实验四  戴维宁定理的验证实验

一、实验目的                                                                                                          

1、通过实验验证戴维宁定理。

2、加深对等效电路概念的理解。

二、实验原理

戴维宁定理：在任何一个线性有源电路中,如果只研究其中一个支路电压、电流时，可将电路的其余部分看作是一个有源二端网络如图4-1(a) 所示。任何有源二端网络对外的作

                        

（a）                                   （b）

图4 -1    有源二端网络等效电路

用可用一个为U_es的理想电压源和内阻R₀串联的电源来等效代替见图4-1(b)。等效电源的理想电压源U_es就是有源二端网络的开路电压U_OC，即将负载断开后a、b两端之间的电压。等效电源的内阻R₀等于有源二端网络中所有电源均除去(将各个理想电压源短路，即其电压为零；将各个理想电流源开路，其电流为零)后所得到的无源网络的内阻。这个定理称为戴维宁定理。

三、实验内容及步骤

    如图4-2所示，端子a，b左侧部分为一个有源二端网络，R_L是外部负载。依据戴维宁定理，测得a，b两端的开路电压U_OC和等效内阻R₀以后将数据代入图4-1（b）内，如果两个电路在负载R_L上产生的电流I相等，即可验证戴维宁定理。本次实验中，负载R_L以可变电阻代替，可以通过测量多组数据验证定理的正确性。

图4-2 戴维宁定理验证电路图

实验步骤如下：

(1)    打开multisim软件，选中主菜单View选项中的Show grid，使得绘图区域中出现均匀的网格线，并将绘图尺寸调节到最佳。

(2)    在Place Sources元器件库中调出1个Ground（接地点）和1个Battery（直流电压源）器件，从Place Basic元器件库中调出5个Resistor（电阻）、1个Potentiometer（可变电阻）、5个Switch（开关）器件，从Indicators元器件库中调出1个Voltmeter（电压表）、1个Ammeter（电流表）器件，最后从Instruments元器件库中调出1个Multimeter（多用表）器件，按图4-3所示排列好。

(3)    将各元器件的标号、参数值亦改变成与图4-3所示一致。

(4)    将所有的元器件通过连线连接起来。注意：电压源、电压表的正负极性。

(5)    检查电路有无错误。

(6)    对该绘图文件进行保存，注意文件的扩展名（.sm10）要保留。

(7)    利用控制键A使得开关S1、S2将电源U_S接入外电路，利用控制键B使得电流表、电压表接入电路，利用控制键C使得开关S5将可变电阻隔离在电路外，然后按下multisim界面右上方按纽“1”对该绘图文件进行仿真。

(8)    按下multisim界面右上方按纽“0”停止仿真，读取电压表U1的读数，将该读数记录下来即为二端网络的开路电压U_OC（也即是Ues）并填到表4-1的相应表格中。

(9)    利用控制键A使得开关S1、S2将电源U_S隔离在电路外，利用控制键B使得电流表、电压表也隔离在电路外，这样多用表即可接入电路，此时再按下multisim界面右上方按纽“1”对该绘图文件进行仿真。

(10)按下multisim界面右上方按纽“0”停止仿真，读取多用表的读数，将该读数记录下来即为二端网络的无源等效内阻R₀并填到表4-1的相应表格中。

(11)调节可变电阻使得其阻值为0，利用控制键A使得开关S1、S2将电源U_S接入外电路，利用控制键B使得电流表、电压表接入电路，利用控制键C使得开关S5将可变电阻也接入电路中，然后按下multisim界面右上方按纽“1”对该绘图文件进行仿真。

(12)按下multisim界面右上方按纽“0”停止仿真，读取电压表U1和电流表I1的读数，将该读数记录到表4-1的相应表格中。

(13)改变可变电阻的阻值分别为200Ω、500Ω、1KΩ、1.5KΩ、2KΩ，重复步骤（11）、（12），并分别记录电压表和电流表的读数到表4-1的相应位置处。

(14)在Place Sources元器件库中调出1个Ground（接地点）和1个Battery（直流电压源）器件，从Place Basic元器件库中调出1个Resistor（电阻）、1个Potentiometer（可变电阻）器件，从Indicators元器件库中调出1个Voltmeter（电压表）、1个Ammeter（电流表）器件，按图4-1（b）排列好。

