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《电工电子学》实验指导书(卓越班)

发布时间:2019-07-27 16:01 来源:未知 编辑:admin

  《电工电子学》实验指导书(卓越班)_理学_高等教育_教育专区。《电工电子学》实验指导书 电工电子学》 (适用于卓越班或创新班) 适用于卓越班或创新班) 卓越班或创新班 信息学院实验中心 信息学院实验中心 2011 年 9 月 目 录 基础验证性实验 .

  《电工电子学》实验指导书 电工电子学》 (适用于卓越班或创新班) 适用于卓越班或创新班) 卓越班或创新班 信息学院实验中心 信息学院实验中心 2011 年 9 月 目 录 基础验证性实验 .............................................................................................................................. - 2 实验一 常用仪器仪表的认知及直流电路 ............................................................................................ - 2 附 件 基本电量的测量方法 ................................................................................................................ - 8 实验二 RC 一阶电路响应测试 ........................................................................................................... - 15 实验三 三相交流电路 .......................................................................................................................... - 18 实验四 三相异步电动机的控制 .......................................................................................................... - 21 实验五 单管放大电路 .......................................................................................................................... - 24 实验六 集成运算放大器 ...................................................................................................................... - 28 实验七 组合逻辑电路设计 .................................................................................................................. - 31 计数器设计 中规模集成芯片的应用 设计与 实验八 计数器设计与中规模集成芯片的应用 .................................................................................. - 33 实验九 555 定时器及其应用 ............................................................................................................... - 36 实验十 直流稳压电源 .......................................................................................................................... - 38 - 综合设计性实验 ............................................................................................................................ - 45 实验一 晶体管放大电路的设计 .......................................................................................................... - 45 实验二 集成运放基本运算电路的设计 .............................................................................................. - 46 实验三 信号处理电路的设计 .............................................................................................................. - 47 实验四 RC 正弦波振荡器的设计 ....................................................................................................... - 48 实验五 集成直流稳压电源的设计 ...................................................................................................... - 49 实验六 用 555 定时器设计救护车警铃电路 ...................................................................................... - 50 实验七 八通道数据轮询采集电路 ...................................................................................................... - 51 优先判决电路的设计 实验八 优先判决电路的设计 .............................................................................................................. - 52 实验九 四路彩灯控制电路的设计 ...................................................................................................... - 53 - -1- 基础验证性实验 实验一 一、实验目的 1.熟悉掌握常用电工电子仪器仪表的原理及使用 2.学习各基本电量的测量方法 3.掌握各实验箱的功能及使用方法 4.验证直流电路的基本定律 5.加深对电流、电压参考方向的理解 常用仪器仪表的认知及直流电路 常用仪器仪表的认知及直流电路 仪器仪表的认知及直流 二、仪器设备 1.YB1602P 系列功率函数信号发生器或 EM1652 系列数字信号源 1 台 2.KENWOOD CS-4125A 20MHz 2 通道示波器 3.MF-10 型万用表及数字万用表 1块 1台 1台 4.电路分析实验箱、模拟电路实验箱 、数字电路实验箱 三、预习内容 1.认真阅读示波器、信号发生器的使用说明 TPE—DG2 电路分析实验箱使用说明(见附录) 2.预习实验内容;写预习报告,设计测量表格并计算理论值 3.熟悉电路分析实验箱的基本定律模块,根据实验电路设计连接线 四、实验原理 在电工电子实验中,经常使用的仪器设备有示波器、函数信号发生器、直流稳压电源及万用表 等。利用这些仪器设备可以完成电子电路中各电量参数及波形的测试,如图 1-1 示。 图 1.1 注意: 注意:各仪器在进行综合使用时,为防止外界干扰,应将公共接地端连在一起,称为共地。且 实验中不要反复开、关仪器电源,待实验结束经教师检查数据正确后,方可关闭电源。 -2- 1.函数信号发生器 函数信号发生器可为被测实验电路提供多种波形电信号,其幅值、频率均可调。仪器前面板图 如图 1-2 所示。 图 1-2 函数信号发生器 预习实验时,各按键功能及使用方法,请参考 PPT 课件。 注意事项:不能将输出端短路(输出电缆线的两个夹子相连) 。 注意事项 2.示波器 示波器是一种既可以用于观察各种电信号波形, 也可定量测量电信号一些参数的测量仪器。 实验室使用的是如图 1-3 所示的模拟示波器。模拟示波器主要由显示屏、垂直通道及水平通道三部 分组成。 图 1-3 示波器 显示屏:将电信号转换成光信号,用于显示波形及参数。 垂直通道:待测信号输入和预处理通道。用来耦合、放大、衰减和切换被测信号。 水平通道:用于产生代表时间轴的扫描时基信号,并提供同步触发信号,保证显示波形清晰、 稳定。 预习实验时,各部分功能及使用方法,请参考附件及 PPT 课件内容 注意: (1)显示亮度不宜过亮,且不应长时间显示固定亮点。 注意: (2)不要将磁性物体靠近示波器,否则会使扫描基线.直流电路的基本定律 (1)基尔霍夫电流、电压定律(KCL、KVL) 在图 1-4 所示的电路中,按标出的电流参考方向,根据基尔霍夫电流定律,结点 A 有 I1+I2-I3=0 成立。根据基尔霍夫电压定律,应有:E1-UR1-UR3=0;或 E1-UR1+UR2-E2=0;或 E2-UR1-UR2=0 成立。 A R1 I1 R2 I2 R3 I3 E1 E2 B 图 1-4 实验电路 (2)叠加定理 在线性电路中,任一支路中的电流(或电压)等于电路中各个独立源分别单独作用时在该支路 产生的电流(或电压)的代数和。所谓一个电源单独作用是指除了该电源外其他所有电源的作用都 去掉,即理想电压源所在处用短路代替,理想电流源所在处用开路代替,但保留它们的内阻,且电 路结构不作改变。由于功率是电压或电流的二次函数,因此叠加定理不能用来直接计算功率。 按图 1-4 中电流参考方向,E1、E2 共同作用下的电流 I1 应等于 E1 单独作用下的电流 I1′ 与 E2 单 独作用下的电流 I1′′ 之和,即:I1=I1′+ I1′′;同理 I2=I2′+ I2′′;I3=I3′+ I3′′。 ; (3)戴维南定理 任何一个线性有源二端口网络,对于外电路而言,总可以用一个理想电压源和电阻的串联形式 来代替。理想电压源的电压等于原二端口网络的开路电压 UOC ,其电阻(又称等效电阻)等于网络 中所有电压源短路、电流源开路时的入端等效电阻 Req,见图 1-5。 a 线性有 源二端 网络 a b 等效成 + - UOC Req b 图 1-5 戴维南定理示意图 开路电压的测量方法: 开路电压的测量方法: a.直接测量法: .直接测量法: 当有源二端网络的等效电阻 Req 与电压表的内阻相比可以忽略不计时,可以直接用电压表测 -4- 量开路电压。 b.零示法: .零示法: 在测量具有高内阻有源二端网络的开路电压时,用电压表直接 测量会造成较大误差。为了消除电压表内阻的影响,采用零示法。 V UOC Req 稳 压 电 源 即用一个低内阻的稳压电源与被测有源二端网络进行比较,当稳压 电源的输出电压与二端网络的开路电压相等时,电压表的读数将为 0。然后将电路断开,测量此 时稳压电源的输出电压,即为二端网络的开路电压 UOC。 等效电阻的测量方法: 等效电阻的测量方法: 的测量方法 a.短路电流法: .短路电流法 用电压表测得开路电压 UOC 后, 将开路端短路, 测其短路电流 ISC,则等效电阻 Req=UOC/ISC。 此方法测量简便, 但可能因短路电流过大会损坏电路内部的元件, 对于等效电阻较小的二端网络, 一般不宜采用。 b.两次电压测量法: .两次电压测量法 先测开路电压 UOC,再在开路端接一个已知负载电阻 RL,测 RL 两端的电压 UL,则等效电阻 Req = ( U OC ? 1) R L 。 UL c.半电压测量法: .半电压测量法 调电位器 RL 大小, 当其两端的电压等于二端网络开路电压的一半 时,RL 的阻值即为等效电阻 Req 的值。 d.直接测量法: .直接测量法 当二端网络的等效电阻与万用表内阻相比可忽略不计时,可用万 用表欧姆档直接测量二端网络的等效电阻 Req。 UOC V Req RL 五、实验内容与步骤 1.用示波器和万用表测量直流电压 按表 1-1 设置示波器各旋钮位置, 调节 CH1 通道的垂直位移旋钮, 确定测量直流电压的基准线 控制键名称 亮度、聚焦 水平、垂直位移 垂直工作方式 Y 轴灵敏度 (幅度衰减) 频率微调 作用位置 适中 适中 CH1 适中 校准位置 CAL 控制键名称 输入耦合方式 扫描方式 触发源选择 幅度微调 作用位置 GND AUTO CH1 校准位置 CAL -5- 将 CH1 通道接直流电源, “输入耦合方式”由 GND 拨至 DC 端;在示波器显示屏上读出直流电 压值;用万用表直流电压档测量该电压值,与示波器测量值比较误差。 2.用示波器测量正弦信号峰峰值 将示波器“输入耦合方式”改为 AC,其它旋钮的位置如表 1-1。函数信号发生器调成 1kHz 正 弦波信号,输出端与示波器 CH1 通道的探头连接。按照示波器测量幅值的方法测量正弦波信号的峰 峰值。填入表 1-2。 表 1-2 函数信号发生器输出信号幅度 示波器 Y 轴灵敏度旋钮位置(V/div) 正弦波波峰到波谷的高度(格)h 电压峰峰值测量值 VP-P= V/div·h 3.用示波器测量被测信号周期或频率 利用示波器测量周期的方法,按下表测量函数信号发生器输出正弦波信号的周期 T。在要求不 高的情况下,可用 f=1/T 计算频率。 表 1-3 函数信号发生器输出信号幅度 示波器 Y 轴灵敏度旋钮位置(V/div) 正弦波波峰到波谷的高度(格)h 电压峰峰值测量值 VP-P= V/div·h *4.用电阻和电容元件,设计一移相电路,用示波器测量相位差值。 5.验证叠加定理 在电路分析实验箱上的“基本定律”模块连接实验线 两个电压源单独作用和共同作用时各支路电流,数据填入表 1-4,验证结果。 表 1-4 验证叠加定理 I1(mA) 计算 E1 作用 E2 作用 E1、 E2 作用 6.验证戴维南定理 测量 误差 计算 I2(mA) 测量 误差 计算 I3(mA) 测量 误差 用戴维南定理测量 R3 支路的电流 I3。按实验原理,选择合适的测量方法测量开路电压 UOC 和等 效电阻 Req 的值。然后用直流电压源和可变电位器分别调出 UOC 和 Req 的值,再串联上 R3 支路,测 量 R3 支路的电流 I3,自拟表格。 -6- *选做内容: 选做内容: 选做内容 叠加原理实验中,如果在电路的某一位置串联一个二极管元件,通过实验测量验证叠加原理是 否还成立。自行设计电路。 注意: 注意: 1.一定要接好线后再开电源,切勿带电接线。 .一定要接好线后再开电源,切勿带电接线.选定参考方向后,按参考方向插入指针式万用表表笔。测量电压或电流时, 如果指针 .选定参考方向后 按参考方向插入指针式万用表表笔。测量电压或电流时, 如果指针 参考方向 表笔 正偏,测量值为正,电压或电流的实际方向与参考方向一致; 指针反偏,则必须调换万用表表 正偏,测量值为正,电压或电流的实际方向与参考方向一致;如指针反偏,则必须调换万用表表笔 的实际方向与参考方向一致 极性,重新测量,此时,测量值为负正,说明电压或电流的实际方向与参考方向相反。 极性,重新测量,此时,测量值为负正,说明电压或电流的实际方向与参考方向相反。 电压或电流的实际方向与参考方向相反 六、思考题: 思考题: 1.使用示波器时,调节哪些旋可以实现以下功能:波形稳定;移动波形位置;改变显示波形 的个数;改变波形高度;测包含直流成分的信号电压瞬时值。 2)在验证戴维南定理的实验中,如果线性二端网络的内阻和你所用的万用电表内阻接近时,应 选用实验原理中讲述的哪种方法测量 Req 值? 实验报告要求 1.分析处理实验数据,验证叠加定理和戴维南定理? 2.与计算值比较,分析误差原因。 3.回答思考题。 -7- 附 件 基本电量的测量方法 在电路实验中,经常要测量各种电路参数。由于各参数的性质不同,所以,在选择测量仪器和 测量方法时也有所不同。目前,实验室普遍使用的测量仪器有万用表、交流毫伏表、示波器和钳形 电流表等。以下将针对这些常用仪器,介绍一些基本电量的测量方法。 电压的测量 一、直流电压 1. 用万用表测量 用指针式万用表(以 MF10 型为例)测量时,先检查表针是否指示零位,如偏离零位时,可用 螺丝刀调节表头上的机械调零旋钮。将黑表笔插入或“?”或“―”插孔,红表笔插入“+”插孔, ― 功能选择开关置直流电压挡 V 的合适量程,表笔并联接在被测元件两端或待测电源、负载上,便可 由表头读出被测直流电压值的大小。 