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实验讲义电工电子学(三)

实验一直流电路

一、实验目的

1.验证叠加原理和戴维南定理的内容,加深理解其内涵。

2.学习使用稳压电源。

3.掌握用数字万用表测量直流电量的方法。

二、相关知识

叠加原理是线性电路中的普遍性原理,它是指当有几个电源同时作用于线性电路时,电路中所产生的电压和电流等于这些电源分别单独作用时在该处所产生的电压和电流的代数和。在分析一个复杂的线性网络时,可以利用叠加原理分别考虑各个电源的影响,从而使问题简化,本实验通过测量各电源的作用来验证该原理。

戴维南定理是指在线性电路中,任何一个有源二端网络总可以看做一个等效电源,等效电源的电动势就等于该网络的开路电压U O,等效电源的内阻R O等于该网络中所有电源置零(电压源短路,电流源开路)后所得无源网络的等效电阻。如图1—1所示有源二端网络图(a)可以由图(b)等效代替。利用戴维南定理可以把复杂电路化简为简单电路,从而使计算简化。

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(a)(b)

图1—1 有源二端网络及其等效电路

有源二端网络等效内阻R O的三种测量方法:

1.开路短路法。若图(a)的AB端允许短路,可以测量其短路电流I S,再测AB端的开路电压U O,则等效电阻R O=U O/I S。

2.外特性法。在AB之间接一负载电阻R L如图(a)所示,测绘有源二端网

络的外特性曲线U= f(I),该曲线与坐标轴的交点为U O和I S,则R O=U O/I S。

3.直接测量法。使有源二端网络中的电源置零(电压源短路,电流源开路),用万用表电阻挡直接测量AB端的阻值R O。

三、预习要求

1.复习教材中有关叠加定理和戴维南定理的内容,掌握其基本要点,注意其使用条件。

2.阅读实验指导中有关仪器的使用方法:

3.预习本次实验内容,作好准备工作。

(1)熟悉实验线路和实验步骤。

(2)对数据表格进行简单的计算。

(3)确定仪表量程。

四、实验线路原理图

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图1—2 叠加定理实验线路图

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图1—3 戴维南定理实验原理图图1—4 戴维南等效电路

五、实验设备

1.THHE—1型高性能电工电子技术实验台(双路稳压电源、数字

电压表、数字电流表)。

2.直流电路实验箱。

3.电阻箱。

六、实验内容及步骤

(一)叠加定理实验:

1.熟悉实验台,用数字万用表测量R1、R2、R L的电阻值,把结果填入表1—1中。

2.利用电阻的实测值分别计算E1、E2单独作用及共同作用时各电阻上的电压值,填入表1—1中。

3.调节双路稳压电源,使一路输出电压为E1= 4V,另一路输出电压为E2= 6V (用数字万用表测量),关闭稳压电源待用。

4按图1—2接好电路,检查无误后在下面三种情况下分别测量各电阻上的电压U R1、U R2、、U R3,填入表1—1,注意各电压的参考方向要始终保持一致。

(1)把S1、S2合向1,测量E1、E2共同作用时各电压电流值。

(2)把S1合向1,S2合向2,测量E1单独作用时各电压电流值。

(3)把S1合向2,S2合向1,测量E2单独作用时各电压电流值。

表1—1R1=1kΩR2=2kΩR L=5kΩ

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注意:在做实验前,先要经过计算,把“电压计算值”填入表中。

(二)戴维南定理实验:

1.熟悉实验台,按图1—3连接电路并自查。

2.测量有源二端网络的外特性。

(1)调节R L使负载电阻为表1—2的数值,测量负载电压U L和电流I L,把结果填入表1—2中。

3.测量有源二断网络的戴维南等效电路。

(1)将负载断开,用数字电压表测量二端口网络的开路电压U O。U O= V (填入图1—4中)。

(2)关闭电源E1和E2,用导线短路E1、E2使其置零,用万用表电阻档测量AB间的等效电阻R O。R O= Ω。

4.测量戴维南等效电路的外特性。

(1)将稳压电源的输出电压调至U O处,使R1和R2并联作为R O,按图1—4连接电路。

(2)在R L为表1—2中不同数值时,测量负载电压U L和I L电流,填入表1—2中。

表1—2

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七、实验报告要求

1.根据表1—1的实测数据验证叠加原理的正确性,把理论计算值与实际测量值进行比较,分析误差原因。

2.根据图1—3计算戴维南等效电路的U O、R O,并与实测值进行比

较。

3.戴维南等效电路中的等效电阻有几种方法求得,试说明之。

4.按表1—2中的数据,分别做出有源二端网络和戴维南等效电路的外特性曲线U= f(I),并比较之。(画在同一坐标内,以便比较)

