1、- 1 -电路实验讲义天津科技大学电子信息与自动化学院- 2 -实验一 常用实验仪器使用一、实验目的学习示波器和信号发生器的使用方法。二、实验说明1. 示波器是一种综合性的电信号特性测试仪，用它可以直接显示电信号的波形，测量其幅值、频率以及同频率两信号的相位差等。电路实验中，这种基本电子测量仪器会多次用到。通过本实验，要求能够熟悉示波器的面板开关和旋钮的作用，初步学会示波器的一般使用方法。2. 信号发生器是产生各种时变信号源的设备总称，常用的有正弦信号发生器、方波信号发生器、脉冲信号发生器等。输出信号的频率（周期）和输出幅值一般可以通过开关和旋钮加以调节。三、实验设备四、实验内容1. 熟悉示波
2、器和信号发生器的各主要开关和旋钮的作用。（1） 接通电源并经预热以后，在示波器的荧光屏上调出一条水平扫描亮线来。分别旋动 辉度、 聚焦、垂直移位、 水平移位等旋钮，体会这些旋钮的作用。（2） 把信号发生器输出调到零值并接至示波器的输入端，然后打开信号发生器电源开关，预热再调节输出电压，在示波器的荧光屏上调出被测信号的波形来，分别转动示波器的VOLTS/DIV、TIME/DIV等旋扭，体会其作用。（3） 分别改变信号的幅值和频率，重复调节。2. 用示波器测量给定信号的幅值和频率。把测出的频率与信号发生器的标称频率相比较，记下测量步骤和方法。3. 按图 1-1 接线，正弦信号发生器输出一个给定信号
3、，用示波器观察电容器的端电压 uc 和流过电容器的电流 ic 的波形。其中 R 为电流取样电阻， uR 的波形即表示ic 的波形。然后用示波器测量 uc 和 ic 的相位差角。改变信号发生器输出信号频率，重复测量。序号 名称 型号与规格 数量 备注1 示波器 YB4320G 12 信号发生器 TH-SG02 13 电阻、电容 100、1F 1 HE-12A- 3 -五、实验注意事项1. 在大致了解示波器和信号发生器的使用方法和各旋钮、开关的作用之后，再动手操作。使用这些仪器时，各旋钮和开关不要用力过猛。2. 用示波器观察信号发生器的波形时，两台仪器的公共地线要接在一起，以免引进干扰信号。3.
4、示波器的结构较为复杂，面板上的开关和旋钮较多，信号发生器又是初次接触，因此，为使实验顺利进行，要在课前预习“示波器基本测量方法简介”和“信号发生器简介” （均附在本实验之后）的基础上，仔细听取教师针对具体仪器进行的讲解和演示，然后再动手操作。六、预习思考题1. 用一台工作正常的示波器测量正弦信号时，观察到下列现象（图 1-2） ，试指出应该首先旋动那些旋钮，才有可能得到清晰和稳定的图形。2. 在实验内容 2 中，如果VOLTS/DIV开关指在 0.5 伏的位置，荧光屏上正弦波的波峰和波谷相距四个方格，探头为1，问信号幅值是多少？如果在水平线上每个周期的波形占四个方格，TIME/DIV开关指在
5、0.5ms 的位置上，问信号的频率是多少?七、实验报告a、无任何图形 b、一条水平线c、一条垂直线线d、垂直竖线图 1-2正弦信号发生器示波器 UR R100CCH1CH2图 1-11F- 4 -1、 记录测得的波形，标明被测信号的幅度和周期。2、 记录 uc 和 uR 的波形和它们之间的相位差。3、 总结用示波器测量信号电压和两同频率信号相位差的步骤和方法。附： 示波器与信号发生器简介一、示波器概述示波器(又称阴极射线示波器 )可以用来观察和测量随时间变化的电信号图形 ,它是进行电信号特性测试的常用电子仪器。由于示波器能够直接显示被测信号的波形，测量功能全面，加之具有灵敏度高、输入阻抗大和过
6、载能力强等一系列特点，所以在近代科学领域中得到了极其广泛的应用。示波器的种类很多，电路实验中常用的有普通示波器、双踪示波器、长余辉示波器等，它们的基本工作原理是相似的。二、示波器的结构（略）三、示波器面板上旋钮或开关介绍示波器种类不同，总体上可把旋钮开关分为主机、垂直方向部分、水平方向部分和触发系统四部分。现以 YB4320G 双踪示波器为例。面板图如图 1-3 所示。1. 主机部分（6）电源开关：将电源开关按键弹出即为“关”位置，按下该键，接通电源。（5）电源指示灯：电源接通时，指示灯亮。（2）辉度旋钮：控制光点和扫描线的亮度，顺时针旋转旋钮，亮度增强。（3）聚焦旋钮：用辉度旋钮将亮度调至合
