电路基础实验二-课件

电路基础实验电路基础实验电子基础教学实验中心电子基础教学实验中心2010.3.16实验二实验二 RC动态电路的研动态电路的研究及交流阻抗测量究及交流阻抗测量电路基础实验二 实验目的实验目的 1、掌握示波器、函数信号发生器、毫伏表、掌握示波器、函数信号发生器、毫伏表的使用方法的使用方法。2.研究一阶电路的零状态响应和零输入研究一阶电路的零状态响应和零输入响应的基响应的基 本规律和特点，以及电路参本规律和特点，以及电路参数对响应的影响。数对响应的影响。3.理解时间常数理解时间常数 对响应波形的影响。对响应波形的影响。4.了解积分、微分电路的特点。了解积分、微分电路的特点。5.掌握阻抗测量的特点和方法。掌握阻抗测量的特点和方法。电路基础实验二第一部分：常用电子仪器的使用（二）第一部分：常用电子仪器的使用（二）电路基础实验二目录：目录：1、双踪示波器、双踪示波器2、函数信号发生器、函数信号发生器3、晶体管毫伏表、晶体管毫伏表4、基础实验电路板、基础实验电路板电路基础实验二一、示波器的原理与使用一、示波器的原理与使用 示波器是科研单位和实验室常用的一种观示波器是科研单位和实验室常用的一种观测电信号波形的仪器。用它可以进行测电信号波形的仪器。用它可以进行时域信时域信号的测量号的测量，可以测量电信号的，可以测量电信号的波形、周期、波形、周期、相位、幅值、矩形波的上升时间和下降时间相位、幅值、矩形波的上升时间和下降时间等物理参数。等物理参数。电路基础实验二（一）示波器的组成（一）示波器的组成1、垂直系统垂直系统2、水平系统、水平系统3、Z轴系统轴系统4、示波管、示波管5、电源、电源包括：垂直（包括：垂直（Y）系统、水平系统（扫描系统）、）系统、水平系统（扫描系统）、Z轴系统、示波管、电源轴系统、示波管、电源电路基础实验二（二）（二）波形显示的基本工作原理波形显示的基本工作原理1、仅水平通道工作、仅水平通道工作若仅在水平偏转板上加锯若仅在水平偏转板上加锯齿波电压，则在屏幕上看齿波电压，则在屏幕上看到一条水平线，称为扫描到一条水平线，称为扫描基线基线电路基础实验二（二）（二）波形显示的基本工作原理波形显示的基本工作原理2、仅垂直通道工作、仅垂直通道工作若仅在垂直偏转板上加被测若仅在垂直偏转板上加被测波形，则在屏幕上只看到一波形，则在屏幕上只看到一条垂直线条垂直线电路基础实验二（二）（二）波形显示的基本工作原理波形显示的基本工作原理3、两个通道同时工作、两个通道同时工作扫描电压的周期扫描电压的周期TX与与被测信号的周期被测信号的周期TY有有关系：关系：TX=TY电路基础实验二（三）（三）示波器的幅度测量基本知识示波器的幅度测量基本知识 被测信号幅度范围从被测信号幅度范围从毫伏级到几百伏，为使不毫伏级到几百伏，为使不同大小的信号都能在屏幕同大小的信号都能在屏幕内显示合适波形，在垂直内显示合适波形，在垂直放大器之前要加入衰减器放大器之前要加入衰减器。他由开关控制，以对不。他由开关控制，以对不同大小的信号实现不同的同大小的信号实现不同的分压比。分压比。这就是垂直偏转因数这就是垂直偏转因数选择选择VOLTS/DIVVOLTS/DIV1垂直偏转因数选择垂直偏转因数选择(VOLTSDIV)和微调和微调在单位输入信号作用下，光点在屏幕上偏移的距离称为偏移灵在单位输入信号作用下，光点在屏幕上偏移的距离称为偏移灵敏度，这一定义对敏度，这一定义对X轴和轴和Y轴都适用。灵敏度的倒数称为偏转因数。轴都适用。灵敏度的倒数称为偏转因数。垂直灵敏度的单位是为垂直灵敏度的单位是为DIVmV，DIVV，垂直偏转因数的单，垂直偏转因数的单位是位是VDIV，mVDIV。实际上因习惯用法和测量电压读数的。实际上因习惯用法和测量电压读数的方便，有时也把偏转因数当灵敏度。方便，有时也把偏转因数当灵敏度。