電路基礎與仿真實驗

《電路基礎與仿真實驗》是全國高等職業教育“十一五”國家級規劃教材。全書共11章，主要內容包括電路的基本概念與定律，直流電路分析，正弦交流電路的基本概念與分析，互感耦合電路，三相交流電路，非正弦周期信號電路，線性動態電路分析等，另有二連線埠網路和非線性電阻電路可根據不同專業的需要作為選修內容。

基本介紹

• 書名：電路基礎與仿真實驗
• 作者：童建華
• ISBN：9787115176653
• 出版社：人民郵電出版社
• 出版時間： 2008
• 開本：16

版權資訊

書 名: 電路基礎與仿真實驗

ISBN: 9787115176653

開本： 16

定價: 26.00 元

內容簡介

全書按照理論聯繫實際，注重“講、學、做”統一的原則編寫，書中各章內容配有相應的計算機仿真實驗，書後還提供了10多個實際操作實驗。在學習過程中，將電路的理論知識與仿真實驗和操作實驗結合起來，可使學生加深對電路基本概念、基本定律和電路分析方法的理解，增強學生套用計算機分析電路的能力以及實踐操作能力，為學生學好後續電類專業課程打下堅實的基礎。

《電路基礎與仿真實驗》內容深入淺出、通俗易懂，全書敘述重點突出、概念清楚，可作為高職高專院校電子信息類和電子、電氣類各專業的教材，也可供相關電類工程技術人員參考使用。

目錄

第1章電路的基本概念和定律1

1.1電路和電路圖1

1.1.1電路1

電流流過的迴路叫做電路，又稱導電迴路。最簡單的電路，是由電源、負載、導線、開關等元器件組成。電路導通叫做通路。只有通路，電路中才有電流通過。電路某一處斷開叫做斷路或者開路。如果電路中電源正負極間沒有負載而是直接接通叫做短路，這種情況是決不允許的。另有一種短路是指某個元件的兩端直接接通，此時電流從直接接通處流經而不會經過該元件，這種情況叫做該元件短路。開路（或斷路）是允許的，而第一種短路決不允許，因為電源的短路會導致電源、用電器、電流表被燒壞。

電路（英語：Electrical circuit）或稱電子迴路，是由電器設備和元器件, 按一定方式連線起來，為電荷流通提供了路徑的總體，也叫電子線路或稱電氣迴路，簡稱網路或迴路。如電源、電阻、電容、電感、二極體、三極體、電晶體、IC和電鍵等，構成的網路、硬體。負電荷可以在其中流動。

1.1.2電路圖2

1.2電路的基本物理量3

1.2.1電流3

電流，是指電荷的定向移動。電源的電動勢形成了電壓，繼而產生了電場力，在電場力的作用下，處於電場內的電荷發生定向移動，形成了電流。電流的大小稱為電流強度（簡稱電流，符號為I），是指單位時間內通過導線某一截面的電荷量，每秒通過1庫侖的電量稱為1「安培」（A）。安培是國際單位制中所有電性的基本單位。 除了A，常用的單位有毫安（mA）、微安(μA) 。1A=1000mA=1000000μA電學上規定：正電荷流動的方向為電流方向。電流微觀表達式I=nesv,n為單位時間內通過導體橫截面的電荷數，e為電子的電荷量，s為導體橫截面積，v為電荷速度。

定義

單位時間內通過導體橫截面的電荷量，叫電流，通常用I代表電流，表達式I=Q/t，單位是安培（這個單位是為了紀念法國物理學家安培在電學研究中的巨大貢獻而命名的），簡稱“安”，符號“A”。

英國物理學家法拉第在1831年做了切割磁力線實驗，在閉合迴路中就有電流產生。這一現像證明電和磁之間可以相互轉換。

電流是物理學中的七個基本量綱之一（另外6個為：長度m、時間s、質量kg、熱力學溫度K、發光強度cd、物質的量mol)。電流分直流和交流兩種，電流的方向不隨時間的變化的叫做直流，電流的大小和方向隨時間變化的叫交流。