用数字万用表(以 UT54 型为例)测量时,将黑表笔插入“COM”插孔,红表笔插入“ V ΩHz”插孔,功能选择开关置直流电压量程挡“V ”的合适量程 ,便可在显示屏上显示出被测直 流电压的大小。如被测值前有“―”号,表示黑表笔测试端为高电位,红表笔测试端为低电位。反 之,显示值前无“―”号。 注意: 在无法预知被测电压大小时,为防止打坏表针,应选择最大量程挡, 注意:①在无法预知被测电压大小时,为防止打坏表针,应选择最大量程挡,然后再调整到合 适量程上测量。不可带电转换量程开关。 适量程上测量。不可带电转换量程开关。 ②数字表测量时,如显示屏只显示“1” 则表示超量程,应增大量程范围。 数字表测量时, 显示屏只显示“ ” 表示超量程,应增大量程范围。 , 2.用示波器测量(以 KENWOOD CS-4125A 双踪示波器为例) 测量前,将示波器垂直工作方式置于交替(ALT) ,扫描方式置于自动(AUTO) ,使荧光屏上显 示两条扫描基线,调节示波器 Y 轴灵敏度的微调旋钮,将其旋置校准状态,按以下步骤测量: 1)将垂直输入耦合开关置于“丄”位置,然后根据被测电压极性,调节垂直位移旋钮,使扫描 基线位于合适的位置,以此基线)将垂直输入耦合开关置于“DC”位置。 3)将被测电压经探头接入示波器 Y 轴输入端,从荧光屏上读出此时扫描线偏离零电平基准线的 垂直距离 H(cm) ,如图 2.1.1 所示,以及示波器 Y 轴灵敏度挡位的指示值 SY(V/cm) 。则被测直流 电压为: 被测直流电压(V)=H(cm)×SY(V/cm) 如果探头衰减切换开关置于 10 的位置,则被测直流电压为: 被测直流电压(V)=H(cm)×SY(V/cm)×10 被测直 流电压 H(cm) 基准电压 0V 图 2.1.1 示波器测量直流电压 -8- 二、交流电压 1. 用万用表测量 无论用指针式万用表或数字万用表测量时,其表笔接法均同上,将功能选择开关置交流电压挡 “V~”的合适量程,即可测出被测交流电压值。 注意:万用表测交流电压时, 40Hz~400Hz 之间,高于此范围时, 注意:万用表测交流电压时,被测电压的频率范围应在 40Hz 400Hz 之间,高于此范围时,测 量误差将很大,应改用交流毫伏表测量。另外,测得的电压值是被测交流电压的有效值。 量误差将很大,应改用交流毫伏表测量。另外,测得的电压值是被测交流电压的有效值。 2. 用示波器测量 1)用示波器测量交流电压的峰峰值(Vpp) 。其测量方法如下: ①将垂直输入耦合开关置于“AC”位置。 ②调节示波器 Y 轴灵敏度的微调旋钮,将其旋置校准状态。 ③将被测电压经探头接入示波器 Y 轴输入端,根据被测电压的幅度和频率,适当改变 Y 轴灵敏 度和扫描时间的挡位。 ④调“触发电平”旋钮,使波形稳定,如图 2.1.2 所示。 ⑤读出荧光屏上被测波形峰峰值的坐标刻度 A(cm) 轴灵敏度挡位的指示值 SY(V/cm) 、Y ,则被 测交流电压的峰峰值为:Vpp= A(cm)×SY(V/cm) ;如果探头衰减切换开关置于 10 的位置,则被 测交流电压的峰峰值为:Vpp =H(cm)×SY(V/cm)×10。 如被测信号是正弦波,则根据有效值与峰峰值的关系,可计算出被测交流电压的有效值为: 有效值 V= Vpp/2 2 A(cm) 被测 交流 电压 波形 图 2.1.2 示波器测量交流流电压的峰峰值 2)用示波器测量交流电压的瞬时值。 如要测量的交流电压是含有直流分量的某点的电压瞬时值时,其测量方法如下: ①将垂直输入耦合开关置于“丄”位置,调整扫描基线,确定零电平基准线。 ②将垂直输入耦合开关置于“DC”位置。 ③其他步骤同上,读出荧光屏上被测点与零电平基准线间的坐标刻度 B(cm) 轴灵敏度挡位 、Y 的指示值 SY(V/cm) ,如图 2.1.3 所示,则可算出 R 点的电压瞬时值为:νR= B(cm)×SY(V/cm) 被测交流 电压波形 B(cm) 零电平 基准线 示波器测量交流流电压的瞬时值 -9- 3. 用交流毫伏表测量(NY4520 型双通道交流毫伏表为例) 交流毫伏表测量的是正弦交流电压的有效值。其测量方法如下: 1) 开机前,调节机械调零旋钮,使指针指示零位。 2)按被测电压的大小选择合适的量程,使指针偏转至满刻度的 2/3 以上区域。如不能预知被测 电压的小,应将量程调到最大挡,然后再逐渐减小。 3)接入被测电压,根据量程的挡位按对应的刻度线V 量程,应在刻度盘上 读满刻度为 3 的刻度,此时,如果指针指在 2 的位置,则被测交流电压的有效值即为 2V。 电流的测量 一、直流电流 实验中,通常用万用表来测量直流电流。 用指针式万用表测量时, 与测量直流电压的方法一样, 先进行机械调零。 然后将黑表笔插入 ―” “― 插孔,红表笔插入“+”或“*”插孔,功能选择开关置直流电流挡的合适量程,表笔串联接入被测 负载回路里,便可由表头读出被测直流电流值的大小。 用数字万用表测量时,将黑表笔插入“COM”插孔,当测量最大值为 200mA 以下的电流时,红 表笔插入“mA ”插孔;当测量最大值为 20A 的电流时,红表笔插入“A”插孔。功能选择开关置 直流电流“A 笔极性。 注意:参看直流电压测量“注意” 。 注意:参看直流电压测量“注意” 二、交流电流 1.用指针表或数字表测量时,其方法与测直流电流基本相同,只是将功能选择开关置交流电流 挡“A~”的合适量程。 2.用钳型电流表测量 实验室使用的钳形表为 A3380 系列数字钳形多用表。 可用于测量交直流电压、 交流电流、 电阻、 通断、频率、温度、二极管等。一般常用其测量正在运行的电气线路的交流电流值。测量步骤如下: 1)将功能开关置于交流电流量程“A~”档位。 2)按下板机张开钳口,卡入被测导体。 注意:必须是一根单独的导体,如果卡入两根或两根以上的导体,测量将无效。 注意:必须是一根单独的导体,如果卡入两根或两根以上的导体,测量将无效。 3)为保证测量精度,被测导体应尽量位于钳口中心位置。 4)读取液晶显示器上的被测电流值。如 LCD 最高位显“1” ,说明超量程,应调高档位。 注意: 量程值的测量 注意:①交流电流测量的最大量程为 600A,为避免损坏仪表,请不要进行超量程值的测量。 ,为避免损坏仪表,请不要进行超量程值的测量。 逐步调低。 ②如果无法预知被测电流的大小,应将功能选择开关置于“600 A”档,再逐步调低。 如果无法预知被测电流的大小, 将功能选择开关置于“ 无法预知被测电流的大小 ” 3.用示波器测量 示波器不能直接测量电流,但可用间接测量的方法计算出电流值。测量方法如下: 1)在被测电路中串联一个取样电阻 r。 2)当电流流过电阻 r 时,在其两端产生的电压和流过的电流的波形是相同的。 3)在荧光屏上,按照用示波器测量电压峰峰值的方法,测出 r 上的电压峰峰值 Urpp,再换算出 ”的合适量程挡,表笔串联接入被测负载回路里,电流值显示的同时,将显示红表 - 10 - 有效值 ur,便可计算出该电路的电流,即 i = ur 。 r 时间的测量 实验室通常采用示波器来测量被测信号的时间。 一、 周期测量 1.测量前,先将示波器扫描速度微调置于校准位置。 2.接入被测信号,调节 X 轴扫描速度及 Y 轴灵敏度的挡位,使波形的高度和宽度合适。 3.适当调节 X 轴及 Y 轴的位移旋钮,以及触发电平旋钮,将波形稳定的显示在荧光屏中心位 置。 4.读一个完整周期的水平距离 D(cm) ,以及 X 轴扫描速度挡位的指示值(t/cm) ,如图 2.3.1 所示。则被测信号的周期为: T= D(cm)×扫描速度挡位的指示值(t/cm) 如果示波器的扩展×10 旋钮被拉出,则被测信号的周期为: T= D(cm)×扫描速度挡位的指示值(t/cm)÷10 D(cm) cm) 图 2.3.1 用示波器测量信号的周期 二、频率测量 对于周期性信号的频率测量,可以采用频率计和示波器进行测量。以下仅介绍示波器测量法。 1.用测周期法测量 由于信号的频率为周期的倒数,因此,可用上述测周期的方法先测出信号周期,然后换算出频 率。 2.用李沙育图形法测量 1)将“X—Y”旋钮按下,使示波器处于“X—Y”工作方式。此时,CH1 通道为 Y 轴输入端 子,CH2 通道为 X 轴输入端子。 2)将被测信号 fY 接 Y 通道(CH1) ,已知的且频率可调的标准频率信号 fX 接 X 通道(CH2) 。 3)调节已知信号频率 fX,使 fY∶fX=1∶2 时,荧光屏上显示波形如图 2.3.2 所示。fY 与 fX 之比 不同,李沙育图形的形状也不同。 4)在荧光屏上作两条相互垂直的直线 X 和 Y,且分别与李沙育图形相切,则李沙育图形与直线 X、Y 的交点数目之比,即是两信号频率之比。即 fX N 4 2 = Y = = ,fY=0.5fX fY NX 2 1 其中:NX 为水平线与李沙育图形的交点数,NX=2 NY 为垂直线与李沙育图形的交点数,NY=4 在对测量精度要求不高,且被测信号频率低于 20kHz 时,也可以使用数字式万用表来简单地测 - 11 - 量信号频率。