實(shí)驗(yàn)二 線性有源二端網(wǎng)絡(luò)等效電路的研究

1、實(shí)驗(yàn)二 線性有源二端網(wǎng)絡(luò)等效電路的研究班級(jí) 通信192 姓名 余*耀 學(xué)號(hào) 27一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 學(xué)習(xí)測(cè)量線性有源二端網(wǎng)絡(luò)等效電源參數(shù)和電路的外特性的方法。2. 加深對(duì)等效電源定理的理解， 驗(yàn)證最大功率傳輸條件。3. 鞏固萬(wàn)用電表的使用方法，加深對(duì)萬(wàn)用電表內(nèi)阻的理解。二、實(shí)驗(yàn)器材、設(shè)備及軟件互聯(lián)網(wǎng)+電子在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電阻、電壓源、萬(wàn)用表、導(dǎo)線三、實(shí)驗(yàn)原理1任何一個(gè)線性網(wǎng)絡(luò)，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(gè)有源二端網(wǎng)絡(luò)，或稱為含源一端口網(wǎng)絡(luò)，如圖 1（a）所示。圖1 線性有源二端網(wǎng)絡(luò)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(gè)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(gè)線性有源二端網(wǎng)絡(luò)，就其對(duì)外電路的作用而言，總可以等效為一個(gè)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(luò)在端口處的開路電壓；電阻 r0 等于二端網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有獨(dú)立源置于零的條件下，從端口處看進(jìn)去的等效電阻。諾頓定理：任意一個(gè)線性有源二端網(wǎng)絡(luò)，就其對(duì)外電路的作用而言，總可以等效為一個(gè)電流源和電導(dǎo)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(luò)在端口處的短路電流；電導(dǎo) g0 等于該二端網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有獨(dú)立源置于零的條件下，從端口處看進(jìn)去的等效電導(dǎo)， 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(luò)的等效電源參數(shù)。3線性有源二端網(wǎng)絡(luò)與等效電路的外特性應(yīng)該是一致的，在平面坐標(biāo)中繪制的伏安關(guān)系曲線應(yīng)該重合。4. 最大功率傳輸定理一個(gè)線性有源二端網(wǎng)絡(luò)，不管其內(nèi)部具體電路如何，都可以等效為一個(gè)理想電壓源和電阻組成的串聯(lián)電路，如圖 5-1（b）所示。當(dāng)負(fù)載為 RL時(shí)，獲得功率：對(duì)上式求導(dǎo)并令其為零，得到負(fù)載 RL上獲得最大功率時(shí)的條件 RL = r0，此時(shí)最大功率為：四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟進(jìn)入電路分析實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)“線性有源二端網(wǎng)絡(luò)等效電路”，點(diǎn)擊界面左側(cè)的“實(shí)驗(yàn)操作”選項(xiàng)卡，進(jìn)入線性電路的實(shí)驗(yàn)?zāi)K界面。1. 線性有源二端網(wǎng)絡(luò)等效電源參數(shù)的測(cè)量如圖 2 所示實(shí)驗(yàn)電路， 測(cè)量

4、 A、 B 端口的等效電源參數(shù) UOC、 ISC，測(cè)量數(shù)據(jù)填入表1中，r0任選三種方法進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)填入表 2 中。圖2 測(cè)定 AB 端等效電源參數(shù)電路（1）測(cè)量開路電壓 UOC按圖 5-3 所示， 在實(shí)驗(yàn)板上搭建實(shí)驗(yàn)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(yīng)先測(cè)量設(shè)置好電壓再接入電路，防止電壓過(guò)高燒壞元件） 。在精度要求不高的情況下，可直接用萬(wàn)用表的直流電壓擋測(cè)出該有源二端網(wǎng)絡(luò)電路的開路電壓 UOC，如圖3 所示。實(shí)驗(yàn)中所用的萬(wàn)用表其內(nèi)阻足夠大（大于被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的電阻 100倍以上），則測(cè)量誤差可以忽略，可認(rèn)為萬(wàn)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(cè)

5、量誤差。圖3 測(cè)量開路電壓 UOC電路 圖4 測(cè)量短路電流 ISC電路（ 2）測(cè)量短路電流 ISC將上述實(shí)驗(yàn)電路中的直流電壓表?yè)Q成直流電流表，其他連接保持不變， 見圖 5-4。 在網(wǎng)絡(luò)端口允許短路的情況下， 可用萬(wàn)用表直流電流擋測(cè)量網(wǎng)絡(luò)端口處的短路電流。如果實(shí)驗(yàn)中使用的萬(wàn)用表內(nèi)阻足夠小（小于被測(cè)支路阻值 100 倍以上），則對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)影響較小，可以認(rèn)為萬(wàn)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(cè)量誤差。表1 測(cè)定等效電源參數(shù) UOC， ISC測(cè) 量 項(xiàng) 目UOC（V）ISC（mA）20mA 檔測(cè)量200mA 檔測(cè)量理論值1.633.25 3.25測(cè)量值1.593.063.09（3