电路基础实验二（三）（三）示波器的幅度测量基本知识示波器的幅度测量基本知识t t信号幅度（峰信号幅度（峰-峰值）峰值）=H垂直偏转因素垂直偏转因素（VOLTS/DIVVOLTS/DIV）垂直方向波垂直方向波形占据的格数形占据的格数 H 在进行定量幅度测在进行定量幅度测量时，还必须把垂直量时，还必须把垂直偏转因素微调旋钮顺偏转因素微调旋钮顺时针旋转到时针旋转到CALCAL校准位校准位置。此时偏转因素置。此时偏转因素VOLTS/DIVVOLTS/DIV才是准确的，才是准确的，才能够对信号幅度进才能够对信号幅度进行精确测量。行精确测量。电路基础实验二（四）（四）示波器的时基测量基本知识示波器的时基测量基本知识t t水平方向一个周期波水平方向一个周期波形占据的格数形占据的格数 D时基时基偏转因素偏转因素TIME/DIV波段开关的指示值波段开关的指示值代表光点在代表光点在水平方向移动一个格的时间值。水平方向移动一个格的时间值。例如在例如在1mSDIV档，光点档，光点在屏上移动一格代表时间值在屏上移动一格代表时间值1mS。2、时基选择、时基选择(TIMEDIV)和微调和微调时基选择和微调的使用方法与垂直偏时基选择和微调的使用方法与垂直偏转因数选择和微调类似。时基选择也通过转因数选择和微调类似。时基选择也通过一个波段开关实现，把时基分为若干档，一个波段开关实现，把时基分为若干档，用于改变扫描速度。用于改变扫描速度。电路基础实验二（四）（四）示波器的时基测量基本知识示波器的时基测量基本知识t t水平方向一个周期波水平方向一个周期波形占据的格数形占据的格数 D 在进行定量在进行定量时基（周期）时基（周期）测测量时，还必须把时基微调旋钮量时，还必须把时基微调旋钮顺时针旋转到顺时针旋转到CALCAL校准位置校准位置。此时，屏幕上显示的时基值与波此时，屏幕上显示的时基值与波段开关所示的标称值是一致的，段开关所示的标称值是一致的，此时此时偏转因素偏转因素TIME/DIVTIME/DIV才是准才是准确的，才能够对信号时基周期确的，才能够对信号时基周期等进行精确测量。等进行精确测量。2、时基选择、时基选择(TIMEDIV)和微调和微调波形的周期波形的周期=D时基选择时基选择(TIMEDIV)例如在例如在1mSDIV档，如果档，如果D=3格，则这格，则这个信号的周期为个信号的周期为 31mS=3mS。电路基础实验二（五）（五）相位差的测试相位差的测试TRIG.ALT处于弹起状态处于弹起状态1、双踪示波法（截距法）、双踪示波法（截距法）示波器垂直方式选择示波器垂直方式选择“双踪双踪”显示方式，两显示方式，两通道的零基线重合。通道的零基线重合。被测的两个信号分别接到示波器的两个垂直被测的两个信号分别接到示波器的两个垂直通道。通道。调节相关旋钮，使屏幕上出现两条大小适中调节相关旋钮，使屏幕上出现两条大小适中的稳定波形的稳定波形 X:信号一个周期在水平方向所占格数信号一个周期在水平方向所占格数（div）X1：过基线的对应点：过基线的对应点A，B间的水平距离间的水平距离（截距）（截距）电路基础实验二（五）（五）相位差的测试相位差的测试TRIG.ALT处于弹起状态处于弹起状态2、李、李沙育图形法沙育图形法-（不要求）（不要求）将扫描速率开关置于外接，将扫描速率开关置于外接，CHl通道输入标准信通道输入标准信号，号，CH2通道输入被测信号，在示波器上将显示如通道输入被测信号，在示波器上将显示如右图所示李沙育波形，从图可知，相位差为：右图所示李沙育波形，从图可知，相位差为：B椭圆与纵轴相截的距离，AY向的最大偏转距离。电路基础实验二（六）固维（六）固维GOS620双踪示波器面板与操作使用双踪示波器面板与操作使用(视频视频)电路基础实验二二、函数信号发生器的使用二、函数信号发生器的使用o函数信号发生器是能够产生正弦波、方波和三角波信函数信号发生器是能够产生正弦波、方波和三角波信号的仪器，输出幅度可调。