《电路试验设计》课件

电路试验设计欢迎来到《电路试验设计》课程！本课程旨在帮助学生掌握电路试验的基本原理和实践技能，通过系统化的实验设计和实施，深入理解电子电路的工作原理和应用方法在这门课程中，我们将从基础电路定律到复杂电路系统，全面探索电子世界的奥秘无论您是电子工程专业的学生，还是对电子电路感兴趣的爱好者，本课程都将为您提供扎实的理论基础和丰富的实践经验，帮助您在未来的学习和工作中游刃有余地应对各种电路设计和测试挑战课程目标和学习成果掌握电路试验基本技能深入理解电路理论12学生将能够独立设计、搭建通过实际操作验证电路理论和测试基本电路，熟练使用，加深对欧姆定律、基尔霍常见测量仪器，准确记录和夫定律等基本电路定律的理分析实验数据，编写规范的解，掌握电阻、电容、电感实验报告这些技能是进一等元件在电路中的行为特性步学习和研究电子学的基础，建立直观的电路感知能力培养分析和解决问题的能力3学生将学会如何识别电路问题、分析故障原因，并提出有效的解决方案这种能力对于未来从事电子工程相关工作至关重要，也是工程思维的核心组成部分电路试验的重要性理论与实践结合培养实践技能发现与创新电路试验是将理论知识转化为实际应电路试验帮助学生熟悉电子元器件的通过试验，学生可以在实践中发现问用的桥梁通过亲手操作，学生能够特性和使用方法，掌握测量仪器的操题、解决问题，培养创新思维和探索直观地理解电路理论，验证课本中的作技巧，提高电路搭建和调试能力精神许多重要的电子学突破都源于公式和定律，从而建立更加牢固的知这些都是电子工程师必不可少的基本实验室中的偶然发现和系统验证识体系功电路试验的基本概念试验类型试验方法电路试验主要分为验证性试验、电路试验常用方法包括参数测量设计性试验和探索性试验三种类法、特性曲线法、波形分析法等型验证性试验用于验证已知的参数测量法用于测量电路中的电路理论和定律；设计性试验要电压、电流、电阻等参数；特性求学生根据给定需求设计电路方曲线法用于描述元件或电路的特案；探索性试验则鼓励学生探索性；波形分析法则用于研究信号未知问题，培养创新能力在电路中的变化试验评价电路试验的评价标准包括准确性、可靠性、可重复性和效率准确性反映测量结果与真实值的接近程度；可靠性指试验在不同条件下保持稳定的能力；可重复性是指在相同条件下重复试验得到相同结果的能力；效率则考虑试验的时间和资源消耗实验室安全规则和注意事项一般安全规则电气安全注意事项紧急情况处理进入实验室前必须了发生电击事故时，立解紧急出口位置和灭操作带电设备前确保即切断电源，不要直火器位置实验期间双手干燥不要在潮接接触受害者发现应穿着适当，避免宽湿环境中使用电气设火灾立即报警并使用松衣物和长发接触设备使用前检查所有合适的灭火器受伤备不允许在实验室设备和电源线是否完时寻求医疗援助，并内饮食，保持工作区好处理高压电路时向实验室管理员报告域整洁有序，离开时必须关闭电源，并确所有事故必须记录清理工作台面保电容器已放电使在案并进行分析，防用绝缘工具和防护装止类似事件再次发生备常用电子元件介绍电阻器电容器电感器Resistors CapacitorsInductors电阻器是限制电流流动的基本元件，标电容器能够储存电荷，标记单位为法拉电感器能够储存磁能，标记单位为亨利记单位为欧姆Ω常见类型包括碳膜F主要类型包括陶瓷电容、电解电容H常见类型有空心电感、铁芯电感电阻、金属膜电阻、线绕电阻等电阻、钽电容和薄膜电容等电容器的重要和铁氧体电感等电感器的主要参数包值通过色环或直接标记表示，常见的精参数包括电容值、耐压值和漏电流电括电感值、电流额定值和直流电阻在度有±1%、±5%、±10%等电阻器的参解电容器有极性，必须按照正确的极性高频电路中