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電路實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)報(bào)告 第二次實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)名稱：弱電實(shí)驗(yàn) 院系：信息科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)：信息工程 姓名： 學(xué)號(hào)： 實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 年 月 日 實(shí)驗(yàn)一：PocketLab的使用、電子元器件特性測(cè)試和基爾霍夫定理 1、 仿真實(shí)驗(yàn) 1. 電容伏安特性 實(shí)驗(yàn)電路： 圖1-1 電容伏安特性實(shí)驗(yàn)電路 波形圖： 圖1-2 電容電壓電流波形圖 思考題： 請(qǐng)根據(jù)測(cè)試波形，讀取電容上電壓，電流擺幅，驗(yàn)證電容的伏安特性表達(dá)式。 解：， ，； ，； 而 且誤差較小，即可驗(yàn)證電容的伏安特性表達(dá)式。 2. 電感伏安特性 實(shí)驗(yàn)電路： 圖1-3 電感伏安特性實(shí)驗(yàn)電路 波形圖： 圖1-4 電感電壓電流波形圖 思考題： 1. 比較圖1-2和1-4，理解電感、電容上電壓電流之間的相位關(guān)系。對(duì)于電感而言，電壓相位 超前 （超前or滯后）電流相位；對(duì)于電容而言，電壓相位 滯后 （超前or滯后）電流相位。 2. 請(qǐng)根據(jù)測(cè)試波形，讀取電感上電壓、電流擺幅，驗(yàn)證電感的伏安特性表達(dá)式。 解：， ，； ，； 而 且誤差較小，即可驗(yàn)證電感的伏安特性表達(dá)式。 2、 硬件實(shí)驗(yàn) 1. 恒壓源特性驗(yàn)證 表1-1 不同電阻負(fù)載時(shí)電壓源輸出電壓 電阻 0.1 1 10 100 1000 電源電壓（V） 4.92 4.98 4.99 4.99 4.99 2. 電容的伏安特性測(cè)量 圖1-5 電容電壓電流波形圖 3. 電感的伏安特性測(cè)量 圖1-6 電感電壓電流波形圖 4. 基爾霍夫定律驗(yàn)證 表1-2 基爾霍夫驗(yàn)證電路 待測(cè)值 I1 I2 I3 計(jì)算值 0.366mA 0.978mA 1.344mA 1.34V 測(cè)量值 0.364mA 0.975mA 1.35mA 1.35V 相對(duì)誤差 5.46 3.07 4.46 7.46 思考題： 1. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選定節(jié)點(diǎn)，驗(yàn)證KCL的正確性。 對(duì)于B點(diǎn)， 近似滿足，驗(yàn)證的KCL的正確性。 2. 驗(yàn)證KVL 表1-3 驗(yàn)證KVL 節(jié)點(diǎn) 9 8 計(jì)算值 2.32V 0.77V 測(cè)量值 2.32V 0.77V 相對(duì)誤差 0 0 對(duì)于節(jié)點(diǎn)5、9、8、0構(gòu)成的回路： ，， 即驗(yàn)證了KVL的正確性。 實(shí)驗(yàn)二：電路定律的驗(yàn)證和受控源仿真 預(yù)習(xí)題： 1. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)一中電阻的伏安特性測(cè)量方法，請(qǐng)自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法，繪制二極管的伏安特性曲線，了解其工作性能。 圖2-1 二極管伏安特性曲線 2.請(qǐng)運(yùn)用戴維寧定理，計(jì)算圖2-14電路的Rload，Req和Veq，填入表2-3。 3.（補(bǔ)充）采用PocketLab的math功能，直接獲得二極管的伏安特性曲線。 圖2-2 二極管伏安特性曲線 硬件實(shí)驗(yàn)一：疊加定理驗(yàn)證 表2-1 驗(yàn)證疊加定理 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 測(cè)量項(xiàng)目 單獨(dú)作用 1.14 -0.103 1.03 1.03 單獨(dú)作用 -0.155 0.468 0.31 0.31 、共同作用 0.98 0.365 1.34 1.34 表2-2 驗(yàn)證疊加定理（二極管） 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 測(cè)量項(xiàng)目 單獨(dú)作用 2.794 -0.254 2.54 2.54 單獨(dú)作用 0 0.46 0.46 0.46 、共同作用 2.307 0.243 2.55 2.55 思考題： 1. