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2013上师杯实验6-9内容


物理实验设计与应用
六、研究制流和分压电路的原理及应用 七、磁电式直流电表的改装与实践 八、电桥电路的设计与应用 九、示波器的使用与测量

2014年10月
2015-1-17 1

实验六 研究制流和分压电路的 原理及应用
实验目的: 1.了解各类电阻的应用功能,学会用变阻 器组成制流及分压电路。 2.分析

与研究不同负载电阻对分压电路分 压比的影响。 3.学会和设计用分压法来测量各类非电量。 4.学会和设计用分压电路的形式来达到控制 电路的目的。

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实验原理:

电路中电阻变化

电流变化

电阻端的 电压变化

负载电阻端的 电压变化

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3

电阻符号和实物图

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4

各种固定电阻

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各种小型的可变电阻(电位器)
( 2 ) 可调电阻
微调电阻 滑线变阻器 胶木板型 瓷板型 有机实芯型 精密多圈型 可变电阻在电路中的表示图

实物照片

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各种体积较大的可变电阻(电位器)

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7

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8

*

电位器阻值变化特性 直线式 (X)、对数式(D)、指数式(Z)

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1.分析制流电路

当C滑至A点,RAC=0时,则

负载上电压

E I? RZ ? R AC
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U max ? E
电路中电流

I max

E ? RZ

10

当C滑至B点, R AC ? R0 时,

则:

负载端的电压

R AC ? R0
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U min

E ? RZ RZ ? R0

电路中的电流

I min

E ? RZ ? R0

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由以上关系可得到电路内相应的
电路中电流变化范围为: 最小 最大

E R0 ? RZ
负载端电压变化范围为:

E RZ

RZ E R0 ? RZ
最低
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E
最高
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2.分析分压电路

滑线变阻器上的两个固定端A、B与电源E相接,而负 载电阻RZ是接在滑线变阻器的滑动端C和固定端A或B 上。
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当C点由A B端时, 负载电阻上URZ由0 E,

得到: 1.调节的范围与变阻器的阻值无关; 2.AC两端的分压值可由下式得到:

U?

E RZ ? R AC ? RBC RZ ? R AC

RZ ? R AC ? ? RZ ? R AC

E RBC ( RZ ? R AC ) 1? RZ ? R AC

思考:如果R0取得较小或很大,会怎么样?
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3.制流电路与分压电路的差别及选择
(1)分析调节范围 分压电路的电压调节范围较大,可从0→E; 而制流电路的电压调节范围较小,只能从
RZ E?E R0 ? RZ

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(2)分析细调程度
当 R0 ? 时,在整个调节范围内的调节程度基本 上是均匀的,因制流电路可调的范围较小,故负 载电阻端的电压变化值也小,但能调节的程度较 精细。而分压电路对负载端的电压变化较明显, 但调节的程度却较粗糙。
RZ 2

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(3) 分析功率损耗
使用同一个变阻器,分压电路消耗的电能要比制流电路的 大。 基于以上的差别 a.当负载电阻较大、需调节的电压范围较宽时可选分压 电路形式 b.当负载电阻较小、功耗较大、需调节的电压范围不太 大时可选用制流电路形式。 c.若一级制流或一级分压电路不能达到调节上的要求,可 考虑采用二级制流电路(或二段分压电路)的方法来满 足细调的要求。

思考:二级制流电路或二段分压电路的线路图是怎样的? 2015-1-17

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R1

R2 Rz K 二级限流电路

E

E
K
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R1

R2

Rz

二级分压电路

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设计与应用性实验内容:
1.分析与研究当
RZ ? K 为不同时,得到电路的 R0

R AC 制流特性曲线I-X是怎样的, X ? R0 I





X
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作为回家作业思考并画一下

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设计与应用性实验内容:
RZ 2.分析与研究当 ? K 为不同时,得到电路的 R0

R AC 分压特性曲线U-X是怎样的, X ? R0



U


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作为回家作业思考并画一下

X
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设计与应用性实验内容:
3.设计一个分压电路,要求能同时控制二个 小灯泡进行交替亮暗的变化。 思考: a.电路的形式; b.同时交替亮暗的变化。

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思考: 分压电阻在选择上 有什么要求?