電流是指一群電荷的流動[1]。電流的大小稱為電流強度，是指單位時間內通過導線某一截面的電荷量，每秒通過一庫侖的電量稱為一「安培」（Ampere）。安培是國際單位制中的一種基本單位[1]。電流表是專門測量電流的儀器。

大自然有很多種承載電荷的載子，例如，導電體內可移動的電子、電解液內的離子、電漿內的電子和離子、強子內的夸克[2]。這些載子的移動，形成了電流。

單位

國際單位制中電流的基本單位是安培。　1安培定義為：在真空中相距為1米的兩根無限長平行直導線，通以相等的恆定電流，當每米導線上所受作用力為2×10^(-7)N時，各導線上的電流為1安培。

初級學習中1安培的定義：1秒內通過導體橫截面的電荷量為1庫侖，即：1安培=1庫侖/秒

換算方法：

1kA=1000A

1A=1000mA

1mA=1000μA

1μA=1000nA

1nA=1000pA

一些常見的電流：電子手錶1.5μA至2μA，白熾燈泡200mA，手機100mA，空調5A至10A，高壓電200A，閃電20000A至200000A

定義公式：I=Q/t Q為通過導體橫截面的電荷量，單位是庫侖。t為電荷通過導體的時間，單位是秒。

獲得條件

電路中保持有恆定的電動勢（電力場）。

電路連線好，閉合開關，處處相通的電路叫做通路（也稱為閉合電路）。

開關未合閉，或電線斷裂、接頭鬆脫致使線路在某處斷開的電路，叫做開路（也稱為斷路）。

導線不經過用電器直接跟電源兩極連線的電路，叫做短路(通路)。

1.2.2電壓4

電壓，也稱作電勢差或電位差，是衡量單位電荷在靜電場中由於電勢不同所產生的能量差的物理量。其大小等於單位 正電荷因受電場力作用從A點移動到B點所作的功，電壓的方向規定為從高電位指向低電位的方向。電壓的國際單位制為伏特(V)，常用的單位還有毫伏(mV)、微伏(μV)、千伏(kV)等。此概念與水位高低所造成的“水壓”相似。需要指出的是，“電壓”一詞一般只用於電路當中，“電勢差”和“電位差”則普遍套用於一切電現象當中。

如果電壓的大小及方向都不隨時間變化，則稱之為穩恆電壓或恆定電壓，簡稱為直流電壓，用大寫字母U表示。如果電壓的大小及方向隨時間變化，則稱為變動電壓。對電路分析來說，一種最為重要的變動電壓是正弦交流電壓(簡稱交流電壓)，其大小及方向均隨時間按正弦規律作周期性變化。交流電壓的瞬時值要用小寫字母u或u(t)表示。在電路中提供電壓的裝置是電源。

單位

電壓在國際單位制中的主單位是伏特（V），簡稱伏，用符號V表示。1伏特等於對每1庫侖的電荷做了1焦耳的功，即1 V = 1 J/C。強電壓常用千伏(KV)為單位，弱小電壓的單位可以用毫伏(mV)微伏(μv)。

它們之間的換算關係是：

1kV=1000V

1V=1000mV

1mV=1000μv

電壓是推動電荷定向移動形成電流的原因。電流之所以能夠在導線中流動，也是因為在電流中有著高電勢和低電勢之間的差別。這種差別叫電勢差，也叫電壓。換句話說。在電路中，任意兩點之間的電位差稱為這兩點的電壓。通常用字母V代表電壓。

電源是給用電器兩端提供電壓的裝置。電壓的大小可以用電壓表（符號：V）測量。

串聯電路電壓規律：串聯電路兩端總電壓等於各部分電路兩端電壓和。

公式：ΣU=U1+U2

並聯電路電壓規律：並聯電路各支路兩端電壓相等，且等於電源電壓。

公式：ΣU=U1=U2

歐姆定律：U=IR（I為電流，R是電阻）但是這個公式只適用於純電阻電路

1.2.3電功率6

物理學名詞，電流在單位時間內做的功叫做電功率。是用來表示消耗電能的快慢的物理量，用P表示，它的單位是瓦特（Watt），簡稱瓦，符號是W。

作為表示電流做功快慢的物理量，一個用電器功率的大小數值上等於它在1秒內所消耗的電能。如果在"t"（SI單位為s）這么長的時間內消耗的電能“W”（SI單位為J），那么這個用電器的電功率就是P=W/t（定義式）電功率等於導體兩端電壓與通過導體電流的乘積。