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證線性電路的疊加性。 純電阻電路為線性電路。由表2-1，可以看出，每縱列的數(shù)據(jù)，第一行的數(shù)加上第二行的數(shù)等于第三行的數(shù)，即、共同作用的效果和，單獨(dú)作用效果的疊加結(jié)果一樣，即驗(yàn)證了線性電路的疊加性。 2. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)步驟5及分析表格中數(shù)據(jù)你能得出什么結(jié)論？ 將換成二極管后，得到表2-2實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析表2-2數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)不再有表2-1數(shù)據(jù)的規(guī)律，即不滿足疊加性，因此判斷，二極管不是線性元件，此電路不是線性電路。 硬件實(shí)驗(yàn)二：戴維寧定理驗(yàn)證 表2-3 測(cè)試等效電路的和 計(jì)算值 N.C 3.58 5/6k 1k 測(cè)量值 4.25 3.55 0.83k 0.99k 表2-4 驗(yàn)證戴維寧定理 原始電路 0.94 1.88 等效電路 0.93 1.86 思考題： 請(qǐng)自行選定除開路電壓、短路電流法之外的一種測(cè)有源二端網(wǎng)絡(luò)開路電壓及等效內(nèi)阻的方法，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程對(duì)上面的電路測(cè)定，給出實(shí)驗(yàn)方法和測(cè)試結(jié)果。 答：用電壓源代替內(nèi)阻，改變電壓源電壓大小，測(cè)多組端口電壓和電流的數(shù)據(jù)，做出伏安特性曲線圖。則時(shí)的電壓值即為開路電壓，直線斜率的倒數(shù)即為等效內(nèi)阻。 硬件實(shí)驗(yàn)三：采用運(yùn)放測(cè)試電壓控制電流源（VCCS）特性 1.測(cè)試VCCS的轉(zhuǎn)移特性 表2-6 VCCS的轉(zhuǎn)移特性數(shù)據(jù) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 圖2-3 VCCS轉(zhuǎn)移特性曲線 轉(zhuǎn)移參量= 2. 測(cè)試VCCS的負(fù)載特性 表2-7 VCCS的負(fù)載特性數(shù)據(jù) 47 20 10 4.7 3 2 1 0.2 0.1 0.07 0.139 0.207 0.209 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 圖2-4 VCCS負(fù)載特性曲線 實(shí)驗(yàn)三：一階電路的時(shí)域分析 1、 仿真實(shí)驗(yàn) 1. 電容特性 實(shí)驗(yàn)任務(wù)1 圖3-1 電容電阻電壓波形圖 解釋： 電阻的電壓電流關(guān)系為：，所以電阻的電壓波形仍為方波； 電容的電壓電流關(guān)系為：，所以 實(shí)驗(yàn)任務(wù)2 電容中的能量： 電流源提供的能量: 請(qǐng)解釋和之間為什么會(huì)存在差異： 答：包含了和兩部分，電阻以熱量形式消耗電流源的能量，而電容儲(chǔ)存能量，即。 實(shí)驗(yàn)任務(wù)3 圖3-2 電容電阻電壓波形圖（2） 波形變化：電容電壓變化率變?yōu)樵瓉?lái)的二分之一，10ms時(shí)達(dá)到的穩(wěn)定值也是原來(lái)的一半。 解釋：兩個(gè)相同的電容并聯(lián)，等效阻抗變?yōu)樵瓉?lái)兩倍，則電壓變化率和電壓的值均變?yōu)樵瓉?lái)一半。 2. 電感特性 實(shí)驗(yàn)任務(wù)1 圖3-3 電感中電流波形圖 解釋： 電感的電流電壓關(guān)系為：，所以 電感中的能量Wc（t=15ms）： 電壓源提供的能量Wv（0~15ms）： 實(shí)驗(yàn)任務(wù)2 圖3-4 電感中電流波形圖（2） 注：圖中流過(guò)兩電感的電流相等，因此兩曲線重合，其和為干路電流。 波形變化：電感電流變化率變?yōu)樵瓉?lái)的兩倍，15ms時(shí)達(dá)到的穩(wěn)定值也是原來(lái)的兩倍。 解釋：兩個(gè)相同的電感并聯(lián)，等效阻抗變?yōu)樵瓉?lái)一半，則電流變化率和電流的值均變?yōu)樵瓉?lái)兩倍。 實(shí)驗(yàn)任務(wù)3 圖3-5 電感電流及節(jié)點(diǎn)2電壓波形 計(jì)算得到的電感電流的響應(yīng)： 即 2、 硬件實(shí)驗(yàn) 1.