6、）測(cè)量等效內(nèi)阻 r0測(cè)量等效內(nèi)阻的方法很多，事實(shí)上，我們根據(jù)已經(jīng)測(cè)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(cè)量 r0的方法。a. 直接測(cè)量法圖 5 萬(wàn)用電表歐姆擋測(cè)量 r0電路將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的獨(dú)立源置零，如圖 5（a）所示，將線性有源二端網(wǎng)絡(luò)變成無(wú)源二端網(wǎng)絡(luò)，用萬(wàn)用表歐姆擋測(cè)量該網(wǎng)絡(luò)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(cè)量 r0電路按照上述圖 5（a）的方法，將線性有源二端網(wǎng)絡(luò)變成無(wú)獨(dú)立源二端網(wǎng)絡(luò)，外接電源，測(cè)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(jì)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(luò)變成無(wú)獨(dú)立源二端網(wǎng)絡(luò)，外接電壓源 U 和電阻箱 RL，如圖 7 所示； U 的大小，選一個(gè)適當(dāng)值即可，改變電阻箱 RL的阻值，并測(cè)量其端電壓 UL，當(dāng) UL = 1/2 U 時(shí)， r0 = RL。圖 7 半值法測(cè)量 r0 電路d. 外接已知負(fù)載法也稱為二次電壓測(cè)量法，電路如圖 8（a）所示， 在被測(cè)電路 A、 B 兩端任接一個(gè)阻值已知的電阻 RL，第一次測(cè)的是開路電壓 UOC（表 1 已完成），第二次測(cè)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(fù)載法測(cè)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(shí)， 測(cè)量其端電壓 UL，當(dāng) UL值恰好為開路電壓 UOC的一半時(shí)，由公式得到， r0 = RL，此時(shí) r0值就可直接由電阻箱上讀取。表2 測(cè)量 r0r0實(shí)驗(yàn)方法中間測(cè)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(cè)量法-515.24r03外接已知電源法U=5.0V ,I=9.55mA 523.56r04外接已知負(fù)載法RL=510,UL=0.78V 529.62理論值 r0 =502.17綜合分析后 r0=529.622. 測(cè)量實(shí)驗(yàn)

9、電路的外特性電路的外特性也稱為伏安特性，是對(duì)電路輸出端電壓和電流之間關(guān)系的描述 U=f (I)。線性有源二端網(wǎng)絡(luò)外特性的測(cè)量方法，是在被測(cè)電路 A、 B 的兩端接一個(gè)負(fù)載電阻 RL，實(shí)驗(yàn)電路可參考 8（a）， 改變電阻 RL的數(shù)值，測(cè)量其端電壓 UL，測(cè)量數(shù)據(jù)填入表 3 原電路部分，并計(jì)算通過(guò)電阻 RL的電流 IL。即可在坐標(biāo)紙上描繪出 ULIL曲線。 表 3 測(cè)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(cè)量戴維南等效電路的外特性用測(cè)量的 UOC 、r0組成戴維南等效電路，其中 r0 選用離實(shí)驗(yàn)中測(cè)出較準(zhǔn)確值最近的阻值。測(cè)量等效電路的外特性的實(shí)驗(yàn)電路可參考圖 8（b），將 UL測(cè)量數(shù)據(jù)填入表 5-3 等效電路部分，并計(jì)算 IL，與原電路的外特性進(jìn)行比較。數(shù)據(jù)分析：圖：實(shí)驗(yàn)電路和等效電路的伏安特性曲線如下：4. 研究功率和負(fù)載間關(guān)系根據(jù)實(shí)測(cè)的原電路的外特性，計(jì)

11、算負(fù)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(yàn)證負(fù)載獲得最大功率條件。數(shù)據(jù)分析： 理論分析：RL=510時(shí)，P達(dá)到最大值 在實(shí)驗(yàn)中：RL=510時(shí)，P達(dá)到最大值五、實(shí)驗(yàn)要求與注意事項(xiàng)1測(cè)量等效內(nèi)阻 r0 的方法最少用三種，以便于比較和分析測(cè)量誤差， 選取測(cè)量較準(zhǔn)確者構(gòu)成等效電路。2. 實(shí)驗(yàn)中萬(wàn)用表測(cè)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(shí)驗(yàn)中，嚴(yán)禁將直流穩(wěn)壓電源兩輸出端短接。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告與思考題1. 整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，列寫出所用測(cè)量方法和電路，分析這些測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)。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(fù)載 RL上獲得的功率 P 隨 RL變化的曲線，驗(yàn)證負(fù)載獲得最大功率條件。答案1，開路電壓短路電流法：優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量方法簡(jiǎn)單，容易操作；缺點(diǎn)：當(dāng)二端網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)阻很小時(shí)，容易損壞其內(nèi)部元件直接測(cè)量法：優(yōu)點(diǎn)：方便簡(jiǎn)單，一目了然；缺點(diǎn)：會(huì)造成較大的誤差外接已知電源法：優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量準(zhǔn)確；缺點(diǎn)：無(wú)外接已知負(fù)載法：優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量