号的仪器，输出幅度可调。基本电路框图基本电路框图电路基础实验二二、函数信号发生器的使用二、函数信号发生器的使用oDF1641B1函数信号发生器是能够产生函数信号发生器是能够产生1-3MHz，正弦波、方波和三角波的仪器，输出，正弦波、方波和三角波的仪器，输出幅度幅度1mVpp-20Vpp。电源电源开关开关频率频率显示显示窗口窗口幅度显示幅度显示（峰峰值）（峰峰值）函数信号函数信号输出口输出口电路基础实验二二、函数信号发生器的使用二、函数信号发生器的使用oDF1641B1函数信号发生器是能够产生函数信号发生器是能够产生1-3MHz，正弦，正弦波、方波和三角波的仪器，输出幅度波、方波和三角波的仪器，输出幅度1mVpp-20Vpp。在小信号输出时，一定要采用输出幅度旋钮和衰减开关的在小信号输出时，一定要采用输出幅度旋钮和衰减开关的配合使用。配合使用。输出输出频率频率调整调整输出输出波形选择波形选择输出输出幅度调整幅度调整输出输出幅度衰减幅度衰减电路基础实验二DF1641BF（SP1641B）函数信号发生器的使用）函数信号发生器的使用视频视频电路基础实验二三、晶体管毫伏表的使用三、晶体管毫伏表的使用1、晶体管毫伏表是一种高灵敏度宽带的晶体管毫伏表是一种高灵敏度宽带的交流电交流电压有效值表，压有效值表，能够进行能够进行20Hz-1MHz之间的之间的交流电压信号（分贝交流电压信号（分贝dB）测量的仪表。）测量的仪表。原理方框图原理方框图电路基础实验二三、晶体管毫伏表的使用三、晶体管毫伏表的使用2、输入信号通过连接线接入电路，连接测试线时，、输入信号通过连接线接入电路，连接测试线时，毫伏表的接地线毫伏表的接地线(一般为黑色夹子一般为黑色夹子)也应与被测也应与被测电路的公共地端相连。电路的公共地端相连。3、根据被测电压的大小，选择适当的测量范围。、根据被测电压的大小，选择适当的测量范围。若不知被测电压的可能范围，应将测量范围置最若不知被测电压的可能范围，应将测量范围置最大挡，然后逐渐减小，直至指针偏转至满量程的大挡，然后逐渐减小，直至指针偏转至满量程的12以上。以上。4、毫伏表读数时，要根据所选择的量程来确定从毫伏表读数时，要根据所选择的量程来确定从哪一条刻度读数。哪一条刻度读数。例如，指针指在第一条刻度线例如，指针指在第一条刻度线的数字的数字6处，若此时量程为处，若此时量程为10 V，则读数为，则读数为6 V；若量程为；若量程为100 mV，则读数为，则读数为60 mV；若；若量程为量程为3V，则读数为，则读数为1.9 V；若量程为；若量程为30 mV，则读数为，则读数为19 mV；其他各量程依此类推。；其他各量程依此类推。电路基础实验二5 5、分贝（、分贝（dBdB）的测量）的测量（选讲）（选讲）这是一种相对电平概念，包括这是一种相对电平概念，包括dBvdBv和和dBmdBm仅仅仅仅是参考电平不同的两种表示法：是参考电平不同的两种表示法：【dBmdBm】是指在是指在 600600 条件下以条件下以1mW1mW为参考得到的分为参考得到的分贝度量值。贝度量值。V10.775V0.775V电压值就是电压值就是600600 负载下的负载下的0 0dBdB参考。（读指针刻度的第四排）参考。（读指针刻度的第四排）【dBvdBv】是指是指以以V1=1V为参考得到的分贝值为参考得到的分贝值。（读指针刻度的第三排读指针刻度的第三排）工程中常用工程中常用0.775V作为参考电平的作为参考电平的dBm电路基础实验二u毫伏表在不同的量程上毫伏表在不同的量程上测量出的分贝值应加测量出的分贝值应加上各量程的上各量程的修正系数修正系数才是信号的真正电平才是信号的真正电平值。值。u 交流毫伏表不能测量交流毫伏表不能测量直流电压信号。