其测量方法是:将黑表笔插入“COM”插孔,红表笔插入“ VΩHz”插孔,功能选 择开关置“kHz”的合适量程挡,表笔并联接到被测信号两端,即可显示出被测信号的频率值。 uY Y X t TY uX TX t 图 2.3.2 李沙育图形测量频率 三、信号任意两点间的时间测量 在进行电路暂态响应测试实验时,通常要测量电容充、放电的时间常数 τ,其测量方法如下: 1)按周期测量方法,调节示波器相关旋钮,将波形稳定的显示在荧光屏上,并将扫描速度微调 置于校准位置。如图 2.3.3 所示。 2)取充电过程测量 τ 值。 3)首先在荧光屏上读出稳态值 uC(∞)的坐标刻度 H(cm) ,算出 0.632×H 的值对应的坐标刻 度 L(cm) ,在纵轴上找到该值对应的点,通过该点做水平线与响应波形相交于 A 点,再通过 A 点做垂线和横轴相交,读出水平距离 T(cm) ,以及 X 轴扫描速度挡位的指示值(t/cm) ,则时间常 数 τ 为: τ= T(cm)×扫描速度挡位的指示值(t/cm) 图 2.3.3 用示波器测量时间常数 τ 相位的测量 测量相位,通常是指两个同频率的信号之间相位差的测量。以下介绍如何用示波器测量相位差。 - 12 - 方法一: 1.将示波器的显示方式置“交替”档位。 2.为了获取频率相同但相位不同的两个被测信号 Ui 和 UR, ,可采用图 2.4.1 所示的 RC 移相电路。 将信号发生器的输出调至频率为 1KHz、幅值为 2V 的正弦波,Ui 和 UR 分别与示波器的 CH1 和 CH2 输入端相连。为便于稳定波形,比较两波形相位差,应使内触发信号取自被设定作为测量基准的 Ui 信号。 图 2.4.1 两波形间相位差测量电路 3.调节 CH1 和 CH2 通道的 Y 轴灵敏度开关位置,在荧屏上显示出易于观察的两个相位不同的 正弦波形 Ui 及 UR,如图 2.4.1 所示。读出两波形在水平方向的差距 X(cm) ,及基准信号 Ui 一个 周期在水平方向的长度 XT(cm),即可计算出两波形的相位差 φ 为:φ = 方法二: 利用李沙育图形法,也可以测量出两个频率相同而相位不同的正弦波相位差。 1.将“X—Y”旋钮按下,使示波器处于“X—Y”工作方式。此时,CH1 通道为 Y 轴输入端 子,CH2 通道为 X 轴输入端子。 2.将方法一中的两个被测信号 Ui 和 UR,分别加到示波器的 Y 轴和 X 轴输入端,此时,荧光屏 上将显示出如图 2.4.2 所示的图形。 X ×360° XT 图 2.4.2 用李沙育图形法测相位差 - 13 - 3.根据+X 轴(或+Y)上截距 X1(或 Y1)与幅值 Xm(或 Ym)之比,可计算出 Y 轴上所加信 号与 X 轴上所加信号之间的相位差 φ 为 φ= arcsin( ± Y1 X ) = arcsin( ± 1 ) Ym Xm 注意:此方法只能测相位差的绝对值,至于超前与滞后的关系,应根据电路工作原理进行判断。 功率的测量 测量功率时,通常采用电动式功率表。在使用时,将表中的可动线圈作为电压线圈,与分压电 阻串联后与负载并联;固定线圈作为电流线圈, ,与负载串联。具体测量 * 方法如下: W * 电 源 负 载 1.接线时, 必须保证电流线圈要与负载串联, 电压线.电压线圈与电流线圈的接线柱中各有一个“*”标记,称为极性端。 接线时需将极性端连接在一起,并且一定要接在电源端,否则会产生测量 误差。如图 2.5.1 所示。 图 图 2.5.1 功率表接线. 测量中, 若功率表指针反偏, 可以将接在电压线圈或电流线圈的两根导线对调, 再进行测量。 4.电流线圈的电流及电压线圈的电压都不能超过规定值。 - 14 - 实验二 一、实验目的 RC 一阶电路响应测试 一阶电路响应测试 1. 掌握 RC 一阶动态电路零状态响应和零输入响应的概念。 2. 学习电路时间常数的测量方法。 3. 掌握有关微分电路和积分电路的概念。 4. 进一步学会用示波器观测波形。 二、仪器设备 1.TPE—A3 模拟电路实验箱 1台 2.YB1602P 系列功率函数信号发生器 或 EM1652 系列数字信号源 1 台 3.KENWOOD CS-4125A 20MHz 2 通道示波器 1台 三、实验原理 实验原理 1. RC 电路的方波响应 图 2-1(a)所示为 RC 串联电路。为了用示波器观察电路的暂态过程,用方波来代替输入阶跃 信号。在 ui 端加方波信号时,电容两端的响应波形如图 2-1(c)所示。 ui ui R C 0 T/2 T uC Um b Um tp t 0.632Um c 0 a τ T/2 T t (a)RC一阶电路 (b)输入阶跃信号 图 2-1 方波激励下电容的响应波形 (c)电容响应波形 图(c)中,ab 段曲线是电容器的充电过程,即零状态响应过程。此过程维持时间的长短与时 间常数 τ 有关,τ=RC。当 t=τ 时,电容电压 uC(τ)=0.632Um(Um 为方波信号的峰值) ;当 t=5τ 时, 电容电压 uC(5τ)=0.993Um。通常认为 t=5τ 时,电路暂态过程结束,进入新的稳定状态。bc 段是电 容器的放电过程,即零输入响应过程。当 t=τ 时,电容电压 uC(τ)=0.368Um;当 t=5τ 时,电容电压 uC(5τ)=0.007Um,此时电路已接近稳定状态。 ui +Um 0 uC +Um tp t 0 T/2 T t -Um -Um 图 2-2 输入正负对称方波时电容的响应波形 - 15 - 由于函数信号发生器输出的是正负对称的方波,因此,当此信号作为 RC 电路的阶跃信号时, 电路是一个输入阶跃和电容初始值均不为零的全响应过程,如图 2-2。 2.用示波器测量时间常数 τ 在电容充电响应波形上,沿波形在纵轴上找到 0.632Um 值的点,通过该点做垂线与横轴相交, 读出该点到充电波形起始端之间的格数 a,则时间常数 τ= a×扫描时间 s/div。 (注意扫描微调要 放在 CAL 校准位置) 。 3.微分电路和积分电路 微分电路和积分电路是电容器充放电现象的一种应用,电路如图 2-3 所示。微分电路中,当时 间常数很小时,输出电压 uR 正比于输入电压 ui 的微分,即 u R = RC 很大时,输出电压 uC 正比于输入电压 ui 的积分,即 u R = du i ;积分电路中,当时间常数 dt 1 u i dt 。 RC ∫ C ui R uR ui R C uC (a)微分电路 图 2-3 微分电路与积分电路 (b) 积分电路 当输入电压 ui 的波形为正负对称的方波时,微、积分电路输入、输出电压波形如图 2-4 所示。 如改变时间常数 τ 与方波脉冲宽度 tP 的比值,电容器充放电的快慢就不同,因此输出电压的波形就 不同。 (a) 微分电路 uR 波形 图 2-4 (b) 积分电路 uC 波形 微分、积分电路输出波形 在微分电路中,当 τtP 时,电容器充电很慢,输出电压 uR 与输入电压 ui 的波形很相近。随着 τ 和 tP 比值的减小,电阻两端电压 uR 的波形逐渐变成正负尖脉冲,如图 2-4(a)所示。τ 越小,尖脉 冲越陡。因此,构成微分电路的条件是: (1)τtP(通常 τ0.2 tP)(2)从电阻两端输出。 , 在积分电路中,当 τ≤tP 时,电容器充放电较快,电容两端的波形如图 2-1(c)所示。当 τtP - 16 - 时,电容器充电缓慢,后又经电阻缓慢放电,电容两端电压 uC 的波形逐渐变成三角波,τ 越大,充 放电越缓慢, 输出三角波的线 (b) 所示。 因此, 构成积分电路的条件是: (1) P τt (通常 τ5 tP)(2)从电容两端输出。 , 四、实验内容 1.根据 RC 电路的全响应波形,观察零状态和零输入响应过程,并通过波形测量时间常数 τ 由函数信号发生器输出 Upp=3V、f=1kHz(tP=T/2=0.5ms)的方波作为阶跃信号。设计实验电 路,在元件参数满足要求时,通过示波器测量时间常数 τ,并与计算值比较误差。 2.观察 RC 电路的微分响应 按实验原理选择电阻、电容参数及方波信号的频率,观察 τ tP(一般 τ0.2 tP)时 ui 和 uR 的 波形,并测量 uR 峰峰值。改变电阻或电容的参数,使 τ 值增大时,观察 uR 波形的变化。 3.观察 RC 电路的积分响应 按实验原理选择电阻、电容参数及方波信号的频率,观察 τtP 时 ui 和 uC 的波形,并测量 uR 峰 峰值。改变电阻或电容的参数,使 τ 值减小时,观察 uC 波形的变化。 *选做内容: 选做内容: 选做内容 观察 RLC 二阶串联电路响应波形 取电感 L=10mH,电容 C=0.01uF,电阻 R 接 10k? 电位器,连接成串联电路。