一,电路实验基本工具 1. 电工实验中常用的工具如图一: 图一,工具包 2. 工具使用要领 (a) 基本测量工具:多功能电表(伏特计,安培计,欧姆计,电晶体性质测量) 测量直流电压时,用DCV档,探针与受测节点(node)并联. 测量直流电流时,用DCA (或DCmA)档,探针与受测分枝(branch)串联. 测量电阻时,用档,且受测电阻必须与电路分离. 电表不用时,应打在OFF档. (b) 电路连接工具:斜口钳,尖嘴钳,剥线器,电烙铁及吸锡器 用斜口钳剪断电线,用剥线器除去绝缘皮,用尖嘴钳挠曲电线. 焊接电线时,用电烙铁直接加热金属线,把焊锡直接靠在金属线上,等焊锡在金属线上熔化并包住焊接点后,移开电烙铁,等焊接点冷却. 解焊电线时,用电烙铁直接加热焊接点,等焊锡熔化后,用吸锡器除去熔化中的焊锡后,分离两个焊接端,等电线冷却. (c) 交流讯号连接线:BNC-鳄鱼夹转接线 以BNC-鳄鱼夹转接线连接测试电路至示波器,函数产生器等设备. 二,三用电表原理: 检流计(galvanometer)是由永久磁铁,线圈,弹簧,指针与刻度盘构成,如图二.检流计的电路符号为 ;通过检流计的电流Im会与指针的偏折角度成正比,Im与的关系为: Im = × (Ifsd/fsd) (1) 其中Ifsd是指针有最大偏折时的电流,fsd是最大偏折角.(下标fsd=full scale deflection) 伏特计(voltmeter): 检流计的线圈电阻为Rm,若将检流计串联一个大电阻RS,即构成一个内部电阻为Rm + RS的伏特计,如图三.此伏特计所测得电压Vx与检流计中通过之电流Im的关系为: Vx = Im × (Rm + RS) (2), 此伏特计的测量范围为Ifsd × (Rm + RS). 伏特计的内部电阻RV = Rm + RS 必须远大於外部电阻RL. 安培计(ammeter): 将检流计并联一个小电阻RS,可组成安培计,如图四.此安培计所测得电流Ix和检流计中的电流Im的关系为: Ix = Im × (RP + Rm)/RP (3) 此安培计的测量范围为Ifsd × (RP + Rm)/RP. 安培计的内部电阻RI = RPRm /(RP+Rm)必须远小於外部电阻RL. 实验器材: 工具包,类比实验台,焊锡(每两组一捆),单心线(每两组黄,绿线各一捆),灯泡,开关,电阻(可变:100 及1 k) 实验步骤: 一,电路实验基本工具使用: 1. 利用类比实验台的5 V电源以及伏特计,完成以下电路: 图六,灯泡选择电路 2. 将灯泡,开关,及可变电阻的电极先焊上单心线,再插接於类比实验台. 3. 每个电路元件的正极用黄色单心线,负极用绿色单心线. 4. 分别采用RA = 100 及RA = 1 k的可变电阻,并完成数据记录表1. 二,三用电表原理: 1. 伏特计: (a) 将类比实验台的检流计(内阻Rm = 1 k, Ifsd = 100 A),串联一个大电阻RS,改装成测量范围为5 V的伏特计. ※提示: 5V = Ifsd(Rm+RS). (b) 利用此伏特计取代图六 (RA = 1 k) 的伏特计,并完成数据记录表2. 2. 安培计: (a) 将类比实验台的检流计(内阻Rm = 1 k, Ifsd = 100 A),并联一个小电阻RP,改装成测量范围为2 mA 的安培计. ※提示: 2 mA = Ifsd×(Rm+RP)/RP. (b) 将此安培计加入图六的电路以记录通过灯泡的电流,把将类比实验台的伏特计用於测量灯泡的端电压.并完成数据记录表3. 实验结果与讨论 组别: 姓名: 学号: 数据表1 VE = VR + VL 各电路元件的电压 灯泡的状态 电源电压VE (V) RA电压VR (V) 灯泡电压VL (V) 灯泡电流IL (A) RA = 100 灯泡最亮时电压 灯泡最暗时电压 RA = 1 k 灯泡最亮时电压 灯泡最暗时电压 讨论1: 灯泡最亮时,消耗功率为何 (Determine the maximum power dissipated by the light bulb.) 