具体描述
基本信息
书名:电工电子技术实验(普通高等院校工程训练系列规划教材)
定价:29.00元
作者:曹泰斌
出版社:清华大学出版社
出版日期:2012-07-01
ISBN:9787302287957
字数:
页码:
版次:1
装帧:平装
开本:16开
商品重量:0.381kg
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内容提要
《电工电子技术实验》是根据电路原理、模拟电子电路、数字电子电路和电工学课程实验教学的基本要求而编写的实验指导书,能满足工科电类及非电类专业学生对前述四门课程实验教学的要求。内容主要包括18个电路原理验证性实验、5个电路原理综合性设计性实验、10个模拟电子电路基础实验、4个模拟电子电路综合性设计性实验、10个数字电子电路基础实验和4个数字电子电路综合性设计性实验。另外,附录中介绍了常用电工仪表、电子仪器的使用,以及常用电子元器件等。《电工电子技术实验》可作为高等院校电路原理、模拟电子电路、数字电子电路和电工学课程的配套实验指导书,也可供工程技术人员参考。
目录
第1篇 电路原理实验指导
1 电路原理基础实验
实验一 基本电工仪表的使用与测量误差的计算
实验二 基尔霍夫定律和叠加原理的验证
实验三 戴维南定理和诺顿定理的验证
实验四 受控源的实验研究
实验五 RC一阶电路暂态过程的研究
实验六 单相正弦交流电路的分析
实验七 RLC串联谐振电路
实验八 单相电度表的校验
实验九 互感线圈电路的研究
实验十 三相交流电路电压、电流的测量
实验十一 三相电路功率的测量
实验十二 功率因数表的使用及相序测量
实验十三 二端口网络测试
实验十四 回转器特性测试
实验十五 三相鼠笼式异步电动机的认识
实验十六 三相鼠笼式异步电动机点动与长动控制
实验十七 三相鼠笼式异步电动机正、反转控制
实验十八 三相鼠笼式异步电动机丫—△降压起动控制
2 电路原理综合性设计性实验
实验一 三相电路参数测量
实验二 仿真软件应用——万用表的设计
实验三 大功率传输条件的研究
实验四 RC网络频率特性和选频特性的研究
实验五 三相鼠笼式异步电动机顺序控制
第2篇 模拟电子电路实验指导
1 模拟电子电路基础实验
实验一 常用电子仪器仪表的使用及元器件的识别和测试
实验二 集成运算放大电路线性应用——模拟运算电路
实验三 晶体管共射极单管放大器
实验四 射极跟随器
实验五 场效应管放大器
实验六 差动放大器
实验七 负反馈放大电路
实验八 低频功率放大器——OTL功率放大器
实验九 有源滤波器
实验十 波形发生器
2 模拟电子电路综合性设计性实验
实验一 集成运算放大器指标测试
实验二 电压比较器
实验三 直流稳压电源
实验四 音响系统放大器设计
第3篇 数字电子电路实验指导
1 数字电子电路基础实验
实验一 TTL集成逻辑门的逻辑功能与参数测试
实验二 CMOS集成逻辑门的逻辑功能与参数测试
实验三 集成逻辑电路的连接和驱动
实验四 译码器及其应用
实验五 数据选择器及其应用
实验六 触发器及其应用
实验七 计数器及其应用
实验八 移位寄存器及其应用
实验九 555时基电路及其应用
实验十 D/A和A/D转换器
2 数字电子电路综合性设计性实验
实验一 组合逻辑电路的设计与测试
实验二 智力竞赛抢答装置
实验三 电子秒表
实验四 数字频率计的设计
附录
附录I 电工技术实验台
附录Ⅱ DZX—1型电子学综合实验装置
附录Ⅲ 示波器使用说明
附录Ⅳ 函数信号发生器的使用
附录V SP1931型交流毫伏表
附录Ⅵ 部分常用数字集成电路引脚排列
参考文献
作者介绍
文摘
序言
现代电子技术基础实验 前言 电子技术,作为现代科技的核心驱动力之一,已渗透到我们生活的方方面面。从智能手机的芯片到庞大的数据中心,从精密的医疗设备到广泛的工业自动化系统,电子技术的身影无处不在。掌握电子技术的基础知识和实验技能,是每一个 aspiring 工程师、技术人员乃至科技爱好者必备的素质。 本书旨在为读者提供一个全面、系统、深入的电子技术基础实验指南。我们深知,理论知识的学习需要通过实践来巩固和升华。通过亲手搭建电路、进行测量和分析,读者不仅能加深对电子元件特性、电路原理以及系统设计的理解,更能培养严谨的科学态度、解决实际问题的能力和团队协作精神。 本书内容紧密围绕现代电子技术的核心概念和应用展开,力求在理论深度和实验操作性之间取得最佳平衡。我们精心设计了每一个实验项目,从最基础的元件特性测试,到复杂的信号处理和系统集成,力求覆盖电子技术学习的关键环节。每个实验都包含清晰的实验目的、详细的实验原理、操作步骤、预期结果分析以及思考与讨论环节,确保读者能够循序渐进,掌握实验的核心要义。 本书的编写团队汇聚了在电子工程领域拥有丰富教学和科研经验的专家学者。我们倾注了大量心血,力求使本书成为一本既具有学术价值,又具有极高实践指导意义的实验教材。我们相信,通过本书的学习,读者将能够: 夯实基础: 深入理解各种基本电子元件(如电阻、电容、电感、二极管、三极管、场效应管、运算放大器等)的物理特性、工作原理和应用方法。 掌握电路: 熟练掌握直流电路、交流电路、放大电路、振荡电路、滤波电路、电源电路等基本电路的分析与设计方法。 提升技能: 熟练使用万用表、示波器、信号发生器、逻辑分析仪等常用电子测量仪器,掌握正确的操作方法和数据分析技巧。 体验设计: 学习基本电路的搭建、调试和故障排除,培养初步的电路设计和系统集成能力。 培养素养: 树立严谨的科学态度,培养细致的观察能力、逻辑分析能力、创新思维能力以及团队合作精神。 本书适合高等院校电子信息类、自动化类、计算机类、电气工程类等专业的本科生作为实验课程教材,也可作为相关领域的研究生、工程师以及电子技术爱好者进行自学和提升的参考资料。 在本书的编写过程中,我们参考了大量国内外经典的电子技术教材和实验指南,并结合了多年的教学实践经验。