实验二 单相交流电路及功率因数的提高

一、实验目的

1.通过RL 串联电路的实验掌握单相交流电路的电压、电流、复阻抗之间的相量关系,有效值关系。

2.熟悉日光灯电路的组成,各元件的作用及日光灯的工作原理,学会日光灯电路的联接,了解线路故障的检查方法。

3.掌握交流电路的电压,电流和功率的测量方法。 4.练习并掌握感性负载提高功率因数的方法。

二、相关知识

镇流器是一个铁心线圈,其电感L 比较大,而线圈本身具有电阻R 1。日光灯在稳态工作时近似认为是一个阻性负载R 2。镇流器和灯管串联后接在交流电路中如图2—1所示,可以把这个电路等效为RL 串联电路如图2—2所示。

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图2—1 日光灯电路 图2—2 日光灯等效电路

根据图2—2和图2—3相关计算如下: 镇流器的等效复阻抗:

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电感线圈的电阻:

图2—3 RL 串联电路相量图

电感线圈的感抗:

I

U Z RL RL =

L

RL Z R φcos 1?=21

2

R Z X RL L -=

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f

X L L π2=

电感线圈的电感:

日光灯等效电阻:

电路消耗的有功功率: 或:

因镇流器本身的电感较大,故整个电路的功率因数较低,为了提高电路的功率因数,可以采用在日光灯两端并联电容的办法见图2—1。电路并联电容以后,由于电容的无功电流抵消了一部分日光灯电流中的感性无功分量,所以总电流将减小,电路的功率因数被提高。由于电源电压是固定的,并联电容器并不影响感性负载的工作,即日光灯支路的电流,功率和功率因数并不随并联电容的大小而改变,仅是电路的总电流及总功率因数发生变化。提高电路的功率因数能够减小供电线路的损耗及电压损失,提高电源设备的利用率而又不影响负载的工作。所以并联电容器提高电路的功率因数的方法被供电部门广泛采用。如果要将功率因数cos φ提高到cos

φ',所并联电容的大小计算如下:

φ——电路的功率因数角。 φ'——提高后的功率因数角。

ω= 2πf ——电源的角频率。 图2—4 日光灯并联电容相量图

三、预习要求

1.复习RL 串联电路及RLC 混联电路的电压,电流之间的相量关系。 2.阅读附录了解日光灯电路各元件的作用及其工作原理。 3.熟悉日光灯电路的接线图。

I

U R R =

cos UI P =)

R R (I P 212+=UI P =

φcos I U P

'=

'φcos )(2

φφω'-?=tg tg U P C

四、实验设备

1.THHE—1型高性能电工电子实验台(日光灯设备1套、功率表1只、交流电压表1只、交流电流表1只、电流表插口3个)。

2.交流电路实验箱1个。

3.元件箱1个。

4.电流表插头1个。

五、实验线路图

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图2—5 日光灯实验电路图

六、实验内容及步骤

1.熟悉实验台上有关设备,按图2—5接好线路。注意电容器要同时接入电路中并断开电容开关待用,注意功率表的接线和读数方法。

2.经教师检查线路无误后接通电源。注意观察日光灯的起动情况。

3.测量日光灯电路的端电压U,灯管电压U R,镇流器电压U RL,电路电流I 及有功功率P,把测得的数据填入表2—1中。

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4.在日光灯电路中并联不同容量的电容如1μF,记录电源电压U,总电流I',日光灯支路电流I R,电容支路电流I C,有功功率P的值填入表2—2中,计算并入电容后的功率因数填入表该表中。

5.当日光灯点燃后,将启动器取掉,观察日光灯是否熄灭。

6.关断电源后重新合闸,观察日光灯是否起动。用一根绝缘导线两断短路启动器,观察日光灯状况,然后断开导线,观察日光灯是否点燃。

表2—2

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七、实验报告要求

1.计算图2—2中不同电容值时的功率因数,填入表2—2。

2.根据实测数据说明当并入的电容值逐渐增大时,日光灯支路电流,电容支路电流,总电流有无变化,如何变化。

3.并联电容可以提高电路的功率因数,是否并联的电容越大越好,试分析其原因。

4.并联电容后日光灯支路的功率因数是否提高,为什么?