数据表2 Vx = Im × (Rm + RS) , RV = Rm + RS 实验电路图 Ifsd = A Rm = RS = RV = 讨论2: 伏特计的内部电阻RV是否远大於外部电阻RL 数据表3 Ix = Im × (RP + Rm)/RP , RI = RPRm /(RP+Rm) 实验电路图 Ifsd = mA Rm = RP = RI = 讨论3: 安培计的内部电阻RI是否远小於外部电阻RL 实验二,串并联直流电路 目的: 一,体验串并联电阻的等效电阻值,并验证克希荷夫电压定律,电流定律. 二,学习如何利用电位计作电压控制. 原理: 一,串并联电阻之等效电阻值: (a) 串联电阻电路 (b) 并联电阻电路 (c) 电桥电路 图一,串并联电路及其等效电阻 (a) 串联电阻: 串联电阻之等效电阻值为RT = R1 + R2 + R3. 根据克希荷夫电压定律,E = V1 + V2 + V3. 根据克希荷夫电流定律,I1 = I2 = I3 = IT. (b) 并联电阻: 并联电阻之等效电阻值为RT = (R1||R2||R3) = (R1–1 + R2–1 + R3–1)–1. 根据克希荷夫电压定律,E = V1 = V2 = V3. 根据克希荷夫电流定律,I1 + I2 + I3 = IT. (c) 电桥电路: 电桥电路之等效电阻值为RT = (R1 + R2)||(R3 + R4). 根据分压规则,Va = E×(R1/R2),Vb = E×(R3/R4). 当R1:R2 = R3:R4,Va = Vb,此时Vab = 0,RT = (R1 + R2)||(R3 + R4) = (R1||R3)+(R2||R4) 二,利用电位计作电压控制: 电位计系以电压源E及可变电阻RA所构成, 可变电阻RA = R1 + R2. (a) 负载电阻RL很大时(RL >> RA), Vbc E × = E × R2. (b) 负载电阻RL不大时(RL RA), Vbc = E×= E×. (c) 负载电阻RL很小时(RL <> 电压源的内阻Ri, 且 电阻R >> 电感器的寄生电阻RP; Ri,RP可以忽略时,图一(a)的电路可以简化为理想的RL串联,如图一(b). RL电路中的电感以串联电感取代时,等效电感LT = L1 + L2,如图一(c). RL电路中的电感以并联电感取代时,等效电感LT = (L1–1 + L2–1)–1,如图一(d). 二,RL电路的时间常数与电感值L的测量: 电感器充电时,其端电压VL随时间t变化的关系为: VL = V0 e–t/, , (如图二a) 电感器充电时,电感器中的电流IL随时间t变化的关系为: IL = I0 (1 – e–t/), , (如图二b) 其中,( = L/R,称为RL电路的时间常数.当t = ( 时, VL = 0.37V0,IR= 0.63I0. 电感器充电时,RL电路中之电阻的端电压VR与电流IL成正比,故藉由测量VR,可以求出电流 IL = VR / R. 串,并联电感的RL电路,如图一(c),(d)所示,其VL及IL与时间t关系如同方程式,所述.若等效电感为LT,则其时间常数 = LT/R,=> LT = (R. 实验器材 示波器,BNC-鳄鱼夹转接线(2条),波形产生器,类比实验台,电阻(1 k), 电感(5 mH, 20 mH两个, 50 mH), 实验步骤 一,利用示波器测量电感暂态的端电压,电流,及时间常数: (a) 校正示波器,并测量波形产生器的波形: 1. 将MODE select switch(21)调到CH1,TIME/DIV调到0.5 ms,VOLTS/DIV调到0.5 V,SOURCE Select Switch(31) 调到INT,INT TRIG(32)调到CH1,TRIG MODE SELECT SWITCH(35)调到AUTO. 2.将CH1的input coupling switch(11)调到GND,并调整CH1 POSITION,ILLUM,INTENSITY,FOCUS,及TRACE ROTATION,使水平亮线与画面中央横线重合. 3.将input coupling switch(11)调到DC,并将CH1接到校正用接点CAL(37). 4.调整POSITION control(19,29),LEVEL(34),使每一个横格刚好有半个周期的方波;此方波的高低电压为0.5 V及0 V,周期为1 ms. 5.