，电感器常用于滤波和阻抗数还包括功率额定值和温度系数连接，否则可能导致损坏或爆炸匹配电路测量仪器概述基础测量仪器万用表是最基本的电路测量工具，用于测量电压、电流、电阻等参数指针式万用表和数字万用表是两种常见类型，现代实验室多使用数字万用表，具有更高的精度和附加功能万用表的选择应考虑测量范围、精度和内阻波形测量仪器示波器是观察电信号波形的关键设备，可以显示信号随时间变化的图像现代数字示波器具有存储、分析和处理功能，能够测量电压、频率、相位等参数逻辑分析仪则专门用于数字信号的测量和分析信号产生设备信号发生器能够产生各种波形的电信号，包括正弦波、方波、三角波等它们广泛用于电路测试和性能验证现代数字信号发生器还可以产生复杂的调制信号和编码序列，满足不同电路测试的需求专用测试设备电桥用于精确测量电阻、电容和电感频谱分析仪可以显示信号的频率组成网络分析仪用于测量电路的频率响应和阻抗特性这些专用设备在特定测量任务中提供高精度的结果万用表的使用方法功能选择使用万用表前，首先要根据测量对象选择正确的功能档位对于未知范围的测量，应先选择最大量程，然后逐步调整至合适范围，以保护仪表和获取更精确的读数测量电压选择V档，测量电流选择A档，测量电阻选择Ω档连接方法测量电压时，万用表应并联在被测电路上；测量电流时，万用表应串联在电路中；测量电阻时，必须断开被测元件与电路的连接，确保没有电压红色表笔通常连接正极或高电位端，黑色表笔连接负极或低电位端读数与解释数字万用表直接显示测量值，注意单位和量程指针式万用表需要根据指针位置和量程计算实际值读数时应避免视差误差，保持垂直视角对于交流测量，多数万用表显示有效值，而非峰值或峰峰值安全注意事项切勿用欧姆档测量带电电路，可能损坏仪表测量高电压前检查表笔绝缘是否良好电流测量完毕后立即将表笔转回电压档，防止下次误接高电流测量应尽量缩短时间，避免表内分流电阻过热示波器的基本操作开机与自校准1示波器开机后应进行自校准，确保测量精度现代数字示波器通常有自校准功能，按照屏幕提示操作即可校准前确保探头已断开连接，避免外部信号干扰校准过程校准完成后，连接探头前应检查探头的衰减比例是否与示波器设置一致基本参数设置2设置垂直灵敏度（电压/格），使信号在屏幕上显示适当大小调整水平扫描速度（时间/格），使信号周期合适显示设置触发模式和电平，稳定显示周期性信号根据需要调整耦合方式DC耦合显示全部信号，AC耦合只显示交流分量探头连接与补偿3连接探头前确保示波器和被测电路接地良好使用前应进行探头补偿将探头连接到示波器的校准输出端，调整探头上的补偿电容，直到方波显示没有过冲或下垂探头应使用适当的接地方式，减少干扰和测量误差波形测量与分析4使用示波器的光标和自动测量功能可以测量信号的电压、频率、周期等参数熟练运用X-Y模式可以测量相位差和绘制李萨如图形利用数字示波器的FFT功能可以进行频谱分析存储功能可以保存重要波形，用于比较分析和报告编写信号发生器的应用基本功能设置1信号发生器可产生正弦波、方波、三角波等基本波形设置过程包括选择波形类型、设置频率范围、调整输出幅度、设置直流偏置高级信号发生器还可以设置波形的占空比、相位和调制参数电路时域响应测试2使用方波信号测试电路的时域响应，观察上升时间、下降时间和过冲正弦波信号可用于测量电路的频率响应特性脉冲信号适合测试数字电路的触发特性和延时参数频率特性分析3通过扫频功能，信号发生器可以在一定范围内自动变化频率，结合示波器或频谱分析仪，可以测量滤波器、放大器等电路的频率响应特性，绘制波特图，确定带宽和截止频率特殊应用技巧使用两台信号发生器可以产生相位可调的信号，用于测试相敏检波器通4过外部调制输入，可以实现复杂的调幅、调