调节 R,用示波 器观察当 R 2 L L L ,R=2 和R2 时的过阻尼、临界阻尼和欠阻尼三种阻尼波形。 C C C 五、实验注意事项 1.实验前,掌握示波器各旋钮的功能。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 “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、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.当输入方波信号频率升高或降低时,如保持 R、C 值不变,其响应是否改变?通过实验验证。 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?这两种电路有何功用? 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 τ 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。 - 17 - 实验三 实验三 一、实验目的 1.验证三相电路中线量与相量的关系; 三相交流电路 三相交流电路 交流 2.学习三相负载的星形和三角形联接方法,观察中线.学习用二瓦表测量有功功率。 二、实验仪器 电机与电力控制实验装置 数字万用表 A3380 系列钳型表 一台 一块 一台 三、预习要求 1)复习三相交流电路的内容,熟悉实验步骤,写预习报告。 2)预习 A3380 系列钳型表的使用(见附录Ⅱ) 。 3)根据负载(灯泡 25w,230V)的参数估算电路中负载电流的大小。 4)复习三功率表的使用。 四、实验内容及步骤 1.电灯负载作 Y 形联接,如图 3-1: (负载为 25w,230V 灯泡) ~380V IA A U V ~380V IB B W N ~380V IC IN C 图 3-1 负载作 Y 形联接 (1)每相开 3 盏灯构成对称负载,当电源电压为线V 时,分别在有中线和无中线两种 情况下测量各负载上的相电压、相电流及中线 盏灯构成不对称负载,分别在下面两种情况下测量各负载上的相电 压、相电流及中线,填入下表,比较两种情况下,每相之间灯的亮度有无变化。 - 18 - 相电压 量 名 中 线 各相电流及灯亮度 灯 数 VA 对 称 不 对 称 有中线V 有中线 IA 亮度 比较 灯 数 IB 亮度 比较 灯 数 IC 亮度 比较 2.电灯负载作△形联接,如图 3-2: (负载为 25w,230V 灯泡) 电源电压为线V,负载作三角形联接,分别在对称负载(每相 3 盏灯)及不对称负载 (1.2.3 盏灯)两种情况下,测量每相的线电流及相电流,并观察两种情况下,每相之间灯的亮 度变化。 U ~220VIA A IAB V ~220V IB B IAC W ~220V IC ICA C 图 3-2 负载作△形联接 I线 线电流 IA 对称 不对称 I 相 相电流 IC IAB IBC ICA IB 3.用二瓦表法测三相有功功率 三相三线制供电系统中,无论三相负载是否对称,也无论负载是 Y 接还是△接,都可用二瓦表 法测量三相负载的总有功功率。 实验电路如图 3-3 所示。分别测量 Y 接和△接对称负载时的功率,数据填入下表。连线 - 功率表的电流线圈要串联在电路中,电压线圈要并联在电路中。 图 3-3 测量数据 负载情况 P1(W) Y 接对称负载 380V △接对称负载 220V P2(W) P 总(W) 测量时如功率表显示负值,应将功率表电流线圈两个端子对调(不能调换电压线圈端子) ,同时 读数应记为负值。 五、实验报告要求 1.用实验数据说明在什么情况下电压、电流的线.在什么情况下才能取消中线.如何用一瓦表测量负载对称及不对称时的三相有功功率。 - 20 - 实验四 实验四 一、实验目的 三相异步电动机的控制 1.看懂三相异步电动机铭牌数据和定子三相绕组六根引出线在接线.根据电动机铭牌要求和电源电压,能正确连接定子绕组(Y 形或 ? 形); 3.了解按钮、交流接触器和热继电器等几种常用控制电器的结构,并熟悉它们的接用方法; 4. 通过实验操作加深对三相异步电动机直接起动和正反转控制线路工作原理及各环节作用的理 解和掌握,明确自锁和互锁的的作用; 5.学会检查线路故障的方法,培养分析和排除故障的能力。 二、实验仪器与设备 电动机控制综合实验台 导线若干 一台 万用表一只 三、预习要求 1. 复习三相异步电动机直接启动和正反转控制线路的工作原理,并理解自锁、互锁及点动的概 念,以及短路保护、过载保护和零压保护的概念。 2.复习交流接触器的工作原理。 四、实验内容与步骤 认识实验装置上复式按钮、交流接触器和热继电器等电器的结构、图形符号、接线方法;认真 查看异步电动机铭牌上的数据,按铭牌要求将三相定子绕组接成△接。三相调压器输出端U、V、W 调为线V。 U V W FR SB1 KM KM FR M 3~ 图4-1 三相鼠笼式异步电动机的点动控制 1. 点动控制 开启电源控制屏总开关,按启动按钮,调节调压器输出线V后,按停止按钮,断开三相 - 21 - 电源。按图4-1点动控制线路接线,先接主电路,即从三相调压输出端U、V、W开始,经接触器KM 的主触点,热继电器FR的热元件到异步电机M的三个定子绕组端,用导线按顺序串联起来。主电路 检查无误后,再连接控制回路,即从三相调压输出端的某相(如V)开始,经过热继电器FR的常闭触 点、接触器KM的线到三相调压输出的另一相(如W)。接好线路,经指导教师检查 后,方可进行通电操作。 (1)按电源控制屏启动按钮,接通220V三相交流电源。 (2)按下按钮SB1,对异步电机M进行点动操作,比较按下SB1与松开SB1时,电机和接触器的运 行情况。 (3)实验完毕,按电源控制屏停止按钮,切断电源。 2. 自锁控制 图4-2所示为自锁控制线的不同点在于控制电路中多串联了一个常闭按钮SB2,同 时在SB1上并联一个接触器KM的常开触点,它起自锁作用。 U V W FR SB1 SB2 KM FR 图 KM KM M 3~ 4-2 三相鼠笼式异步电动机的自锁控制 按图4-2接线,经指导教师检查后,方可进行通电操作。 (1)按电源控制屏启动按钮,接通220V三相交流电源。 (2)按起动按钮SB1,松手后观察电机M是否继续运转。 (3)按停止按钮SB2,松手后观察电机M是否停止运转。 3.正反转控制 图 4-3 为正反转控制线路,按图接线,经指导教师检查后,方可通电进行如下操作: (1)按电源控制屏启动按钮,接通 220V 三相交流电源。 (2)按正向起动按钮 SB1,观察并记录电机的转向和接触器的运行情况。 (3)按停止按钮 SB3,电机停止运行后,按反向起动按钮 SB2,观察并记录电机和接触器的运 行情况。 - 22 - (4) 实验完毕,按电源控制屏停止按钮,切断三相交流电源,拆除导线 三相鼠笼式异步电动机的正反转控制 五、实验报告: 实验报告: 回答以下思考题: 1.以星形连接的负载为例,主回路中如果只串联两个发热元件时,是否也能起到保护? 2.热继电器是否也能起到短路保护? - 23 - 实验五 实验五 一、实验目的 单管放大电路 单管放大电路 放大 1.学习测量和调整共发射极放大电路的静态工作点; 2.掌握电压放大倍数及其它动态参数的测量方法。 3.学习用示波器观察输入信号、输出信号波形,了解静态工作点对非线性失真及电压放大倍数 的影响。 二、仪器设备 1.MF-10 型万用表或数字万用表 2.TPE—A3 模拟电路实验箱 1台 1台 3.YB1602P 系列功率函数信号发生器 或 EM1652 系列数字信号源 1 台 4.KENWOOD CS-4125A 20MHz 2 通道示波器 5.NY4520 型双通道交流毫伏表 1台 1台 三、实验原理简述 1.静态工作点的选取与调整 图 5-1 所示,为具有自动稳定工作点的分压式偏置共发射极单管电压放大电路。 放大器的静态工作点是指当放大器输入信号 Ui=0 时,在直流电源的作用下,晶体管基极和 集电极回路的直流电压及电流值 UBE、UCE、IB、IC。 为了保证在放大器的输出端得到最大的不失真输出电压, 必须给放大器选择合适的静态工作点。 静态工作点选择不当,或输入信号幅值太大都会使放大器输出电压波形产生失真。工作点偏高,晶 体管工作在饱和区,输出会产生饱和失真;工作点偏低,晶体管工作在截止区,输出会产生截止失 - 24 - 真;而当输入信号幅值过大时,则会产生双向失真。 在电路结构及 UCC 和 RC 都确定的情况下,静态工作点主要取决于 IB(或 UCE)的数值。因此, 通过调整偏置电路中 Rb 的阻值,便可改变静态工作点的位置。 2.放大器动态参数的测量 1)电压放大倍数 AuO、AuL 电压放大倍数 AuO 是指放大器负载电阻 RL=∞,且放大器输出信号无明显失线 与输入电压 Ui 的峰峰值或有效值之比 AuO = U0 。