在此,我们要感谢所有为本书提供宝贵意见和帮助的同行、同事以及学生。 我们衷心希望,本书能够成为您探索精彩电子世界的一块坚实基石,助您在电子技术领域扬帆远航,实现您的科技梦想。 目录 第一部分:基础元器件特性与电路分析 实验一:电阻、电容、电感的伏安特性测量 实验目的: 熟悉常用电阻、电容、电感的物理特性和实验测量方法。 理解不同类型电阻(如碳膜电阻、金属膜电阻)的阻值允许误差。 学习使用万用表测量电阻值,并了解其测量原理。 掌握电容的容量测量方法,并了解其漏电流和等效串联电阻(ESR)的概念(针对特定类型电容)。 学习测量电感的电感量,并了解其直流电阻的影响。 理解这些基本元件在电路中的基本作用。 实验原理: 电阻: 欧姆定律是核心。通过施加不同的电压,测量流过的电流,根据 $R = V/I$ 计算电阻值,并与标称值进行比较,分析误差。 电容: 学习使用万用表电容档测量电容容量。对于小容量电容,介绍其充电和放电特性。对于较大的电解电容,介绍其极性,并了解其在直流电路中的隔直作用。 电感: 介绍电感器的定义和单位(亨利)。通过测量其直流电阻,并了解其在交流电路中的感抗特性(将在后续交流电路实验中深入)。 实验仪器与材料: 万用表(数字或指针式) 直流稳压电源 导线、面包板 多种阻值(如100Ω, 1kΩ, 10kΩ, 100kΩ)的固定电阻 多种容量(如10μF, 47μF, 100μF, 1000μF)的电容(电解电容、瓷片电容、独石电容等) 多种电感(如几mH, 几十mH) 实验步骤: 1. 电阻测量: 选择不同阻值的电阻。 使用万用表的电阻档,按照说明书操作,测量每个电阻的阻值。 将测量值与电阻上的色环或印字标记的标称值进行比较,计算相对误差。 在面包板上搭建一个简单的串联和并联电阻电路,测量总电阻,并与理论计算值进行比较。 2. 电容测量: 选择不同类型和容量的电容。 使用万用表的电容档,按照说明书操作,测量每个电容的容量。注意电解电容的极性。 对于电解电容,尝试施加反向电压(短时间),观察万用表读数或电容发热情况(注意安全)。 (可选)使用示波器观察小容量电容的充放电曲线。 3. 电感测量: 选择不同电感值的电感。 使用万用表的电阻档,测量电感的直流电阻。 (可选)使用LCR电桥测量电感值,并观察在不同频率下的电感变化(如不平坦的电感)。 数据记录与分析: 制作表格,记录电阻的标称值、测量值、误差。 记录电容的标称容量、测量容量。 记录电感的电感量(若测量)和直流电阻。 分析测量误差的来源,如万用表精度、元件本身误差、接触电阻等。 思考与讨论: 为什么电阻、电容、电感的测量值与标称值会有差异? 电解电容的极性有什么重要性?如果接反会怎么样? 在实际电路设计中,如何选择合适参数的电阻、电容和电感? 本实验测量的是静态参数,它们在动态电路中的行为有何不同? 实验二:基尔霍夫定律验证 实验目的: 深入理解基尔霍夫电压定律(KVL)和基尔霍夫电流定律(KCL)。 学习使用万用表测量电路中的电压和电流。 通过实验数据验证KVL和KCL的正确性。 培养在复杂电路中进行节点电压和支路电流分析的能力。 实验原理: 基尔霍夫电压定律(KVL): 在任何闭合回路中,所有电源电动势的代数和等于各支路电压降的代数和。数学表达式为 $sum V_{电源} = sum V_{支路}$。 基尔霍夫电流定律(KCL): 在任何电路的节点上,所有流入该节点的电流之和等于所有流出该节点的电流之和。数学表达式为 $sum I_{流入} = sum I_{流出}$。 实验仪器与材料: 万用表(数字或指针式) 直流稳压电源 导线、面包板 若干阻值不同的电阻,用于构建合适的电路。 实验步骤: 1. KCL 验证: 在面包板上搭建一个具有三个或更多支路的电路节点,并连接一个电源。 设定电源电压。 按照预设的电流方向,将万用表串联在每个支路中(注意量程选择和极性),测量流过每个支路的电流。 计算所有流入节点的电流总和,并与所有流出节点的电流总和进行比较。 改变电源电压,重复测量,再次验证KCL。 2. KVL 验证: 在面包板上搭建一个包含两个或更多个闭合回路的串联或混联电路,并连接一个电源。 设定电源电压。 选择一个闭合回路,按照回路方向,使用万用表测量回路中每个元件上的电压降。 将回路中所有电压降的代数和与电源电动势(或该回路中的电源电压)进行比较。 选择另一闭合回路,重复上述步骤。 改变电源电压,重复测量,再次验证KVL。 数据记录与分析: 绘制电路图,并标明电流方向和电压极性。 制作表格,记录每个支路的电流测量值,并计算流入节点和流出节点的电流总和。 制作表格,记录每个闭合回路的电源电压和各支路电压降的测量值,并计算电压降代数和。 计算实测值与理论计算值之间的误差,并分析误差来源。 思考与讨论: 测量电流时,万用表应如何连接?测量电压时呢? 在测量过程中,电流方向和电压极性的设定对实验结果有何影响? 如果电路中有多个电源,KVL和KCL的验证方式有何变化? 基尔霍夫定律在分析复杂电路中的重要性体现在哪里? 实验三:线性电路的叠加定理与戴维宁定理验证 实验目的: 理解并验证叠加定理和戴维宁定理在线性电路分析中的应用。 学习在多电源电路和复杂电阻网络中运用这些定理简化分析。 掌握测量线性电路中任意一点的电压和电流的方法。 实验原理: 叠加定理: 对于一个由多个独立电源组成的线性电路,电路中任何一点的响应(电压或电流)等于各个独立电源单独作用时该点响应的代数和。在考虑单个电源时,应将其他独立电源置零(电压源短路,电流源开路)。 戴维宁定理: 任何一个有源二端线性网络的输出特性,都可以用一个串联的理想电压源和一个理想串联电阻来等效代替。该串联电压源的电动势等于网络的开路电压(即戴维宁电压 $V_{th}$),该串联电阻等于网络对外的等效电阻(即戴维宁电阻 $R_{th}$),且 $R_{th}$ 的计算方法是将网络内的所有独立电源置零。 