(15)将电源电压值改变成步骤（8）中所测得的Ues的值，将电阻的阻值改变成步骤（10）中所测得的R₀的值，同理将可变电阻充当的负载RL分别调节成0Ω、200Ω、500Ω、1KΩ、1.5KΩ、2KΩ、∞的阻值，通过仿真，将这些情况下电压表和电流表的读数分别记录下来填入表格4-1中。

(16)实验完成后，将保存好的绘图文件另存到教师指定的位置，并结合实验数据完成实验报告的撰写。

                              图4-3 戴维宁定理验证实验电路图

                           表4-1 戴维宁定理验证实验测量数据表

注: ① 第一次负载电流和电压记录的是含源两端网络电路的外伏安特性测量数值。

   ② 第二次负载电流和电压记录的是戴维宁定理等效电路的外伏安特性测量数值。

   ③负载电阻R_L值为0值，表示负载电阻R_L短路。负载电阻R_L值为∞值，表示负载电阻 R_L开路。

五、实验拓展

验证戴维宁定理的仿真电路有很多种，同学可通过思考其他的方法来实现。

六、预习要求

1、认真复习戴维宁定理的基本理论。

2、明确实验内容及步骤。

七、思考题

1、写出戴维宁定理的内容。

2、在验证戴维宁定理的两次实验中，在两组测量数据有不符的事实时，分析所产生的主要原因是怎样造成的。

八、实验报告

1、写出实验名称、实验目的、实验内容及步骤并填写表4-1。

2、在同一张坐标纸的同一坐标上，画出含源两端网络外部伏安特性曲线与戴维宁等效电

   路外部伏安特性的两条曲线。在横坐标及纵坐标均表上数值，如图4-4所示。

3、两条外特性曲线共有10个点，在每一条曲线上要有5个点。

4、回答思考题。                   

                                                                              

                                          

                                                                 图4-3

 

第二篇：实验四 戴维南定理的验证实验

实验四  戴维宁定理的验证实验

一、实验目的                                                                                                          

1、通过实验验证戴维宁定理。

2、加深对等效电路概念的理解。

二、实验原理

戴维宁定理：在任何一个线性有源电路中,如果只研究其中一个支路电压、电流时，可将电路的其余部分看作是一个有源二端网络如图4-1(a) 所示。任何有源二端网络对外的作

                        

（a）                                   （b）

图4 -1    有源二端网络等效电路

用可用一个为U_es的理想电压源和内阻R₀串联的电源来等效代替见图4-1(b)。等效电源的理想电压源U_es就是有源二端网络的开路电压U_OC，即将负载断开后a、b两端之间的电压。等效电源的内阻R₀等于有源二端网络中所有电源均除去(将各个理想电压源短路，即其电压为零；将各个理想电流源开路，其电流为零)后所得到的无源网络的内阻。这个定理称为戴维宁定理。

三、实验内容及步骤

    如图4-2所示，端子a，b左侧部分为一个有源二端网络，R_L是外部负载。依据戴维宁定理，测得a，b两端的开路电压U_OC和等效内阻R₀以后将数据代入图4-1（b）内，如果两个电路在负载R_L上产生的电流I相等，即可验证戴维宁定理。本次实验中，负载R_L以可变电阻代替，可以通过测量多组数据验证定理的正确性。

图4-2 戴维宁定理验证电路图

实验步骤如下：

(1)    打开EWB软件，选中主菜单Circuit/Schematic Options/Grid选项中的Show grid，使得绘图区域中出现均匀的网格线，并将绘图尺寸调节到最佳。

(2)    在Sources元器件库中调出1个Ground（接地点）和1个Battery（直流电压源）器件，从Basic元器件库中调出5个Resistor（电阻）、1个Potentiometer（可变电阻）、5个Switch（开关）器件，从Indicators元器件库中调出1个Voltmeter（电压表）、1个Ammeter（电流表）器件，最后从Instruments元器件库中调出1个Multimeter（多用表）器件，按图4-3所示排列好。