AuL 是指放大器带负载时,输出电压 UL 与输入电 Ui 压 Ui 的峰峰值或有效值之比 AuL = 2)输入电阻 R i 的测量 UL 。 Ui 输入电阻 R i 是放大器输入端看进去的等效电阻。 其值反映了放大器从信号源或前一级电路获取 电流的大小。电路如图 5-2 所示,其测量方法是:在放大器输出波形不失真的情况下,用示波器测 出 US 与 Ui 的峰峰值,则输入电阻 Ri = Ui ?R US ?Ui R 5k1 US Ui R0 Ri U0 U RL 图 5-2 输入电阻和输出电阻测量电路 3)输出电阻 R 0 的测量 输出电阻 R 0 是放大器从输出端看进去的等效电阻。 其值反映了放大器带负载的能力。 根据等效 电路,用示波器测出 U0 与 U0L 的峰峰值,则输出电阻 3.负反馈对放大电路性能的影响 图 5-1 中,如果断开发射极旁路电容,放大电路中便引入了电流串联负反馈。电路中引入负反 馈后,可以提高电路的稳定性、减小非线性失真、扩展频带宽度及改变输入输出电阻值。 R0 = ( U0 ? 1) ? R L UL 四、预习要求 1.复习三极管及单管放大电路工作原理。掌握静态工作点对非线性失真的影响。弄清放大器 产生截止失真和饱和失线.认线 模拟电路实验箱使用说明书。在分立电路模块上对照实验电路图,设计 - 25 - 好连接线.熟悉示波器、函数信号发生器的用法。 4.写预习报告,拟出详细的实验步骤及记录表格。 五、实验内容和步骤 1.调整和测量静态工作点 . (1) 选择实验箱上固定输出的+12V 直流稳压电源作为放大器的电源 UCC。 然后关掉电源再连线! 然后关掉电源再连线 接好实验电路,仔细检查,注意发射极的电路连线。确定无误后接通电源! 确定无误后接通电源! (3)调节 RP,使放大器的集电极对地电位为 U C = UC 6V UE UBE U CC = 6V 。测量并计算表中各值。 2 UCE IE 2.测量电压放大倍数 . (1)调节函数信号发生器,输出频率 f=1kHz、峰峰值为 1V 的正弦波信号。 (2)将此信号接至放大器的输入 US 端,经过 R1、R2 衰减(100 倍)后,在 Ui 端应得到 Ui=10mV 的小信号。注意:信号发生器、放大器及示波器的地线应皆连在一起。以减少干扰。 注意:信号发生器、放大器及示波器的地线应皆连在一起。以减少干扰。 1)用示波器观察放大器空载(RL=∞)时,Ui、U0 的波形及相位,并测量 Ui、U0 的峰峰值, 计算电压放大倍数 A u0 = U0 ,记录在你所设计的表中。 Ui UL Ui , U U 计算电压放大倍数 A uL= 2) 测量放大器加上负载电阻 RL=5K1 时, i、 L 的波形及峰峰值, 填入你所设计的表中。 (3)信号源输出信号的频率不变,逐渐增大输出信号的峰峰值,观察放大器带负载时的最大不 失真输出电压值 ULmax,并填入你所设计的表中。 3.观察静态工作点对非线性失真的影响 . 在电源电压 UCC 与输入信号 Ui=10mV 不变的情况下,调整以下参数,观察这些参数变化对放大 器工作点的影响,判断有无失真并指出是什么失真(注意在你的实验报告中要注明是饱和还是截止 失真。截止失真在此实验中可能看不到缩顶的现象,但可以通过适当增大输入信号峰峰值,或通过 测量三极管的工作点来判断) 。 - 26 - (1)Rb 合适的情况下: 1)取 RC=5K1、RL=2K2 观察输出波形,说明有无失真?画出输出波形并测量峰峰值。 2)取 RC=2K、 RL=2K2 观察输出波形,说明有无失真?画出输出波形并测量峰峰值。 (2)取 RC=5K1、RL =5K1 1)调节 RP,使 Rb 的阻值逐渐增大,观察输出波形有无失真?什么失线)调节 RP,使 Rb 的阻值逐渐减小,观察输出波形有无失真?什么失线.测量放大器输入、输出电阻 量放大器输入、 输入 调整 RP,将放大器的工作点调回原来位置。去掉 100 倍衰减电路中的电阻 R2,保留 R=5K1 的电 阻,按实验原理中的方法,测量 US、Ui、U0、UL 的值,计算出 Ri 和 R0 的值。 测算输入电阻(R=5K1) 实测 US(mV) Ui(mV) 测算 Ri 估算 Ri 测算输出电阻(RL=5K1) 实测 U0(V) UL(V) 测算 R0(K?) 估算 R0 (K?) 5.观察电流串联负反馈对放大器性能的影响 静态工作点合适情况下,将图 5-1 中的旁路电容断开,此时电路引入电流串联负反馈,观察输 出电压幅度的变化。当输入信号增大(频率不变)时,观察有反馈和无反馈(旁路电容断开和接上) 时输出波形的非线性失真现象。 *选做内容: 选做内容: 选做内容 测量放大电路的频带宽度 查阅相关资料,拟出测量上、下限截止频率的实验步骤并测量,计算频带宽度。 六、思考题 1.如何正确选择静态工作点?设置静态工作点对放大器性能有何影响? 2.放大器的静态与动态测试有何区别? 3.通过实验测试,放大器输出与输入电压的相位关系如何? 七、实验报告 1.整理实验数据,填写好实验所需的表格。 2.说明那些因素影响静态工作点?工作点偏高会出现什么失真?工作点偏低会出现什么失线 - 实验六 集成运算放大器 集成运算放大器 运算 一、实验目的 1. 掌握集成运算放大器在线性和非线性应用中的特点及性能。 2. 学会线性电路和非线性电路的组成及参数测量方法。 二、实验仪器 1. 数字万用表 2. CS-4125 示波器 3. YB1620P 信号发生器 三、预习要求 1. 熟悉集成运算放大器芯片 uA741 的管脚功能 2. 估算测量表格中的理论值 3. 复习示波器和信号发生器的使用 四、实验原理 集成运算放大器是具有高增益、高输入阻抗的直接耦合放大器。当其外部引入深度负反馈网络 时,集成运算放大器工作在线性区域,输出电压 Uo 与输入电压 Ui 的运算关系仅取决于外接反馈网 络与输入的外接阻抗,而与运算放大器本身无关,可以实现比例、加法、减法等各种运算电路。当 其外部为开环或引入正反馈网络时,集成运算放大器工作在非线性区域,输出电压处于正饱和或负 饱和值,如比较器、信号产生电路等。 实验采用 uA741 芯片, 右图为芯片管脚图及 符号,各管脚功能如下: 2--反相输入端 Ui-; 3--同相输入端 Ui+; 7--正电源端+UCC;4--负电源端-UCC;6--输出端 U0;1、5—外接调零电位器端;8—空脚 RF 五、实验内容 A.基本内容 . 1. 反相比例放大电路 实验电路如图 6.1 所示。 1) 按表 6.1 内容测试,并记录数据。 图 6.1 反相比例放大器 Ui R1 10k 100k R2 10k A Uo + 注意:当输入电压过大,超出线性区域时,比较输出电压的实际值与理论估算值的差别。 注意 - 28 - 表 6.1 直流输入电压 Ui(mV) 理论估算(mV) 输出电压 实际值(mV) Uo 误差 2)反相输入端加频率为 1kHz、峰峰值为 200mV 的正弦交流信号,用示波器观察输入、输出信 号的波形及相位,并测量 Uo 的峰峰值,记入表 6.2。 表 6.2 交流输入电压 Ui(mV) 200mV 频率 1kHz RF 30 100 300 1000 3000 输出电压 Uo 输入、输出波形及相位 2.同相比例放大电路 电路如图 6.2 所示 Ui R1 10k 100k R2 10k A Uo + 图 6.2 同相比例放大器 按表 6.3 内容测量,并记录。 表 6.3 直流输入电压 Ui(mV) 理论估算(mV) 输出电压 实际值(mV) Uo 误差 3.反相求和放大电路 实验电路如图 6.3 所示 按表 6.4 内容进行实验测试,并与预习计算比较。 表 6.4 Ui1(V) Ui2(V) UO(V) 0.3 0.2 -0.3 0.2 0.7 0.5 Ui1 Ui2 R1 10k R2 10k RF 100k 30 100 300 1000 3000 R3 10k A Uo + 图 6.3 反相求和放大器 4.双端输入求和(减法)放大电路 - 29 - 实验电路如图 6.4 所示。 按表 6.5 要求测量, 并记录。 表 6.5 Ui1(V) Ui2(V) UO(V) 5.反相积分运算电路 是用 实验电路如图 6.5 所示。 电容两端并联电阻 RF, 来补偿偏置电流所产生的失调,减小直流漂移,起稳定直 流工作点的作用。 Ui R1 20k RF Ui1 R1 10k 100k A R2 10k R3 1 0.5 2 1.8 0.2 -0.2 Ui2 Uo + 10k 图6.4 双端输入求和电路 RF C 100k 0.1uF R2 10k A Uo + 1)输入 Ui 加频率 1kHz、峰峰值 1V 的方波信号,用 示波器观察输入输出波形,并测量 Uo 的峰峰值。 