电路基础实验教材

实验一 基本电路元件的伏-安特性

一、 实验目的：

1、 掌握几种电路元件的伏-安特性的测试方法。 2、 掌握实际电压源和电流源的调节方法。 3、 学习常用电工仪器仪表的使用方法。

二、 实验线路及原理

电路的基本元件包括电阻元件、电感元件、电容元件、独立电源元件；晶体二极管、双极性晶体管和绝缘栅型场效应晶体管。为了实现某种应用目的，就需要将某些电工、电子器件或设备按一定的方式互相连接，构成电路。其基本特征是电路中存在着电流通路。

在电路中，电路元件的特性一般用该元件上的电压U 与通过元件上的电流I 之间的函数关系U =f (I ) 来表示，这种函数关系称为该元件的伏-安特性。有时也称外特性（电源的外特性是指它的输出端电压和输出电流之间的关系）。在U 、I 坐标平面内将伏-安关系绘成曲线，这种曲线就叫做伏安特性曲线或外特性曲线。

如果电路元件的伏-安特性曲线在Ｕ-Ｉ平面上是一条通过坐标原点的直线，则该元件称为线性元件。如果电路元件的伏-安特性曲线在Ｕ-Ｉ平面上不是一条直线，则该元件称为非线性元件。

本实验中用到的元件有线性电阻、白炽灯泡，二极管、稳压管及电源常见电路元件。其中线性电阻的伏－安特性是一条过原点的直线，即服从欧姆定律（U =RI ），如图？？？？所示，该直线的斜率等于该电阻的阻值。白炽灯泡在工作时灯丝处于高温状态，其灯丝的电阻随着温度的变化而发生变化，并且具有应一定的惯性，因此其伏－安特性为一条曲线，如图？？？所示。可见电流越大，温度越高，对应得电阻也越大，一般灯泡的冷电阻与热电阻可相差几倍到几十倍。一般半导体二极管和稳压管也是非线性元件，锗二极管两端的电压小于0.4V 时，锗二极管基本处于关闭状态，其通过电流很小，当其两端的电压大于0.4V 时，锗二极管基本处于导通状态，其通过电流很大；硅二极管的导通电压为0.7V 。稳压管则是利用二极管的反向特性，当稳压管两端电压达到一定的值以后，其端电压保持恒定不变，即不随外加电压的变化而变化，即稳压。

三、实验设备

１、直流稳压电源 ２、直流电流表 ３、直流电压表 ４、被测电路元件

１ １ １ １

四、实验内容及步骤

１、测量线性电阻的伏－安特性。按图接线，调节直流稳压电源的输出（从小到大），分别测出电阻Ｒ的电流和电压，将测量数据填入下表。 ２、测量白炽灯泡的伏－安特性。将电阻去掉，接入白炽灯泡，调节直流稳压电源的输出（注意：白炽灯泡的最大电压值），分别测出白炽灯泡的电流和电压，将测量数据填入下表。 ３、测量二极管的伏－安特性。将白炽灯泡去掉，接入二极管（注意二极管的导通方向），调节直流稳压电源的输出（注意：锗二极管导通电压0.4V ，硅二极管导通电压0.7V ），分别测出二极管的电流和电压，将测量数据填入下表。

五、实验注意事项

１、实验时，不能将被测元件直接接到电源两端，以防短路，一定要接入200Ω电阻限流。 ２、每次测量前，应调节直流稳压电源输出0V ，实验时，直流稳压电源输出应从小到大慢慢调节，并注意所测元件额定电压和额定电流，测量时不要超过其额定电压和额定电流，否则，将损坏被测元件。

３、注意二极管的接线方法。

六、思考题

１、用电压表和电流表测量元件的伏－安特性时，电压表可接在电流表之前或之后，两者对测量误差有何影响？实际测量时应跟据什么原则？ ２、分析误差原因。

实验二 叠加原理

一、实验目的

1、验证线性电路的叠加性。 2、熟练掌握仪器仪表的使用。

二、实验线路及原理

在线性电路中，有多个独立源共同作用下时，通过每一个元件的电流或其两端的电压，

可以看成是每一个独立源单独作用时在该元件上所产生的电流或电压的代数和。 线性电路的齐次性是指当激励信号（某独立源的值）增加或减小K 倍时，电路的响应（即在电路中各电阻元件上所建立的电流值和电压值）也将增加或减小K 倍。

