電路分析實(shí)驗(yàn)箱--戴維南定理和諾頓定理的驗(yàn)證

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br /> 1、驗(yàn)證戴維南定理和諾頓定理，加深對(duì)戴維南定理和諾頓定理的的理解。
2、掌握有源二端口網(wǎng)絡(luò)等效電路參數(shù)的測(cè)量方法。
 
二、實(shí)驗(yàn)原理
1、任何一個(gè)線(xiàn)性含源網(wǎng)絡(luò)，如果僅研究其中一條支路的電壓和電源，則可將電路的其余部分看作是一個(gè)有源二端口網(wǎng)絡(luò)（或稱(chēng)為有源二端網(wǎng)絡(luò)）。
戴維南定理指出：任何一個(gè)線(xiàn)性有源二端口網(wǎng)絡(luò)，總可以用一個(gè)電壓源和一個(gè)電阻的串聯(lián)來(lái)等效代替，如圖5-1。

圖5-1
其電壓源的電動(dòng)勢(shì)U_S等于這個(gè)有源二端口網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)路電壓U_OC，其等效內(nèi)阻R₀等于該網(wǎng)絡(luò)中所有獨(dú)立源均置零（理想電壓源視為短接，理想電流源視為開(kāi)路）時(shí)的等效電阻。
諾頓定理指出：任何一個(gè)線(xiàn)性有源網(wǎng)絡(luò)，總可以用一個(gè)電流源與一個(gè)電阻并聯(lián)組成來(lái)等效代替，如圖5-2。

圖5-2
此電流源的電流I_S等于這個(gè)有源二端口網(wǎng)絡(luò)的短路電流I_SC，其等效內(nèi)阻R₀定義同戴維南定理。
U_OC(U_S)和R₀或者I_SC(I_S)和R₀稱(chēng)為有源二端口網(wǎng)絡(luò)的等效參數(shù)。
    2、有源二端口網(wǎng)絡(luò)等效參數(shù)的測(cè)量方法
（1）開(kāi)路電壓、短路電流法測(cè)R₀
在有源二端口網(wǎng)絡(luò)輸出端開(kāi)路時(shí)，用電壓表直接測(cè)其輸出端的開(kāi)路電壓U_OC，然后再將其輸出端短路，用電流表測(cè)其短路電流I_SC，其等效內(nèi)阻為R₀ = U_OC/I_SC。如果二端網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)阻很小，若將其輸出端口短路則易損壞其內(nèi)部元件，因此不宜用此法。
（2）伏安法
用電壓表、電流表測(cè)出有源二端網(wǎng)絡(luò)的外特性如圖5-3根據(jù)外特性曲線(xiàn)求出斜率tgФ,則內(nèi)阻為。
用伏安法，主要是測(cè)量開(kāi)路電壓及電流為額定值I_N時(shí)的輸出端電壓值U_N，則內(nèi)阻為。
若二端網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)阻值很低時(shí)，則不宜測(cè)其短路電流。

圖5-3
（3）半電壓法測(cè)R₀
如圖5-4所示，當(dāng)負(fù)載RL的電壓為被測(cè)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)路電壓的一半時(shí)，負(fù)載電阻（由電阻箱的讀數(shù)確定）即為被測(cè)有源二端口網(wǎng)絡(luò)的等效內(nèi)阻值。
      
圖5-4
（4）零示法測(cè)U_OC
在測(cè)量具有高內(nèi)阻有源二端口網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)路電壓時(shí)，用電壓表直接測(cè)量會(huì)造成較大的誤差。為了消除電壓表內(nèi)阻的影響，往往采用零示測(cè)量法，如圖5-5所示。
零示法測(cè)量原理是用一低內(nèi)阻的穩(wěn)壓電源與被測(cè)有源二端網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行比較，當(dāng)穩(wěn)壓電源的輸出電壓與有源二端網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)路電壓相等時(shí)，電壓表的讀數(shù)將為“0”。然后將電路斷開(kāi)，測(cè)量此時(shí)穩(wěn)壓電源的輸出電壓，即為被測(cè)有源二端網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)路電壓。

圖5-5
三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

序號(hào)	名稱(chēng)	型號(hào)與規(guī)格	數(shù)量	備注
1	可調(diào)直流穩(wěn)壓電源	0～12V	1
2	可調(diào)直流恒流源		1
3	萬(wàn)用表		1
4	直流數(shù)字毫安表		1
5	直流數(shù)字電壓表		1
6	電位器	470Ω	1

四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
被測(cè)有源二端網(wǎng)絡(luò)如圖5-6