（P=U·I）。對於純電阻電路，計算電功率還可以用公式P=I^2 R和P=U^2 /R。

每個用電器都有一個正常工作的電壓值叫額定電壓，用電器在額定電壓

下正常工作的功率叫做額定功率，用電器在實際電壓下工作的功率叫做實際功率。

1瓦特（1W）=1焦/秒(1J/s)=1伏·安(V·A)

① W—電能—焦耳（J） ② 1kw·h=3.6×10^6J

t—時間—秒(s) t=1小時（h）=3600秒(s)

P—用電器的功率—瓦特（W） P=1kw=1000w

(兩套單位，根據不同需要，選擇合適的單位進行計算)

W—能量表示符號。

W—瓦，功率單位　電功率(簡稱功率)所表示的物理意義是電路元件或設備在單位時間內吸收或發出的電能。兩端電壓為U、通過電流為I的任意二端元件(可推廣到一般二端網路)的功率大小為P = UI功率的國際單位制單位為瓦特(W)，常用的單位還有毫瓦(mW)、千瓦(kW)，它們與W的換算關係是：1W= 1000 mW；1kw=1000W

吸收或發出：一個電路最終的目的是電源將一定的電功率傳送給負載，負載將電能轉換成工作所需要的一定形式的能量。即電路中存在發出功率的器件(供能元件)和吸收功率的器件(耗能元件)。習慣上，通常把耗能元件吸收的功率寫成正數，把供能元件發出的功率寫成負數，而儲能元件(如理想電容、電感元件)既不吸收功率也不發出功率，即其功率P = 0。通常所說的功率P又叫做有功功率或平均功率。

1.3歐姆定律與電阻元件6

1.3.1歐姆定律6

在同一電路中，導體中的電流跟導體兩端的電壓成正比，跟導體的電阻阻值成反比，這就是歐姆定律，基本公式是I=U/R。歐姆定律由喬治·西蒙·歐姆提出，為了紀念他對電磁學的貢獻，物理學界將電阻的單位命名為歐姆，以符號Ω表示。

性質

由歐姆定律I=U/R的推導式R=U/I或U=IR不能說導體的電阻與其兩端的電壓成正比，與通過其的電流成反比，因為導體的電阻是它本身的一種屬性，取決於導體的長度、橫截面積、材料和溫度、濕度（初二階段不涉及濕度），即使它兩端沒有電壓，沒有電流通過，它的阻值也是一個定值。（這個定值在一般情況下，可以看做是不變的，但是對於光敏電阻和熱敏電阻來說，電阻值是不定的。對於有些導體來講，在很低的溫度時存在超導的現象，這些都會影響電阻的阻值。）

導體中的電流與導體兩端的電壓成正比，與導體的電阻成反比。（表達式：I=U:R)

單位

電阻的單位歐姆簡稱歐（Ω）。1Ω定義為：當導體兩端電勢差為1伏特（ν），通過的電流是1安培（Α）時，它的電阻為1歐（Ω）。

計算公式

R=U/I I=U/R U=IR

1.3.2電阻元件7

1.4基爾霍夫定律8

基爾霍夫電路定律是集總電路的基本定律,它包括電流定律和電壓定律.

基爾霍夫電流定律(KCL)指出:在集總電路中,任何時刻,對任一節點,所有流出節點的支路電流的代數和恆等於零.

代數和是根據流入還是流出節點判斷的.流出為+,流入為-.對節點,I1+I2+...+In=0.

基爾霍夫電壓定律(KVL)指出:在集總電路中,任何時刻,對任一迴路,所有支路電壓的代數和恆等於零.

