100 2.34 2.34 2.36 2.35 1.12 1.12 1.11 1.10 2400 2.37 2.37 2.38 2.36 0.99 0.99 0.98 0.99 2700 2.40 2.40 2.40 2.40 0.89 0.89 0.88 0.88 3000 2.42 2.42 2.42 2.42 0.81 0.81 0.81 0.81
3、在通用电路板上焊接实验电路并测试等效电压和等效电阻，测试结果填入下表；
等效电压Uoc=2.648V 等效电阻Ro=251.7欧
4、在通用电路板上焊接戴维南等效电路；
5、测量原电路和戴维南等效电路的外特性，测量结果填入2表中，验证戴维南定理。

结果分析：
经测量实验板和Multisim仿真所得实验数据及数据所得曲线显示原电路及等效电路的外特性在误差允许的范围内一致。

误差分析：
测量使用仪表精确度问题，数据的位数保留问题，电路导线元器件的问题，电路的内外接问题
结论：
在误差允许范围内，戴维南定理成立。

四、实验总结
通过此次实验使我对以下几个方面印象深刻：
1、对戴维南等效定理有了深刻的理解，实验前只知道使用戴维南定理等效电路，而对戴维南定理的适用性和真实性存在质疑，而实验数据证明了戴维南定理的真实性，清楚了戴维南定理含独立源、线性电阻和一端口网络的适用条件；
2、在测量等效电阻时粗心出错，忘记电源短接，使我对求等效电阻的方法印象深刻，掌握了等效电路参数测量的方法；
3、对Multisim有了初步的认识，学会了使用Multisim来绘制电路图、测量电压电阻、进行仿真分析等；
4、锻炼了动手能力，对万用表等仪器的使用更加熟练；
5、学会了用Origin绘制一些简单的曲线图形。

五、实验思考题
1.为何开路电压理论值和实际测量值一样，而短路电流却不一样？
答：因为电压表内阻较大，开路电压值和理论值几乎相等，而接入电压源时理论的短路电流未考虑电源内阻，故实测值会比理论值小。

2.本实验原理图是按照安培表外接法绘制的，考虑安培表外接和内接对本实验有何差别。

答：安培表外接测量负载电流值比实际大，安培表内接测量等效电阻和等效电压比实际大。

一阶电路和二阶电路的动态响应
一阶电路动态响应： 一、实验目的
1、掌握一阶电路的动态响应特性测试方法
2、掌握Multisim 软件中函数发生器、示波器和波特图仪的使用方法
3、深刻理解和掌握零输入响应、零状态响应及完全响应
4、深刻理解欠阻尼、临界、过阻尼的意义
5、研究电路元件参数对二阶电路动态响应的影响
6、掌握Multisim 软件中的Transient Analysis 等仿真分析方法 二、实验原理
1、一阶电路的动态响应 电路的全响应：
U c (t)=U 0e -t/RC +U s (1- e -t/RC ) ,(t>=0) （1）零输入响应
U c (t)=U 0e -t/RC (t>=0)
输出波形单调下降。

当t=τ=RC 时， u c (τ)=U 0/e=0.368U 0，τ成为该电路的时间常数。

（2）零状态响应 U c (t)=U s (1- e -t/RC )U(t)
电容电压由零逐渐上升到U s ，电路时间常数τ=RC 决定上升的快慢。

2、用二阶微分方程描述的动态电路称为二阶电路。

图所示的线性RLC 串联电路是一个典型的二阶电路。

定义：衰减系数（阻尼系数）L
R 2=
α
自由振荡角频率（固有频率）LC
10=
ω （1）零输入响应
动态电路在没有外施激励时，由动态元件的初始储能引起的响应，称为零输入响应。

①
C
L
R 2>，响应是非振荡性的，称为过阻尼情况。

响应曲线如图所示 ②C
L R 2
= ，响应临界振荡，称为临界阻尼情况。

响应曲线如图所示
③C
L
R 2
<，响应是振荡性的，称为欠阻尼情况。

响应曲线如图 u L
t m U 0
U0
二阶电路的欠阻尼过程
④当R＝０时，响应是等幅振荡性的，称为无阻尼情况。

响应曲线如图
t
二阶电路的无阻尼过程
其中衰减振荡角频率
2
2
2
d2L
R
LC
1
⎪
⎭
⎫
⎝
⎛
-
=
-
=α
ω
ω，
α
ω
βd
arctan
=
（2）零状态响应
动态电路的初始储能为零，由外施激励引起的电路响应，称为零输入响应。

