实验三  叠加原理的验证实验

一、实验目的

1、通过实验验证叠加原理。

2、通过实验加深对叠加原理的理解。

二、实验原理

叠加原理：在线性电路中，任何一条支路中的电流或电压，都可以看是由电路中的各个电源(电压源或电流源)分别单独作用时(将电压源看做短路;电流源看做开路)在此支路中所产生的电流或电压的代数和。下以两个例子来说明。

              （a）                      （b）              （c）

图3-1    两个电压源叠加原理电路

    在图3-1 (a) 所示的电路中有两个电压源作用，根据叠加原理其中某个支路中的电流等于电压U_A 单独作用时（如图3-1 (b)所示）与电压源U_B单独作用时（如图3-1(c)所示）在该支路产生的电流的代数和。因此，在上述的三个图中有如下关系成立：

I₁ = I₁'   I₁"  ； I ₂ = I₂" I₂'  ；  I ₃ = I ₃' + I ₃"

    在图3-2 (a)所示电路中有一个电压源和一个电流源共同作用，根据叠加原理其中某个支路的电流等于电压U_S 单独作用时（如图3-2 (b)所示）与电流源I_S单独作用时（如图3-2(c)所示）在该支路产生的电流的代数和。

                    （a）                     （b）             （c）

图3－2　电压源与电流源叠加原理电路

同理，在上述的三个图中有如下关系成立：

I ₁ = I₁'  I ₁"  ； I ₂ = I ₂"  ；  I ₃ = I ₃' + I ₃"

三、实验内容及步骤

叠加原理仿真验证实验电路图如下所示，两个直流电压源E₁、E₂共同作用于电路中，通过改变三个电流表的位置可设定电流I₁、I₂为流入结点a的方向，电流I₃为流出结点a的方向。实验过程中，首先在只有电压源E1单独作用时测得第1组数据I₁' 、I₂' 、I ₃'；然后在只有电压源E2单独作用时测第2组数据I₁" 、I₂"、 I ₃"；最后将两个电压源E1、E2均接入电路，测第3组数据I₁、I₂、I₃。由于三次测量电流表的接入方式没有变化，所以I₁' 、I₁"、I₁这三个电流量方向相同，同理，I₂' 、I₂"、I₂的方向相同，I ₃'、 I ₃"、I₃的方向也是相同的。故根据叠加原理可得如下关系：

I ₁ = I₁' +I ₁"  ； I ₂ = I₂'+I₂"  ；  I ₃ = I ₃' + I ₃"

若测量得到的三组数据符合上述规律，则叠加原理得以验证。

图3 - 3  两个直流电压源叠加原理仿真实验电路图

图3 - 3  两个直流电压源叠加原理仿真实验电路图

    本次实验要在三种电路连接下测量数据，要达到这个目的，一种方法是绘制三幅电路图，但这种方法比较麻烦，所以为方便起见，绘图时引入了单刀双置开关（Switch），使得在一张电路图中可同时实现这三种状态。在开关的元器件属性（Switch Properties）对话框中Value/Key后的框中改变原来默认的“Space”为自定义的字母或数字等符号，即可改变开关的控制键。上图中应用了两组开关，E1两端的S1、S2为第一组，E2两端的S3、S4为第二组，每组公用一个控制键，如图中所示，控制键A同时控制S1、S2，控制键B同时控制S3、S4。

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2个Battery（直流电压源）器件，从Place Basic元器件库中调出5个Resistor（电阻）和4个Switch（开关）器件，最后从Indicators元器件库中调出3个Ammeter（电流表）器件，按上图所示排列好。

(3)    将各元器件的标号、参数值亦改变成与上图所示一致。

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

(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)    调节控制键A、B，使得只有电压源E1接入外电路，E2不接入。

(8)    按下multisim界面右上方按纽“1”对该绘图文件进行仿真。

(9)    按下multisim界面右上方按纽“0”停止仿真，读取三个电流表的读数，将读数填到相应的表格中，即为第1组测量数据I₁'、I₂' 、I ₃'。

(10)调节控制键A、B，使得只有电压源E2接入外电路，E1不接入。

(11)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，读取三个电流表的读数，将读数填到相应的表格中，得到第2组测量数据I₁" 、I₂"、 I ₃"。

(13)调节控制键A、B，使得只有电压源E1、E2均接入外电路。

(14)按下multisim界面右上方按纽“1”对该绘图文件进行仿真。

(15)按下multisim界面右上方按纽“0”停止仿真，读取三个电流表的读数，将读数填到相应的表格中，即是第3组测量数据I₁、I₂、I₃。

(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。

表3－1                        两个直流电压源叠加原理电流测量表

四、注意事项

1、  每个multisim电路中均必须接有接地点，且与电路可靠连接（即接地点与电路的连接处有黑色的结点出现）。

2、  改变电阻的阻值时，需要在Resistor（电阻）器件的元器件属性（Resistor Properties）对话框中选择Value/Resistance（R）选项，在其后的框中填写阻值，前一框为数值框，后一框为数量级框，填写时注意两个框的不同。

3、  测量直流电流时应该把直流电流表串联在电路中进行测量，EWB中电流表粗线接线端为电流流入方向，另一个接线端为电流流出方向，使用时应特别注意电流表的极性，即电流流入、流出方向。

4、  基于绘图美观的考虑，可将电流表通过工具栏中的“翻转”快捷键调整到与待测器件或支路平行的状态再连线，开关亦可通过此方法调整到合适的位置以便连线。

5、  电流表测量模式选择默认的直流模式，即在Ammeter（电流表）器件的元器件属性（Ammeter Properties）对话框中选择Value/mode/DC选项，另在Label/Label对话框中可为电流表命名。

6、  在开关和电压源连线时，尤其注意不要出现电源通过连线被短接的情况，可利用控制键调试一下需测量的三种状态，防止该情况的发生。

7、  绘制好的实验电路必须经认真检查后方可进行仿真。若仿真出错或者实验结果明显偏离实际值，请停止仿真后仔细检查电路是否连线正确、接地点连接是否有误等情况，排除误点后再进行仿真，直到仿真正确、测量得到理想的读数。

8、  在读取电流表的读数时，为消除网格线对读数的影响，可取消主菜单View选项中的Show grid，设置好后将看到绘图区中的网格线已消去，此时即可读数了。

9、  记录到表格中的数据即电流表上显示的直接读数，“+”、“－”亦要保留。

10、              文件保存时扩展名为“.sm10”。关闭文件或multisim软件后想再次打开保存后的文件时，必须打开multisim软件后通过主菜单File/open选项或者工具栏中的“打开”快捷键来实现。

五、实验拓展

1、  在前述实验中通过电流表极性的摆放位置固定了I₁ 、I₂、I₃的方向分别是流入、流入、流出结点a，同学可通过改变电流表极性的位置而改变I₁ 、I₂、I₃流入、流出结点a的方向，再看看此时叠加原理是否成立。

2、  图3-3中采用了2组4个开关的形式使得三种状态在一张电路图中实现，同学可自己思考其他的简便方法以代替之。

六、预习要求

1、实验前应认真复习叠加原理。

2、明确实验内容及步骤。

七、思考题

1、叠加原理的的使用条件是什么?

2、用叠加原理方法测得的各支路电流和与两个电源同时作用在电路中测得的结果进行比较

    并分析数据不符产生的主要原因?

八、实验报告

1、写出实验名称、实验目的、实验内容及步骤。

2、画出实验电路图。

  见上

3、  填写表3-1。

  见上

4、回答思考题。

 

第二篇：实验四 戴维南定理的multisim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