5.实验中若出现故障,试分析其原因,若启动器损坏,如何点亮日光灯?七、注意事项

1.注意电源电压要与日光灯额定电压相符,切勿接在380V电源上。

2.注意功率表的接线方法,分清电压线圈和电流线圈的端子,电压线圈要与被测电路并联,电流线圈要与被测电路串联,并且两个线圈的对应端子(同名端)应接在电源的同一点上。

3.电流表不接入电路,要接在电流表插头上,把电流插口按图2—5接入电路。实验时,根据需要把电流插头插入电流插口中,测量电流。

4.该实验用日光灯电路模拟RL串联电路,但实际日光灯端电压波形不为正弦波,所以用数字电压表测出的交流电压是近似值。

八、附录

1.日光灯电路元件及其作用

日光灯的电路由灯管,镇流器,启动器三个部分组成。

(1)灯管:日光灯的灯管是一个玻璃管,在管子的内壁均匀地涂有一层荧光粉,灯管两端各有一个阳极和灯丝,灯丝是用钨丝绕制而成的,它的作用是发射电子。在灯丝上焊有两根镍丝作为阳极,它和灯丝具有同样的电位,它的主要作用是当它的电位为正时吸收部份电子,以减少电子对灯丝的冲击。

灯管内充有惰性气体(如氩气,氪气)与水银蒸气。由于水银蒸气存在,当管内产生弧光放电时,会放射出紫外线,这紫外线照在荧光粉上就会发出荧光。日光灯管的结构如图2-6所示。

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图2—6 日光灯管剖面图图2—7启动器

(2)镇流器:镇流器是与日光灯管相串联的一个元件。实际上是一个绕在硅钢片铁心上的电感线圈。镇流器的作用是,一方面限制日光灯管的电流,另一方面在日光灯起燃时由于线路中的电流突然变化而产生一个自感电动势(即高电压)加在灯管两端,使灯管产生弧光。镇流器必须按电源电压与日光灯的功率配用,不能互相混用。

(3)启动器;启动器的构造是封在玻璃泡(内充惰性气体)内的一个双金属片和一个静触片,外带一个小电容器,同装在一个铝壳里,如图2—7所示。双金属片由线膨胀系数不同的两种金属片制成。内层金属的线膨胀系数大,在双金属片和静触片之间加上电压后,管内气体游离产生辉光放电而发热。双金属片受热以后趋于伸直,使得它与静触片接触而闭合。这时双金属片与静触片之间的电压降为零,于是辉光放电停止,双金属片经冷却而恢复原来位置,两个触点又断开。为了避免启动器中的两个触点断开时产生火花,将触点烧毁,通常用一只小电容器与启动器并联。

2.日光灯的起燃过程:

刚接上电源时,灯管尚未放电,启动器两端是断开的,电路中没有电流。电源电压全部加在启动器上,使它产生辉光放电并发热。双金属片受热膨胀使之与静触片闭合,将电路接通。电流通过灯管两端的灯丝,灯丝受热后发射电子,这时启动

器的辉光放电停止。双金属片冷却后与静触片断开,在触电断开的瞬间,镇流器产生了相当高的电动势(800V~1000V)。这个电动势与电源电压一起加在灯管两端,使灯管中的氩气电离放电,氩气放电后,灯管温度升高,水银蒸气气压升高,于是过度到水银蒸气电离放电,产生较大的电弧而导通。灯管中的弧光放电发出的大量紫外线,照射到管壁所涂的荧光粉上使它产生象日光一样的光线。