三、实验内容
1、用multisim研究一阶电路的动态响应
（1）创建电路，从元件库中选择可变电阻和可变电容创建如图电路，同时接入函数发生器和示波器
（2）输入信号由函数发生器提供，矩形波，频率1kHz，占空比50%，幅度2.5V，偏置
2.5V
（3）改变电阻，电容参数，用示波器观测电容电压并记录
（4）把示波器改成Bode Plotter，如图测量电路的幅频特性和相频特性，观测其高通与低通特性
R=100Ω，C=0.5μF
R=300Ω，C=0.5μF
R=1KΩ，C=0.5μF
R=1KΩ，C=0.2μF
由图可知时间常数与RC乘积成正比低通特性：
幅频响应：
相频响应：
充放电曲线：
充电时电压升高，速度变慢，放电时电压下降，速度也逐渐变慢
二阶电路动态响应：
（1）实验电路
（2）设置L=10mH，C=22nF，电容初始电压为5V，电源电压为10V，利用瞬态分析观测电容两端电压。

（3）用multisim瞬态分析仿真零输入响应（改变电阻参数欠阻尼，临界，过阻尼三种情况）；在同一张图中画出三条曲线，标出相应阻值。

（4）用multisim瞬态分析仿真完全响应（改变电阻参数欠阻尼，临界，过阻尼三种情况）；在同一张图中画出三条曲线，标出相应阻值。

（5）利用multisim中函数信号发生器、示波器和bode plotter创建图示电路观测各种响应。

函数信号发生器设置：方波、频率1KHz、幅度5V、偏置0V
过阻尼：
临界阻尼：欠阻尼：幅频响应：
相频响应：
2.在电路板上焊接图示电路
3.调节可变电阻器R2之值，观察二阶电路的零输入响应和零状态响应由过阻尼过渡到临界阻尼，最后过渡到欠阻尼的变化过渡过程，分别定性的描绘、记录响应的典型变化波形，按表记录所测数据和波形
欠阻尼：
临界阻尼：
过阻尼：
4.调节R 2使示波器荧光屏上呈现稳定的欠阻尼响应波形，定量测定此时电路的衰减常数α
W d 描述了波形振荡之间的间隔，α描述了振荡衰减的速度。

当改变电阻R 时，R 越大，W d 越小，α越大；反映在波形上是两个波谷之间的距离变大，第二个峰的峰值较第一个峰的峰值衰减越多。

实测的衰减系数和理论值相差较大，原因是L 的实际的值比标称值小。

三、实验结论
1.二阶动态响应中，随着R 值的变小电容电压减小幅度变小，当
C L
R 2
=时幅度最小，当
C L
R 2
<时电容电压在0出上下振荡，最终都趋于零。

2.R 的增大或者L 的减小都会造成波形衰减的更快，α的增大会导致衰减振荡角频率和固有频率之间的差距变大。

四、实验总结
通过此次实验对以下几个方面有了深刻体会：
1、对Multisim 软件中函数发生器、示波器和波特图仪的使用方法及Transient Analysis 等仿真分析方法有了更深了解；
2、深刻理解和掌握了零输入响应、零状态响应及全响应
3、深刻理解欠阻尼、临界、过阻尼的意义
4、初步对实验内容与实际问题结合有了认识。

应用实验内容解释定时功能等；
5、对二阶电路的一些特性有了了解，例如：随着输入信号的频率升高，输出信号稳定所需时间越来越短，一阶RC 电路的时间常数越大传输速率越小，在同样误差允许范围内R 越大信号传输速率越低R 越小信号传输速率越高。

五、实验思考题
1.如果矩形脉冲的频率提高，对所观察到的波形是否有影响？ 答：有影响。

充放电时间会有所不同。

2.若不将信号发生器和示波器共地，测出的信号会是怎样的。

答：波形会有毛刺，会产生自激振荡。

3.若充电过程不完整，能否使用示波器测出时间常数？ 答：不能。

串联谐振电路
一、 实验目的
1、 加深对串联谐振电路条件及特性的理解。

2、 掌握谐振频率的测量方法。

3、 理解电路品质因数Q 和通频带的物理意义及其测定方法。

4、 测定RLC 串联谐振电路的频率特性曲线。

5、 深刻理解和掌握串联谐振的意义及作用。

6、 掌握电路板的焊接技术以及信号发生器、交流毫伏表等仪表的使用。

7、
掌握Multisim 软件中的Function Generator 、V oltmeter 、Bode Plotter 等仪表的使用以及AC Analysis 等 SPICE 仿真分析方法。