上式計算是要指定一個迴路繞行方向,支路電壓參考方向與迴路繞行方向一致,取+.反之,取-.

U1+U2+...+Un=0

1.4.1基爾霍夫電流定律9

1.4.2基爾霍夫電壓定律9

1.5獨立電源10

1.5.1獨立電壓源10

如果一個二端元件的電流無論為何值，其電壓保持常量US或按給定的時間函式uS(t)變化，則此二端元件稱為獨立電壓源，簡稱為電壓源。另外，獨立電壓源是從實際電源抽象出來的一種模型。

如果一個二端元件的電流無論為何值，其電壓保持常量US或按給定的時間函式uS(t)變化，則此二端元件稱為獨立電壓源，簡稱為電壓源。電壓源的符號如圖(a)所示，圖中“+” ，“-”號表示電壓源電壓的參考極性。

電壓保持常量的電壓源，稱為恆定電壓源或直流電壓源。電壓隨時間變化的電壓源，稱為時變電壓源。電壓隨時間周期性變化且平均值為零的時變電壓源，稱為交流電壓源。

電壓源的電壓與電流採用關聯參考方向時，其吸收功率為p=ui

當p>0，即電壓源工作在i-u平面的一、三象限時，電壓源實際吸收功率。

當p<0，即電壓源工作在i-u平面的二、四象限時，電壓源實際發出功率。

也就是說，隨著電壓源工作狀態的不同，它既可發出功率，也可吸收功率。

獨立電壓源的特點是其端電壓由其特性確定，與電壓源在電路中的位置無關。

獨立電壓源的電流則與其連線的外電路有關。由其電壓和外電路共同確定

1.5.2電流源12

至茂電子電流源AHY-12系列電流源給定的電流，此線路通電流為定值，與你的負載阻值沒有關係。

電流源的內阻相對負載阻抗很大，負載阻抗波動不會改變電流大小。在電流源迴路中串聯電阻無意義，因為它不會改變負載的電流，也不會改變負載上的電壓。在原理圖上這類電阻應簡化掉。負載阻抗只有並聯在電流源上才有意義，與內阻是分流關係。

由於內阻等多方面的原因，理想電流源在真實世界是不存在的，但這樣一個模型對於電路分析是十分有價值的。實際上，如果一個電流源在電壓變化時，電流的波動不明顯，我們通常就假定它是一個理想電流源。

