《大学“电路分析基础”课程实验合集.实验七》丨正弦稳态电路的研究

实验七  正弦稳态电路的研究

目录

1 实验目的

2 实验仪器与设备

3 实验预习

4 实验要求与注意事项

5 实验原理

6 实验内容与步骤

7 实验报告与思考题

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1 实验目的

1. 理解R、L、C元件端电压与电流之间的关系。

2. 研究正弦稳态电路中电压与电流之间的相量关系。

3. 学习使用双踪示波器测量同频信号相位差的方法。

2 实验仪器与设备

万用表                                            一台

电路综合实验箱                                    一台

双踪示波器                                        一只

3 实验预习

1. 复习正弦稳态电路的相关知识。

2. 了解本次实验内容和实验原理，计算表1-2、表1-3的理论值。

4 实验要求与注意事项

1. 为了提高测量准确度，减小仪器间的相互影响，连接电路和进行测量时应注意尽量将函数信号发

生器、交流毫伏表、示波器和实验电路的接地端共接在一起。

2. 测量两个波形的相位差时，应正确连接电路，特别要注意正确选择示波器两对输入线公共接点的

连接方式。

5 实验原理

5.1 在正弦激励的动态电路中，其电压、电流均为与激励信号同频率的正弦信号，称为正弦稳态电

路。

5.2 正弦稳态电路的分析方法采用相量分析法，电路中电压、电流的矢量依然满足基尔霍夫电压、

电流定律，即

     5.3 当元件上电流与电压参考方向一致时，R、L、C元件的伏安关系为

（1）电阻R两端的正弦电压与流过电阻的正弦电流之间符合公式，其电压与电流波形的

相位一致，如图1-1所示。

图1-1  电阻上的电压与电流同相

（2）电感L两端的正弦电压与流过电感的正弦电流之间符合公式，其中，

，电压的相位超前电流的相位90°，如图1-2所示。

图1-2  电感上电压的相位超前电流90°

（3）电容C两端的正弦电压与流过电容的正弦电流之间符合公式，其中

，电压的相位滞后电流的相位90°，如图1-3所示。

图1-3  电容上电压的相位滞后电流90°

5.4 取样电阻

在实验中，观测某一支路端电压和流过的电流之间的相位关系时，需要测量电压和电流的波形。由

于示波器观测波形时是并接在被测支路两端的，因此，电压的波形可以用示波器方便地观察，而电

流的波形就不能用示波器直接观察。通常采用的方法是在被测支路中串入一个阻值较小的取样电

阻，把被测电流的波形转换成按相同规律变化的电压波形，然后再用双踪示波器同时观测。

6 实验内容与步骤

6.1 测量R、L、C元件上电压与电流的相位关系

（1）在“动态电路研究模块”实验板上，按图1-4连接实验电路。将信号源输出端分别与1P04、

1P05、1P06相连，使R、L、C元件分别接入电路；其中，1L2=15mH，1C2=0.015mF，

1R3=1KW；为了方便测量电流的波形，电路中接入一个20W的取样电阻1R2；1R2的一端1P03接

到GND；

（2）DDS信号源输提供正弦交流信号，其频率为8kHz，幅度的有效值U = 1V（用铆孔线将DDS

端与毫伏表端相连，调整DDS信号源幅度，使毫伏表读数为1.00）。示波器CH1的“＋”接到1TP03

测试端，“－”接到1P03端，测量经过电感两端的电流；示波器CH2的“＋”端接到1P04，“－”端悬空

不接，测量通过电感两端的电压；示波器触发源选择CH2触发，将CH1调到100mV/Div，CH2调到

2V/Div；此时可在示波器上观测到电感两端的电压与流过电感的电流之间的相位关系，测量时要求

读出正弦信号一个周期所占的格数A，以及两个波形的相位差所占的格数B。将测量数据填入表

1-1。

图1-4  测量 R、L、C元件上电压与电流的相位关系的实验电路

（3）将图1-4中的电感换成电容（信号源输出端DDS与1P05相连，示波器CH2的“＋”端接到

1P05），用双踪示波器观测电容两端电压与流过电容的电流之间的相位差。将测量数据填入表

1-1。

（4）将图1-4中的电容换成电阻（信号源输出端DDS与1P06相连，示波器CH2的“＋”端接到

1P06），用双踪示波器观测电阻两端电压与流过电阻的电流之间的相位差。完成表1-1。

说明：图中的R=20Ω是提供测量电流用的取样电阻。实验中，利用取样电阻上的电压波形代替流

经被测元件的电流波形，方便测量相位差。

表1-1  R、L、C元件上电压与电流的相位差

电压与电流的相位差		电  感	电  容	电  阻
理  论  值
双踪示波器 测量值	B
	A
	相位差

注意：测量时，为减少测量误差，可调整正弦波周期所占格数A为接近于10的整数，然后再读取两波形之间相差所占的格数B。

2. 研究RL串联电路中电压与电流的相位关系

（1）在“动态电路研究模块”实验板上，按图1-5连接实验电路。将信号源输出端DDS接到

1P04，1P06接到GND；其中，1L2=15mH，1R3=1KW；

（2）DDS信号源提供正弦交流信号，调整其输出频率为8kHz，调整其输出幅度使电压有效值U =

4V，用交流毫伏表测量各元件上的电压数值，其矢量图如图1-6所示，并根据测量值计算U、计算

φ，将测量数据与计算数据分别填入表1-2。

图1-5  RL串联电路

   

  图1-6  电路矢量图

      （3）用双踪示波器测量电路中总电压U与总电流I的相位差φ，填入表1-2。

表1-2  研究电压与电流的相量关系

测量与计算						示波器测量
	U	UR	UL	计算U	计算φ	A	B	测量φ
理论值	4 V
实测值

3. 研究RLC串联电路的相量关系

（1）在“动态电路研究模块”实验板上按图1-7连接好电路。信号源输出端DDS连接到1P01，1P02

接到GND；

（2）信号源输出幅度的调整方法与前面实验相同，输出频率分别调整为8kHz和15kHz，用交流毫

伏表分别测量两种频率下各元件上的电压数值，将测量数据填入表1-3。

图1-7   RLC串联电路

 （2）双踪示波器测量串联电路中总电压U与总电流I的相位差φ。将测量数据记入表1-3 “示波器测

量”一栏。

（3）根据上述电路及用交流毫伏表测量的各电压有效值数据，计算总电压U和总电流I的相位差

φ，填入表1-3。

表1-3  测定RLC串联电路

f	交流毫伏表						示波器测量
	U	UR	UL	UC	计算U	计算φ	A	B	测量φ
8kHz 理论值	4V						——	——	——
8kHz 实测值
15kHz 理论值	4V						——	——	——
15kHz 实测值

7 实验报告与思考题

1. 列写各实验数据表格。