Us 1=10V

Us 2=6V

三、实验设备

1、直流稳压电源 2 2、直流稳流电源 1 3、直流电压表 1 4、直流电流表 1 4、叠加原理电路实验单元 1

四、实验内容及步骤

1 按图接线，将两路稳压电源的输出分别调节为10V 和5V ，接入U s 1和U s 2处。调节电流源输出5mA ，暂不接入电路中。

2 令U s 1电源单独作用（将开关K 1投向U s 1侧，开关K 2投向短路侧，电流源开路），用直流电压表测量元件两端的电压，并将数据记入表中。

3 令U s 2电源单独作用（将开关K 1投向短路侧，开关K 2投向U s 2侧，电流源开路），用直流电压表表测量元件两端的电压，并将数据记入表中。

4令I s 电源单独作用（将开关K 1、K 2投向短路侧，接入电流源），用直流电压表测量元件两端的电压，并将数据记入表中。

5 令U s 1、U s 2、I s 共同作用（开关K 1和K 2分别投向U s 1和U s 2侧，接入电流源），用直流电压表测量元件两端的电压，并将数据记入表中。

五、实验注意事项

（1） 用电压表测量电压降时，应注意仪表的极性，正确判断测得值的正、负后，将

数据记入表中。

（2） 注意电流源的使用，电流源不起作用时，应断开联线。 （3） 注意仪表量程的选择。

六、思考题

（1） 在叠加原理实验中，在U s 1、U s 2分别单独作用，应如何操作？可否直接将不

作用的电源（U s 1或U s 2）短接置零？

在实验电路中，若有一个电阻器改为二极管，试问叠加原理得叠加性与齐次性还成立吗？为

什么？

实验三 戴维南定理和诺顿定理的验证

一、实验目的

（1） 验证戴维南定理和诺顿定理的正确性，加深对该定理的理解。 （2） 掌握测量有源二端网络等效参数的一般方法。

二、实验线路及原理

1．戴维南定理和诺顿定理 任何一个线性含源网络，如果仅研究其中一条支路的电压和电流，则可将电路的其余部分看作是一个有源二端网络（或称为含源一端口网络）。

戴维南定理指出：任何一个线性含源网络，总可以用一个电压源与一个电阻的串联来等效代替；此电压源的电动势U S 等于这个有源二端网络的开路电压U OC ，其等效内阻R 0等于该网络中所有独立源均置零（理想电压源视为短路，理想电流源视为开路）时的等效电阻。 诺顿定理指出：任何一个线性含源网络，总可以用一个电流源与一个电阻的并联组合来等效代替；此电流源的电流I S 等于这个有源二端网络的短路电流I SC ，其等效内阻R 0等于该网络中所有独立源均置零（理想电压源视为短路，理想电流源视为开路）时的等效电阻。 U OC （U S ）和R 0，或者I SC （I S ）和R 0称为有源二端网络的等效参数。

L

戴维南定理和诺顿定理实验原理图

2．有源二端网络等效参数的测量方法

（1）开路电压、短路电流法测R 0：在有源二端网络输出端开路时，用电压表直接测其输出端的开路电压U OC ，然后再将其输出端短路，用支流表测其短路电流I SC ，则等效内阻为

R 0=

U OC

I SC

如果二端网络的内阻很小，若将其输出端口短路则易损坏其内部元件，因此不宜用此法。

（2）伏-安法测R 0：用电压表、电流表测出有源二端网络的外特性曲线，如图7-1所示。根据外特性曲线求出斜率tan Φ，则内阻：R 0=tan Φ=

∆U U OC

=

∆I I SC

三、实验设备

1、可调直流稳压电源 1 2、可调直流恒流电源 1 3、直流数字电压表 1 4、直流数字毫安表 1 5、可调电阻箱 1

四、实验内容及步骤

1、参数测量。按图接线，调节稳压电源U S =10V和恒流源I S =5mA，调节负载R L 。测出U AB 和I R ，特别注意要测出R L =0（测出I SC ）和R L =∞（测出U OC ）时的电压、电流值，将数据填入下表中。