以波形产生器产生方波,频率为0.1~10 kHz,高低电压为2 V及0 V. (b) 利用示波器测量RL电路的时间常数: 1. 选取电感器L = 5 mH,20 mH及50 mH,利用三用电表的100 档测量其中的寄生电阻RP.得RP1 = ________,RP2 = ________,RP3 = ________. 2. 取电阻R = 1 k,并利用波形产生器以及所选取的电感,完成RL电路如图一(a). ※已知波形产生器的内电阻Ri = 50 . 3.将电感L的端电压接到示波器的CH1,并调整TIME/DIV及VOLTS/DIV到适当值. 4.调整波形产生器的频率,使电感充放电时间大於5.(※波形产生器的振幅为4 V) 5.调整示波器的POSITION control(19,29),测量电感放电时的电压-时间曲线在VL = 0.37V0所对应的时间常数 = _________,如图二(a). 6.将电阻R的端电压接到示波器的CH1,再测量电感放电时的电流-时间曲线,在IR = 0.63I0 (电流IL = VR / R)时所对应的时间常数,如图二(b).分别对L = 5 mH,20 mH及50 mH的电感,测得其时间常数. 7.记录电感放电时的电压-时间曲线,电流-时间曲线於方格图中. 8.由已知的电感值及电阻值,求出时间常数值理论 = L/R. 9.对L = 5 mH,20 mH及50 mH的电感,由的实验值,求出电感的实验值 L = (R. 二,测量串,并联电感RL电路的时间常数,以及串,并联等效电感: (a) 串联电感RL电路 1.取L1 = L2 =20 mH,完成串联电感RL电路如图一(c). 2.利用以上的方法,测得时间常数. 3.记录电感放电时的电压-时间曲线,电流-时间曲线於方格图中. 4.由串联电感的公式,求出总电感LT的理论值 LT = L1 + L2. 5.利用LT的理论值,求出时间常数值理论 = LT/R. 6.求出串联电感的实验值LT= R. (b) 并联电感RL电路 1.取L1 = L2 =20 mH,完成并联电感RL电路如图一(d). 2.利用以上的方法,测得时间常数. 3.记录电感放电时的电压-时间曲线,电流-时间曲线於方格图中. 4.由并联电感的公式,求出总电感LT的理论值 LT = (L1–1 + L2–1)–1. 5.利用LT的理论值,求出时间常数值理论 = LT/R. 6.求出并联电感的实验值 LT= R. 实验结果与讨论 组别: 姓名: 学号: 一,利用示波器测量电感的暂态,以及电感的时间常数 与电感值 L: VL波形 VR波形 电感L 电阻R (实验) (理论) L = R 二,测量串,并联电感RL电路的时间常数,以及等效电感LT: 图形类别 "串联" "并联" LT端电压的波形 电感L1 电感L2 电阻R (实验) (理论) LT = R 讨论1: 取L1 = 50 mH, L2 = 5 mH,进行步骤二(b),并将并联RL电路中LT之端电压的波形,画在最后一栏的方格图中.LT的值较接近L1或L2 实验六,LC共振 目的: 利用示波器测量RLC电路的共振频率及Q值. 原理: (a) (b) (c) 图一,(a) RLC电路,(b) LC共振的电流I对频率f图,(b) LC共振的功率P对频率f.在(b),(c)图中,L=5mH, C=0.1F, 电阻值依曲线尖峰由上至下依次为R=100, 200, 及500. 一,RLC电路的共振频率: 当R,L,C串联时,电感与电容值会决定电路的共振频率.RLC电路的方程式为: (1) 令,并将此式对t微分,可得电流I0对的方程式: (2) 由以上方程式之解可定义阻抗Z为: (3) 其中,分为称为感抗及容抗.当时,RLC电路中的电流I及功率P有最大值:,,此时RLC电路的共振角频率及共振频率为: , 以及 (4) 二,共振因子Q (Quality factor): 如图一(c),LC电路中的电阻越小,则共振时的电流越大,功率越大.共振的程度可以用共振因子Q表示,Q的定义为共振频率除以P对f图的尖峰之半宽度,即: (5) 故对相同的电感L及电容C而言,电阻越小,则Q值越大. 