东南大学电路实验实验报告

电路实验

实验报告

第二次实验

实验名称：弱电实验 院系：信息科学与工程学院 专业：信息工程 ： 学号： 实验时间： 年 月 日

实验一：PocketLab的使用、电子元器件特性测试和基尔霍夫定理

一、仿真实验

1.电容伏安特性

实验电路：

波形图：

图1-1 电容伏安特性实验电路

图1-2 电容电压电流波形图

思考题：

请根据测试波形，读取电容上电压，电流摆幅，验证电容的伏安特性表达式。 解：UC?164cos?wt?????164cos?wt?mV，

???UR?1000cos?wt???1000sin?wt?mV，T?500us；

2???IC?IR?而CUR2??4000?； ?0.213sin?wt?mA，w?TRduC?0.206sin?wt?mA dt?IC?CduC且误差较小，即可验证电容的伏安特性表达式。 dt2.电感伏安特性

实验电路：

图1-3 电感伏安特性实验电路

波形图：

图1-4 电感电压电流波形图

思考题：

1.比较图1-2和1-4，理解电感、电容上电压电流之间的相位关系。对于电感而言，电压相位 超前 （超前or滞后）电流相位；对于电容而言，电压相位 滞后 （超前or滞后）电流相位。

2.请根据测试波形，读取电感上电压、电流摆幅，验证电感的伏安特性表达式。

?????1000sin?wt?mV，T?500us； 2??U2??4000?； ?IL?IR?R?0.213sin?wt?mA，w?TR解：UL?2.8cos?wt?mV， UR?1000cos?wt?而LdiL?2.7cos?wt?mV dtdiL且误差较小，即可验证电感的伏安特性表达式。 dt?UL?L二、硬件实验

1.恒压源特性验证

表1-1 不同电阻负载时电压源输出电压

电阻?k?? 电源电压（V） 0.1 4.92 1 4.98 10 4.99 100 4.99 1000 4.99 2.电容的伏安特性测量

图1-5 电容电压电流波形图

3.电感的伏安特性测量

图1-6 电感电压电流波形图

4.基尔霍夫定律验证

表1-2 基尔霍夫验证电路

待测值 计算值 测量值 相对误差(?10) 思考题：

1.根据实验数据，选定节点，验证KCL的正确性。

对于B点，I1?I2?0.364?0.975?1.339(A)

?3I1 0.366mA 0.364mA 5.46 I2 0.978mA 0.975mA 3.07 I3 1.344mA 1.35mA 4.46 VB 1.34V 1.35V 7.46 I3?I1?I2近似满足，验证的KCL的正确性。

2.验证KVL

表1-3 验证KVL

节点 计算值 测量值 相对误差 对于节点5、9、8、0构成的回路：

9 2.32V 2.32V 0 8 0.77V 0.77V 0 U59?4.99?2.32?2.67(V)，U98?2.32?0.77?1.55(V)，U80?0.77?0?0.77(V) U50?4.99?0?4.99(V) ?U50?U59?U98?U80

即验证了KVL的正确性。

实验二：电路定律的验证和受控源仿真

预习题：

1.根据实验一中电阻的伏安特性测量方法，请自行设计实验方法，绘制二极管的伏安特性曲线，了解其工作性能。

图2-1 二极管伏安特性曲线

2.请运用戴维宁定理，计算图 2-14 电路的 Rload，Req 和 Veq，填入表 2-3。 3.（补充）采用 PocketLab 的 math 功能，直接获得二极管的伏安特性曲线。

图2-2 二极管伏安特性曲线

硬件实验一：叠加定理验证

表2-1 验证叠加定理

实验容 测量项目 I1?mA? 1.14 -0.155 0.98 I2?mA? -0.103 0.468 0.365 I3?mA? 1.03 0.31 1.34 VB?V? 1.03 0.31 1.34 V1单独作用 V2单独作用 V1、V2共同作用 表2-2 验证叠加定理（二极管）

实验容 测量项目 I1?mA? 2.794 0 2.307 I2?mA? -0.254 0.46 0.243 I3?mA? 2.54 0.46 2.55 VB?V? 2.54 0.46 2.55 V1单独作用 V2单独作用 V1、V2共同作用 思考题：