2、等效电阻测量。根据第1步所测数据，通过公式R 0=

U OC

可直接计算其等效电阻R 0。I SC

或者将电流源去掉（开路），将电压源去掉，用一根导线将其连接（短接），用万用表直接测量AB 两段电阻，即R 0。

3、 验证戴维南定理：按图接线，调节电压源U S =U OC ，与R 0串联，构成一实际电压源模

型。调节负载R L 。测出U A ' B ' 和I R ' ，将数据填入下表中。

4、验证诺顿定理：按图接线，调节电流压源I S =I SC ，与R 0并联，构成一实际电流源模型。调节负载R L 。测出U A ' ' B ' ' 和I R ' ' ，将数据填入下表中。

实验注意事项

1、测量时应注意电流表量程的更换。

2、万用表直接测R 0时，网络内的独立源必须先置零，以免损坏万用表。其次，欧姆挡必须调零后再进行测量。

六 、 思考题

（1） 根据实验数据，画出其特性曲线，验证戴维南定理和诺顿定理的正确性，并分

析产生误差的原因。 （2） 根据步骤（1）、（2）测得的U OC 、I SC 、R 0值和电路计算的结果作比较，能得出什么结论。

（3） 归纳、总结实验结果。

实验四 功率因数提高

一、实验目的

（1）熟悉日光灯的接线，做到能正确迅速连接电路。

（2）通过实验了解功率因数提高的意义和方法。 （3）熟练功率表的使用。

二、原理说明 1.提高功率因数的意义

在正弦交流电路中，电源发出的功率为p =ui cos ϕ。其中cos ϕ称为功率因数，ϕ为总电压与总电流之间的相位差，即负载的阻抗角。发电设备将电能输送给用户，用户负载大多数为感性负载（如电动机、日光灯等）。感性负载的功率因数较低，会引起以下两个问题：

（1） 发电设备的容量不能充分利用。发电设备的容量S =UI 。 在额定工作状态时，发电设备发出的有功功率P =UI cos ϕ，只有在电阻性负载（如白炽灯、电炉等）电路中cos ϕ=1；而对于感性负载，cos ϕ

（2） 增加线路和发电设备的损耗。当发电机的电压u 和输出功率

p 一定时，cos ϕ越低，电流i 越大，将引起线路和发电设备损耗的增加。

综上所述，提高电网的功率因数，对于降低电能损耗、提高发电 设备的利用率和供电质量具有重要的经济意义。

2. 提高功率因数的方法

针对实际用电负载多为感性且功率因数较低的情况，简单而又易 于实现的提高功率因数的方法就是在负载两端并联电容器。

负载电流中含有感性无功电流分量，并联电容器的目的就是取其

容性无功电流分量补偿负载感性无功电流分量。如图14-1所示，并联电容器以后，电感性负载本身的电流I L 和负载的功率因数cos ϕ1均未改变，但电源电压U 与线路电流I 之间的相位差ϕ减小了，即cos ϕ增大了。这里所说的功率因数的提高，指的是提高电源或电网的功率因数，而负载本身的功率因数不变。改变电容器的数值可以不同程度的补偿，合理地选取电容的数值，便可以达到所要求的功率因数。

实验中以日光灯（连同镇流器）作为研究对象，日光灯电路属于感性负载，但镇流器有铁心，它与线性电感线圈有一定差别；严格地说，日光灯电路为非线性负载。

。

。

。

C

3. 日光灯的电路结构和工作原理

（1）灯管。 日光灯灯管两端装有发射电子用的灯丝，管内冲有惰性气体及少量的水银蒸气，管内壁上涂有一层银光粉。当灯管两端灯丝加热并在两端加上较高电压时，管内水银蒸气在电子的撞击下游离放电，产生弧光。弧光中的射线射在管壁的荧光粉上就会激励发光。灯管在放电后只需较低的电压就能维持其继续放电。因而要使日光灯管正常工作，则必须在启动时产生一个瞬间较高电压，而在灯管后又能限制其工作电流，维持灯管两端有较低电压。