灯管放电后,大部分的电压降落在镇流器上。灯管两端的电压,也就是启动器两触点的电压较低,不足使启动器放电,因此它的触点不在闭合。

在灯管内两端电极交替起阳极作用,即A端电位为正时,B端发射电子而A 端吸收电子。当B端电位为正时,A端发射电子而B端吸收电子。

实验三 集成运算放大器的基本应用

一、实验目的

1.加深理解集成运算放大器的性质和特点。

2.通过实验测试,验证由集成运放组成的比例、加法、减法和积分各基本运算电路输出电压和输入电压之间的函数关系,并掌握这些电路的基本功能和特点。

3.学习用集成运放组成比较器,掌握比较器的电路结构及特点。 4.了解运算放大器在实际应用时应考虑的一些问题。

二、实验内容说明

集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。当外部

接入不同的线性或非线性元件组成输入和负反馈电路时,可以灵活地实现各种特定的函数关系。在线性应用方面,可组成比例、加法、减法、积分等模拟运算电路。

1. 反向比例运算电路

电路如图5-1所示。对于理想运放,该电路的输出电压与输入电压间的关系为

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图5-1 反向比例运算电路 图5-2 同向比例运算电路

为了减小输入级偏置电流引起的运算误差,在同相输入端应接入平衡电阻

ui

R R uo F 1

-=

R 2=R 1//R F 。

2. 同相比例运算电路

同相比例运算电路如图5-2所示,它的输出电压与输入电压之间的关系为

ui R R uo F

)1(1

+

= R 2=R 1//R F

当R 1→∞时,Uo=Ui ,可得到电压跟随器。并选R 2=R F ,用以减小漂移和起保护作用。

3. 反向加法电路

电路如图5-3所示,输出电压与输入电压之间的关系为

)(

22

11i F i F u R R

u R R uo +-= R 3=R 1//R 2//R F

4.减法运算电路

图5-4所示的减法运算电路,当R 1=R 2,R 3=R F 时,有关系如下

)(121

i i F

u u R R uo -=

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图5-3 加法运算电路 图5-4 减法运算电路

三、预习要求及思考题

1.复习教材中集成运放的基本知识,了解实验中各电路的工作原理。

2.预习实验教材,了解实验内容、步骤,熟悉接线图。

四、实验设备与器件

1.SXJ-3B型模拟电路学习机

2.函数发生器

3.双踪示波器

4.万用表

五、实验步骤

1.反向比例运算电路

1)按图5-1连接实验电路,按表5-1中数据调节输入电压Ui,用万用表直流电压档测输出电压U O,并将数据记入表5-1中。

表5-1

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(注意:在做实验前,先要经过计算,把“理论估算值”填入表中)

2.同相比例运算电路

1)按图5-2连接实验电路。实验步骤同上,将结果记入表5-2中。

5-2

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2)将图5-2中R1断开,重复内容1),将结果记入表5-3中。

表4--3

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(注意:在做实验前,先要经过计算,把“理论估算值”填入表中)

3.加法运算电路

1)按图5-3连接实验电路。

2)按表5-4中数据调节输入电压U i1、U i2,用万用表直流电压档测输出电压U O ,并将数据记入表5-4中。 表4--4

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(注意:在做实验前,先要经过计算,把“理论估算值”填入表中)

4. 减法运算电路 1)按图5-4连接实验电路。

2) 按表5-5

中数据调节输入电压U i1、U i2,用万用表直流电压档测输出电压U O ,并将数据记入表5-5中。 表5-5

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(注意:在做实验前,先要经过计算,把“理论估算值”填入表中)

六、实验注意事项

1.实验前应看清运放组件各管脚的位置;切忌正、负电源极性接反和输出端短路,否则将会损坏集成块。

2.实验接线前必须先断开总电源与各分电源开关,严禁带电接线。

3.接线完毕,检查无误后再插入相应的集成电路芯片才可通电,也只有在断电后方可插拔集成芯片。严禁带电插拔集成芯片。

4.做比例运算电路实验时,输入信号幅度不能太大。

七、实验报告

1.整理实验数据。

2.将实测数据和理论计算结果相比较,分析产生误差原因。

实验四组合逻辑电路的设计

一、实验目的

通过组合逻辑电路的设计,使学生掌握按要求设计一个组合逻辑电路的方法。从中进一步掌握基本逻辑门的应用。培养设计能力,从而提高创新能力。

二、实验要求

根据逻辑要求设计出逻辑电路,并按要求用逻辑芯片芯片连接电路,实现逻辑要求。

三、实验预习要求

1.分析设计任务,制定设计方案。

2.画出设计电路图。

3.提出所需器材。

4.可选择的实验方案

(1)设计三人表决电路;

(2)设计一个判一致电路;

(3)设计一个半加器;

(4)设计一个全加器;

(5)设计一个检码电路;

(6)设计一个成绩统计电路

(7)其他

四、实验设备

数字电路实验箱(+5V电源各种逻辑芯片点平开关数码管脉冲信号源等)五、实验步骤

选择一种设计方案→逻辑电平设定→列逻辑状态表→写逻辑式用逻辑代数(或卡诺图)化简或变换为与非表达式(或根据芯片资源化成其他逻辑表达式)→用相关芯片连接电路→调试→实现逻辑要求。

六、实验报告要求

1.自拟设计方案,完成实验的每一个步骤。

2.实验过程中如有遇到的问题,如何解决。

3.通过自己设计电路有何收获和体会。