1.根据实验数据，验证线性电路的叠加性。

纯电阻电路为线性电路。由表2-1，可以看出，每纵列的数据，第一行的数加上第二行的数等于第三行的数，即V1、V2共同作用的效果和V1，V2单独作用效果的叠加结果一样，即验证了线性电路的叠加性。

2.通过实验步骤5及分析表格中数据你能得出什么结论？

将R5换成二极管后，得到表2-2实验结果，分析表2-2数据发现不再有表2-1数据的规律，即不满足叠加性，因此判断，二极管不是线性元件，此电路不是线性电路。

硬件实验二：戴维宁定理验证

表2-3 测试等效电路的Veq和ISC

计算值 测量值 ISC(mA) N.C 4.25 Veq(V) 3.58 3.55 表2-4 验证戴维宁定理

Req??? 5/6k 0.83k Rload??? 1k 0.99k IR2(mA) Veq(V) 原始电路 等效电路 思考题：

0.94 0.93 1.88 1.86 请自行选定除开路电压、短路电流法之外的一种测有源二端网络开路电压及等效阻的方法，设计实验过程对上面的电路测定，给出实验方法和测试结果。

答：用电压源代替阻R2，改变电压源电压大小，测多组端口电压和电流的数据，做出伏安特性曲线图。则I?0时的电压值即为开路电压，直线斜率的倒数即为等效阻。

硬件实验三：采用运放测试电压控制电流源（VCCS）特性

1.测试VCCS的转移特性i2?f?U1?

表2-6 VCCS的转移特性数据

U1/V 0 0 0.2 0.02 0.4 0.04 0.6 0.06 0.8 0.08 1.0 0.10 1.2 0.12 1.4 0.14 1.6 0.16 1.8 0.18 2.0 0.20 I2/mA VCCS转移特性曲线0.250.2I2/A0.150.10.05000.51U1/V1.522.5系列1图2-3 VCCS转移特性曲线

转移参量=

I2?10k? U12.测试VCCS的负载特性i2?f?RL?

表2-7 VCCS的负载特性数据

RL/k? 47 0.07 20 0.139 10 0.207 4.7 0.209 3 0.2 2 0.2 1 0.2 0.2 0.2 0.1 0.2 I2/mA VCVS负载特性曲线0.250.2I2/mA0.150.10.05001020RL/千欧图2-4 VCCS负载特性曲线 系列1304050实验三：一阶电路的时域分析

一、仿真实验

1.电容特性

实验任务1

图3-1 电容电阻电压波形图

解释：

电阻的电压电流关系为：u?iR，所以电阻的电压波形仍为方波；

1t电容的电压电流关系为：uC?t??uC?t0???i?t?dt，所以

Ct0?1000t,0?t?10ms?V? uC?t????10,t?10ms实验任务2

电容中的能量WC?t?12ms?：

11WC?t?12ms??CU2?1?10?6?102?5?10?5J

22??电流源提供的能量WI?0~12ms?:

WI?0~12ms??IU?I?UC?UR??1?10?3??请解释WC和WI之间为什么会存在差异：

0.010?1000t?5?dt?1?10?4J

答：WI包含了WC和WR两部分，电阻以热量形式消耗电流源的能量，而电容储存能量，即

WI?WC?WR。

实验任务3

图3-2 电容电阻电压波形图（2）

波形变化：电容电压变化率变为原来的二分之一，10ms时达到的稳定值也是原来的一半。 解释：两个相同的电容并联，等效阻抗变为原来两倍，则电压变化率和电压的值均变为原来一半。

2.电感特性

实验任务1

图3-3 电感中电流波形图

解释：

电感的电流电压关系为：iL?t??iL?t0??1tuL?t?dt，所以 ?t0L?10t,0?t?15ms?A? iL?t???0.1,t?15ms?电感中的能量Wc（t=15ms）：

WL?t?15ms??121LI??100?10?3?100?10?322??2?5?10?4J

电压源提供的能量Wv（0~15ms）：

WV?0~15ms???实验任务2

0.0101?10tdt?5?10?4J

图3-4 电感中电流波形图（2）

注：图中流过两电感的电流相等，因此两曲线重合，其和为干路电流。

波形变化：电感电流变化率变为原来的两倍，15ms时达到的稳定值也是原来的两倍。 解释：两个相同的电感并联，等效阻抗变为原来一半，则电流变化率和电流的值均变为原来两倍。 实验任务3

图3-5 电感电流及节点2电压波形

计算得到的电感电流的响应：

I?0???I?0???0AI????0.1AI?0?t?0.01s??0.1?1?e?100tI?t?0.01s??0.1?1?e?1I?????0.1A????