8、 用Origin 绘图软件绘图。

二、 实验原理
RLC 串联电路如图所示，改变电路参数L 、C 或电源频率时，都可能使电路发生谐振。

L
C
R
Us
1
2
3
4
RLC 谐振串联电路
该电路的阻抗是电源角频率w 的函数 Z=R+j(wL-1/wc)
当wL-1/wC=0时，电路中的电流与激励电压同相，电路处于谐振状态。

1、 电路处于谐振状态的特性：
（1） 回路阻抗Zo=R,|Zo|为最小值，整个回路相当与一个纯电阻电路。

（2） 回路电路Io 的数值最大，Io=Us/R （3） 电阻的电压数值最大，UR=Us
（4） 电感上的电压Ul 为电容上电压Uc 数值相等，相位相差180°，UL=Uc=QUs 2、 电路的品质因数Q 和通频带B 电路发生谐振时，电感上的电压（或电容上的电压）与激励电压之比称为电路的品质因数Q ；定义回路电流下降到峰值的0.707时所对应的频率为截止频率，介于两截止频率之间的频率范围为通频带。

Q=fo/Q 3、 谐振曲线
电路中电压与电流随频率变化的特性称为频率特性，它们随频率变化 的曲线称为频率特性曲线。

Q 值越大，曲线尖峰值越峻端，其选择性就越好，但电路的通过的信号频带越窄，即通频带越窄。

三、 实验内容 1、 Multisim 仿真
（1） 创建电路：从元器件库中选择可变电阻、电容、电感创建下图电路。

（2）分别用Multisim软件（AC仿真、波特表、交流电压表均可）测量串联谐振电路的谐振曲线、谐振频率、-3dB带宽；
(谐振频率7.3kHz ，-3dB带宽为35.806-1.508=34.298kHz）
（3）当电阻R=1K时，用multisim软件仿真串联谐振电路的谐振曲线，观测R对Q的影响。

结论：R越大，Q越小。

（4）利用谐振的特点设计选频网络，在串联谐振电路（R=100欧、L=4.7mH、C=100nF）上输入频率为3.5kHz、占空比为30%、脉冲幅度为5V的方波电压信号，用示波器测输入输出波形，用Multisim软件测试谐振电路输入信号和输出信号（电阻上电压）的频谱，绘图并观察频谱的变化，说明频谱如何变化？为什么？
输入信号频谱：
输出信号频谱：
由图像知串联谐振电路具有选频特性
2、测量元件值，计算电路谐振频率和品质因数Q的理论值。

（R=100欧、L=4.7mH、C=88.6nF、谐振频率为f=7.45KHz Q=2.3，BW=3.24KHz）
3、在电路板上根据图焊接电路，信号电压的有效值设置为1V。

4、用两种不同方法测量电路的fo值。

用示波器测量所得fo=7.4kHz，仿真得fo=7.28kHz
误差原因：实际电路元件参数误差。

5、测试电路板（交流电压表）上串联谐振电路的谐振曲线、谐振频率、-3dB带宽。

谐振频率：7.4KHz，BW=3.5kHz
6、随频率变化，测量电阻电压、电感电压、电容电压，记录
频率
0.5 1.0 2.0 4.0 7.0 7.4 10.0 12.0 14.0 （kHz）
31 63 97 336 979 990 570 399 307
电压
UR(mV)
0.03 0.06 0.10 0.34 0.98 0.99 0.57 0.40 0.30
归一化
电压
电压
4.6 19 43 399 2050 2155 1705 1427 1286 UL(mV)
994 1007 1028 1330 2197 2136 895 520 344
电压
UC(mV)
用示波器测量谐振频率时图像如下：
8.用origin绘图软件在同一张图上画出R=100Ω和R=1K两条谐振曲线（标出R值）并解释。