7、适的标准，然后调节聚焦控制旋钮直至光迹达到最清晰的程度。（4）显示屏：信号的测量显示终端。（1）校准信号输出端子：提供 1KHz2%、2V P-P2%方波作本机 X 轴和 Y 轴校准用。2. 垂直方向部分（10）通道 1 输入端CH1 INPUT（X）：信号输入通道 1。在 XY 方式时，作为 X 轴的输入端。（14）通道 2 输入端CH1 INPUT（Y）：信号输入通道 2。在 XY 方式时，作为 Y 轴的输入端。（8） 、 （9） 、 （13） 、 （15）交流直流接地AC 、DC 、GND：输入信号与放大器连接方式选择开关。交流（AC）：放大器输入端与信号连接由电容来耦合；直流（DC）：
8、放大器输入端与信号输入端直接耦合；接地（GND ）：输入信号与放大器断开，放大器输入端接地。191 32 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 15 16 17 18142520 21 2223242627282930313233343536图 1-3- 5 -（7） 、 （12）衰减器开关VOLTS/DIV：用于选择垂直偏转系数，共 12 档。如果使用的探头为10，计算时将幅度10。（11） 、 （16）垂直微调旋钮：垂直微调用于连续改变电压偏转系数。此旋钮在正常情况下应位于顺时针方向旋到底的位置（校准） 。（32） 、 （35）垂直位移旋钮：调解光迹在屏幕中的垂直位置。（34）垂
9、直方式开关：选择垂直方向的工作方式。通道 1 选择（CH1）：屏幕上仅显示 CH1 的信号；通道 2 选择（CH2）：屏幕上仅显示 CH2 的信号；双踪选择：屏幕上显示双踪，自动以交替或断续方式同时显示 CH1 和 CH2通道上的信号；叠加：显示 CH1 和 CH2 输入信号的代数和。（31）CH2 反相开关：按此开关时 CH2 显示反相信号。3. 水平方向部分（17）主扫描时间系数选择开关TIME/DIV：共 20 档，在 0.1s0.5s/DIV 范围选择扫描速率。（29）XY 控制键：按入此键，垂直偏转信号接入 CH2 输入端，水平偏转信号接入 CH1 输入端。（18）扫描非校准开关：按
10、入此键，扫描时基进入非校准调节状态，此时调节扫描微调有效。（19）扫描微调旋钮：顺时针方向旋转到底时，处于校准位置，扫描由TIME/DIV 开关指示。当（ 18）未按入，调解该键无效，即为校准状态。（28）水平位移：用于调节光迹在水平方向移动。（30）扩展控制键：按下此键，扫描因数5 扩展。扫描时间是 TIME/DIV 开关指示数值的 1/5。（33）水平方式选择：A：按入此键主扫描 A 单独工作，用于一般波形观察。其余三个键不常用，在此不作介绍。4. 触发系统（23）触发源选择开关：通道 1 触发（CH1，XY）：CH1 通道为触发信号；当工作在 XY 方式时，拨动开关应设置于此档；通道 2
11、 触发（CH2）：CH2 通道输入的信号是触发信号；电源触发：电源频率信号为触发信号；外触发：外触发输入端的触发信号是外部信号。（22）交替触发：在双踪交替显示时，触发信号来自于两个垂直通道，此方式可用于两路不相关信号。- 6 -（21）外触发输入插座：用于外部触发信号的输入。（25）触发电平旋钮：用于调节被测信号在某选定电平触发，当旋钮转向“+”时，显示波形的触发电平上升，反之触发电平下降。（26）电平锁定：无论信号如何变化，触发电平自动保持在最佳位置，不需人工调节触发电平旋钮。（27）释抑：当信号波形复杂，用电平旋钮不能稳定触发时，可用该旋钮使波形稳定同步。（20）触发极性：选择触发极性，
12、按下该键，则选择信号的下降沿触发。（24）触发方式选择自动：在该方式下，扫描电路自动进行扫描。在没有信号输入或输入信号没有被触发同步时，屏幕上仍然可以显示扫描基线；常态：有触发信号才能扫描，否则屏幕上无扫描线显示。当输入信号频率低于 50Hz 时，选择“常态”触发方式；单次：当“自动” 、 “常态”两键同时弹出即被设置为“单次”触发工作方式。当触发信号来到时，准备指示灯亮，单次扫描结束后指示灯熄灭，按下“复位”键后，电路又处于待触发状态。四、示波器的基本测量方法示波器面板上的开关和旋钮默认状态如表 1-1 所示。表 1-1项目 编号 设置 项目 编号 设置电源 (6) 弹出 辉度 (2) 顺时
13、针 1/3 处聚焦 (3) 适中 垂直方式 (34) CH1断续 (36) 弹出 CH2 反相 (31) 弹出垂直移位 (32) (35) 适中 衰减器开关 (7) (12) 0.5V/DIV微调 (11) (16) 校准位置 AC-DC-接地 (8) (9) (13) (15) 接地触发源 (23) CH1 触发耦合 AC触发极性 (20) + 交替触发 (22) 弹出电平锁定 (26) 按下 释抑 (27) 最小触发方式 (24) 自动 水平方式 (33) AA TIME/DIV (17) 0.5ms/DIV 扫描非校准 (18) 弹出水平移位 (28) 适中 5 扩展 (30) 弹出XY