2)除去电阻 RF,观察输出波形的变化。将方波信号的峰峰值增加到 2V 时,再观察输出波形的 变化情况。 3)方波信号的峰峰值 1V 不变,改变 R、C 参数或改变方波信号频率,使 R1C tp(tp 为方波半 个周期时间) ,观察 RF 接入与除去时,输出波形的变化。 6.过零比较器 实验电路如图 6.6 所示。 1)输入 Ui 加频率 1kHz、峰峰值为 2V 的正弦波 信号,用示波器观察输入、输出波形及相位关系,并 测量输出电压 Uo 的峰峰值。 图 6.6 反相过零比较器 图 6.5 反相积分电路 Ui A R Uo ±UZ + 2)改变输入电压的峰峰值,观察输出电压的变化,说明 UZ 的作用。 五、实验报告 1. 总结本实验中 5 种运算电路的特点及性能。 2. 分析理论计算与实验结果误差的原因。 六、思考题 1. 在实验中,输入电压达到某一值时,如继续增大输入,输出值不变,为什么? 2. 只用电阻和电容组成的积分器与运放构成的积分器有何不同? - 30 - 实验七 实验七 一、实验目的 1.熟悉与非门的逻辑功能。 组合逻辑电路设计 2.学习简单的组合逻辑电路的分析与设计方法,并连接电路验证结果。 二、仪器设备 1.THD —4 数字电路实验箱 2.MF-10 型万用表或数字万用表 3.KENWOOD CS-4125A 20MHz 2 通道示波器 1 台 1台 1台 三、实验原理简述 在任何时刻,输出状态只取决于同一时刻各输入状态的组合,而与之前状态无关的逻辑电路称 为组合逻辑电路。其设计过程:根据设计任务列出真值表→根据真值表写表达式→化最简表达式→ 画出逻辑电路图→连接电路验证结果。 四、预习要求 1.复习有关教材,掌握常用基本门电路的逻辑关系及逻辑代数基本运算法则。 2.设计并画出实验所需的逻辑电路。 3.熟悉 THD—4 数字电路实验箱的使用。 五、实验内容和步骤 1.测试与非门的逻辑功能,验证“0”电平对与非门的封锁控制作用 实验所用的与非门集成电路逻辑器件主要有两种: 1)74LS00(74HC00) :四 2 输入与非门; 2)74LS20(74HC20) :双四输入与非门。 这两种逻辑器件的管脚及内部结构如下图所示。 14 UCC 13 12 11 10 9 8 14 UCC 13 12 11 10 9 8 74LS00 74LS20 GND 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 GND 7 将与非门集成芯片连接+5V 直流电源。选择芯片中的一个与非门,在其中一个输入端加 1kHz - 31 - 的脉冲信号。用示波器观察,当另一输入端分别接高电平和低电平时,输出端波形的变化。从而验 证“0”电平对与非门的封锁作用。 2.设计 1 位全加器 (1)用异或门 74LS86 和与非门实现 (2)用 3 线 和与非门实现 要求:列出真值表,写出表达式,化出最简表达式,画出逻辑电路图并连接验证结果。 实验所用异或门为 74LS86,3 线,其管脚及内部结构见下图所示。 14 UCC 13 12 11 10 9 8 74LS86 GND 1 2 3 4 5 6 7 3.用与非门实现输出等于输入的平方关系 要求:根据框图所示,列出真值表、写出逻辑表达式、画出逻辑电路,并在实验箱上搭接逻辑 电路,验证设计结果。图中 A1、A2 是输入,Q3Q2Q1Q0 是输出。 A1 A0 *选做内容: 选做内容: 选做内容 全部用与非门设计实现 1 位全加器,写出与非―与非逻辑表达式、画出逻辑电路。 组合逻辑 组合逻辑 电 路 Q3 Q2 Q1 Q0 接发光二极管 六、实验报告要求 1、根据实验结果总结与非门的用法和特点。 2、整理实验数据和图形。 3、总结两种触发器的特点。 - 32 - 实验八 实验八 一、实验目的 计数器设计与中规模集成芯片的应用 计数器设计与中规模集成芯片的应用 设计 1.熟悉并掌握 D 触发器的工作原理及应用。 2.掌握中规模集成计数器和 4 位双向移位寄存器的逻辑功能及使用方法。 3.了解译码器和显示器的功能。 二、仪器设备 1.THD —4 数字电路实验箱 2.MF -10 型万用表或数字万用表 3.KENWOOD CS-4125A 20MHz 2 通道示波器 1 台 1台 1台 三、实验原理简述 实验原理简述 1.维持-阻塞型双 D 触发器 74LS74 双 D 触发器 74LS74 为上升沿触发,其功能表及管脚如图 8-1 所示。 S D 和 R D 为异步置 1 端和 置 0 端, 为时钟脉冲输入端。 CP 触发器具有计数、 锁存、分频等功能。 2RD 2S D 2Q SD 0 1 RD 1 0 1 1 CP D Qn 0 1 0 1 0 1 0 1 Q n+1 1 1 0 0 0 0 1 1 × × 0→1 0→1 × × 0 1 1RD 1S D 1Q 1 1 图 8-1 74LS74 的功能表及管脚 2.中规模四位二进制计数器(十六进制计数器)74LS161 74LS161 具有预置数、异步置零和保持等功能,其功能表及管脚如图 8-2 所示。图中: L D 为 置数端; D0 ~ D3 为数据输入端;C 为进位输出端; R D 为异步清零(复位)端;EP 和 ET 为工作状 态控制端(使能端) Q A ~ QD 为数据输出端;CP 为计数脉冲。 ; 16 15 UCC 14 13 12 11 10 C QA QB QC QD ET 74LS161 9 LD CP × ↑ × RD 0 1 1 1 1 LD × 0 1 1 1 EP × × 0 × 1 ET × × 1 0 1 工作状态 置零 预置数 保持 保持(但 C=0) 计数 - 33 - R D CP D0 D1 1 2 3 4 D2 D3 EP GND × 5 6 7 8 ↑ 图 8-2 74LS161 的功能表及管脚 根据 R D 和 L D 的功能,可用清零法和置数法实现小于十六进制的任意进制计数器。 3.中规模 4 位双向移位寄存器 74LS194 移位寄存器是指寄存器中所存的代码能够在移位脉冲的作用下依次左移或右移。既能左移又能 右移的称为双向移位寄存器。改变左、右移的控制信号便可实现双向移位要求。根据移位寄存器存 取信息的方式不同分为:串入串出、串入并出、并入串出、并入并出四种形式。 4 位双向通用移位寄存器 74LS194,其功能表及管脚如图 8-3 所示。其中 D0、D1 、D2 、D3 为并行输入端;Q0、Q1、Q2、Q3 为并行输出端;DIR 为右移串行输入端,DIL 为左移串行输入端; S1、S0 为操作模式控制端; R D 为直接无条件清零端;CP 为计数脉冲输入端。S1、S0 状态不同时, 74LS194 可以实现不同的操作模式:即并行送数寄存,右移(方向由 Q0→Q3),左移(方向由 Q3→ Q 0) ,保持及清零。 16 15 UCC Q0 14 Q1 13 Q2 12 11 Q3 CP 10 S1 9 S0 74LS194 R D DIR D0 1 2 3 D1 D2 D3 DIL GND 4 5 6 7 8 输 功能 CP 清除 送数 右移 左移 保持 保持 × ↑ ↑ ↑ ↑ ↓ 入 S0 × 1 1 0 0 × DIR × × DIR × × × DIL × × × DIL × × DO × a × × × × D1 × b × × × × D2 × c × × × × D3 × d × × × × Q0 0 a DIR Q1 Q0 Q0 输 Q1 0 b Q0 Q2 Q1 Q1 出 Q2 0 c Q1 Q3 Q2 Q2 Q3 0 d Q2 DIL Q3 Q3 RD 0 1 1 1 1 1 S1 × 1 0 1 0 × 图 8-3 74LS194 的功能表及管脚 四、预习要求 1.复习 74LS74、74LS161 和 74LS194 芯片的管脚和功能。 2.根据实验要求设计电路。 3.熟悉 THD—4 数字电路实验箱的使用,设计好实验步骤。 五、内容和步骤 - 34 - 1.用 74LS74 双 D 触发器,设计一个异步八进制减法计数器。 要求: (1)时钟脉冲 CP 接实验箱的单次脉冲源,输出接逻辑电平显示插孔。为使输出状态稳定,S D 和 R D 建议接高电平。 (2)输出状态显示正确后,将三个输出端接译码器的 C、B、A(译码器的 D 端接低电平) ,加 脉冲信号后,观察数码管显示的数字范围。 (3)时钟脉冲 CP 接 1kHz 连续脉冲,用示波器观察 D 触发器的分频波形,并计算各级分频后 的频率或周期值。 2.用集成十六进制计数器 74LS161 实现十进制计数器 要求:分别用清零法和置数法实现,并画出两种方法的电路图。 将输出端 QA、QB、QC、QD 接输出接逻辑电平显示插孔,在 CP 端加单次脉冲,输出状态显示 正确后,将输出接译码显示器的输入端 D、C、B、A,观察数码管显示范围。 