频和脉冲调制信号生成将信号发生器与计数器配合使用，可以精确校准频率电源供应器的使用技巧安全操作最重要1始终确保输出关闭后再连接电路电流限制保护电路2设置适当的电流限值防止短路损坏电压准确调节3连接负载后微调电压至所需值多路输出协调使用4理解各输出间的隔离或跟踪关系远程感测提高精度5长导线情况下使用远程感测端口电源供应器是几乎所有电路实验的基础设备，正确使用直接关系到实验安全和结果准确性使用前应仔细检查电源供应器的输出范围是否满足实验需求，特别是最大电压和电流容量对于敏感电路，应选择纹波小、稳定性好的电源供应器在进行多路电源实验时，应注意各电源之间的接地关系，避免形成意外的电流回路使用双极性电源时，应确保正负电源平衡，特别是对运算放大器电路实验结束后，应先降低电压，再关闭电源开关，最后断开连接，这样可以减少电弧和电涌对电路的损害基本电路定律回顾基尔霍夫电流定律KCL欧姆定律在任何电路节点，所有流入该节点的电流之和等描述电阻元件中电流、电压和电阻的关系I=于所有流出该节点的电流之和这反映了电荷守V/R欧姆定律是最基本的电路分析工具，适用恒原理应用KCL时，需要规定电流方向的正负于线性电阻元件在实际应用中，需要注意温度号约定，并正确识别独立节点2变化对电阻值的影响，以及非线性元件的特殊情况1基尔霍夫电压定律KVL在任何闭合回路中，所有电压降之和等于所有3电压升之和这反映了能量守恒原理应用KVL时，需要规定回路方向，并按照该方向确定电压的正负号戴维宁定理与诺顿定理5任何包含线性元件的电路，对外部电路而言可等叠加定理4效为一个电压源和一个电阻的串联戴维宁等效在线性电路中，由多个独立源产生的响应等于每或一个电流源和一个电阻的并联诺顿等效这个源单独作用时响应的代数和应用叠加定理时两种等效可以相互转换，逐一保留一个源，将其他独立电压源短路、独立电流源开路，然后计算总响应欧姆定律实验设计13实验目的实验步骤验证欧姆定律在不同条件下的适用性，测量电阻的伏搭建实验电路，固定电阻值，逐步调整电压，测量并安特性，分析负载变化对电路特性的影响记录对应电流；固定电压，更换不同阻值，测量并记录电流值5数据分析绘制伏安特性曲线，计算实测电阻值，与标称值比较，分析误差来源，讨论温度对电阻特性的影响这个实验是电路学习的基础，通过实际测量验证欧姆定律I=V/R的关系实验中使用不同类型的电阻器，如碳膜电阻、金属膜电阻和线绕电阻，比较它们的特性差异观察电阻在不同电流条件下的发热情况，理解功率与温度的关系通过变化实验条件，可以体会到实际电路中的各种影响因素，如接触电阻、导线电阻、测量仪器的内阻等这些实践经验对于理解复杂电路分析中的理想化假设和实际情况之间的差异非常重要，为后续学习奠定基础基尔霍夫定律验证实验理论值mA实测值mA基尔霍夫定律验证实验旨在通过实际测量证实基尔霍夫电流定律KCL和基尔霍夫电压定律KVL在复杂电路中的应用实验中，我们构建一个包含多个电阻和电源的网络电路，在各个节点和回路中测量电流和电压，验证KCL中节点电流代数和为零和KVL中回路电压代数和为零的基本原理实验结果表明，实测值与理论计算值存在小幅偏差，这主要由测量误差、元件参数误差和接触电阻等因素造成通过这个实验，学生可以深入理解基尔霍夫定律在分析复杂电路中的重要性，掌握节点电压法和回路电流法的实际应用，提高电路分析能力戴维宁定理实验设计戴维宁定理实验旨在验证任何线性电路对外部负载而言，都可以等效为一个电压源和一个电阻的串联电路实验分为三个主要步骤首先测量原电路的开路电压（即戴维宁等效电压）；然后测量原电路的短路电流或通过其他方法确定戴维宁等效电阻；最后构建戴维宁等效电路，验证其在不同负载条件下的响应与原电路相同在