实验器材 示波器,BNC-鳄鱼夹转接线(2条),波形产生器,类比实验台,电阻(50 ),电感(5 mH), 电容(0.1 F, 10 F) 实验结果与讨论 组别: 姓名: 学号: 电感L 电感L 电容C 电容C 电阻R 电阻R Q值 Q值 频率f (Hz) VR (V) I =VR/R(mA) P=I2R (mW) 频率f (Hz) VR (V) I =VR/R(mA) P=I2R (mW) 1. 电感L = , 电容C = , 电阻R = , fc = , Q = 依据P对f的关系图,= . 2. 电感L = , 电容C = , 电阻R = , fc = , Q = 依据P对f的关系图,= . 实验七,滤波器 目的: 利用示波器测量滤波器的振幅-频率特性与特徵频率. 原理: (a) (b) (c) (d) 图一,(a) RC低通滤波器电路, (b) RL低通滤波器电路, (c) RC高通滤波器电路, (d) RL高通滤波器电路. R,C,L滤波器电路之特性如下: 低通滤波器电路: 电压振幅比GLP = Vout / Vin = (1) 高通滤波器电路: 电压振幅比GHP = Vout / Vin = (2) RC滤波器电路:, RL滤波器电路:, 特徵频率: 当时, 电压振幅Vout = 0.707Vin 带通滤波器=低通滤波器+高通滤波器: 电压振幅Vout= Vin (GLP×GHP) 实验器材 示波器,BNC-鳄鱼夹转接线(2条),波形产生器(内阻50 ),类比实验台,电阻(1 k), 电容(0.1 F),电感(50 mH)实验结果与讨论 组别: 姓名: 学号: 1. 低通滤波器 电阻R 电容C 电阻R 电感L 频率f (Hz) Vin (V) Vout (V) GLP = Vout/Vin 频率f Vin (V) Vout (V) GLP = Vout/Vin 10 Hz 10 Hz 20 Hz 20 Hz 50 Hz 50 Hz 100 Hz 100 Hz 200 Hz 200 Hz 500 Hz 500 Hz 1 kHz 1 kHz 2 kHz 2 kHz 5 kHz 5 kHz 10 kHz 10 kHz 20 kHz 20 kHz 50 kHz 50 kHz 100 kHz 100 kHz 200 kHz 200 kHz 500 kHz 500 kHz 1 MHz 1 MHz 2. 高通滤波器 电阻R 电容C 电阻R 电感L 频率f Vin (V) Vout (V) GHP = Vout/Vin 频率f Vin (V) Vout (V) GHP = Vout/Vin 10 Hz 10 Hz 20 Hz 20 Hz 50 Hz 50 Hz 100 Hz 100 Hz 200 Hz 200 Hz 500 Hz 500 Hz 1 kHz 1 kHz 2 kHz 2 kHz 5 kHz 5 kHz 10 kHz 10 kHz 20 kHz 20 kHz 50 kHz 50 kHz 100 kHz 100 kHz 200 kHz 200 kHz 500 kHz 500 kHz 1 MHz 1 MHz R = , C = fc = R = , L = fc = 电 路 图 电 路 图 R = , C = fc = R = , L = fc = 电 路 图 电 路 图 附录A,V-222 示 波 器 操 作 手 册 A. 电源供应和阴极射线管 (CRT) 1.电源开关(POWER switch): 按下此钮可接通电源,再按下此钮则切断电源. 2.电源指示灯(power lamp): 红灯亮时,代表示波器已接上电源,为通电状态. 3.聚焦控制(FOCUS control): 先用INTENSITY旋钮,调整扫描线到适当的亮度,再用此钮调整到最清晰的程度. 4.刻度线led/' target='_blank'>照明控制(scale ILLUM control): 此旋钮用以控制刻度线的led/' target='_blank'>照明.尤其在较黑暗的地方观察示波器萤幕上的图形时,最为有用. 5.轨迹旋转控制(TRACE ROTATION control): 可利用此旋钮把水平扫描线和水平刻度线调成平行. 6.亮度控制(INTENSITY control): 用以调整扫描线到最适合观察的亮度. 7.电源选择开关(背板): 用来选择所使用之电源的电压(110 V or 220 V). 8.交流电源插座(背板). B. 