圖5-6

圖5-6
1、用開(kāi)路電壓、短路電流法測(cè)定戴維南等效電路的U_OC、R₀和諾頓等效電路的I_SC、R₀。按圖5-6（a）接入穩(wěn)壓電源U_S2= 10V和恒流源I_S2 = 10mA。接入負(fù)載RL（自已選定）。測(cè)出U_OC和I_SC，并計(jì)算出R₀（測(cè)U_OC時(shí)，不接入mA表）。

UOC（V）	ISC（mA）	R0 = UOC/ISC（Ω）

2、負(fù)載實(shí)驗(yàn)
按圖5-6(a)接入RL，改變RL阻值，測(cè)量有源二端口網(wǎng)絡(luò)的外特性曲線(xiàn)。

RL（Ω）
U（V）
I（mA）

3、驗(yàn)證戴維南定理：用一只470Ω的電位器作為R0，將其阻值調(diào)整到等于按步驟“1”所得的等效電阻R0之值，然后令其與直流穩(wěn)壓電源U_S1（調(diào)到步驟“1”時(shí)所測(cè)得的開(kāi)路電壓U_OC之值）相串聯(lián)，如圖5-6（b）所示，把U_S1和R_L串聯(lián)成一個(gè)回路。仿照步驟“2”測(cè)其外特性，對(duì)戴氏定理進(jìn)行驗(yàn)證。

RL（Ω）
U（V）
I（mA）

4、驗(yàn)證諾頓定理：用一只470Ω的電位器作為R0，將其阻值調(diào)整到等于按步驟“1” 所得的等效電阻R0之值，然后拿其與直流恒流源I_S1（調(diào)到步驟“1”時(shí)所測(cè)得的短路電流I_SC之值）相并聯(lián)，如圖5-6（c），把I_S1和0然后再與R₁串聯(lián)。把R₁改換不同的阻值測(cè)其外特性，對(duì)諾頓定理進(jìn)行驗(yàn)證。

RL（Ω）
U(V)
I(mA)

5、有源二端網(wǎng)絡(luò)等效電阻（又稱(chēng)入端電阻）的直接測(cè)量法。見(jiàn)圖5-6（a）。將被測(cè)有源網(wǎng)絡(luò)的所有獨(dú)立源置零（去掉電流源I_S和電壓源U_S，并在原電壓源所接的兩點(diǎn)用一根短路導(dǎo)線(xiàn)相連），然后用伏安法或者直接用萬(wàn)用表的歐姆檔去測(cè)定負(fù)載R_L開(kāi)路時(shí)A、B兩點(diǎn)間的電阻，此即為被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的等效電阻R₀，或稱(chēng)網(wǎng)絡(luò)的入端電阻R_i。
6、用半電壓法和零示法測(cè)量被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的等效內(nèi)阻R₀及其開(kāi)路電壓U_OC。線(xiàn)路及數(shù)據(jù)表格自擬。
五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)
1、測(cè)量時(shí)，應(yīng)注意電流表量程的更換。
2、步驟“5”中，電壓源置零時(shí)不可將穩(wěn)壓源短接。
3、用萬(wàn)用表直接測(cè)R₀時(shí)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的獨(dú)立源必須先置零，以免損壞萬(wàn)用表；其次，歐姆表必須經(jīng)調(diào)零后再進(jìn)行測(cè)量。
4、改接線(xiàn)路時(shí)，要關(guān)掉電源。
六、預(yù)習(xí)思考題
1、在求戴維南或諾頓等效電路時(shí)，作短路實(shí)驗(yàn)，測(cè)I_SC的條件是什么？在本實(shí)驗(yàn)中可否直接作負(fù)載短路實(shí)驗(yàn)？請(qǐng)實(shí)驗(yàn)前對(duì)線(xiàn)路圖5-6預(yù)先作好計(jì)算，以便調(diào)整實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路及測(cè)量時(shí)可準(zhǔn)確地選取電表的量程。
2、說(shuō)明測(cè)有源二端網(wǎng)絡(luò)開(kāi)路電壓及等效內(nèi)阻的幾種方法，并比較其優(yōu)缺點(diǎn)。
七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告
1、據(jù)步驟2、3、4，分別繪出曲線(xiàn)，驗(yàn)證戴維南定理和諾頓定理的正確性，并分析產(chǎn)生誤差的原因。
2、根據(jù)步驟1、5、6的幾種方法測(cè)得U_OC與R₀與預(yù)習(xí)時(shí)電路計(jì)算的結(jié)果作比較。
3、歸納、總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。