实验过程中，需要特别注意测量仪器对电路的影响，如万用表内阻对开路电压测量的影响此外，对于包含受控源的电路，戴维宁等效参数的测定需要采用特殊方法通过这个实验，学生能够理解电路简化的方法，掌握复杂电路分析的有效工具，为后续学习功率传输最大化等概念打下基础叠加原理实验原理理解叠加原理是线性电路分析中的重要方法，它指出在线性电路中，由多个独立源引起的总响应等于每个源单独作用时所产生响应的代数和本实验旨在通过实际测量验证这一原理的准确性实验步骤构建包含两个以上独立电源的电路，首先测量所有电源同时工作时各节点电压和支路电流；然后仅保留一个电源工作（其他电压源短路，电流源开路），测量相应响应；最后比较叠加结果与全部电源工作时的结果数据分析对比全部电源工作时的测量值与根据叠加原理计算的预测值，分析误差来源，包括测量误差、元件非线性和电源内阻等因素的影响特别关注误差较大的情况，探讨可能的原因应用拓展讨论叠加原理在实际电路设计和分析中的应用，如多源信号的处理、干扰分析和电路优化等探讨叠加原理的局限性，如在非线性电路或大信号条件下的适用问题电路时间常数测量实验RC实验原理实验方法RC电路由电阻R和电容C组成，其时使用信号发生器产生方波信号作为间常数τ=RC决定了电路的动态响应输入，示波器观察输入和输出波形特性本实验通过观察方波信号在测量电容充电到最终值

63.2%和RC电路中的充放电过程，测量时间放电到剩余

36.8%所需的时间，与常数，并验证电路的频率响应特性理论值τ=RC比较通过改变R或C的时间常数定义为电容充电到最终值，观察时间常数的变化还可测值的

63.2%所需的时间量不同频率输入信号下的输出幅度，验证频率响应特性注意事项选择合适的R和C值使得时间常数在易于测量的范围（通常

0.1ms到10ms之间）确保信号发生器的输出阻抗在测量时考虑在内波形测量中使用适当的触发设置使波形稳定显示考虑示波器探头的负载效应，特别是当使用高阻值电阻时电路时间常数测量实验RL电路构建暂态响应测量频率特性分析RL电路由电阻R和电感L串联构成，其时使用方波信号作为输入，测量电流从零通过改变输入信号的频率，测量输出信间常数τ=L/R决定了电路的暂态响应特性增加到最终值的

63.2%所需的时间，或者号的幅度和相位变化，绘制RL电路的频构建电路时，选择合适的电感和电阻从最终值下降到

36.8%所需的时间，这个率响应曲线对比实测结果与理论预测值，使得时间常数在可测量范围内实时间即为电路的时间常数可以通过测，分析偏差原因观察截止频率（输出验中通常使用10mH-100mH的电感和量电阻两端的电压间接观察电流变化幅度降至输入的

0.707倍）与时间常数的100Ω-1kΩ的电阻，以获得适合观察的时示波器应设置适当的时间基准，以便清关系，验证关系式fc=R/2πL间常数晰观察暂态过程串联谐振电路实验RLC频率响应测量谐振条件确定在不同频率下测量电路响应，绘制幅频特性曲线21测量电路的谐振频率，验证f₀=1/2π√LC关系品质因数计算通过带宽测量计算Q值，验证Q=ω₀L/R3相频特性测定5阻抗特性分析测量电压与电流相位关系，分析谐振前后的相位变化4测量不同频率下电路的等效阻抗，观察谐振点特性RLC串联谐振电路是研究谐振现象的基础电路，在通信系统、滤波器设计和信号处理中有广泛应用本实验着重研究电路的频率选择特性和能量转换过程，加深对谐振现象的理解实验中需要特别注意电感的品质因数对测量结果的影响，实际电感通常具有较大的等效串联电阻，这会降低电路的品质因数并影响谐振峰的尖锐度此外，测量仪器的输入阻抗也会改变电路特性，尤其在高Q值电路中更为明显通过比较不同元件参数下的谐振特性，可以深入理解元