分析：由于带宽与电阻值大小成正比，电阻越大，带宽越大，选择性越差。

9.分析选频网络的测试结果，说明谐振电路的用途，解释频谱变化的原因。

答：串联谐振电路具有选频的作用，在实际应用中能够滤除不需要杂波，选出需要频率波。

误差分析：
实际测量时电源存在内阻，影响谐振频率;此外读数时产生的偏差，与电路自身（导线，连接等）存在的内阻也会对谐振频率产生影响。

结果分析：
1.通过实验数据和图像可以知道串联谐振电路具有选频的作用，在实际应用中能够滤除不需要杂波，选出需要频率波。

2.在谐振点电阻上电压达最大值，等于信号源电压，电容和电感上电压都为电阻电压的Q倍，相位相反。

3.电容和电感上电压的最大值都不在谐振点出现，分别出现在谐振点左侧和右侧。

四、实验总结
通过此次实验，使我对以下几个方面有了深刻的理解：
1、对谐振的产生条件及串联谐振电路的选频特性有了深入了解，在实际应用中串联谐振电路能够滤除不需要杂波，选出需要频率波。

2、学会了两种测量谐振频率的方法，用交流毫伏表测量和用示波器测量，同时学会了交流毫伏表的使用方法。

3、明白了Q和通频带的物理意义，学会了测量Q和通频带的方法。

4、对Origin及Multisim的Function Generator、V oltmeter、Bode Plotter等仪表的使用以及AC Analysis等SPICE仿真分析方法有了深入了解。

维持信号源的输出幅度不变，令信号源的频率由小变大，测量R两端电压，读书最大对应频率为谐振频率时，此时输入信号与电阻电压相位一致，而电容和电感两端电压
并不是在谐振点处最大，而是符合低通——高通特性。

电感电压波特图
电容电压波特图
五、实验思考题
谐振时，是否有U=U R及U L=U C成立？试分析其原因
答：有U=U R且U L和U C大小相同相位相反。

因为谐振时端口对外呈纯阻性，而电感上电超前于电阻90°电容上电压落后于电阻90°。

五．周期信号的时域及其频域分析
一、实验原理
周期信号的傅里叶级数分析法，可以吧把周期信号表示为三角傅里叶级数或指数傅里叶级数。

二、实验方法
一个非周期正弦信号可以分解为直流分量和许多谐波分量，各谐波分量的幅度和相位取决于信号的波形，本实验采用周期矩形信号和三角波信号。

采用示波器进行选频电平测量周期信号的幅度频谱，可以看到周期信号的频谱具有离散性，谐波性和收敛性。

本实验采用电路图：
三、实验目的
1.掌握multisim软件的应用和用虚拟仪器对周期信号的频谱测量。

2.掌握选频电平表的使用，对信号发生器输出信号频谱的测量。

四、仪器
计算机，函数发生器，选频电平表，双踪示波器。

五、实验内容
1.在multisim上实现周期信号的时域、频域测量及分析。

周期方波信号：周期T=100us,脉冲宽度t=50us,脉冲幅度VP=5V.
周期矩形波信号：周期T=100us,脉冲宽度t=20us,脉冲幅度VP=5V.
周期三角波信号：周期T=200us,脉冲幅度VP=5V.
2.周期信号时域、频域的测量
六、实验结果
1.实验实际所得数据
输入的周期方波图输出周期方波对应频域图
输入的周期矩形波图
输出周期矩形波对应频域图
输入的周期三角波
输出三角波对应频域图
2.实验所得数据图
20
40
60
80
100
A k (V )
f (kHz)
Ak
周期方波的频谱图
20
40
60
80
100
A k (V )
f (kHz)
Ak
周期矩形波的频谱图
A k (V )
f (kHz)
周期三角波所得频谱图
周期方波的频谱分量中基波分量所占比重最大，周期矩形波中高次谐波较低次谐波分量所占比重逐渐递减。

思考题：
在周期矩形信号实验中，通过改变信号的频率，占空比，幅值，会对信号的频谱产生什么影响？
答：改变频率，占空比会改变各次谐波分量的相对强度。

改变幅值各次谐波分量的相对强度不变，会等比例变大或变小。

信号通过线性系统的特性分析
学号：1128401045 姓名：杜佳慧
一、实验目的
1、掌握无失真传输的概念及无失真传输的线性系统满足的条件
2、分析无失真传输的线性系统输入、输出频谱特性，给出系统的频谱特性
3、掌握系统幅频特性的测试及绘制方法
二、实验原理
通过频谱分析可以看出，在一般情况下线性系统的响应波形与激励波形是不同的，即：信号在通过线性系统传输的过程中产生了是失真。