实验仪器与材料: 万用表(数字或指针式) 直流稳压电源(至少两个,或使用函数发生器产生直流电压) 导线、面包板 若干阻值不同的电阻。 实验步骤: 1. 叠加定理验证: 构建一个包含两个独立直流电源和几个电阻的线性电路。 选择电路中的一个支路,测量其电流。 单独考虑电源1: 将电源2置零(短路),测量电源1单独作用时该支路的电流。 单独考虑电源2: 将电源1置零(短路),测量电源2单独作用时该支路的电流。 将两次测量得到的电流进行代数和运算,与未置零时的总电流进行比较。 选择电路中的一个节点,测量其对地的电压,并重复上述叠加原理的验证过程。 2. 戴维宁定理验证: 构建一个具有两个端子的有源二端网络(包含一个或多个电源和电阻)。 测量戴维宁电压 $V_{th}$: 在该网络的输出端开路状态下,使用万用表测量输出端的开路电压。 测量戴维宁电阻 $R_{th}$: 方法一:将网络内部的所有独立电源置零(电压源短路,电流源开路),然后从网络的输出端看进去,计算(或测量)等效电阻。 方法二(实验测量):在网络输出端接入一个可调电阻(或几个不同阻值的电阻),接入一个电源,测量流过该电源的电流,通过改变输出端电阻的值,找到使输出端电压为开路电压一半时的电阻值,该电阻值即为 $R_{th}$。或者,在输出端接入负载电阻 $R_L$,测量其上的电压 $V_{RL}$,根据 $V_{RL} = frac{R_L}{R_{th}+R_L}V_{th}$,可以计算出 $R_{th}$。 验证: 根据计算得到的 $V_{th}$ 和 $R_{th}$,构建一个戴维宁等效电路(一个理想电压源 $V_{th}$ 与一个电阻 $R_{th}$ 串联)。将该等效电路接入一个负载电阻 $R_L$,测量负载电阻上的电压和电流。然后将原有的有源二端网络也接入相同的负载电阻 $R_L$,测量负载电阻上的电压和电流。比较两次的测量结果,验证戴维宁定理的等效性。 数据记录与分析: 绘制实验电路图,标明电源、电阻、测量点。 制作表格,记录叠加定理验证的各步测量电流/电压值,并计算代数和,与总值进行比较。 制作表格,记录戴维宁定理验证的 $V_{th}$、$R_{th}$ 测量/计算值,以及接入不同负载 $R_L$ 后的负载电压和电流。 分析测量误差,并解释其原因。 思考与讨论: 叠加定理和戴维宁定理适用的前提是什么?(线性电路) 在实际电路中,如何判断一个电路是否为线性电路? 戴维宁定理在分析复杂电路时有哪些优点?(将复杂网络简化为简单的等效模型) 如何根据实际电路的需要,选择使用叠加定理还是戴维宁定理? 第二部分:半导体器件特性与应用 实验四:二极管的伏安特性曲线测量 实验目的: 掌握二极管的基本结构和工作原理。 学习测量二极管的正向和反向伏安特性曲线。 理解正向导通电压、反向击穿电压等关键参数。 了解二极管在不同偏置条件下的导通和截止特性。 实验原理: 二极管是一种单向导电器件,其导电性具有显著的非线性。 正向偏置: 当外加电压的极性与 PN 结的多数载流子漂移方向一致时,二极管导通。随着正向电压的升高,正向电流迅速增大。存在一个“导通电压”(或称“门槛电压”),低于该电压时电流很小,高于该电压时电流急剧增大。 反向偏置: 当外加电压的极性与 PN 结的多数载流子漂移方向相反时,二极管截止。此时只有微弱的反向漏电流。当反向电压达到一定值(击穿电压)时,二极管会发生击穿,反向电流急剧增大,可能损坏二极管。 实验仪器与材料: 万用表(数字或指针式) 直流稳压电源 导线、面包板 不同类型的二极管(如1N4148, 1N4001等) 限流电阻(用于保护二极管,防止电流过大烧毁) 实验步骤: 1. 正向特性测量: 在面包板上搭建电路:直流稳压电源串联限流电阻,再串联二极管,最后接万用表(测量电压)和另一个万用表(测量电流)。注意电流表的量程选择。 缓慢升高直流稳压电源的电压,从0V开始。 每升高一定电压值,记录下二极管两端的电压 $V_D$ 和流过二极管的电流 $I_D$。 注意观察电流开始显著增大时的电压值(导通电压)。 继续增加电压,直到电流达到一定值(例如,根据限流电阻和二极管的额定功率确定最大安全电流),记录数据。 2. 反向特性测量: 改变二极管的连接极性,使其处于反向偏置状态。 使用合适的限流电阻(以防电流过大)。 从0V开始,缓慢升高反向电压。 在反向截止区,电流非常小,需要使用万用表的微安档测量。记录反向电压 $V_R$ 和反向电流 $I_R$。 继续升高反向电压,直到观察到反向电流急剧增大(击穿现象)。记录击穿电压。注意: 实验中应避免使二极管长期工作在击穿区,以免损坏。 数据记录与分析: 绘制正向伏安特性曲线:以 $V_D$ 为横轴,以 $I_D$ 为纵轴。 绘制反向伏安特性曲线:以反向电压 $V_R$ 为横轴(通常取负值),以反向电流 $I_R$ 为纵轴(通常取负值)。 从曲线上读出或计算出二极管的导通电压和反向击穿电压。 分析曲线形状,解释正向导通和反向击穿的物理意义。 思考与讨论: 为什么在测量正向特性时需要串联限流电阻? 不同类型的二极管(如锗二极管、硅二极管)的导通电压有何差异? 反向击穿是如何发生的?有哪些类型的反向击穿? 二极管在整流、稳压等电路中的作用是如何体现其伏安特性的? 实验五:三极管(BJT)的静态特性测量与基本放大电路 实验目的: 了解三极管(BJT)的基本结构和工作原理(NPN 或 PNP)。 学习测量三极管的静态参数,如电流放大系数($eta$)。 掌握三极管的截止区、放大区和饱和区的基本工作状态。 搭建一个基本的三极管共射放大电路,并测量其电压放大倍数。 实验原理: 三极管(Bipolar Junction Transistor,BJT)是一种具有三个电极(基极B、集电极C、发射极E)的半导体器件。它通过控制基极电流来控制集电极电流,从而实现电流的放大。 