件参数对电路性能的影响并联谐振电路实验RLC电路构建及参数测量1搭建RLC并联电路，测量各元件的实际参数使用LCR测量仪精确测定电感和电容的值，以及电感的等效并联电阻选择合适的元件值使谐振频率在易于测量的范围内，通常在1kHz到100kHz之间构建电路时需注意连线尽量短，减少杂散电容和电感的影响谐振频率测定2使用信号发生器提供可变频率的正弦波信号，通过监测电路总电流达到最小值时的频率来确定谐振点理论上，并联谐振电路在谐振频率处呈现最大阻抗，电流最小验证测得的谐振频率是否符合理论公式f₀=1/2π√LC，分析误差来源阻抗特性测量3在不同频率下测量电路的输入阻抗，绘制阻抗-频率曲线观察谐振点附近阻抗的变化特性，确认并联谐振电路在谐振点呈现高阻特性计算电路的品质因数Q=ω₀RC，并通过半功率带宽法测量Q值，比较两种方法的结果电流分布分析4测量谐振和非谐振条件下各分支的电流大小和相位关系在谐振时，电感分支和电容分支的电流大小相等但相位相反，它们互相抵消，使总电流最小验证这一特性，并探讨实际电路中的损耗对这一理想情况的影响低通滤波器设计与测试设计原理测试方法应用分析低通滤波器允许低频信号通过而抑制使用信号发生器提供不同频率的正弦讨论低通滤波器在音频处理、电源滤高频信号基本的RC低通滤波器由一波信号，测量输出信号的幅度和相位波、传感器信号调理等领域的应用个电阻和一个电容构成，其截止频率，绘制幅频和相频特性曲线确定-分析不同应用场景对滤波器参数的要fc=1/2πRC设计时首先确定所需的3dB截止频率点，与设计值比较分求，如音频应用需考虑相位线性度以截止频率，然后选择合适的R和C值析滚降区的衰减特性，一阶低通滤波避免信号失真，电源滤波则更关注纹若需要更陡峭的滚降特性，可设计多器在截止频率后每倍频程衰减约6dB波抑制能力通过改变电路参数，观级RC滤波器或使用RLC结构设计中测试方波响应观察滤波器的时域特察滤波特性的变化，理解参数选择对需考虑负载效应和元件容差对性能的性，分析其上升时间与带宽的关系滤波性能的影响影响高通滤波器设计与测试设计原理频率响应测试时域响应分析高通滤波器允许高频信号通过而阻断低频信使用信号发生器提供不同频率的正弦波输入使用方波和脉冲信号测试滤波器的时域特性号基本的RC高通滤波器由一个电容和一个，测量输出信号的幅度和相位变化绘制幅观察输出波形的微分特性，特别是在低频电阻串联构成，电容连接输入端，电阻连接频和相频特性曲线，确定-3dB截止频率点，方波输入时的波形畸变分析高通滤波器对地其截止频率计算公式为fc=1/2πRC设与设计理论值比较观察一阶高通滤波器在信号边沿的响应特性和下降时间讨论RC时计时首先确定所需的截止频率，然后根据可截止频率以下每倍频程衰减约6dB的特性，验间常数对滤波器暂态响应的影响，以及如何用元件和电路阻抗要求选择适当的R和C值证滤波器的滚降特性是否符合预期优化时域性能带通滤波器设计与测试带通滤波器只允许特定频率范围内的信号通过，同时衰减该范围以外的信号它可以通过级联高通和低通滤波器实现，也可以使用RLC谐振电路构建设计带通滤波器时，需要确定中心频率f₀和带宽BW两个关键参数，或者用下限截止频率fL和上限截止频率fH来表示其品质因数Q=f₀/BW反映了滤波器的选择性实验中我们构建了一个二阶带通滤波器，通过改变元件参数调整其中心频率和带宽使用频率扫描法测试滤波器的频率响应特性，绘制增益-频率曲线在测试过程中，观察到带宽与元件Q值之间的关系，以及两种不同实现方式（级联式和谐振式）的性能差异特别注意到谐振式带通滤波器在中心频率附近具有更陡峭的响应特性，但其相位响应的线性度不如级联式运算放大器基本特性实验开环增益测量输入偏置电流