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实验三 叠加原理的验证实验

实验三 叠加原理的验证实验

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: 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)分别作用时(其它电压源短路;电流源开路)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)
图 3-1

(b)
两个电压源叠加原理电路

(c)

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 UA 单独作用时(如图 3-1 (b)所示)与电压源 UB 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 US 单独作用时(如图 3-2 (b)所示)与电流源 IS 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)
图 3-2

(b)
电压源与电流源叠加原理电路

(c)

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" ; 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,两个直流电源 E1、E2 共同作用于电路中,通
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I 3 = I 3' + I 3"

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

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 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 2 个 Battery(直流电压源)器件, 从 Basic 元器件库中调出 5 个 Resistor (电阻) 4 个 Switch 开关) 和 ( 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 注意: 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(.ewb)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 EWB 界面右上方按纽“1”对该绘图文件进行仿真。
2

(9) 按下 EWB 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 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 EWB 界面右上方按纽“1”对该绘图文件进行仿真。 (15) 按下 EWB 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 叠加原理电流测量表

电 电 源 E1 单独作用 E2 单独作用 代数和(I'+ I") E1、E2 共同作用 四、注意事项 1、 每个 EWB 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 尤其注意不要出现电源通过连线被短接的情况 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 Circuit/Schematic Options/Grid 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。
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I1(mA) I'1= 7.631 I"1= -2.263 5.368 I1=5.368

I2(mA) I'2=-1.939 I'2=6.312 4.373 I2=4.373

I3(mA) I'3=5.692 I"3=4.050 9.742 I3=9.742

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“.ewb” 。关闭文件或 EWB 软件后想再次打开保存后的文件时, 必须打开 EWB 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。 3、填写表 3-1。 4、回答思考题。

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