静态参数: 直流电流放大系数 ($eta_{DC}$ 或 $h_{FE}$): $eta_{DC} = frac{I_C}{I_B}$,表示在放大区,集电极电流的变化量与基极电流的变化量之比。 工作区域: 截止区: 基极电流 $I_B approx 0$,集电极电流 $I_C approx 0$。 放大区: 基极电流 $I_B > 0$,且 $I_C = eta_{DC} I_B$。此时三极管具有放大作用。 饱和区: $I_B$ 增大到一定程度, $I_C$ 不再按比例增大,而是达到最大值(受集电极电源和负载电阻限制)。 基本共射放大电路: 输入信号加到基极,输出信号从集电极取出。通过合适的偏置电阻,使三极管工作在放大区。 实验仪器与材料: 万用表(数字或指针式) 直流稳压电源(至少两个,用于集电极和基极偏置) 导线、面包板 NPN 或 PNP 型三极管(如3DG6,9013等) 不同阻值的电阻(用于偏置电阻 $R1, R2$ 和集电极负载电阻 $R_C$) (可选)示波器,用于观察放大信号。 (可选)函数发生器,用于输入信号。 实验步骤: 1. 静态特性测量: 在面包板上搭建电路,用于测量静态参数。通常需要提供集电极电源 $V_{CC}$ 和基极偏置电压/电流。 测量 $eta_{DC}$: 设定 $V_{CC}$ 和 $R_C$。 逐级增大基极电流 $I_B$(例如,通过改变基极偏置电阻或直接用电流源控制)。 测量对应的集电极电流 $I_C$。 计算在不同 $I_B$ 值下对应的 $eta_{DC} = I_C/I_B$。 分析 $eta_{DC}$ 是否随 $I_B$ 和 $V_{CE}$ 的变化而变化。 确定工作区域: 通过改变 $I_B$,观察 $I_C$ 的变化,尝试找到三极管的截止、放大和饱和状态。 2. 基本共射放大电路搭建与测量: 搭建一个典型的共射放大电路。例如,使用两个电阻为三极管提供基极偏置(分压式偏置),集电极串联负载电阻 $R_C$。 连接 $V_{CC}$ 电源。 (若有示波器和函数发生器)接入一个小的交流信号到基极(通过一个耦合电容),在集电极输出端通过一个耦合电容引出输出信号。 测量电压放大倍数 $A_v$: 使用示波器,测量输入信号的峰峰值 $V_{in,pp}$ 和输出信号的峰峰值 $V_{out,pp}$。 电压放大倍数 $A_v = V_{out,pp} / V_{in,pp}$。 (若无示波器)在集电极输出端接入一个负载电阻,使用万用表测量输入信号(例如,通过一个已知电阻计算基极电流变化)和输出信号(集电极电压变化)。 观察信号失真: 尝试增大输入信号幅度,观察输出信号是否出现削顶(饱和)或削底(截止)的失真现象。 数据记录与分析: 绘制三极管的输入特性曲线($V_{BE}$ vs $I_B$)和输出特性曲线($V_{CE}$ vs $I_C$,不同 $I_B$ 值下)。 制作表格,记录不同 $I_B$ 值下的 $I_C$ 值,计算并列表 $eta_{DC}$。 记录放大电路的 $V_{CC}$、偏置电阻值、负载电阻值。 记录输入信号和输出信号的幅值(或峰峰值),计算电压放大倍数。 分析测量结果,判断三极管是否工作在放大区,并解释放大倍数的大小。 思考与讨论: 三极管的输入特性和输出特性曲线反映了什么? $eta_{DC}$ 在实际应用中是否恒定?它会受到哪些因素影响? 如何通过调整偏置电阻来改变三极管的工作点? 为什么放大电路中的输入和输出信号需要耦合电容? 在实际放大电路设计中,需要考虑哪些因素以保证良好的线性放大? 实验六:场效应管(FET)的特性与基本应用 实验目的: 了解场效应管(FET)的结构和工作原理(JFET 或 MOSFET)。 学习测量场效应管的转移特性曲线和输出特性曲线。 理解场效应管的跨导($g_m$)等重要参数。 搭建一个简单的场效应管放大电路,并观察其放大作用。 实验原理: 场效应管(Field-Effect Transistor,FET)是一种电压控制器件,其导电沟道内的载流子浓度受栅极电压控制。 JFET(结型场效应管): 通过栅极与源极之间的 PN 结反向偏置电压来控制沟道的导电性。 MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管): 通过栅极电压在绝缘层(氧化层)与半导体之间产生电场来控制沟道的导电性。 转移特性曲线: 描述漏极电流 $I_D$ 与栅源电压 $V_{GS}$ 之间的关系(在特定的 $V_{DS}$ 下)。 输出特性曲线: 描述漏极电流 $I_D$ 与漏源电压 $V_{DS}$ 之间的关系(在不同的 $V_{GS}$ 值下)。 跨导 $g_m$: $g_m = frac{partial I_D}{partial V_{GS}}|_{V_{DS}=const.}$,表示栅源电压变化对漏极电流的影响程度。 放大作用: 与三极管类似,场效应管也可以用于放大信号。 实验仪器与材料: 万用表(数字或指针式) 直流稳压电源(至少两个,用于漏极电源 $V_{DD}$ 和栅极偏置) 导线、面包板 N沟道或P沟道JFET或MOSFET(如2N3819, 3SK74, IRF540等) 不同阻值的电阻。 (可选)示波器,函数发生器。 实验步骤: 1. 场效应管特性测量: JFET 测量: 搭建电路,提供 $V_{DD}$ 和 $V_{GS}$。 转移特性: 保持 $V_{DS}$ 为一个固定值(例如,大于夹断电压),缓慢改变 $V_{GS}$(从0开始,逐渐变为负值),测量对应的 $I_D$。 输出特性: 保持 $V_{GS}$ 为一个固定值(例如,0V),缓慢改变 $V_{DS}$(从0开始),测量对应的 $I_D$。重复此过程,使用不同的 $V_{GS}$ 值。 MOSFET 测量: 搭建电路,提供 $V_{DD}$ 和 $V_{GS}$。 转移特性: 测量 $I_D$ 与 $V_{GS}$ 的关系,注意阈值电压 $V_{th}$。 