（2）启辉器（跳泡）。 它是一个小型辉光放电管，管内冲有氖气。它有两个电极：一个是由膨胀系数不同的U 型双金属片组成，称可动电极；另一个是固定电极。为了避免在断开时产生火花烧毁电极，通常并联一个小电容。启辉器实际上起一个自动开关的作用。

（3）镇流器。 他是一个带铁心的电感线圈。其作用是在日光灯启动时产生一个较高的自感电动势去点燃灯管，灯管点燃后它又限制通过灯管的电流，使灯管两端维持较低的电压。

在接通电源瞬间，由于启辉器是断开的，日光灯电路中并没有电流。电压全部加在启辉器两极间，使两极间气体游离，产生辉光放电。此时两极发热，U 型双金属片受热膨胀，与固定电极接触。这是电路构成闭合回路，于是电流通过灯丝使灯丝加热，为灯丝发射电子准备了条件。

启辉器两极接触时，两极间电压就下降为零，辉光放电立即停止。金属片冷却收缩，与固定电极断开。在断开的瞬间电路中电流突然下降为零，于是在镇流器两端产生一个较高的自感电动势。它与电源一起加在灯管两端，使灯管内水银蒸气游离放电。放电发生的射线使管内壁的荧光粉发出可见光，此时启辉器已不再起作用了，电流直接通过灯管与镇流器构成闭合回路。镇流器起限流作用，使灯管两端电压能维持自身放电即可。

三、实验设备

1、交流电压表 1 2、交流电流表 1

3、功率表 1 4、日光灯套件 1 5、电容箱 1

四、实验步骤及内容

（1）按图14-3所示电路连接。在各支路串联接入电流表插座，再将功率表接入线路，按图接线并经检查后，接通电源，电压增加至220V 。

（2）改变可变电容箱的电容值，先使C =0，测量电源电压U 、镇流器二端的电压U L 、日光灯灯管二端的电压U A ，读取总电流I 、灯管电流I L 、电容支路电流I C 及功率表读数P 。

（3）逐渐增加电容C 的数值，测量电源电压U 、镇流器二端的电压U L 、日光灯灯管二端的电压U A ，读取总电流I 、灯管电流I L 、电容支路电流I C 及功率表读数P 。并将实验数据记录表14-2中。

五、注意事项

（1）日光灯启动电压随环境温度会有所改变，一般在180V 左右可启动，日光灯启动

时电流较大（约0.6A ）注意仪表量程选择。

（2）功率表的同名端按标准接法连接在一起，否则功率表中模拟指针表反向偏转，数字表则无显示。

（3）使用功率表测量应选择相应电压、电流量程开关，否则产生不适当显示。 （4）本实验入数据不符合理论规律首先检查供电电源波形是否过分畸变，因目前电网波形高次谐波分量相当高，如能在进线前装一个电源进线滤波器，这将是抑制谐波分量的有效措施。

六、思考题

1、在什么场合下需要提高功率因数？ 2、完成上述数据测试，并列表记录。 3、汇出总电路i =f (c )曲线，并分析讨论。 4、汇出cos ϕ=f (c )曲线，并分析讨论。

实验五 三相交流电路电压、电流的测量

一、实验目的

（1）掌握三相负载作星形联接、三角形连接的方法；验证这两种接法时的线电压、相

电压及线电流、相电流之间的关系。

（2）充分理解三相四线供电系统中中线的作用。

二、实验线路及原理

（1）三相负载可接成星形（又称“Y ”接）或三角形（又称“∆”接）。当三相对称负载作Y 形联接时，线电压U L 是相电压U P 的倍。线电流I L 等于相电流I P ，即：