(3)    将各元器件的标号、参数值亦改变成与图4-3所示一致。

(4)    将所有的元器件通过连线连接起来。注意：电压源、电压表的正负极性。

(5)    检查电路有无错误。

(6)    对该绘图文件进行保存，注意文件的扩展名（.ewb）要保留。

(7)    利用控制键A使得开关S1、S2将电源U_S接入外电路，利用控制键B使得电流表、电压表接入电路，利用控制键C使得开关S5将可变电阻隔离在电路外，然后按下EWB界面右上方按纽“1”对该绘图文件进行仿真。

(8)    按下EWB界面右上方按纽“0”停止仿真，读取电压表U1的读数，将该读数记录下来即为二端网络的开路电压U_OC（也即是Ues）并填到表4-1的相应表格中。8.958V 0A

(9)    利用控制键A使得开关S1、S2将电源U_S隔离在电路外，利用控制键B使得电流表、电压表也隔离在电路外，这样多用表即可接入电路，此时再按下EWB界面右上方按纽“1”对该绘图文件进行仿真。

(10)按下EWB界面右上方按纽“0”停止仿真，读取多用表的读数，将该读数记录下来即为二端网络的无源等效内阻R₀并填到表4-1的相应表格中。2.2178kO

(11)调节可变电阻使得其阻值为0，利用控制键A使得开关S1、S2将电源U_S接入外电路，利用控制键B使得电流表、电压表接入电路，利用控制键C使得开关S5将可变电阻也接入电路中，然后按下EWB界面右上方按纽“1”对该绘图文件进行仿真。

(12)按下EWB界面右上方按纽“0”停止仿真，读取电压表U1和电流表I1的读数，将该读数记录到表4-1的相应表格中。

(13)改变可变电阻的阻值分别为200Ω、500Ω、1KΩ、1.5KΩ、2KΩ，重复步骤（11）、（12），并分别记录电压表和电流表的读数到表4-1的相应位置处。

(14)在Sources元器件库中调出1个Ground（接地点）和1个Battery（直流电压源）器件，从Basic元器件库中调出1个Resistor（电阻）、1个Potentiometer（可变电阻）器件，从Indicators元器件库中调出1个Voltmeter（电压表）、1个Ammeter（电流表）器件，按图4-1（b）排列好。

(15)将电源电压值改变成步骤（8）中所测得的Ues的值，将电阻的阻值改变成步骤（10）中所测得的R₀的值，同理将可变电阻充当的负载RL分别调节成0Ω、200Ω、500Ω、1KΩ、1.5KΩ、2KΩ、∞的阻值，通过仿真，将这些情况下电压表和电流表的读数分别记录下来填入表格4-1中。

(16)实验完成后，将保存好的绘图文件另存到教师指定的位置，并结合实验数据完成实验报告的撰写。

图4-3 戴维宁定理验证实验电路图

表4-1 戴维宁定理验证实验测量数据表

注: ① 第一次负载电流和电压记录的是含源两端网络电路的外伏安特性测量数值。

   ② 第二次负载电流和电压记录的是戴维宁定理等效电路的外伏安特性测量数值。

   ③ 负载电阻R_L值为0值，表示负载电阻R_L短路。负载电阻R_L值为∞值，表示负载电阻 R_L开路。

五、实验拓展   

验证戴维宁定理的仿真电路有很多种，同学可通过思考其他的方法来实现。

六、预习要求

1、认真复习戴维宁定理的基本理论。

2、明确实验内容及步骤。

七、思考题

1、写出戴维宁定理的内容。

2、在验证戴维宁定理的两次实验中，在两组测量数据有不符的事实时，分析所产生的主要原因是怎样造成的。

八、实验报告

1、写出实验名称、实验目的、实验内容及步骤并填写表4-1。

2、在同一张坐标纸的同一坐标上，画出含源两端网络外部伏安特性曲线与戴维宁等效电

   路外部伏安特性的两条曲线。在横坐标及纵坐标均表上数值，如图4-4所示。

3、两条外特性曲线共有10个点，在每一条曲线上要有5个点。

4、回答思考题。