14、 (29) 弹出- 7 -1. 幅度电压、电流的测定方法（1）读取电压幅值时，只需将被测信号垂直方向所占坐标的格数乘以VOLTS/DIV开关所指的刻度再乘以探头的衰减倍数即可。例如，荧光屏上波形如图 1-4 所示，正弦电压峰-峰值占有 5 个方格，VOLTS/DIV 开关指向 0.5V/DIV，探头衰减倍数为 10，则： VcmUP2510/.0. （2）测量电流一般用电阻取样法将电流信号转换为电压信号后，再进行测量。如图 1-5 所示，若要测量 Z 支路电流，先串接一个取样电阻 R。UiR,通常取 RT/2i c R c cuu uiuRCT / 2- 16 -激励信号（Um5V，f1KHz
15、）作用下，观测并描绘激励与响应的波形。增减 R 之值，定性地观察对响应的影响，并作记录。当 R 增至 1M 时，输入输出波形有何本质上的区别？五、实验注意事项1. 调节电子仪器各旋钮时，动作不要过快、过猛。实验前，需熟读双踪示波器的使用说明书。观察双踪时，要特别注意相应开关、旋钮的操作与调节。2. 信号源的接地端与示波器的接地端要连在一起（称共地） ， 以防外界干扰而影响测量的准确性。3. 示波器的辉度不应过亮，尤其是光点长期停留在荧光屏上不动时，应将辉度调暗，以延长示波管的使用寿命。六、预习思考题1. 什么样的电信号可作为 RC 一阶电路零输入响应、 零状态响应和完全响应的激励源？2. 已知
16、 RC 一阶电路 R10K，C0.1F，试计算时间常数 ，并根据 值的物理意义，拟定测量 的方案。3. 何谓积分电路和微分电路，它们必须具备什么条件？ 它们在方波序列脉冲的激励下，其输出信号波形的变化规律如何？4. 预习要求：熟读仪器使用说明，回答上述问题，准备方格纸。七、实验报告1. 根据实验观测结果，在方格纸上绘出 RC 一阶电路充放电时 uC 的变 化曲线，由曲线测得 值，并与参数值的计算结果作比较，分析误差原因。2. 根据实验观测结果，归纳、总结积分电路和微分电路的形成条件，阐明波形变换的特征。3. 心得体会及其他。- 17 -实验四 单相交流电路及功率因数的提高一、实验目的1. 通过
17、 RL 串联电路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，学会日光灯电路的连接，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、原理说明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 R1。日光灯在稳态工作时近似认为是一个阻性负载 R2。镇流器和灯管串联后接在交流电路中，如图 4-1 所示，可以把这个电路等效为 RL 串联电路，如图 4-2 所示。图 4-1 日光灯电路 图 4-2 日光灯等效电路根据图 4-2 和图 4-3，相
18、关计算如下：镇流器的等效复阻抗：IUZRL电感线圈的电阻： LRcos1电感线圈的感抗： 21ZXL电感线圈的电感： f2图 4-3 RL 串联电路相量图- 18 -日光灯等效电阻： IUR2电路消耗的有功率：或 cosP)(21RIP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方法，见图 4-2。并联电容后电路的总电流 （见图 4-4） 。由于电容的无功电流抵消了一CI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状态，即日光灯支路的电流、功率和功率因数
19、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 提高到 cos ，所并联电容的大小计算如下： UIPcos)(2tgC 电路的功率因数角。 提高后的功率因数角。 = 2 f 电源的角频率。 图 4-4 日光灯并联电容相量图三、实验设备 序号 名称 型号与规格 数量 备注1 交流电压表 0500V 12 交流电流表 5A 13 功率表 14 自耦调压器 15 日光灯灯管 30W 16 镇流器、启辉器 与