U L =3U P ， I L =I P

在这种情况下，流过中线的电流I 0=0，所以可以省去中线。 当对称三相负载作∆形连接时，有：

I L =

I P ， U L =U P

（2）不对称三相负载作Y 形接线时，必须采用三相四线制接法，即Y 0接法。而且中线必须牢固连接，以保证三相不对称负载的每相电压维持对称不变。

尚若中线断开，会导致三相负载电压的不对称，致使负载轻的那一相的相电压过高，是负载遭受损坏；负载重的那一相相电压又过低，使负载不能正常工作。尤其是对于三相照明负载，无条件的一律采用Y 0接法。

（3）当不对称负载作∆连接时，I L ≠

I A

A 3I P ，但只要电源的线电压U L 对称，加在三

相负载上的电压仍是对称的，对各相负载工作没有影响。

B C

N

I A

A B C

三、实验设备

1、交流电压表 1 2、交流电流表 1 3、三相灯组负载 1 4、三相自耦调压器 1

四、实验内容及步骤

1.三相负载星形联接（三项四线制供电）

按图22-1线路组接实验电路。该三相灯组负载经三相自耦调压器接通三相对称电源。实验时将三相调压器的旋柄置于输出为0V 的位置（即逆时针旋到底）。经指导老师检查合格后，方可开启实验台电源，然后调节调压器的输出，使输出的三相线电压为220V ，按下述内容完成各项实验：分别测量三相负载的线电压、相电压、线电流、相电流、中线电流、电源与负载中点间的电压。将测得的数据记入表22-2中，并观察各组灯组亮暗的变化程度，特别要注意观察中线的作用。

2. 负载三角形接法

按图22-2改接线路，经指导教师检查合格后接通三相电源，并调节调压器，使其输出线电压为220V ，并按表22-3的内容进行测试。

五、实验注意事项

（1）在本实验采用三相交流市电，线电压为380V ，实验时要注意人身安全，不可触及

到带电部件，防止意外事故发生。

（2）每次接线完毕，同组同学应自查一遍，然后经指导教师检查后，方可接通电源，必须严格遵守先断电、再接线、后通电；先断电、后拆线的实验操作原则。

（3）电流测量，必须使用电流专用测量插头。

六、思考题（1）三相负载根据什么条件作星形或三角形连接？

（2）试分析三相星形联接不对称在无中线情况下，当某相负载开路或短路时会出现什么情况？如果接上中线，情况又如何？

实验六 一阶电路的响应

一、实验目的

1、学习用示波器观察和分析电路的响应。 2、研究RC 电路在零输入、零状态响应。 3、掌握从响应曲线中求时间常数τ的方法。

二、实验线路及原理

含有L 、C 储能元件（动态元件）的电路，其响应可以由微分方程求解。凡是可用一阶微分方程描述的电路，成为一阶电路。一阶电路通常由一个储能元件和若干个电阻元件组成。

所有储能元件初始值为零的电路对激励的响应称为零状态响应。对于图14-1所示的一阶电路，当t=0时开关K 由位置2转到位置1，直流电源经R 向C 充电。有方程：

u C +RC

d u C dt

=U S t ≥0

由初始值 u C (0-) =0

可以得出电容的电压和电流随时间变化的规律，即零状态响应方程为：

t

u C (t ) =U S (1-e τ) U S -τ

i C (t ) =e

R

t

-

t ≥0t ≥0

上述式子表明，零状态响应是输入的线性函数。其中，τ=RC 具有时间的量纲，称为时间常数，是反映电路过渡过程快慢的物理量。τ越大，暂态响应所持续的时间越长，即过渡过程的时间越长。反之，τ越小，过渡过程的时间越短。