输出特性: 测量 $I_D$ 与 $V_{DS}$ 的关系,观察不同 $V_{GS}$ 值下,MOSFET 的导通模式(如恒流区、线性区)。 2. 基本场效应管放大电路: 搭建一个简单的场效应管放大电路(例如,共源放大电路)。 提供合适的偏置电压,使场效应管工作在放大区。 (若有示波器和函数发生器)输入交流信号,测量输出信号,计算电压放大倍数。 数据记录与分析: 绘制转移特性曲线 ($I_D$ vs $V_{GS}$)。 绘制输出特性曲线 ($I_D$ vs $V_{DS}$,不同 $V_{GS}$ 值下)。 从曲线上读出或计算场效应管的关键参数,如夹断电压 $V_P$ (JFET) 或阈值电压 $V_{th}$ (MOSFET),以及在特定工作点下的跨导 $g_m$。 记录放大电路的参数,计算电压放大倍数。 分析场效应管的导电机制,并与双极型晶体管进行比较。 思考与讨论: JFET 和 MOSFET 的主要区别是什么? 场效应管的工作区域是如何划分的? 场效应管在电路设计中相比双极型晶体管有哪些优势和劣势? 跨导 $g_m$ 对放大电路的性能有何影响? 第三部分:运算放大器与信号处理 实验七:运算放大器的基本特性与同相/反相放大电路 实验目的: 了解运算放大器(Op-Amp)的基本结构、理想模型和关键参数。 掌握运算放大器的同相放大电路和反相放大电路的原理。 学习使用运算放大器搭建和调试这两个基本放大电路。 测量电路的电压放大倍数,并验证其与理论计算值的一致性。 实验原理: 运算放大器是一个高增益、高输入阻抗、低输出阻抗的集成电路。 理想运放模型: 开环增益无穷大,输入阻抗无穷大,输出阻抗为零,零输入电压差产生零输出电压。 虚短与虚断: 在负反馈作用下,理想运放的两个输入端电压近似相等(虚短),输入电流近似为零(虚断)。 同相放大电路: 输入信号与输出信号同相,电压放大倍数为 $A_v = 1 + frac{R_f}{R_i}$,其中 $R_f$ 是反馈电阻,$R_i$ 是输入电阻。 反相放大电路: 输入信号与输出信号反相,电压放大倍数为 $A_v = -frac{R_f}{R_i}$。 实验仪器与材料: 运算放大器集成电路(如 LM741, TL082 等) 直流双电源(用于运放供电,例如 $pm 12V$ 或 $pm 15V$) 导线、面包板 若干阻值不同的电阻(用于反馈电阻 $R_f$ 和输入电阻 $R_i$) 函数发生器(用于输入信号) 示波器(用于观察输入输出信号) 万用表 实验步骤: 1. 搭建同相放大电路: 根据电路图,在面包板上搭建同相放大电路。注意运放的供电和引脚定义。 选择一组 $R_f$ 和 $R_i$ 的值,计算理论放大倍数。 接入函数发生器,输入一个幅值适中的正弦波信号。 使用示波器,同时观察输入信号和输出信号。 测量输入信号的幅值 $V_{in}$ 和输出信号的幅值 $V_{out}$。 计算实际放大倍数 $A_v = V_{out} / V_{in}$,并与理论值进行比较。 改变 $R_f$ 或 $R_i$ 的值,重复测量,验证放大倍数与电阻值之间的关系。 尝试输入不同频率的信号,观察放大倍数是否随频率变化(了解带宽)。 2. 搭建反相放大电路: 在面包板上搭建反相放大电路。 选择一组 $R_f$ 和 $R_i$ 的值,计算理论放大倍数。 接入函数发生器,输入信号。 使用示波器,观察输入信号和输出信号的相位关系(应反相)。 测量输入信号幅值 $V_{in}$ 和输出信号幅值 $V_{out}$。 计算实际放大倍数 $A_v = -V_{out} / V_{in}$,并与理论值进行比较。 改变 $R_f$ 或 $R_i$ 的值,重复测量。 (可选)观察输入信号过大时,输出信号可能出现的削顶失真。 数据记录与分析: 绘制同相放大电路和反相放大电路的实验电路图。 制作表格,记录实验电路的 $R_f, R_i$ 值,计算的理论放大倍数,测量的输入输出幅值,计算的实际放大倍数,以及相对误差。 分析实际放大倍数与理论值之间的差异,并讨论其可能的原因(如运放的开环增益不足、输入偏置电流、输入失调电压等)。 思考与讨论: “虚短”和“虚断”原理是如何帮助我们分析运放电路的? 同相放大电路和反相放大电路在应用上各有什么特点?(如输入阻抗、相位关系) 在设计运放电路时,如何选择合适的反馈电阻和输入电阻? 如果运放供电电压有限,当放大倍数很大时,输出信号幅度会受到什么限制? 实验八:滤波器电路(低通、高通、带通) 实验目的: 理解滤波器的基本概念和作用。 学习设计和搭建简单的RC有源滤波器(低通、高通)。 (可选)学习搭建简单的RLC无源带通滤波器。 通过实验测量滤波器的频率响应特性(增益随频率的变化)。 理解截止频率、带宽等关键参数。 实验原理: 滤波器: 允许特定频率范围的信号通过,而衰减或阻止其他频率范围的信号的电路。 低通滤波器(LPF): 允许低频信号通过,衰减高频信号。 高通滤波器(HPF): 允许高频信号通过,衰减低频信号。 带通滤波器(BPF): 允许某一频带内的信号通过,衰减该频带之外的信号。 RC滤波器: 利用电阻(R)和电容(C)的频率特性来构建滤波器。 RLC滤波器: 利用电阻(R)、电感(L)和电容(C)的频率特性来构建滤波器。 有源滤波器: 使用运算放大器等有源器件,可以获得更高的增益和更好的滤波特性。 频率响应: 描述电路输出信号幅值(增益)和相位随输入信号频率变化的特性。 截止频率 ($f_c$): 增益下降到最大增益的 $1/sqrt{2}$(约 -3dB)时的频率。 实验仪器与材料: 函数发生器 示波器 万用表 运算放大器(如LM741) 电阻、电容(不同值) (可选)电感 导线、面包板 实验步骤: 1. RC低通滤波器: 搭建一个简单的一阶RC低通滤波器电路(电阻串联,电容并联到地)。 