分压的方式

1.阻值上的要求 K 2.类型上的要求 3.功率上的要求
E

D1

R D2

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设计与应用性实验内容:
4.设计一个分压电路,要求通过测量电压的 方式来得到测量高值电阻的目的。

提示:通过分压的方式串接一个标准电阻R0。

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分压的方式

RX E R0

VX

放大器
F V0
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设计与应用性实验内容:
5.设计一个分压电路,要求通过测量电压的方式来 得到测量一些非电量的结果(譬如位移量、角度 量、温度量等)。

提示: a.可变电阻的左右移动即为位移量的变化; b.电位器的旋转即为角度量的变化; c.热敏电阻阻值的变化与其所处的温度有关。

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定标,测出旋转一圈或n圈变化的电阻值 然后定出旋转一度的阻值或电压值。

?

?
360 ?x ? ? Rx R0
0
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0

实验七 磁电式直流电表的改装与实践 实验目的:
1.了解磁电式直流电表内部的结构和偏转原理。

2.学会将磁电式直流电表改装成多量程的电流表、 电压表及欧姆表。
3.学习和实践制作必要的实验装置。

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实验原理:
指针偏转的磁电式直流电表是物理实验中的基本 仪器之一,其内、外部结构见下图。

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1.将微安表改装成欧姆表如图所示
Rg
μA R0

E 欧姆表

RX

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E I? ? ? ? ??Rn ? Rg ? R0 ? ( Rn ? Rx )

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假设E=1.5V

I 0 ? 50?A
满刻度电流值

Rn ? 30K?
中心刻度电流 对应的电阻值
20 30 12.9 7.5 35 40 3.3 45 0 50

Rx / k?

?
0

270 5

120 10

70 15

45 20

30 25

I / ?A

90 12.5

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2.将微安表改装成毫安表
设电表的原有量限为I0( 50 ?A),现要设计成能测量最大值为50mA的 电流表(扩大量程1000倍),应考虑设法与表头并联一个电阻起到分流的作用.

IR1=0.05A-I0

I 0 ( Rm ? Rs ) ? (0.05 ? I 0 ) R1
Rm
Rs

I0
0.05A

R1=?
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I 0 ( Rm ? Rs ) R1 ? (0.05 ? I 0 )

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3.将微安表改装成直流电压表
初始的电流表要用以测量电压,其测量电压值为 U g ? I g ? Rg

为了能测量较高的电压,则设法通过外接串联电阻来起到分压的作用, 即将微安表不能承受的那部分电压降落在分压电阻RS上,见图5。 Rg
Ig

I g ( R g ? Rs ) ? U

Ug
R1

RS

50V

5V

R 1 ? RS

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U U Rs ? ? Rg ? ( ? 1) Rg Ig Ug

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实验内容:
1.测出微安表头(50μA)的内阻值(可有多种测 量表头内阻的方法)。

提示: (1)半偏法测量内阻 (2)替代法测量内阻 (3)电桥法测量内阻 等其他方法
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半偏法测定电表内阻

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替代法测定电表内阻

重要的是保持A0电流不变
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直流电桥法测电阻
实验线路和测量方法

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实验八 电桥电路的设计与应用
实验目的: 1.了解电桥电路测量电阻变化的特点。 2.学会组合电桥电路的原理。 3.拓展电桥电路的应用及非电量的检测。

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实验原理:
电桥电路本质上是利用电阻与 电阻间的电位比较方式来判断 桥路间的平衡性,然后根据不 同桥臂上电阻之间的比例关系 来得到某一被测电阻值。

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R1 ? R0 RX ? R2 N S? ? R0 R0

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实验内容:
1.用热敏电阻作为测温器件,设计一个电桥 电路,并组成测量及控制温度的系统。设 法制作一个电子温度计。
定标:调节电桥平衡,得到热敏电阻为00C时的电阻值 和1000C时的电阻值,然后确定电阻与温度间的关系。