1.5.3負載獲得最大功率的條件13

1.6受控電源13

1.6.1受控電源13

1.6.2受控電源的類型13

本章小結14

習題15

仿真實驗1直流電路的電位、電壓測量16

仿真實驗2基爾霍夫定律的驗證19

仿真實驗3功率的測量實驗20

第2章直流電路的分析22

2.1電阻的串並聯等效變換22

2.1.1電阻的串聯電路22

2.1.2電阻的並聯電路23

2.1.3電阻的混聯電路25

2.2電阻Y-△網路的等效變換26

2.2.1電阻的Y形連線和△形連線26

2.2.2電阻的Y形網路和△形網路的等效變換27

2.3電壓源與電流源的等效變換28

2.3.1實際電源的模型與等效變換28

2.3.2有源支路的簡化29

2.4支路電流分析法31

2.4.1分析線性電路的一般方法31

2.4.2支路電流分析法31

2.4.3支路電流法的解題步驟33

2.5網孔電流分析法33

2.5.1網孔電流33

2.5.2網孔電流分析法33

2.5.3網孔電流分析法的解題步驟35

2.5.4含有理想電流源電路的網孔方程35

*2.5.5迴路電流分析法36

2.6節點電壓分析法36

2.6.1節點電壓37

2.6.2節點電壓分析法37

2.6.3節點電壓分析法的解題步驟38

2.6.4含有理想電壓源電路的節點方程39

*2.6.5彌爾曼定理40

2.7疊加定理與替代定理40

2.7.1疊加定理41

*2.7.2齊性定理42

*2.7.3替代定理43

2.8戴維南定理與諾頓定理44

2.8.1二端網路44

2.8.2戴維南定理44

*2.8.3諾頓定理46

諾頓定理與戴維南定理互為對偶的定理。定理指出，一個含有獨立電源線性二端網路N(圖1a), 就其外部狀態而言,可以用一個獨立電流源isc和一個鬆弛二端網路N0的並聯組合來等效(圖1b)。其中，isc是網路N的短路電流，鬆弛網路N0是將網路 N中的全部獨立電源和所有動態元件上的初始條件置零後得到的網路。上述並聯組合稱為諾頓等效網路。在復頻域中等效網路由電流源Isc和運算元阻抗Yi(s)並聯而成（圖2）。Isc(s)是短路電流的拉普拉斯變換，Yi(s)是鬆弛網路N0的入端（策動點）導納。另外，還能導出網路N用於正弦穩態分析和直流分板的等效網路。

求等效電路的關鍵是求出網路N的短路電流和網路N0的入端（策動點）導納。它們均可通過電子計算機求得。

isc稱為短路電流。Ro稱為諾頓電阻，也稱為輸入電阻或輸出電阻。電流源isc和電阻Ro的並聯單口，稱為單口網路的諾頓等效電路。在連線埠電壓電流採用關聯參考方向時，單口的VCR方程可表示為i=u/Ro+ isc