直流电压信号。注意：注意：电路基础实验二5、晶体管毫伏表的使用视频、晶体管毫伏表的使用视频信号输入口信号输入口INPUT量程选择量程选择开关开关电路基础实验二四、基础实验板介绍四、基础实验板介绍 实验板是构成实验电路的连接载体，实验时通实验板是构成实验电路的连接载体，实验时通过导线和元器件在它上面连接出实验电路。过导线和元器件在它上面连接出实验电路。电源电源引入孔引入孔实验元件实验元件放置区放置区电位器电位器u元件区每五个紧邻插孔之间元件区每五个紧邻插孔之间彼此相通。彼此相通。u外围一圈插孔已经全部相连外围一圈插孔已经全部相连（通常作为参考地使用）。（通常作为参考地使用）。u电源插孔没有和电路预先连电源插孔没有和电路预先连接接电路基础实验二第二部份 动态电路暂态过程的研究电路基础实验二一、实验原理一、实验原理 1.一阶一阶RC电路的时域响应电路的时域响应 用一阶微分方程描述的电路，称为一阶动用一阶微分方程描述的电路，称为一阶动态电路。一阶动态电路通常是由一个态电路。一阶动态电路通常是由一个(或若干个或若干个)电阻元件和一个动态元件电阻元件和一个动态元件(电容或电感电容或电感)组成。组成。一阶动态电路时域分析的步骤是建立换路后的一阶动态电路时域分析的步骤是建立换路后的电路微分方程，求满足初始条件微分方程的解，电路微分方程，求满足初始条件微分方程的解，即电路的响应。即电路的响应。电路基础实验二在图3.1(a)所示电路中，若uc(0-)=0,t=0时开关S由2打向1，直流电源经R向C充电，此时，电路的响应为零状态响应。图图3.1 一阶一阶RC电路及响应曲线电路及响应曲线电路基础实验二 其解为 t0电路的微分方程为 式中，=RC为该电路的时间常数。电路基础实验二零状态响应曲线如图3.1(b)所示。若开关S在位置1时，电路已达到稳态，即uc(0-)=uS,在t=0时，将开关S由1打向2，电容器经R放电，此时的电路响应为零输入响应，而uc(0-)=uc(0+)图图3.1 一阶一阶RC电路及响应曲线电路及响应曲线电路基础实验二电路的微分方程为响应为 电路基础实验二 零输入响应曲线如图零输入响应曲线如图3.1(c)所示。所示。从图中看出，无论是零状态响应还是零输入响应，其响应曲线都是按照指从图中看出，无论是零状态响应还是零输入响应，其响应曲线都是按照指数规律变化的，变化的快慢由时间常数数规律变化的，变化的快慢由时间常数 决定，即电路瞬态过程的长短由决定，即电路瞬态过程的长短由决定。决定。大，瞬态过程长；大，瞬态过程长；小，瞬态过程短。时间常数由电路参数决定，一小，瞬态过程短。时间常数由电路参数决定，一阶阶RC电路的时间常数电路的时间常数 =RC，由此计算出，由此计算出 的理论值。的理论值。图3.1 一阶RC电路及响应曲线电路基础实验二 如图如图.3.2所示，所示，还可以从还可以从uc的变化曲线上求得。对的变化曲线上求得。对充电曲线，幅值上升到终值的充电曲线，幅值上升到终值的63.2对应的时间即为对应的时间即为一个一个 。对放电曲线，幅值下降到初值的。对放电曲线，幅值下降到初值的36.8对应对应的时间也是一个的时间也是一个 。或者可在起点作指数曲线的切线，。或者可在起点作指数曲线的切线，此切线与稳态值坐标线的交点与起点之间的时间坐标差此切线与稳态值坐标线的交点与起点之间的时间坐标差即为时间常数即为时间常数 。根据上述两种方法可以在已知指数曲。根据上述两种方法可以在已知指数曲线上近似地确定时间常数数值，一般认为经过线上近似地确定时间常数数值，一般认为经过3 5 的时间，过渡过程趋于结束。的时间，过渡过程趋于结束。图图.3.2电容器充放电电压曲线电容器充放电电压曲线电路基础实验二 为了能在普通示波器上观察这些响应的波形，为了能在普通示波器上观察这些响应的波形，就必须使这些波形周期性地变化。