20、 30W 灯管配用 各 1 HE-13A7 电容器 1F,2.2F,4.7F/500V各 1 HE-13A8 电流插座 3- 19 -四、实验内容1. 按图 4-5 接好线路。注意功率表的接线和读数方法。2. 经指导教师检查后接通实验台电源，调节自耦调压器的输出，使其输出电压缓慢增大，直到日光灯刚启辉点亮为止，记下三表的指示值。然后将电压调至220V，测量功率 P，电流 I，电源电压 U，镇流器电压 UL，灯管电压 UA 等值，把测得的数据填入表 4-1 中，验证电压、电流相量关系。表 4-1测 量 数 值 计算值P(W) cos I(A) U(V) UL(V) UA(V) r( ) cos启
21、辉值正常工作值3. 并联电路电路功率因数的改善。按照图 4-5 电路并联不同值的电容，测量并记录功率表、电压表读数。通过一只电流表和三个电流插座分别测得三条支路的电流。数据记入表 4-2 中。表 4-2测 量 数 值 计 算 值电容值(F) P(W) cos U(V) 总电流I（A） 负载电流 IL(A)电容电流IC(A) I(A) cos12.24.7图 4-5 日光灯实验电路图- 20 -6.9五、实验注意事项1. 本实验用交流市电 220V，务必注意用电和人身安全。注意电源电压切勿接在 380V 电源上。2. 功率表要正确接入电路。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
22、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. 线路接线正确，日光灯不能启辉时， 应检查启辉器及其接触是否良好。4. 交流电流表并不接入电路中，而是利用电流插头测试各支路电流，即其一端始终插在交流电流表上，另一端插入电流插座来测试电流值。注意不得用电流插头来测量电压。 （切记）5. 在接线和拆线时，务必关闭电源，然后再操作。六、预习思考题1. 认真预习，了解日光灯的启辉原理。2. 在日常生活中，当日光灯上缺少了启辉器时，人们常用一根导线将启辉器的两端短接一下，然后迅速断开，使日光灯点亮或用一只启辉器去点亮多只同类型的日光灯，这是为什么
23、？ 3. 为了改善电路的功率因数，常在感性负载上并联电容器， 此时增加了一条电流支路，试问电路的总电流是增大还是减小，此时感性元件上的电流和功率是否改变？4. 提高线路功率因数为什么只采用并联电容器法， 而不用串联法？所并的电容器是否越大越好？七、实验报告1. 完成数据表格中的计算，进行必要的误差分析。2. 根据实验数据，分别绘出电压、电流相量图， 验证相量形式的基尔霍夫定律。3. 讨论改善电路功率因数的意义和方法。4. 装接日光灯线路的心得体会及其他。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
24、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。- 21 -灯管内充有惰性气体（如氩气，氪气）与水银蒸气。由于有水银蒸气存在，当管内产生弧光放电时，会放射出紫外线，紫外线照在荧光粉上就会发出荧光。日光灯管的结构如图 4-6 所示。图 4-6 日光灯管剖面图 图 4-7 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
25、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 4-7 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
26、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，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（800V1000V） 。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，于是过渡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
27、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，因此它的触点不再闭合。I- 22 -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、三角形联接的方法， 验证这两种接法时线、相电压及线、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、原理说明1. 三相负载可接成星形（又称“”接）或三角形( 又称 “接) 。当三相对称负载作 Y 形联接时，线电压 UL 是相电压 Up 的 倍。线电流 IL 等于相电流 Ip，即：3UL ， I LI pP在这种情况下，流过中线的电流 I00， 所以可