垂直偏向系统的各控制钮 9.频道1 输入端(CH1 INPUT connector): 此BNC 接头为CH1 的垂直讯号输入端.把此仪器当作X-Y 示波器时,此端变成X 轴讯号的输入端. 10.频道2 输入端(CH2 INPUT connector): 此BNC 接头为CH2 的垂直讯号输入端.把此仪器当作X-Y 示波器时,此端变成Y 轴讯号的输入端. 11.输入耦合开关(input coupling switches): 此开关用来选择输入讯号和垂直放器之间的耦合系统. AC: 当拨在AC 位置时,输入讯号和垂直放大器之间串联一电 容器,此时输入讯号中,直流(DC)的部分被切掉,只有交流(AC)的部分通过,能在萤幕中显示出来. GND: 当拨在GND 位置时,垂直放大器的输入被接地. DC: 当拨在DC 位置时,输入讯号直接接到垂直放大器上,此时萤幕上所显示的,就是原来所有的输入讯号,包括直流讯号和交流讯号在一起. 12.如11. 所述. 13.伏特/ 单位刻度选择器(VOLTS/DIV select switches): 此旋钮可选择单位垂直刻度所代表的伏特数.请根据输入讯号振幅的大小,调整到波形最易观察的范围,假如使用的探针(probe)为将讯号先衰减十倍的10 : 1 探针,则读数必须乘以10. 14.如13. 所述. 15.微调控制(VAR control): 拉出可作 5倍增益控制(PULL 5 GAIN control),此旋钮为一微调装置,可连续改变垂直偏向系统的灵敏度,使每单位垂直刻度所代表的伏特数可连续变化.通常用在比较波形时,或用在双频道(2-channel)观察时测方波(square wave)的上升时间(rise time),平常此旋钮大都放在顺时针转到底的位置,也就是"校正"(CAL)的位置,此时每单位垂直刻度所代表的伏特数,恰为13.和14.钮所选的一样.当此钮处於被拉出状态时,垂直方向的增益(GAIN)被放大5 倍,最大的灵敏度变成1 mV/DIV. 16.如15. 所述. 17.未校正指示灯(UNCAL lamp): 当VAR 旋钮(15.16.)未放在"校正"的位置时,此红灯会亮起来,以警告此时单位垂直刻度所代表的伏特数,和13. 14.钮所选的不一样. 18.如17. 所述. 19.位置控制(POSISTION control, PULL DC OFFSET): 此旋钮处於压下状态时,向左,向 右旋转可调整萤幕上频道1 的波形,在垂直方向下降或上升.拉出此旋钮可进入DC OFFSET 状态,配合23. 钮的接头一起使用,可由数位电表读出波形上各点在垂直方向上,所对应的电压. 20.位置控制(POSISTION control, PULL INVERT OFFSET): 此旋钮处於压下状态时,向左,向 右旋转可调整萤幕上频道2 的波形,在垂直方向下降或上升.拉出此旋钮,可使频道2 的输入讯号反向,此功能在比较反向的两个波形时,甚为方便. 21.模式选择开关(Mode Select Switch):此开关用来选择垂直偏向系统(Vertical Deflection System)以那种模式来操作. 频道1(CH1):只有输出到频道1的讯号被显示在萤幕上. 频道2(CH2):只有输出到频道2的讯号被显示在萤幕上. 交替扫描(ALT Sweep):先后不断交替地在萤幕上,分别一次次完整的扫描频道1和频道2的讯号,当讯号所须的扫描时间较短时,用此模式可做双频道观察. 切割扫描(CHOP Sweep):在同一次扫描中以约250KHz的频率交替使用频道1或频道2的讯号,做为垂直方向的输入讯号,当讯号所须的扫描时间较长时用此模式可做双频道观察. 相加(ADD):以频道1和频道2相加起来的讯号,做为垂直方向的输入讯号. 22.频道1输出头(CH1 OUTPUT Connector):此接头可提供一个频道1之讯号的样本. 23.直流Offset (DC Offect)电压输出接头(Volt Output Connector):当19.旋钮被拉出来处於DC Offect模式时,此处提供电压输出,可连接数位电表,读电压出值.(注意:当15,16旋钮放於X5倍,或没放在"校正"的位置时,无法使用此功能.) 