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電路實驗 實驗報告 第二次實驗 實驗名稱：弱電實驗 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： 實驗時間： 年 月 日 實驗一：PocketLab的使用、電子元器件特性測試和基爾霍夫定理 1、 仿真實驗 1. 電容伏安特性 實驗電路： 圖1-1 電容伏安特性實驗電路 波形圖： 圖1-2 電容電壓電流波形圖 思考題： 請根據(jù)測試波形，讀取電容上電壓，電流擺幅，驗證電容的伏安特性表達式。 解：， ，； ，； 而 且誤差較小，即可驗證電容的伏安特性表達式。 2. 電感伏安特性 實驗電路： 圖1-3 電感伏安特性實驗電路 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。對于電感而言，電壓相位 超前 （超前or滯后）電流相位；對于電容而言，電壓相位 滯后 （超前or滯后）電流相位。 2. 請根據(jù)測試波形，讀取電感上電壓、電流擺幅，驗證電感的伏安特性表達式。 解：， ，； ，； 而 且誤差較小，即可驗證電感的伏安特性表達式。 2、 硬件實驗 1. 恒壓源特性驗證 表1-1 不同電阻負(fù)載時電壓源輸出電壓 電阻 0.1 1 10 100 1000 電源電壓（V） 4.92 4.98 4.99 4.99 4.99 2. 電容的伏安特性測量 圖1-5 電容電壓電流波形圖 3. 電感的伏安特性測量 圖1-6 電感電壓電流波形圖 4. 基爾霍夫定律驗證 表1-2 基爾霍夫驗證電路 待測值 I1 I2 I3 計算值 0.366mA 0.978mA 1.344mA 1.34V 測量值 0.364mA 0.975mA 1.35mA 1.35V 相對誤差 5.46 3.07 4.46 7.46 思考題： 1. 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，選定節(jié)點，驗證KCL的正確性。 對于B點， 近似滿足，驗證的KCL的正確性。 2. 驗證KVL 表1-3 驗證KVL 節(jié)點 9 8 計算值 2.32V 0.77V 測量值 2.32V 0.77V 相對誤差 0 0 對于節(jié)點5、9、8、0構(gòu)成的回路： ，， 即驗證了KVL的正確性。 實驗二：電路定律的驗證和受控源仿真 預(yù)習(xí)題： 1. 根據(jù)實驗一中電阻的伏安特性測量方法，請自行設(shè)計實驗方法，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.請運用戴維寧定理，計算圖2-14電路的Rload，Req和Veq，填入表2-3。 3.（補充）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 硬件實驗一：疊加定理驗證 表2-1 驗證疊加定理 實驗內(nèi)容 測量項目 單獨作用 1.14 -0.103 1.03 1.03 單獨作用 -0.155 0.468 0.31 0.31 、共同作用 0.98 0.365 1.34 1.34 表2-2 驗證疊加定理（二極管） 實驗內(nèi)容 測量項目 單獨作用 2.794 -0.254 2.54 2.54 單獨作用 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)實驗數(shù)據(jù)，驗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，單獨作用效果的疊加結(jié)果一樣，即驗證了線性電路的疊加性。 2. 通過實驗步驟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實驗結(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。 硬件實驗二：戴維寧定理驗證 表2-3 測試等效電路的和 計算值 N.C 3.58 5/6k 1k 測量值 4.25 3.55 0.83k 0.99k 表2-4 驗證戴維寧定理 原始電路 0.94 1.88 等效電路 0.93 1.86 思考題： 請自行選定除開路電壓、短路電流法之外的一種測有源二端網(wǎng)絡(luò)開路電壓及等效內(nèi)阻的方法，設(shè)計實驗過程對上面的電路測定，給出實驗方法和測試結(jié)果。 答：用電壓源代替內(nèi)阻，改變電壓源電壓大小，測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。 硬件實驗三：采用運放測試電壓控制電流源（VCCS）特性 1.測試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 實驗三：一階電路的時域分析 1、 仿真實驗 1. 電容特性 實驗任務(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 實驗任務(wù)2 電容中的能量： 電流源提供的能量: 請解釋和之間為什么會存在差異： 答：包含了和兩部分，電阻以熱量形式消耗電流源的能量，而電容儲存能量，即。 實驗任務(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)樵瓉淼亩种唬?0ms時達到的穩(wěn)定值也是原來的一半。 解釋：兩個相同的電容并聯(lián)，等效阻抗變?yōu)樵瓉韮杀叮瑒t電壓變化率和電壓的值均變?yōu)樵瓉硪话搿? 2. 電感特性 實驗任務(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）： 實驗任務(wù)2 圖3-4 電感中電流波形圖（2） 注：圖中流過兩電感的電流相等，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)樵瓉淼膬杀叮?5ms時達到的穩(wěn)定值也是原來的兩倍。 解釋：兩個相同的電感并聯(lián)，等效阻抗變?yōu)樵瓉硪话?，則電流變化率和電流的值均變?yōu)樵瓉韮杀丁? 實驗任務(wù)3 圖3-5 電感電流及節(jié)點2電壓波形 計算得到的電感電流的響應(yīng)： 即 2、 硬件實驗 1.硬件實驗一 實驗任務(wù)1 示波器截圖（100Hz）： 圖3-6 電容上電壓（100Hz） 實驗任務(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候，輸出響應(yīng)的幅度與電路時間常數(shù)的關(guān)系如何？若要作為積分器使用，如圖所示電路的RC時間常數(shù)需要滿足什么條件？ 答：時間常數(shù)越大，輸出響應(yīng)的幅度越小，電容充電來不及完成就開始放電；時間常數(shù)越小，輸出響應(yīng)的幅度越大，但不超過峰峰值。 若要作為積分器使用，需：1.保證電壓變化周期與時間常數(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時間常數(shù)應(yīng)遠(yuǎn)大于5ms（即方波的半個周期長度）。 2. 硬件實驗二 實驗任務(wù)1 圖3-9 電阻上電壓波形圖（100nF） 功能：微分器 解釋：在一個周期中，經(jīng)過一個高電平后，電路進入零輸入響應(yīng)狀態(tài)，此時，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。 實驗任務(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，將方波信號轉(zhuǎn)變?yōu)榧饷}沖信號。 思考：在輸入方波頻率和邊沿時間一定的時候，若輸出響應(yīng)只需要提取輸入信號的邊沿信息，則輸出幅度與電路RC時間常數(shù)的關(guān)系如何？ 答：電路RC常數(shù)越大，輸出幅度越大。 實驗任務(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。 實驗四：RLC電路的頻率響應(yīng) 1、 仿真實驗 1. RLC串聯(lián)電路 實驗任務(wù)1 圖4-1 阻抗幅頻特性和相頻特性截圖 實驗任務(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 實驗任務(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、 硬件實驗 1. RLC低通濾波器 實驗任務(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） 實驗任務(wù)2 圖4-7 幅頻特性和相頻特性曲線 2. RLC帶通濾波器 實驗任務(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 實驗任務(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？實際測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。 　　但由于實驗所用的電感不是理想電感，存在電阻，所以實際測試值和理論值之間存在差異。