如何实现周期性就必须使这些波形周期性地变化。如何实现周期性变化变化?可采用周期变化的方波可采用周期变化的方波(即方波序列即方波序列)作为激励作为激励,现叙述如下。现叙述如下。RC串联电路如图串联电路如图3.3(a)所示，由方波所示，由方波(如图如图3.3(b)激励。激励。图图.3.3 方波激励下的响应波形方波激励下的响应波形电路基础实验二 从从t=0开始，该电路相当接开始，该电路相当接通直流电源，如果通直流电源，如果T/2足够大足够大(T/24 )，则在，则在0T/2响应时间范围内，响应时间范围内，uC可以达到稳定值可以达到稳定值uS，这样在，这样在0T/2范围内范围内uC即为零状态响应；而从即为零状态响应；而从t=T/2开开始，始，us=0，因为电源内阻很小，则电容，因为电源内阻很小，则电容C相当于从起始电压相当于从起始电压us向向R放电，若放电，若T/24 ，在，在T/2-T时间范围内时间范围内C上电荷可放完，上电荷可放完，这段时间范围即为零输入响应。第二周期重复第一周期，如这段时间范围即为零输入响应。第二周期重复第一周期，如图图3.3(c)所示，如此周而复始。所示，如此周而复始。图图.3.3 方波激励下的响应波形方波激励下的响应波形电路基础实验二 将这周期性变化的电压送到示波器将这周期性变化的电压送到示波器Y轴输入端，适当调节轴输入端，适当调节“时时基基”旋钮使荧光屏上清楚显示出一个周期的波形，则前半周是零旋钮使荧光屏上清楚显示出一个周期的波形，则前半周是零状态响应，后半周是零输入响应。状态响应，后半周是零输入响应。(用示波器的另一通道输入用示波器的另一通道输入uS，以资鉴别是零状态和零输入，以资鉴别是零状态和零输入)。线性系统中，零状态响应与零输。线性系统中，零状态响应与零输入响应之和称为系统的完全响应。入响应之和称为系统的完全响应。o 即即:完全响应完全响应=零状态响应零状态响应+零输入响应零输入响应o若要观察电流波形，将电阻若要观察电流波形，将电阻R上的电压上的电压uR送人示波送人示波器即可。因为示波器只能输入电压，而电阻上电压、电器即可。因为示波器只能输入电压，而电阻上电压、电流是线性关系，即流是线性关系，即 所以只要将所以只要将uR(t)波形的纵轴坐波形的纵轴坐标比例乘以标比例乘以 即为即为 波形波形。电路基础实验二 2.积分电路和微分电路积分电路和微分电路 积分电路和微分电路是电容器充放电现象的一种应用对图3.4所示电路以电容电压作为输出，us(t)是周期为T的方波信号，设uc(0)=0,则（3.1）图.3.4 积分电路 图.3.5 积分电路波形电路基础实验二 当电路的时间常数当电路的时间常数 =RC很大，即很大，即 时时在方波激励下，电容上充得的电压远小于电阻在方波激励下，电容上充得的电压远小于电阻上的电压，即上的电压，即 因此因此,则则（3.1）式可改写为）式可改写为 （3.2）式（式（3.2）表明若将）表明若将uc(t)作为输出电压，则作为输出电压，则uc(t)近似与输入电压近似与输入电压us(t)对时间的积分成正比，故对时间的积分成正比，故在此条件下的在此条件下的RC电路称为电路称为积分电路积分电路。电路基础实验二 图3.4 积分电路 图3.5 积分电路波形其波形如图其波形如图3.5所示。所示。积分电路一定要满足积分电路一定要满足 ，一般，一般取取10倍即可倍即可()。若。若R与与C已选定，则取输入信号已选定，则取输入信号的频率的频率 左右左右 。当方波的频率一定时，。当方波的频率一定时，值越大，值越大，三角波的线性越好，但其幅度也随之下降。三角波的线性越好，但其幅度也随之下降。值变小时，值变小时，波形的幅度随之增大，但其线性将变坏。波形的幅度随之增大，但其线性将变坏。