I?t?0.01s??0.1?1?e?1e1?100t?100t?,0?t?0.01?0.11?e?A? 即I???11?100t?,t?0.01?0.11?ee??????二、硬件实验

1.硬件实验一

实验任务1

示波器截图（100Hz）：

图3-6 电容上电压（100Hz）

实验任务2

示波器截图（1kHz）：

图3-7 电容上电压（1kHz）

示波器截图（5kHz）：

图3-8 电容上电压（5kHz）

思考：在输入方波频率一定的时候，输出响应的幅度与电路时间常数的关系如何？若要作为积分器使用，如图所示电路的RC时间常数需要满足什么条件？

答：时间常数越大，输出响应的幅度越小，电容充电来不及完成就开始放电；时间常数越小，输出响应的幅度越大，但不超过峰峰值。

若要作为积分器使用，需：1.保证电压变化周期与时间常数的适当比例，105较为合适，使得电容上的电压有较 大变化；2.电路的RC时间常数应远大于5ms（即方波的半个周期长度）。

2.硬件实验二

实验任务1

图3-9 电阻上电压波形图（100nF）

功能：微分器

解释：在一个周期中，经过一个高电平后，电路进入零输入响应状态，此时，由电容放电。电阻上电压变化情况与电路中电流变化情况相同，即电路中电流以指数形式衰减。 实验任务2

示波器截图（C1=10nF）：

图3-10 电阻上电压波形图（10nF）

功能：微分器，将方波信号转变为尖脉冲信号。

思考：在输入方波频率和边沿时间一定的时候，若输出响应只需要提取输入信号的边沿信息，则输出幅度与电路RC时间常数的关系如何？ 答：电路RC常数越大，输出幅度越大。 实验任务3

图3-11 电阻上电压波形图（10uF）

功能：输出的波形与输入的相同，即耦合。

实验四：RLC电路的频率响应

一、仿真实验

1.RLC串联电路

实验任务1

图4-1 阻抗幅频特性和相频特性截图

实验任务2

图4-2 网络函数幅频特性和相频特性截图

图中两光标间距即为3dB带宽。

思考：R1的值对网络函数的3dB带宽有什么影响？

答：R1增大，品质因数Q减小，网络函数的3dB带宽增大。

2.RLC并联电路

实验任务

图4-3 阻抗幅频特性截屏

图中游标间距即为3dB带宽。

图4-4 阻抗相频特性截图

思考：R1的值对输出电压的3dB带宽有什么影响？

答：R1增大，品质因数Q增大，网络函数的3dB带宽减小。

二、硬件实验

1.RLC低通滤波器

实验任务1

示波器截图1（f?100Hz）：

图4-5 输入输出波形（100Hz）

示波器截图2（输出幅度下降到输入幅值的0.707倍）：

图4-6 输入输出波形（输出幅度下降到输入幅值的0.707倍）

实验任务2

图4-7 幅频特性和相频特性曲线

2.RLC带通滤波器

实验任务1

示波器截图1（输出幅度最大）：

图4-8

示波器截图2（输出幅度下降到最大输出幅度的0.707倍，且相位超前）：

图4-9

示波器截图3（输出幅度下降到最大输出幅度的0.707倍，且相位滞后）：

图4-10

实验任务2

图4-11 幅频特性和相频特性曲线

中心频率：6310Hz 峰值增益：0.66 -3dB带宽：0.95

思考：根据讲义上图4-10所示的电路参数，该滤波器峰值增益的理论值是多少？实际测试值和理论值之间的差异由什么原因导致的？ 答：该滤波器峰值增益的理论值应约为0.995。

但由于实验所用的电感不是理想电感，存在电阻，所以实际测试值和理论值之间存在差异。