硬件實(shí)驗(yàn)一 實(shí)驗(yàn)任務(wù)1 示波器截圖（100Hz）： 圖3-6 電容上電壓（100Hz） 實(shí)驗(yàn)任務(wù)2 示波器截圖（1kHz）： 圖3-7 電容上電壓（1kHz） 示波器截圖（5kHz）： 圖3-8 電容上電壓（5kHz） 思考：在輸入方波頻率一定的時(shí)候，輸出響應(yīng)的幅度與電路時(shí)間常數(shù)的關(guān)系如何？若要作為積分器使用，如圖所示電路的RC時(shí)間常數(shù)需要滿足什么條件？ 答：時(shí)間常數(shù)越大，輸出響應(yīng)的幅度越小，電容充電來(lái)不及完成就開始放電；時(shí)間常數(shù)越小，輸出響應(yīng)的幅度越大，但不超過(guò)峰峰值。 若要作為積分器使用，需：1.保證電壓變化周期與時(shí)間常數(shù)的適當(dāng)比例，105較為合適，使得電容上的電壓有較 大變化；2.電路的RC時(shí)間常數(shù)應(yīng)遠(yuǎn)大于5ms（即方波的半個(gè)周期長(zhǎng)度）。 2. 硬件實(shí)驗(yàn)二 實(shí)驗(yàn)任務(wù)1 圖3-9 電阻上電壓波形圖（100nF） 功能：微分器 解釋：在一個(gè)周期中，經(jīng)過(guò)一個(gè)高電平后，電路進(jìn)入零輸入響應(yīng)狀態(tài)，此時(shí)，由電容放電。電阻上電壓變化情況與電路中電流變化情況相同，即電路中電流以指數(shù)形式衰減。 實(shí)驗(yàn)任務(wù)2 示波器截圖（C1=10nF）： 圖3-10 電阻上電壓波形圖（10nF） 功能：微分器，將方波信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榧饷}沖信號(hào)。 思考：在輸入方波頻率和邊沿時(shí)間一定的時(shí)候，若輸出響應(yīng)只需要提取輸入信號(hào)的邊沿信息，則輸出幅度與電路RC時(shí)間常數(shù)的關(guān)系如何？ 答：電路RC常數(shù)越大，輸出幅度越大。 實(shí)驗(yàn)任務(wù)3 圖3-11 電阻上電壓波形圖（10uF） 功能：輸出的波形與輸入的相同，即耦合。 實(shí)驗(yàn)四：RLC電路的頻率響應(yīng) 1、 仿真實(shí)驗(yàn) 1. RLC串聯(lián)電路 實(shí)驗(yàn)任務(wù)1 圖4-1 阻抗幅頻特性和相頻特性截圖 實(shí)驗(yàn)任務(wù)2 圖4-2 網(wǎng)絡(luò)函數(shù)幅頻特性和相頻特性截圖 圖中兩光標(biāo)間距即為3dB帶寬。 思考：的值對(duì)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的3dB帶寬有什么影響？ 答：增大，品質(zhì)因數(shù)Q減小，網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的3dB帶寬增大。 2. RLC并聯(lián)電路 實(shí)驗(yàn)任務(wù) 圖4-3 阻抗幅頻特性截屏 圖中游標(biāo)間距即為3dB帶寬。 圖4-4 阻抗相頻特性截圖 思考：的值對(duì)輸出電壓的3dB帶寬有什么影響？ 答：增大，品質(zhì)因數(shù)Q增大，網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的3dB帶寬減小。 2、 硬件實(shí)驗(yàn) 1. RLC低通濾波器 實(shí)驗(yàn)任務(wù)1 示波器截圖1（）： 圖4-5 輸入輸出波形（100Hz） 示波器截圖2（輸出幅度下降到輸入幅值的0.707倍）： 圖4-6 輸入輸出波形（輸出幅度下降到輸入幅值的0.707倍） 實(shí)驗(yàn)任務(wù)2 圖4-7 幅頻特性和相頻特性曲線 2. RLC帶通濾波器 實(shí)驗(yàn)任務(wù)1 示波器截圖1（輸出幅度最大）： 圖4-8 示波器截圖2（輸出幅度下降到最大輸出幅度的0.707倍，且相位超前）： 圖4-9 示波器截圖3（輸出幅度下降到最大輸出幅度的0.707倍，且相位滯后）： 圖4-10 實(shí)驗(yàn)任務(wù)2 圖4-11 幅頻特性和相頻特性曲線 中心頻率：6310Hz 峰值增益：0.66 -3dB帶寬：0.95 思考：根據(jù)講義上圖4-10所示的電路參數(shù)，該濾波器峰值增益的理論值是多少？實(shí)際測(cè)試值和理論值之間的差異由什么原因?qū)е碌模? 答：該濾波器峰值增益的理論值應(yīng)約為0.995。 　　但由于實(shí)驗(yàn)所用的電感不是理想電感，存在電阻，所以實(shí)際測(cè)試值和理論值之間存在差異。