计算理论截止频率 $f_c = frac{1}{2pi RC}$。 使用函数发生器,从低频(远低于 $f_c$)开始,以一定频率间隔逐渐升高频率。 在每个频率点,测量输入信号幅值 $V_{in}$ 和输出信号幅值 $V_{out}$。 计算每个频率点的电压增益 $G(f) = V_{out} / V_{in}$。 绘制频率响应曲线:以频率为横轴(对数刻度),以增益(dB)为纵轴。 从曲线上找到实验测得的截止频率,并与理论值进行比较。 2. RC高通滤波器: 搭建一个简单的一阶RC高通滤波器电路(电容串联,电阻并联到地)。 计算理论截止频率 $f_c = frac{1}{2pi RC}$。 重复低通滤波器的测量步骤,绘制频率响应曲线。 3. 基于运放的有源滤波器(可选): 搭建一个使用运放实现的同相或反相低通/高通滤波器。 测量其频率响应,并比较其性能(如增益、滚降斜率)与无源RC滤波器。 4. RLC带通滤波器(可选): 搭建一个串联或并联的RLC谐振电路。 测量其在不同频率下的输出(例如,通过在电感或电容两端取样),找到谐振频率和中心频率。 绘制频率响应曲线,分析带宽。 数据记录与分析: 绘制实验电路图。 制作表格,记录测量频率、输入幅值、输出幅值、增益(线性比例或dB)。 绘制频率响应曲线(增益 vs 频率)。 从曲线上确定截止频率(或中心频率、带宽),并与理论计算值进行比较。 分析滤波器的通带、阻带和过渡带特性。 思考与讨论: RC滤波器和RLC滤波器的主要区别和适用场景是什么? 有源滤波器相比无源滤波器有哪些优点? 如何通过改变电阻、电容(或电感)的值来调整滤波器的截止频率? 滤波器在信号处理、通信系统、噪声抑制等方面有哪些实际应用? 实验九:信号发生与测量 实验目的: 熟练掌握函数发生器的使用方法,生成不同类型(正弦波、方波、三角波)和不同频率、幅值的信号。 熟练掌握示波器的使用方法,包括时基、垂直灵敏度、触发、同步等设置。 学习使用示波器测量信号的幅值、周期、频率、相位差等参数。 掌握如何通过示波器观察和分析电路的动态特性。 实验原理: 函数发生器: 是一种产生标准电信号(如正弦波、方波、三角波、锯齿波等)的电子设备。可以调节输出信号的频率、幅值、占空比(方波)、波形类型等。 示波器: 是一种能够显示电信号随时间变化的图形(波形)的电子测量仪器。通过扫描电路,将电压信号转换为屏幕上的亮度点,并绘制出波形。 时基: 控制屏幕上时间轴的速率,决定了显示信号的时间长度。 垂直灵敏度: 控制屏幕上电压轴的缩放程度,决定了显示信号的幅度范围。 触发: 确保每次扫描都从波形的某个固定点开始,使波形稳定显示。 同步: 确保示波器与输入信号的周期同步。 实验仪器与材料: 函数发生器 双通道示波器 万用表 导线、面包板 (可选)一些简单的电子电路(如电阻、电容、二极管、三极管、运放等)。 实验步骤: 1. 函数发生器使用: 熟悉函数发生器面板上的各个旋钮和按钮,包括电源开关、波形选择、频率调节、幅度调节、输出阻抗选择等。 选择正弦波输出,将频率调节到1kHz,幅度调节到1Vpp。 选择方波输出,将频率调节到1kHz,幅度调节到2Vpp,占空比调节到50%。 选择三角波输出,调节频率和幅度。 了解其输出阻抗(通常为50Ω)。 2. 示波器使用: 熟悉示波器面板上的各个控制旋钮和按钮,包括电源开关、通道选择、垂直灵敏度(Volts/Div)、时基(Time/Div)、位置调节、触发电平、触发模式(Auto, Normal, Single)、触发源选择等。 连接通道1探头到函数发生器的输出。 将示波器触发模式设置为“Auto”,时基设置为“1ms/Div”,垂直灵敏度设置为“0.5V/Div”。 打开函数发生器,观察屏幕上显示的信号。 使用时基旋钮,改变显示的信号时间长度,观察波形的变化。 使用垂直灵敏度旋钮,放大或缩小波形幅度,观察细节。 练习触发电平的调节,使波形稳定显示。 练习使用“Measure”或“Cursors”功能,测量信号的幅值(Peak-to-Peak, Amplitude)、周期、频率。 尝试使用双通道示波器,同时显示两个信号,测量它们的相位差。 3. 电路动态特性测量(举例): RC充放电过程: 在面包板上搭建一个RC电路,使用函数发生器输出一个方波信号作为激励。使用示波器观察电容两端的电压变化,记录其充放电曲线。 放大器输出信号: 搭建一个简单的放大电路,输入正弦波信号,用示波器观察输入信号和输出信号,测量其幅值和相位关系,判断是否存在失真。 数据记录与分析: 记录函数发生器设置的参数(波形、频率、幅值)。 记录示波器上测量的信号参数(幅值、周期、频率、相位差)。 对于RC充放电实验,记录不同时间点的电压值,并与理论公式进行比较。 对于放大电路实验,记录输入输出信号的幅值,计算放大倍数。 思考与讨论: 为什么使用示波器观察信号比万用表更具优势? 在测量信号时,如何选择合适的时基和垂直灵敏度? 触发功能对于稳定显示波形的重要性是什么? 如何通过示波器判断信号是否失真? 示波器在电子电路的调试和故障诊断中有哪些重要作用? 第四部分:数字电子技术基础 实验十:基本逻辑门电路(与、或、非、与非、或非、异或)的特性测试 实验目的: 理解数字电路的基本逻辑关系和逻辑门的作用。 学习使用 TTL 或 CMOS 逻辑集成电路芯片(如74LS系列或CD4000系列)。 掌握基本逻辑门电路(与、或、非、与非、或非、异或)的输入输出真值表验证。 理解逻辑门电路的扇出能力和扇入能力的概念。 实验原理: 逻辑门: 实现基本逻辑运算(如AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR)的电子电路。 真值表: 列出所有可能的输入组合及其对应的输出。 TTL(Transistor-Transistor Logic): 采用双极型晶体管实现逻辑功能,速度快,驱动能力强,但功耗较大。 