测定12开环增益是运算放大器最重要的参数之一，理论上可达10⁵-10⁶由于输入偏置电流是指运算放大器输入端需要的基极电流测量方法是在输开环增益极高，直接测量困难，本实验采用间接方法构建已知反馈系入端连接大阻值电阻，测量输出电压变化，然后根据反馈网络计算输入数的闭环电路，测量输入和输出信号，然后通过公式A_OL=A_CL/1-电流现代FET输入运放的偏置电流非常小，通常在pA或nA级别，测βA_CL计算开环增益，其中β为反馈系数量时需注意防止漏电流干扰输入失调电压测量共模抑制比测定34输入失调电压是指在输入端短接时，为使输出电压为零所需施加的输入共模抑制比CMRR表示运算放大器抑制共模信号的能力测量方法是电压测量方法是构建放大器电路，调整输入电压直至输出为零，此时同时向两个输入端施加相同信号，测量输出电压，计算共模增益，然后的输入电压除以增益即为失调电压对于高精度应用，可通过外部电路计算CMRR=差模增益/共模增益高质量运放的CMRR可达80-120dB补偿这一失调，是衡量运放品质的重要指标反相放大器设计与测试输入电压mV理论输出V实测输出V反相放大器是运算放大器的基本应用电路之一，其特点是输出信号与输入信号相位相反电路由一个输入电阻Ri、一个反馈电阻Rf和运算放大器组成根据虚短原理，其电压增益为Av=-Rf/Ri本实验中，我们设计了一个增益为-10的反相放大器，选择Ri=1kΩ，Rf=10kΩ实验测试了反相放大器的线性范围和频率响应特性通过改变输入信号幅度，验证了输出电压与输入成线性关系，直到达到运算放大器的输出摆幅限制频率响应测试表明，放大器的带宽受到运算放大器的增益带宽积限制实验还探讨了输入和反馈电阻的匹配对噪声性能和直流偏置的影响，以及如何通过在同相输入端添加适当电阻来减小输入偏置电流引起的偏移同相放大器设计与测试虚短原理分析1同相输入与反馈形成虚短增益公式推导2增益计算A=1+Rf/Ri频率特性测量3带宽与增益的权衡关系负载效应评估4输出阻抗与驱动能力分析实际应用优化5元件选择与布局考虑同相放大器是运算放大器的另一种基本应用电路，其特点是输出信号与输入信号同相位与反相放大器相比，同相放大器具有较高的输入阻抗，适合连接高阻抗信号源本实验中，我们设计了增益为5的同相放大器，通过选择Ri=1kΩ和Rf=4kΩ实现实验验证了同相放大器的增益公式，测量了其频率响应特性，并对比了理论带宽与实测带宽的差异我们特别关注了同相放大器在大信号条件下的性能表现，包括失真度和摆率限制实验还探讨了输入共模电压范围对电路性能的影响，以及如何通过添加输入保护电路提高放大器的抗干扰能力和可靠性针对高增益应用，分析了放大器的噪声性能和稳定性问题，提出了实用的优化方案差分放大器实验差分放大器原理实验内容与测试应用与改进差分放大器是一种能够放大两个输入本实验首先验证差分放大器的基本增差分放大器广泛应用于传感器信号调信号之差的电路，是仪器放大器和运益公式Vo=V₂-V₁·R₂/R₁（当理、生物电信号采集和噪声环境下的算放大器的核心部分基本电路由一R₂/R₁=R₄/R₃时）然后测量电信号处理实验中还讨论了几种改进个运算放大器和四个精密电阻组成，路的共模抑制比CMRR，方法是向两型差分放大器电路，包括仪表放大器形成桥式结构当四个电阻值相等时个输入施加相同信号，测量输出电压和隔离放大器，分析它们的特性和适，输出电压等于两输入电压之差乘以与理论值的偏差实验还探讨了电阻用场景通过调整电阻网络或添加前增益系数通过调整电阻比例，可以匹配度对CMRR的影响，以及温度变置缓冲级，可以提高电路的输入阻抗改变电路的差分增益和共模抑制比化对电路性能的影响和共模抑制比，改善其在实际应用中的性能。