2.9含受控源電路的分析47

2.9.1受控電源的控制特性47

2.9.2含有受控電源電路的分析方法48

本章小結50

習題52

仿真實驗1實際電壓源與實際電流源的等效變換55

仿真實驗2直流電路節點電壓與支路電流分析57

仿真實驗3疊加定理的驗證59

仿真實驗4戴維南定理的驗證60

第3章正弦交流電路的基本概念62

3.1正弦交流電的電流和電壓62

3.2正弦量的三要素62

3.2.1振幅值與有效值62

3.2.2正弦量的相位、角頻率與周期63

3.2.3正弦量的相位差64

3.3正弦交流電阻電路65

3.3.1電阻元件上電壓與電流的關係65

3.3.2電阻元件的功率65

3.4正弦交流電感電路66

3.4.1電感元件66

3.4.2正弦交流電感電路67

3.5正弦交流電容電路68

3.5.1電容元件68

3.5.2正弦交流電容電路70

本章小結71

習題72

仿真實驗正弦交流信號的測量72

第4章正弦交流電路的分析75

4.1相量法75

4.1.1複數概述75

4.1.2正弦量的複數表示法77

4.1.3複數形式的歐姆定律與基爾霍夫定律78

4.2阻抗和導納80

4.2.1阻抗80

4.2.2導納81

4.3RLC串聯電路82

4.3.1RL串聯電路82

4.3.2RC串聯電路82

4.3.3RLC串聯電路82

4.4RLC並聯電路83

4.4.1RL並聯電路83

4.4.2RC並聯電路84

4.4.3RLC並聯電路84

4.5正弦交流電路的相量圖求解法85

4.5.1用相量圖分析正弦交流電路的主要依據85

4.5.2用相量圖求解正弦交流電路的方法85

4.6複雜正弦交流電路86

4.6.1阻抗與導納的等效互換87

4.6.2阻抗串並聯電路的計算88

*4.6.3複雜電路的計算89

4.7正弦電路中的功率90

4.7.1瞬時功率90

4.7.2有功功率90

4.7.3無功功率91

4.7.4視在功率91

4.7.5復功率91

4.7.6功率因數的提高92

4.8串聯諧振電路93

4.8.1諧振現象與諧振條件93

4.8.2串聯諧振時電路的特點94

4.8.3串聯諧振電路的品質因數94

4.9並聯諧振電路95

4.9.1諧振條件95

4.9.2並聯諧振時電路的特點96

4.9.3並聯諧振電路的品質因數96

4.9.4電感線圈與電容器並聯諧振電路98

本章小結98

習題100

仿真實驗1正弦交流串聯電路實驗102

仿真實驗2正弦交流並聯電路實驗105

仿真實驗3功率與功率因數的提高實驗106

仿真實驗4RLC串聯諧振和並聯諧振電路實驗109

第5章互感耦合電路113

5.1互感113

5.1.1互感電壓113

5.1.2互感係數與耦合係數114

5.1.3互感線圈的同名端114

5.1.4互感的等效受控電源電路116

5.2互感電路的計算116

5.2.1互感串聯電路116

5.2.2互感並聯電路117

5.2.3互感消去法118

5.3變壓器電路120

*5.3.1空心變壓器120

5.3.2理想變壓器121

本章小結123

習題124

仿真實驗1互感耦合電路的測量實驗125

仿真實驗2理想變壓器的測量實驗128

第6章三相正弦交流電路130

6.1三相電源130

6.1.1三相電源的產生130

6.1.2三相電源的Y、△形連線131

6.2三相負載132

6.2.1三相負載的Y形連線132

6.2.2三相負載的△形連線134

6.3對稱三相電路的計算135

*6.4不對稱三相電路的計算136

6.5三相電路的功率139

6.5.1三相電路的有功功率139

6.5.2三相電路的無功功率139

6.5.3三相電路的視在功率139

6.5.4三相負載的功率因數140

本章小結141

習題141

仿真實驗1三相交流電路負載星形連線實驗142

仿真實驗2三相交流電路負載三角形連線實驗143

第7章非正弦周期電路145

7.1非正弦周期信號的基本概念145

7.1.1非正弦周期信號145

7.1.2非正弦周期信號的產生145

7.2非正弦周期信號的諧波分析146

7.2.1非正弦周期信號的傅立葉分解146

7.2.2幾種對稱的周期函式信號149

7.3有效值、平均值和平均功率151

7.3.1有效值151

7.3.2平均值152

7.3.3平均功率153

7.4非正弦周期電路的計算154

*7.5濾波器157

7.5.1低通濾波器157

7.5.2高通濾波器158

7.5.3帶通濾波器159

7.5.4帶阻濾波器159

本章小結159

習題160

仿真實驗非正弦周期信號傅立葉分析仿真實驗162

第8章線性動態電路的分析166

8.1換路定律166

8.1.1過渡過程的概念166

8.1.2換路定律167

8.1.3電壓、電流初始值的計算168

8.2RC電路的動態分析169

8.2.1RC電路的全回響169

8.2.2RC電路的零輸入回響170

8.2.3RC電路的零狀態回響171

8.2.4微分電路和積分電路171

8.3RL電路的動態分析173

8.3.1RL電路的全回響173

8.3.2RL電路的零輸入回響174

8.3.3RL電路的零狀態回響174

8.4一階動態電路的三要素法176

8.5RLC串聯電路的動態分析178

8.6動態電路的運算法180

8.6.1拉普拉斯正變換與反變換180

8.6.2線性電路的復頻域模型180

8.6.3動態電路的運算法182

本章小結182

習題183

仿真實驗1一階RC電路充放電特性測量185

仿真實驗2微分電路和積分電路仿真實驗187

仿真實驗3LC阻尼振盪電路仿真實驗189

第9章二連線埠網路192

9.1二連線埠網路192

9.2二連線埠網路的方程和參數193

9.2.1導納參數方程193

9.2.2阻抗參數方程194

9.2.3傳輸參數方程195

9.2.4混合參數方程196

9.3無源二連線埠網路的等效電路197

9.3.1T形等效電路198

9.3.2π形等效電路198

本章小結200

習題200

仿真實驗二連線埠網路參數的測量201

第10章非線性電阻電路203

10.1非線性電阻元件203

10.1.1非線性電阻的分類203

10.1.2非線性電阻的電阻值204

10.2非線性電阻電路的圖解法204

10.2.1非線性電阻的串聯204

10.2.2非線性電阻的並聯205

10.2.3簡單非線性電路的圖解分析法206

10.3非線性電路的解析法207

本章小結208

習題208

*第11章電路實驗指導209

11.1電路基礎實驗教學要求209

11.2實驗211

附錄ZH-12型通用電學實驗台功能介紹233

參考文獻235

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