正确的读数随不同的选择,须乘以不同的倍数,如下: 5 mV/div — 50 mV/div 请乘以 1 倍 0.1 V/div — 0.5 V/div 请乘以 10 倍 1 V/div — 5 V/div 请乘以 100 倍 24.直流调整(DC Adjustment)平衡控制(BAL Control):用以调整ATT平衡之用. 25.如24.所述 C. 水平偏系统的各控制钮 26.时间/单位刻度选择器(TIME/DIV Select Switch):扫描时间共分29种,从0.2 s/div到0.2 s/div. X-Y:要当成X-Y示波器使用时,请将此钮转到X-Y的位置,此时以频道1的讯号当做水平X轴的讯号,以频道2的讯号当做垂直Y轴的讯号. 27.扫描时间微调控制(SWP VAR Control):利用此旋钮,可连续的改变水平扫描的时间,平常大都放在"校正"的位置,此时每单位水平刻度所代表的时间,恰为26.旋钮所选的一样. 28.扫描未校正指示灯(sweep uncal lamp):当27.旋钮未放在"校正"的位置时,此红灯会亮起,以警告此时单位水平刻度所代表的时间和26.旋钮所选的不同. 29.位置控制(Position Control):拉X出0控制(Pull X10 MAG Control)要对某波形做的测量时,可利用此旋钮将波形做水平方向的移动,以方便测量.拉出此旋钮,可使水平扫描时间比当时26.钮所选择的时间快10倍;也就是可以把波形在水平方向放大10倍,波形想放大出来观察的部分,移 到刻度线的中央,再拉出此钮,即可在水平方向左右两边放大此一部分. 30.频道1,交替,放大,开(CH1 ALT MAG Switch):按下此钮,频道1的讯号和频道1的讯号的10倍放大,将逐次交替的扫描在萤幕上,放大10倍后的波形,会呈现在原来波形下面3格的地方. D. 同步系统(Synchronization System) 31.触发讯号来源选择开关(Source Select Switch):此钮用来选择触发讯号的来源. INT:此档以频道1或频道2的讯号做为触发讯号. LINE:以电源线上的讯号做为触发讯号,适於观察由电源触发的讯号,或与电源同步的讯号. EXT:拨在此档,将以由TRIG INPUT端输入的讯号,做为触发讯号,当特别要以和垂直讯号无关的特殊讯号做为触发讯号时,请选择此档. 32.内部触发选择器(INT TRIG SELECT SWITCH):此开关用来选择内部触发的讯号来源. CH1:以频道1的讯号做为触发讯号. CH2:以频道2的讯号做为触发讯号. VERT MODE:当频道1和频道2的讯号无法同步时.选择CH1或CH2波形将无法同时稳定存在,此时若要做双频观察,请用此档,选择交夫地使用频道1或频道2的讯号,来触发它们本身的频道做扫描. 33.触发输入端(TRIG INPUT CONNECTOR):在31.钮选择外部触发(EXT)时,扫描系统的触发讯号请由此输入. 34.触发水平控制(TRIG LEVEL CONTROL):调整旋钮此可决定在波形的那一部分开始触发系统,做输入讯号的扫描,当此钮被压下时,扫描系统将在波形上,斜率为正的部分,且符合;所选定的触发水平(Trigger Level)那点,开始被触发,而做扫描,拉出此钮,则在斜率为负,且符合触发水平那点,开始扫描. 35.触发模式选择开关(TRIG MODE SELECT SWITCH): AUTO:,此为自动扫描模式,当有触发讯号时,就进行正常的触发扫描,波形会稳定呈现,当没有触发讯号时,会自动扫描出扫描线来. NORM:只有在有触发讯号时,才进行触发扫描,没有触发讯号,或触发讯号不同步时,扫描系统都不扫描,要使低频讯号(例如25 Hz或更低频讯号),要同步时,选择此档. TV(V):当要观察电视之垂直讯号时,选择此档. TV(H):当要观察电视之水平讯号时,选择此档. E: 其他 36.EXT BLANKING CONNECTOR:可由此端输入讯号,用来做亮度的调整,采用DC耦合的方式输入,正的讯号会使亮度减弱,负的讯号会使亮度增强. 37.校正用接点(CAL 0.5 TIP):可由此处输出的方(0.5 VPP,1 kHz)来校正探针(PROBE). 38.接地端(GND Terminal):此端的电压为这个示波器的参考接地电压.