實驗二 線性有源二端網(wǎng)絡等效電路的研究

1、實驗二 線性有源二端網(wǎng)絡等效電路的研究班級 通信192 姓名 余*耀 學號 27一、實驗目的1. 學習測量線性有源二端網(wǎng)絡等效電源參數(shù)和電路的外特性的方法。2. 加深對等效電源定理的理解， 驗證最大功率傳輸條件。3. 鞏固萬用電表的使用方法，加深對萬用電表內(nèi)阻的理解。二、實驗器材、設備及軟件互聯(lián)網(wǎng)+電子在線實驗平臺電阻、電壓源、萬用表、導線三、實驗原理1任何一個線性網(wǎng)絡，如果只研究其中一條支路的電壓或電流，則可將電路的其余部分看作是一個有源二端網(wǎng)絡，或稱為含源一端口網(wǎng)絡，如圖 1（a）所示。圖1 線性有源二端網(wǎng)絡的等效電路2. 等效電源定理包括電壓源等效和電流源等效兩個定理，也稱為戴維南定理和

2、諾頓定理：戴維南定理：任意一個線性有源二端網(wǎng)絡，就其對外電路的作用而言，總可以等效為一個電壓源和電阻組成的串聯(lián)電路，如圖 1（b）所示。該電壓源的電壓 UOC等于二端網(wǎng)絡在端口處的開路電壓；電阻 r0 等于二端網(wǎng)絡內(nèi)所有獨立源置于零的條件下，從端口處看進去的等效電阻。諾頓定理：任意一個線性有源二端網(wǎng)絡，就其對外電路的作用而言，總可以等效為一個電流源和電導組成的并聯(lián)電路，如圖 1（c） 所示。該電流源的電流 ISC等于二端網(wǎng)絡在端口處的短路電流；電導 g0 等于該二端網(wǎng)絡內(nèi)所有獨立源置于零的條件下，從端口處看進去的等效電導， g0 = 1/ r0。通常我們稱開路電壓UOC、短路電流ISC以及等效

3、內(nèi)阻 r0為有源二端網(wǎng)絡的等效電源參數(shù)。3線性有源二端網(wǎng)絡與等效電路的外特性應該是一致的，在平面坐標中繪制的伏安關系曲線應該重合。4. 最大功率傳輸定理一個線性有源二端網(wǎng)絡，不管其內(nèi)部具體電路如何，都可以等效為一個理想電壓源和電阻組成的串聯(lián)電路，如圖 5-1（b）所示。當負載為 RL時，獲得功率：對上式求導并令其為零，得到負載 RL上獲得最大功率時的條件 RL = r0，此時最大功率為：四、實驗內(nèi)容與步驟進入電路分析實驗平臺，進入實驗“線性有源二端網(wǎng)絡等效電路”，點擊界面左側(cè)的“實驗操作”選項卡，進入線性電路的實驗模塊界面。1. 線性有源二端網(wǎng)絡等效電源參數(shù)的測量如圖 2 所示實驗電路， 測量

4、 A、 B 端口的等效電源參數(shù) UOC、 ISC，測量數(shù)據(jù)填入表1中，r0任選三種方法進行測量，測量數(shù)據(jù)填入表 2 中。圖2 測定 AB 端等效電源參數(shù)電路（1）測量開路電壓 UOC按圖 5-3 所示， 在實驗板上搭建實驗電路。 將穩(wěn)壓源+5V 的電源輸出端接到電路（電源電壓接入電路前應先測量設置好電壓再接入電路，防止電壓過高燒壞元件） 。在精度要求不高的情況下，可直接用萬用表的直流電壓擋測出該有源二端網(wǎng)絡電路的開路電壓 UOC，如圖3 所示。實驗中所用的萬用表其內(nèi)阻足夠大（大于被測網(wǎng)絡的電阻 100倍以上），則測量誤差可以忽略，可認為萬用表的電壓讀數(shù)就是開路電壓 UOC的值。否則將有一定的測

5、量誤差。圖3 測量開路電壓 UOC電路 圖4 測量短路電流 ISC電路（ 2）測量短路電流 ISC將上述實驗電路中的直流電壓表換成直流電流表，其他連接保持不變， 見圖 5-4。 在網(wǎng)絡端口允許短路的情況下， 可用萬用表直流電流擋測量網(wǎng)絡端口處的短路電流。如果實驗中使用的萬用表內(nèi)阻足夠?。ㄐ∮诒粶y支路阻值 100 倍以上），則對測量數(shù)據(jù)影響較小，可以認為萬用表的電流讀數(shù)就是短路電流 ISC的值。否則將有一定的測量誤差。表1 測定等效電源參數(shù) UOC， ISC測 量 項 目UOC（V）ISC（mA）20mA 檔測量200mA 檔測量理論值1.633.25 3.25測量值1.593.063.09（3