3.利用双向移位寄存器 74LS194 实现简易彩灯控制 要求: (1)控制八个灯从左至右依次变亮,再从左至右依次熄灭,依次循环。 (2)画出实验电路,在实验箱上连接并验证设计结果。 *选做内容: 选做内容: 选做内容 用 2 片十进制计数器 74LS160 及与非门 74LS00,实现 24 进制计数器 要求:画出电路图,并在实验箱上连接电路、验证设计结果。 六、实验报告要求 画出逻辑电路,总结各芯片的功能。 - 35 - 实验九 实验九 555 定时器及其应用 一、实验目的 1.熟悉 555 定时器的电路结构、工作原理及其特点。 2.掌握 555 定时器的基本应用。 二、仪器设备 1.THD —4 数字电路实验箱 2.MF-10 型万用表或数字万用表 3.KENWOOD CS-4125A 20MHz 2 通道示波器 1 台 1台 1台 三、实验原理及参考电路 555 定时器是一种数字和模拟混合的集成电路,其内部结构和管脚见图 9-1。 RD RD 图 9-1 555 定时器内部结构及管脚 1.555 定时器的工作原理 555 定时器含有两个电压比较器, 一个 SR 锁存器, 一个放电管 TD 比较器的参考电压由三只 5k? 。 的电阻器构成的分压器提供。它们分别使高电平比较器 C1 的同相输入端和低电平比较器 C2 的反相 2 1 输入端的参考电平为 U CC 和 U CC 。C1 与 C2 的输出端控制 SR 锁存器状态和放电管状态。其功能 3 3 表见表 9-1。 R D 是复位端(4 脚) ,当 R D =0 时,555 输出低电平。平时 R D 端开路或接 UCC 。 - 36 - 2 U CO 是控制电压端(5 脚) ,平时输出 U CC 作为比较器 C1 的参考电平,当 5 脚外接一个输入 3 电压,即改变了比较器的参考电平,从而实现对输出的另一种控制。在不接外加电压时,通常接一 个 0.01?f 的电容器到地,起滤波作用,以消除外来的干扰,确保参考电平的稳定。 表 9-1 输 阈值端 6 × 入 复位端 4 0 1 输 输出端 3 0 1 出 放电端 7 导通 截止 触发端 2 × 2 < U CC 3 2 > U CC 3 2 < U CC 3 1 < U CC 3 1 > U CC 3 1 > U CC 3 1 0 导通 1 不变 不变 2.555 定时器的典型应用 用 555 定时器外接电容、电阻元件时,实现单稳、双稳、多谐振荡器、施密特触发器等基本电 路。还可以接成各种应用电路,如变音信号发生器、电子门铃等。 四、预习要求 1.复习有关 555 定时器的工作原理及其应用。 2.拟定实验中所需的数据、表格,准备方格纸。 五、实验内容及步骤 实验内容及步骤 用 555 定时器设计一多谐振荡器,要求输出频率为 1kHz,占空比为 50%,画出设计电路,计算 元件参数,记录输出波形。 输出信号的时间参数是: 充电时间: TW 1 =0.7(R1+R2) C1 放电时间: TW 2 =0.7R2 C1 振荡频率:f= 1 1.44 ≈ T ( R1 + 2 R 2 )C1 振荡周期:T= TW 1 + TW 2 =0.7(R1+2R2) C1; 占空比 D = TW 1 T = R1 + R2 R1 + 2 R2 ,当 R2 R1 时,占空比约为 50%。 振荡周期、占空比仅与 R1 、R2 和 C1 有关,不受电源电压变化的影响。改变 R1 、R2,即可改变 占空比。改变 C1 时,只单独改变周期,而不影响占空比。同时要求 R1 与 R2 均应大于或等于 1k? , 但 R1+R2 应小于或等于 3.3M?。 六、实验报告要求 1.绘出观测到的波形。 2. 分析、总结实验结果。 - 37 - 3.在多谐振荡器电路中,是否能输出锯齿波电压?应怎样连接? 实验十 实验十 一、实验目的 直流稳压电源 1.熟悉单相半波整流、全波整流及桥式整流电路的特点和区别。 2.观察电容器的滤波作用。 3. 掌握分立元器件稳压电路与集成稳压电路的原理及测量方法。 二、仪器设备 1.TPE—A3 模拟电路实验箱 1台 2.YB1602P 系列功率函数信号发生器 或 EM1652 系列数字信号源 1 台 3.KENWOOD CS-4125A 20MHz 2 通道示波器 4.NY4520 型双通道交流毫伏表 1台 1台 三、实验原理及参考电路 直流稳压电源组成框图如图所示。 U1 220V U2 整流电路 滤波电路 稳压电路 U0 220V 交流电压 U1 经过电源变压器降压后为交流电压 U2,再经过整流电路、滤波电路及稳压电 路,在输出端得到需要的、稳定的直流电压。 1.整流电路 整流电流是利用二极管的单相导电性,将交流电压变为单向的脉动的直流电压。有以下三种: 1)单相半波整流电路 电路如图 10-1(a)所示。 整流输出电压平均值 U0=0.45U2 U1 220V 15V U2 U0 R 51Ω 图10-1(a)单相半波整流电路 D1 RP 100Ω U U 通过负载的直流电流 I 0 = 0 = 0.45 2 RL RL 二极管截止时所承受的最大反向电压 U D max = 2U 0 = 1.41U 0 2)单相全波整流电路 电路如图 10-1(b)所示。 整流输出电压平均值 U0=0.9U2 - 38 - 通过负载的直流电流 I 0 = U0 U = 0 .9 2 RL RL 二极管截止时,每个二极管承受的最大反向电压 U D max = 2 2U 0 = 2.82U 0 (3)单相桥式全波整流电路 电路如图 10-1(c)所示。 整流输出电压平均值 U0=0.9U2 通过负载的直流电流 I 0 = U0 U = 0 .9 2 RL RL 二极管截止时,每个二极管承受的最大反向电压 U D max = 2U 0 = 1.41U 0 在单相桥式整流电路的变压器中,只有交流电流流过;而在半波和全波整流电路中,均有直流 分量流过。因此,单相桥式整流电路的变压器效率较高,总体性能优于单相半波和全波整流电路, 故广泛应用于直流电源中。 2. 滤波电路 经过整流电路得到的输出电压,因为脉动较大,因此需要利用电感或电容等储能元件,滤去输 出电压中的纹波。小功率稳压电源中常使用电容滤波电路,其电路如图 10-2 所示。 在整流电路的内阻不太大,时间常数 τ = RLC ≥(3~5)T/2 时,电容滤波电路的负载平均电压 U0=1.2U2,流经二极管的平均电流 I D = 1.2U 2 1 ,二极管承受的最大反向电压 U D max = 2U 0 。 IL ≈ 2 2RL 因此,电容滤波电路的优点是:电路简单,输出电压纹波较小,负载平均电压较高;其缺点是:输 出电压受电网电压和负载变化的影响较大,输出不稳定,因此,仅适用于负载电压较高,且负载变 - 39 - 动不大的场合。 3.稳压电路 1)稳压管稳压电路 是利用稳压二极管的稳压特性,达到稳定输出电压的目的。电路如图 10-3 所示。电阻 R 为限流 电阻,起保护稳压管的作用。输出电压 U0 等于稳压管的稳定电压 UZ。 稳压电路的工作原理:负载不变,当电网电压升高使电压 UI 增大时,输出电压 U0 也随之增大。 根据稳压管反相特性,IDZ 的急剧增加,使得 IR 增大,电阻 R 上的压降增大,抵消了 UI 的升高,从 而保证了输出电压 U0 基本不变。电网电压降低时,其变化与上述过程相反。同理,如果电网电压不 变而负载发生变化时,也将起到稳定输出电压的目的。 2)分立元件串联型稳压电路 分立元件构成的串联型稳压电路如图 10-4 所示。它由基准电压源、比较放大电路、调整电路和 采样电路四部分组成。 其工作原理是: 当电源或负载变动而使 U0 降低时, 由于取样电阻 R5 的分压作用使 VT3 基极电压 降低,则 VT3 集电极电位升高,因 VT3 集电极与 VT2 基极相连,从而导致 VT1 管压降减小,使输出电 压有所回升,使 U0 得到补偿。反之 U0 升高时,降 VT1 管压降增大,使 U0 减小,从而保证输出电压 基本稳定。 输出电压 U0 = R 4 + R P + R5 (U Z + U BE ) R5 U 0 max = R 4 + R P max + R5 (U Z + U BE ) R5 输出电压最大值 - 40 - 输出电压最小值 U 0 mix = R 4 + R5 (U Z + U BE ) R5 4.三端集成稳压器 1)三端固定输出集成稳压器 三端固定输出集成稳压器的输出电压是固定的,使用时不能调节电压大小。其外形与管脚如图 10-5(a)所示。常用的有 W7800 和 W7900 系列。W7800 系列输出正极性电压,一般有 5、6、9、 12、15、18、24V 共七个档。

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