平衡电桥法

热敏电阻
(测温元件)

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( RT 100 ? RT 0 ) Tx ? ? Rx ? ? ? Tx ? Rx 0 39 100

非平衡电桥法测量温度
定标:调节电桥平衡,得到00C时的电压值为零, 及1000C时的电压值,然后获得电压与温度 间的关系。

非平衡电桥法

热敏电阻(测温元件)

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VT 100 ? VT 0 VX ? ? V X ? ? ? TX ? V X 0 100

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实验九

示波器的使用与测量

实验目的: 1.学会示波器的使用与操作方法 2.了解示波器显示交变电信号波形的基本原 理 3.学会用示波器检测各种电信号的方法

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实验仪器:
示波器(双踪)、 多用电表、 交流信号发生器、 电阻箱、 电容器、 电感线圈、 导线等

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实验原理:
一.示波器的构造与基本原理
示波管、扫描发生器、同步电路、水平轴和垂直轴放大器、电源。

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示波管
示波管是示波器用以显示各种波形的核心部分,在一个 抽成高真空的玻璃泡内装有各种电极; 即:电子枪(阴极、栅极、阳极)、 偏转极(X偏转极和Y偏转极)、 荧光屏等。 电子束

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扫描发生器
被测的交变电信号加到一对Y偏转极上,而在一对X偏转极 上则加由示波器内部产生的锯齿波电信号,用以产生扫描 作用。即波形图是函数曲线的一部分,X与Y两对偏转极上 的电信号在示波管上合成的效果见下:

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同步电路
同步电路是为了示波器在工作时时能观察到 稳定的波形而设定的电路,则要求X方向的 起始扫描相位每次都相等,即要求扫描电压 周期Tx为被测电压周期Ty的n倍(n=1、2、 3、…)。 同步电平调整旋钮

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水平轴与垂直轴放大器
为了观察电压幅度不同的电信号波形,示波 器内设有衰减器和放大器,能起到对外来小 信号的放大及大信号的衰减作用,使观察到 的波形适中。在示波器的操作面板上,通常 有可分别控制X、Y两方向的调节旋钮。
X扫描档调节旋钮

Y1衰减档调节旋钮

Y2衰减档调节旋钮
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实验内容
1.观察波形
(校准基准方波信号 譬如:1KHZ、50mV)

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2.测量交变电信号的电压值
读数与计算:
读其y方向上的高度

U p ? p ? n ? V / div

U?
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0.707 ? U p ? p 2

? ? ?U ?

U p? p 2 2
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3.测量交变电信号的周期与频率值
在x方向上读其峰-峰间距

T ? n ? t / div

1 f ? T
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T

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4.测量两交变电信号间的相位差值

?T ?? ? 2? T
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2 x0 ?? ? arcsin 2b

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5.设计并制作一个移相器
可通过电阻与电容组合后在交流电路中形成的相 位变化原理来设计制作一个移相器,要求通过改 变其中电阻的阻值变化后,能在显示屏上观察到 电路中的相位差变化情况。
提示: 用电容与电阻相连接后产生一定的相位差 (一级RC移相电路)
R
输入 交流 信号
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C

输出有相位差的 交流信号
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6.用示波器测量非电量
在熟悉了示波器使用的前提下,设法通过设计与制作一些 必要的装置,测量一些譬如长度量的变化、温度量的变化、 物体质量间的变化等参数。

提示: (1)设法将被测的非电量通过传感器的形式转换成电量后输入于 示波器。 (2)将非电量设法通过变化电阻、电容、电感、频率等参数量后, 再由相应的电路输入于示波器。 (3)设法制作一些光电转换、机电转换、声光和声电转换的装置 来实现将非电量转换成电量后输入于示波器。
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7.用示波器来鉴别电学黑盒子
Y1 Y2

1

2

4

3

1.可以输入正弦波信号后通过示波器来检测相位变化
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2.可以输入方波信号后通过示波器来检测波形变化

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