28、以省去中线。当对称三相负载作形联接时，有 IL Ip，U LU p。32. 不对称三相负载作 Y 联接时 ,必须采用三相四线制接法，即 Yo 接法。而且中线必须牢固联接，以保证三相不对称负载的每相电压维持对称不变。倘若中线断开，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，使负载遭受损坏；负载重的一相相电压又过低，使负载不能正常工作。尤其是对于三相照明负载，无条件地一律采用 Y0 接法。3. 当不对称负载作 接时， IL Ip，但只要电源的线电压 UL 对称，加在三3相负载上的电压仍是对称的，对各相负载工作没有影响。三、实验设备序号 名 称 型号与规格 数量 备注1 交流电压表
29、0500V 12 交流电流表 05A 13 万用表 14 三相自耦调压器 15 三相灯组负载 220V， 15W 白炽灯 9 HE-176 电流插座 3- 23 -四、实验内容1. 三相负载星形联接（三相四线制供电）按图 5-1 线路组接实验电路。即三相灯组负载经三相自耦调压器接通三相对称电源。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） 。经指导教师检查合格后，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（相电压为 127V） ，并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。将所测得的
30、数据记入表 5-1 中，并观察各相灯组亮暗的变化程度，特别要注意观察中线的作用。图 5-1表 5-1开灯盏数 线电流（A） 线电压（V） 相电压（V）测量数据实验内容（负载情况）A相B相C相 IA IB IC UAB UBC UCA UA0 UB0 UC0中线电流I0(A)中点电压UN0(V)Y0 接对称有中线 3 3 3Y 接对称无中线 3 3 3Y0 接不对称有中线 1 2 3Y 接不对称无中线 1 2 3Y0 接有中线 B 相断开 1 0 3Y 接无中线 B 相断开 1 0 3U (A)V (B)W (C)NabcxyzOIAIBICIOU1V1W1N1380V380V- 24 -2.
31、负载三角形联接（三相三线制供电）按图 5-2 改接线路，经指导教师检查合格后接通三相电源，按表 5-2 的内容进行测试。图 5-2表 5-2开 灯 盏 数 线电压=相电压 （V） 线电流（A） 相电流（A） 测量数据负载情况 A-B相B-C相C-A相 UAB UBC UCA IA IB IC IAB IBC ICA三相平衡 3 3 3三相不平衡 1 2 3五、实验注意事项1. 本实验采用三相交流市电，线电压为 380V， 应穿绝缘鞋进实验室。实验时要注意人身安全，不可触及导电部件，防止意外事故发生。2. 每次接线完毕，同组同学应自查一遍， 然后由指导教师检查后，方可接通电源，必须严格遵守先断电
32、、再接线、后通电；先断电、后拆线的实验操作原则。3为避免烧坏灯泡，HE-17 实验挂箱内设有过压保护装置。当任一相电压超过245250V 时，即声光报警并跳闸。因此，在做 Y 接不平衡负载或缺相实验时，所加线电压应以最高相电压不大于 240V 为宜。U VW abcxyzIAIBICU1V1380VIABIBCW1380VU (A)V (B)W (C)ICA- 25 -六、预习思考题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负载在无中线情况下，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？3. 本次实验中为什么要通过三相调压器将 380V 的市电线电压降为 220V 的线电压使用？七、实验报告1. 用实验测得的数据验证对称三相电路中的 关系。32. 用实验数据和观察到的现象， 总结三相四线供电系统中中线的作用。3. 不对称三角形联接的负载，能否正常工作？ 实验是否能证明这一点？4. 根据不对称负载三角形联接时的相电流值作相量图，并求出线电流值，然后与实验测得的线电流作比较，分析之。