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor): 采用互补场效应管实现逻辑功能,功耗极低,但速度相对较慢。 扇入(Fan-in): 一个逻辑门的输入端可以连接多少个其他逻辑门的输出端。 扇出(Fan-out): 一个逻辑门的输出端可以驱动多少个其他逻辑门的输入端。 实验仪器与材料: 数字逻辑实验板(带电源、开关、LED指示灯、集成电路插座) TTL 或 CMOS 逻辑门集成电路芯片(如74LS00 - 四与非门, 74LS02 - 四或门, 74LS04 - 六反相器, 74LS08 - 四与门, 74LS32 - 四或门, 74LS86 - 四异或门等) 电源(通常集成在实验板上) 跳线 实验步骤: 1. AND(与)门实验: 选择一个74LS08芯片(四2输入与门)。 在实验板上正确连接芯片的电源(VCC)和地(GND)。 使用拨码开关作为输入,LED作为输出指示。 连接两个输入开关到74LS08的一个门电路的输入端,LED连接到该门的输出端。 按照真值表,逐一设置输入开关的状态(00, 01, 10, 11),观察LED的亮灭状态(0代表灭,1代表亮)。 验证AND门的逻辑功能:只有当所有输入均为1时,输出才为1。 2. OR(或)门实验: 选择一个74LS32芯片(四2输入或门)。 按照类似步骤进行连接和测试。 验证OR门的逻辑功能:只要有一个输入为1,输出就为1。 3. NOT(非)门实验: 选择一个74LS04芯片(六反相器)。 连接一个输入开关到一个反相器的输入,LED连接到输出。 验证NOT门的逻辑功能:输入为0时,输出为1;输入为1时,输出为0。 4. NAND(与非)门实验: 选择一个74LS00芯片(四2输入与非门)。 验证NAND门的逻辑功能:输出是AND门输出的相反。 5. NOR(或非)门实验: 选择一个74LS02芯片(四2输入或非门)。 验证NOR门的逻辑功能:输出是OR门输出的相反。 6. XOR(异或)门实验: 选择一个74LS86芯片(四2输入异或门)。 验证XOR门的逻辑功能:当两个输入不相等时,输出为1;当两个输入相等时,输出为0。 7. (可选)扇入/扇出测试: 选择一个AND门(74LS08)。尝试将它的一个输入端连接到多个开关的输出端(增加扇入)。观察是否能正常工作。 选择一个AND门(74LS08)的输出端,尝试驱动多个LED(通过适当的限流电阻)。观察LED是否都能正常点亮,判断扇出能力。 数据记录与分析: 为每个逻辑门,绘制出其逻辑符号。 制作真值表,记录实验中输入的开关状态和对应的LED亮灭状态,与理论真值表进行比较。 记录芯片型号、电源电压。 分析实验结果,总结各逻辑门的特性。 思考与讨论: TTL和CMOS逻辑门电路在工作电压、功耗、速度方面有何不同? 为什么逻辑门电路的输出端不能直接连接在一起?(可能导致电流短路) NAND门和NOR门称为“通用逻辑门”,这是为什么?(它们可以组合实现所有其他逻辑功能) 扇入和扇出能力对数字电路设计的意义是什么? 实验十一:组合逻辑电路设计与实现(如译码器、编码器、多路选择器) 实验目的: 理解组合逻辑电路的概念:输出仅由当前输入决定,无存储功能。 学习如何从逻辑功能需求出发,设计组合逻辑电路(如卡诺图化简)。 掌握译码器、编码器、多路选择器等基本组合逻辑芯片的使用。 通过实验搭建并验证组合逻辑电路的功能。 实验原理: 组合逻辑电路: 输出的状态只取决于当前时刻的输入信号,与电路之前的状态无关。 译码器: 将二进制代码转换为特定输出信号的电路。例如,3-to-8译码器,接收3位二进制输入,输出8个信号中的一个。 编码器: 与译码器功能相反,将特定输入信号转换为二进制代码。例如,8-to-3编码器,接收8个输入信号中的一个,输出对应的3位二进制码。 多路选择器(Multiplexer, MUX): 根据选择信号,从多个输入信号中选择一个作为输出。例如,4-to-1多路选择器,有4个数据输入,1个选择输入,1个输出。 卡诺图(Karnaugh Map): 一种化简逻辑函数的方法,用于简化组合逻辑电路的设计。 实验仪器与材料: 数字逻辑实验板 TTL或CMOS逻辑集成电路芯片,如: 3-to-8译码器(如74LS138) 8-to-3编码器(如74LS148) 4-to-1多路选择器(如74LS153 - 双4-to-1 MUX) 拨码开关、LED指示灯、跳线。 实验步骤: 1. 3-to-8译码器实验: 选择74LS138芯片。 理解其输入(3个地址输入 A0, A1, A2,3个使能输入 E0, E1, E2)和输出(8个低电平有效输出 Y0-Y7)。 正确连接芯片电源和地。 使用拨码开关作为地址输入,并将使能输入设置为有效状态(例如,E0=0, E1=1, E2=1)。 观察LED的亮灭情况,验证当地址输入不同时,对应的输出线会变为低电平。 尝试改变使能信号,观察输出的变化。 2. 8-to-3编码器实验: 选择74LS148芯片。 理解其输入(8个优先级输入 I0-I7,3个使能输入)和输出(3个二进制输出 A0-A2,1个数据有效输出)。 正确连接芯片电源和地。 使用LED作为输入指示(表示哪个输入有效),拨码开关或LED作为输出显示。 将8个输入信号中的一个置为高电平(有效),观察输出的3位二进制码。 验证编码功能,例如,当输入I3有效时,输出应为011(二进制)。 理解优先级编码的概念(如果多个输入同时有效,优先级高的那个输入决定输出)。 3. 4-to-1多路选择器实验: 选择74LS153芯片(包含两个独立的4-to-1 MUX)。 理解其输入(4个数据输入 D0-D3,1个选择输入 S,2个使能输入)。 正确连接芯片电源和地。 选择其中一个4-to-1 MUX。 使用拨码开关作为数据输入D0-D3。 使用拨码开关作为选择输入S。 