6、）測量等效內(nèi)阻 r0測量等效內(nèi)阻的方法很多，事實上，我們根據(jù)已經(jīng)測量的開路電壓 UOC及短路電流 ISC，即可得到等效內(nèi)阻 r0 =UOC /ISC ；除此之外，再介紹幾種測量 r0的方法。a. 直接測量法圖 5 萬用電表歐姆擋測量 r0電路將網(wǎng)絡內(nèi)的獨立源置零，如圖 5（a）所示，將線性有源二端網(wǎng)絡變成無源二端網(wǎng)絡，用萬用表歐姆擋測量該網(wǎng)絡端口處的入端電阻，即得到等效內(nèi)阻 r0。b. 外接已知電源法圖 6 外接已知電源法測量 r0電路按照上述圖 5（a）的方法，將線性有源二端網(wǎng)絡變成無獨立源二端網(wǎng)絡，外接電源，測電流 I 或電壓 U ， 如圖 6（a）和（b）所示，根據(jù)電壓與電流的比值，計算

7、出 r0。c. 半值法按照上述圖 5（a）的方法， 將線性有源二端網(wǎng)絡變成無獨立源二端網(wǎng)絡，外接電壓源 U 和電阻箱 RL，如圖 7 所示； U 的大小，選一個適當值即可，改變電阻箱 RL的阻值，并測量其端電壓 UL，當 UL = 1/2 U 時， r0 = RL。圖 7 半值法測量 r0 電路d. 外接已知負載法也稱為二次電壓測量法，電路如圖 8（a）所示， 在被測電路 A、 B 兩端任接一個阻值已知的電阻 RL，第一次測的是開路電壓 UOC（表 1 已完成），第二次測的是已知阻值電阻 RL上的端電壓 UL，從圖 8（b）我們知道：(Uoc -UL ) /r0 = UL /RL即得到公式:

8、r0 = (Uoc /UL -1) RL圖8 外接已知負載法測量 r0電路特殊地：如果 RL換作電阻箱，在調(diào)節(jié) RL大小的同時， 測量其端電壓 UL，當 UL值恰好為開路電壓 UOC的一半時，由公式得到， r0 = RL，此時 r0值就可直接由電阻箱上讀取。表2 測量 r0r0實驗方法中間測量數(shù)據(jù)結(jié)果 r0（ ）r01開路電壓短路電流法-Uoc/Isc=519.61r02直接測量法-515.24r03外接已知電源法U=5.0V ,I=9.55mA 523.56r04外接已知負載法RL=510,UL=0.78V 529.62理論值 r0 =502.17綜合分析后 r0=529.622. 測量實驗

9、電路的外特性電路的外特性也稱為伏安特性，是對電路輸出端電壓和電流之間關系的描述 U=f (I)。線性有源二端網(wǎng)絡外特性的測量方法，是在被測電路 A、 B 的兩端接一個負載電阻 RL，實驗電路可參考 8（a）， 改變電阻 RL的數(shù)值，測量其端電壓 UL，測量數(shù)據(jù)填入表 3 原電路部分，并計算通過電阻 RL的電流 IL。即可在坐標紙上描繪出 ULIL曲線。 表 3 測量電路外特性RL（）1001503005106201k5.1k100k原 電 路UL (V)0.260.360.570.780.851.051.451.58IL (mA)2.602.401.901.531.371.050.280.02

10、P(mW)0.680.861.081.191.171.100.40.03等效電路UL (V)0.240.350.560.780.851.031.451.58IL (mA)2.402.331.871.531.371.030.280.023. 測量戴維南等效電路的外特性用測量的 UOC 、r0組成戴維南等效電路，其中 r0 選用離實驗中測出較準確值最近的阻值。測量等效電路的外特性的實驗電路可參考圖 8（b），將 UL測量數(shù)據(jù)填入表 5-3 等效電路部分，并計算 IL，與原電路的外特性進行比較。數(shù)據(jù)分析：圖：實驗電路和等效電路的伏安特性曲線如下：4. 研究功率和負載間關系根據(jù)實測的原電路的外特性，計

11、算負載 RL上獲得的功率 P，觀察 P 隨 RL變化的規(guī)律，即P = f(RL )，驗證負載獲得最大功率條件。數(shù)據(jù)分析： 理論分析：RL=510時，P達到最大值 在實驗中：RL=510時，P達到最大值五、實驗要求與注意事項1測量等效內(nèi)阻 r0 的方法最少用三種，以便于比較和分析測量誤差， 選取測量較準確者構(gòu)成等效電路。2. 實驗中萬用表測量電壓、電流的變換次數(shù)較多，必須正確使用，以防損壞。3. 實驗中，嚴禁將直流穩(wěn)壓電源兩輸出端短接。六、實驗報告與思考題1. 整理實驗數(shù)據(jù)，列寫出所用測量方法和電路，分析這些測量方法的優(yōu)缺點。2. 繪制原電路和戴維寧等效電路的外特性曲線，并由原電路外特性曲線求出等效電源參數(shù)。3. 繪制原電路負載 RL上獲得的功率 P 隨 RL變化的曲線，驗證負載獲得最大功率條件。答案1，開路電壓短路電流法：優(yōu)點：測量方法簡單，容易操作；缺點：當二端網(wǎng)絡的內(nèi)阻很小時，容易損壞其內(nèi)部元件直接測量法：優(yōu)點：方便簡單，一目了然；缺點：會造成較大的誤差外接已知電源法：優(yōu)點：測量準確；缺點：無外接已知負載法：優(yōu)點：測量