线性系统引起的信号失真是由两缸面的因素造成的，意识系统对信号中个频率分量的幅度产生不同程度的衰减，是响应个频率分量的相对幅度产生变化，造成幅度失真；一是系统对个频率分量差生的相移不与频率成正比，是响应各频率分量在时间轴上的相对位置产生变化，造成相位失真。

线性系统的幅度失真与相位失真都不产生新的频率分量。

对于非线性系统，由于其非线性特性，对于传输信号产生非线性失真，非线性失真可能产生新的频率分量。

如果信号不失真，则响应r(t)与激励e（t）波形相同，只是幅度大小或出现的时间不同，激励与响应的关系可表示为r(t)=ke(t-to)
为了实现信号无失真传输，线性系统应该满足什么条件？
R(jw)=kE(jw)e（-jwto）
设e(t)和r(t)的傅立叶变换分别是E(jw)R(jw) ,则
R（jw）=H（jw）E（jw）
为了实现任何信号通过线性系统不产生波形失真，该系统该满足以下两个理想条件|H(jw)|=k,(w)=-wto；
很显然，在传输有限频宽的信号时，上述的理想条件可以放宽，知识在信号占有频宽范围内系统满足上述理想条件即可。

三、实验内容
1、用Multisim研究线性电路的非线性失真
(1)绘制测量电路
（2）无失真传输线性系统输入，输出信号幅度频谱的仿真测量
虚拟电压信号源采用参数为周期矩形信号，其中周期为T=100μs，脉冲宽度τ=60μs，脉冲幅度Vp=5V；采用虚拟示波器测量滤波器输入、输出信号的时域波形，波特仪测量线性系统传输特性的频谱图，并记录输出波形。

波形图
幅频响应相频响应
（3）通过变换R、C参数，掌握其对滤波器传输特性的影响。

当R=200 Ohm，C1=10nF，R2=200 Ohm，C2=10nF，测试系统传输特性频谱图。

：同上图当R=200 Ohm，C1=10nF，R2=20 Ohm，C2=100nF，测试系统传输特性频谱图。

幅频相频
当R=200 Ohm，C1=10nF，R2=2k Ohm，C2=10nF，测试系统传输特性频谱图。

幅频相频
当R=200 Ohm，C1=10nF，R2=5k Ohm，C2=10nF，测试系统传输特性频谱图。

幅频相频
当R=200 Ohm，C1=10nF，R2=200 Ohm，C2=100nF，测试系统传输特性频谱图。

幅频相频
2、无失真传输线性系统的设计、装配与调试
（1）电路的焊接
按仿真电路给定的元器件参数在万能板上进行焊接，注意板面的布局，器件的分布及极性，走线的合理等问题。

（2）电路的电气检查
先对焊接后的电路进行短路检查，无短路现象方可上电调试。

（3）信号的测量
信号发生器的输出信号接入至调试电路的输入端，设置参数为周期矩形信号，其中周期T=100μs，脉冲宽度τ=60μs，脉冲幅度Vp=5V，采用示波器测量滤波器输入，输出信号的时域波形，选频电平表测量待调试的系统输入，输出信号的频谱，并记录实验数据。

通过变换R，C参数，掌握其对滤波器传输特性的影响。

R=200Ω，C1=10nF,R2=200Ω，C2=10nF
R=200 Ohm，C1=10nF，R2=5k Ohm，C2=10nF
R=200 Ohm，C1=10nF，R2=20 Ohm，C2=100nF
当R1=200Ω，C1=10nF，R2=200Ω，C2=100nF
四、实验总结
1.通过仿真测试，分析无失真传输线性系统的传输特性：
答：响应与激励的波形相同，只是幅度大小或出现的时间不同。

2.通过无失真传输线性系统的制作与测试，根据测试数据绘制系统传输函数的频谱曲线，
说明其特点。

答：电阻大小和频率大小均对电路的失真产生影响。

频率越大失真越严重；电阻越大失真现象越严重。

当电路处于低频率低电阻时不失真。

3.通过本实验，掌握无失真传输线性系统应满足的条件
满足系统函数的幅频响应是一个定值k，相频响应是过原点的直线。

五、误差分析
在绘制系统传输函数频谱图的时候发现有个别点与仿真时的误差较大，原因是利用示波器读数的时候频谱测量的位置与实际应测的位置的偏差。