电路基础实验二微分电路取微分电路取RC电路的电阻电压电路的电阻电压uR作为输出，如图作为输出，如图.3.6所所示。则示。则（3.3）当时间常数当时间常数 很小，很小，即即 ，。则式则式(3.3)可改写成可改写成(3.4)图3.6 微分电路 图.3.7 微分电路波形电路基础实验二式式(3.4)表明，输出电压表明，输出电压uR(t)近似与输入电压近似与输入电压uS(t)对对时间的微分成正比，故将此条件下的时间的微分成正比，故将此条件下的RC电路称为电路称为微微分电路分电路。微分电路的输出波形为正负相间的尖脉冲，。微分电路的输出波形为正负相间的尖脉冲，其输人输出波形如图其输人输出波形如图3.7所示。所示。图3.6 微分电路 图.3.7 微分电路波形电路基础实验二 微分电路一定要满足微分电路一定要满足 条件，一般取条件，一般取 。若若R与与C已选定，则取输入信号的频率已选定，则取输入信号的频率 。当输入信号的频率当输入信号的频率 一定时，一定时，值越小，脉冲越尖。值越小，脉冲越尖。3、交流阻抗的测量原理与应用方法、交流阻抗的测量原理与应用方法.Us(t)2=UR(t)2+Ux(t)2电路基础实验二 二二、实验内容、实验内容（一）、基本要求（一）、基本要求1.一阶一阶RC电路响应及电路响应及 值的测量值的测量 实验电路如图实验电路如图3.1所示，所示，us(t)为信号发生器输出为信号发生器输出 f=1KHz,VPP=1V的方波信号。将激励源的方波信号。将激励源us(t)和响应和响应uc(t)的信号分别连至示波器的两个输入端的信号分别连至示波器的两个输入端CH1和和CH2。在示波器的屏幕上观察并测试下列参数时激。在示波器的屏幕上观察并测试下列参数时激励与响应波形及励与响应波形及 。R=10K、C=1000PF R=10K、C=0.01F R=10K、C=0.1F电路基础实验二 2.设计一阶积分电路设计一阶积分电路 令令C=0.1F，R=10K，输入方波的幅度输入方波的幅度UPP为为2V。设计一积分电路并确定。设计一积分电路并确定输入方波的输入方波的频率频率，用示波器观察用示波器观察并测量输入、输出电压的并测量输入、输出电压的波形、波形、最大值。最大值。3.设计一阶微分电路设计一阶微分电路 令令C=0.1F，R=10K，输入方波的幅度输入方波的幅度UPP为为3V。设计一微分电路，设计一微分电路，并确定输入方波并确定输入方波的频率的频率，用示波器观察，用示波器观察并测量并测量输入、输出输入、输出电压电压的的波形、最大值。波形、最大值。电路基础实验二4.元件的交流阻抗测量元件的交流阻抗测量(输入信号频率为输入信号频率为1000Hz，电容容量为，电容容量为0.1uF)请设计一个电容交流阻抗测量电路，并请设计一个电容交流阻抗测量电路，并自行设定参数。电路如下图：自行设定参数。电路如下图：XC=_电路基础实验二（二）扩展部份（二）扩展部份设计一个电感的电感量测量电路，设计一个电感的电感量测量电路，将实验电路板上的电感的电感量测量出将实验电路板上的电感的电感量测量出来。来。要求：画出电路图，自行设定参数要求：画出电路图，自行设定参数(输入信号频率为输入信号频率为10KHz)。XL，L电路基础实验二 三、实验设备三、实验设备 1.函数信号发生器函数信号发生器 2.双踪示波器双踪示波器 3.电阻器、电容器电阻器、电容器 四、预习与报告要求四、预习与报告要求（一）预习（一）预习 1.了解阶跃信号作用于一阶及了解阶跃信号作用于一阶及C电路时，电路中电流、电电路时，电路中电流、电压变化过程。压变化过程。2.阅读有关章节，复习函数信号发生器和示波器的使用方阅读有关章节，复习函数信号发生器和示波器的使用方法。法。3.了解微分电路与积分电路的工作原理了解微分电路与积分电路的工作原理。4.完成书中的填空题。完成书中的填空题。电路基础实验二