使用LED作为输出指示。 根据选择输入S的不同状态(00, 01, 10, 11),观察LED是否显示了对应的D0, D1, D2, D3 的值。 (可选)演示如何使用多路选择器实现一个简单的逻辑功能,例如,通过选择输入连接不同的输入信号,实现不同的逻辑函数。 数据记录与分析: 绘制实验电路图,标注芯片型号、引脚连接、输入输出。 为每个芯片,列出其逻辑框图和真值表(或功能描述)。 记录实验中输入信号和输出信号的状态,验证芯片的功能是否符合规格。 分析在实际应用中,这些组合逻辑电路可以解决哪些问题。 思考与讨论: 组合逻辑电路与时序逻辑电路(下一部分将涉及)的主要区别是什么? 在设计复杂组合逻辑电路时,卡诺图的作用是什么? 多路选择器在数据选择、信号路由方面有哪些应用? 译码器在显示系统、地址译码等方面有什么作用? 实验十二:时序逻辑电路基础(触发器、寄存器、计数器) 实验目的: 理解时序逻辑电路的概念:输出不仅取决于当前输入,还取决于电路的历史状态。 学习基本触发器(SR触发器、D触发器、JK触发器)的工作原理和逻辑功能。 掌握触发器的状态转换特性。 理解寄存器(用于存储一组二进制数)和计数器(用于对脉冲进行计数)的功能。 通过实验搭建和验证这些时序逻辑电路的功能。 实验原理: 时序逻辑电路: 电路的输出不仅取决于当前的输入信号,还取决于电路内部的状态(即过去输入信号的影响)。通常包含存储元件(如触发器)。 触发器(Flip-Flop): 最基本的状态存储单元,能够存储1位二进制信息(0或1)。 SR触发器: 具有置位(S)和复位(R)输入,可以将其设置为1或0,但存在S=1, R=1的无效输入。 D触发器(Data Flip-Flop): 具有数据输入D和时钟输入CLK。在时钟上升沿(或下降沿)触发时,将D输入的值存储到触发器中。 JK触发器: 具有J和K输入,以及时钟输入CLK。其状态转换比SR触发器更丰富,J=1, K=1时,触发器会翻转状态(Toggle)。 寄存器: 由一组触发器组成,用于同时存储多个二进制位。例如,一个4位寄存器由4个触发器构成。 计数器: 实现对输入时钟脉冲进行计数的电路。可以是加计数器或减计数器,也可以是同步或异步计数器。 实验仪器与材料: 数字逻辑实验板 TTL或CMOS逻辑集成电路芯片,如: SR触发器(可通过基本门电路搭建,如74LS00) D触发器(如74LS74 - 双D触发器) JK触发器(如74LS73 - 双JK触发器,或74LS107) 寄存器芯片(如74LS174 - 六D触发器寄存器) 计数器芯片(如74LS90 - 十进制计数器,74LS163 - 4位同步二进制加计数器) 时钟脉冲发生器(集成在实验板上,或使用函数发生器) 拨码开关、LED指示灯、跳线。 实验步骤: 1. SR触发器实验: 使用与非门(74LS00)或或非门(74LS02)搭建基本的SR触发器电路。 通过开关控制S和R输入。 观察LED指示,验证S=1, R=0时输出置1;S=0, R=1时输出置0;S=0, R=0时保持不变。 注意S=1, R=1时的状态(不确定或矛盾)。 2. D触发器实验: 选择74LS74芯片。 理解其D输入、CLK(时钟)输入、Preset(预置)和Clear(清零)输入。 使用时钟脉冲发生器作为CLK输入,拨码开关作为D输入。 将Preset和Clear输入设置为无效状态(通常置为高电平)。 在时钟脉冲的上升沿,观察D输入的值是否被锁存到触发器的Q输出。 尝试在时钟触发前后改变D输入,观察触发器的响应。 3. JK触发器实验: 选择74LS73芯片。 理解其J、K输入、CLK输入、Preset和Clear输入。 使用时钟脉冲发生器和拨码开关进行输入。 验证J=0, K=0时,触发器保持不变;J=0, K=1时,触发器复位(Q=0);J=1, K=0时,触发器置位(Q=1);J=1, K=1时,触发器翻转状态(Toggle)。 4. 寄存器实验: 选择74LS174芯片(六D触发器)。 使用时钟脉冲发生器驱动所有触发器的时钟输入。 将6个D输入连接到6个拨码开关。 将6个Q输出连接到6个LED。 在时钟脉冲触发时,观察6个开关的状态是否被同时存储到对应的LED上。 尝试改变开关状态,然后再次触发时钟,观察存储的新数据。 5. 计数器实验: 选择74LS90(十进制计数器)。 理解其时钟输入(CKA, CKB)和复位/置位端。 通常将其配置为10进制计数器(CKA接时钟,CKB悬空,R0(1), R0(2)接地,R9(1), R9(2)接高电平)。 使用时钟脉冲发生器作为输入。 观察输出(通常通过连接到触发器内部的QD, QC, QB, QA输出,形成0-9的二进制码)LED的变化。 手动复位计数器到0。 (可选)使用74LS163(4位同步二进制加计数器),观察其0-15的二进制计数过程。 数据记录与分析: 为每种触发器,绘制其逻辑符号和状态转换图。 记录实验中输入信号(S, R, D, J, K, CLK)和输出信号(Q, $ar{Q}$)的状态,验证触发器的功能。 对于寄存器,记录输入数据和存储后的输出数据。 对于计数器,记录不同时钟脉冲下的输出状态,绘制计数序列。 分析实验结果,总结时序逻辑电路在信息存储和状态控制方面的作用。 思考与讨论: 触发器在数字电路中的主要作用是什么? 同步触发器和异步触发器有什么区别? 寄存器和计数器在计算机系统中有哪些应用?(如存储器、定时器) 如何设计一个n位二进制计数器? 附录 常用电子元件符号图 常用集成电路芯片引脚图(如LM741, 74LS00等) 电子实验安全注意事项 结语 电子技术是一个充满活力和创造力的领域。本书所提供的实验是打开这个领域大门的钥匙。我们鼓励读者在掌握书本内容的基础上,积极探索更广阔的电子世界,不断实践,不断创新。祝愿每一位读者在电子技术的学习之路上取得丰硕的成果!