电路在无激励情况下，由储能元件的初始状态引起的响应称为零输入响应。在图14-1中，当开关K 置于位置1，u C (0-) =U 0 时，在将开关K 转到位置2，电容器的初始电压u C (0-) 经R 放电。由方程：

u C +RC

du C

=0 t ≥0 dt

和初始值 u C (0-) =U 0

可以得出电容上的电压和电流随时间变化的规律，即零输入状态响应方程为：

u C (t ) =u C (0-) e τ t ≥0

u (0) -

i C (t ) =-C -e τ t ≥0

R

零输入状态响应方程式表明，零输入响应是初始状态的线性函数。

电路在输入激励和初始状态共同作用下引起的响应称为全响应。对图14-2所示的电路，当t=0时合上开关K ，则描述方程为：

t

-

t

u C +RC

由初始值 u C (0-) =U 0 可以得出全响应方程式：

d u C dt

=U S

u C (t ) =U S (1-e τ) +u C (0-) e

t

-

t

-

t

τ

t

=[u C (0-) -U S ]e

-

t

τ

+U S t ≥0

U S -τu C (0-) -τU S -u C (0-) -τ

i C (t ) =e -e =e t ≥0

R R R

t

U U c (t)图14-1 零输入响应与零状态响应 图14-2 全响应

全响应方程式表明：

（1）全响应是零状态分量和零输入分量之和，它体现了线性电路的可加性。

（2）全响应也可以看成是自由分量和强制分量之和。自由分量的起始值和初始状态与输入有关，而随时间变化的规律仅仅决定于电路的R 、C 参数。强制分量则仅与激励有关。当t →∞时，自由分量趋于零，过渡过程结束，电路进入稳态。

对于上述零状态响应、零输入状态响应和全响应的一次过程，u C (t ) 和i C (t ) 的波形可以用长余辉示波器直接显示出来。示波器工作在慢扫描状态，输入信号接在示波器的直流输出端。

如果电路时间常数τ足够大（如大于20秒以上），则可用一般电工仪表逐点测出电路在换路后各给定时刻的电流或电压值，然后画出u C (t ) 和i C (t ) 的响应曲线

RC 电路充放电时间常数τ可以从响应波形中估计出来。设时间坐标单位t 确定，对于充电曲线来说，幅值上升到终值的63.2%所对应的时间即为一个τ，如图14-3（a ）所示；对于放电曲线，幅值下降到初值的36.8%所对应的时间即为一个τ，如图14-3（b ）所示。

（a ） （b ）

图14-3 RC电路充放电波形图

三、实验设备

1、函数信号发生器 1 2、双踪示波器 1 3、电阻箱 1 4、电容箱 1

四、实验内容

1、测定RC 电路的零输入响应

U S 为直流电压源，实验电路如图14-1所示。电容C 为大于1000μF的大容量电解电容。

电路达到稳态以后，开关再由位置1转到位置2，即可观察到零输入响应的波形。分别改变电阻R 、电容C 、电压U S 的数值，观察并描绘出零输入响应和零状态响应时u C (t ) 和i C (t ) 的波形。

表14-1： RC 电路的零输入响应测量数据表

2、测定RC 电路的零状态响应。

开关K 首先置于位置2，当电容器电压为零后，开关由位置2 转到位置1，即可用示波器观察到零状态响应的波形；分别改变电阻R 、电容C 、电压U S 的数值，观察并描绘出零状态响应时u C (t ) 和i C (t ) 的波形。

表14-2： RC 电路的零输入响应测量数据表

五、实验注意事项

1、用示波器观察相应的一次过程时（见图14-3），扫描时间要选取适当，当扫描亮点开始在荧光屏左端出现时，立即合上开关K 。

2、在观察u c (t)和i c (t)波形时，由于其幅值相差较大，因此要注意调节Y 轴的灵敏度。 3、如果直接用电工仪表逐点测出电路在换路后各给定时刻的电流或电压值，时间常数τ要足够大。

六、思考题

1、当电容具有初始值时，RC 电路在阶跃激励下是否会出现没有暂态的现象，为什么？ 2、如何用实验方法证明全响应是零状态响应分量和零输入响应分量之和？

七、实验报告

1、描绘出的各响应的波形（i C =f (t ) 和u C =f (t ) ）分别画在坐标纸上，并作出必要的说明。

2、从响应u c (t)的波形中估算出时间常数τ并与计算值相比较。 3、回答思考题（1）。