Теория электрических цепей

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

Е. В. Вострецова, С. М. Зраенко, Ю. В. Шилов

Теория 
элекТрических 
цепей

Лабораторный практикум

Рекомендовано методическим советом УрФУ
для студентов, обучающихся по укрупненным 
группам направлений
09.00.00 — Информатика и вычислительная техника,
10.00.00 — Информационная безопасность,
11.00.00 — Электроника, радиотехника и системы связи

2-е издание, стереотипное

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
Издательство Уральского университета
2017

УДК 621.3.011.7(076.5)
ББК 31.211я73-5
          В78

Рецензенты:
кафедра общепрофессиональных дисциплин технических специальностей Уральского технического института связи и информатики 
(зам. зав. кафедрой канд. техн. наук, доц. Н. В. Будылдина);
канд. техн. наук, ст. науч. сотр. отдела динамических систем Института 
математики и механики Уральского отделения Российской академии 
наук С. И. Кумков

Научный редактор — канд. техн. наук, доц. А. С. Лучинин

Вострецова, Е. В.
В78    Теория электрических цепей [Электронный ресурс]: 
лабораторный практикум / Е. В. Вострецова, С. М. Зраенко, 
Ю.В. Шилов. — 2-е изд., стер. — М. : ФЛИНТА : Изд-во Урал. унта, 2017. —  136 с.

ISBN 978-5-9765-3068-3 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1500-0 (Изд-во Урал. ун-та)

В издании дано описание комплекса измерительных приборов и

лабораторного стенда, а также методика проведения измерений при 
выполнении цикла из восьми лабораторных работ по курсам «Основы 
теории цепей», «Теория электрических цепей».
В практикуме приведены основные расчетные соотношения, требования 
по подготовке и порядок выполнения работ по исследованию линейных 
электрических цепей, а также рекомендации по оформлению отчета.

Библиогр.: 10 назв. Табл. 17. Рис. 49. Прил. 2.

УДК 621.3.011.7(076.5)
ББК 31.211я73-5

ISBN 978-5-9765-3068-3 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1500-0 (Изд-во Урал. ун-та)

© Уральский федеральный 
     университет, 2015

оглавление

Введение .................................................................................................4

Лабораторная работа № 1
Измерение параметров сигналов и цепей .............................................7

Лабораторная работа № 2
Простейшие электрические цепи при гармоническом воздействии ... 12

Лабораторная работа № 3
Анализ сложных линейных цепей ....................................................... 22

Лабораторная работа № 4
Индуктивно-связанные цепи .............................................................. 35

Лабораторная работа № 5
Частотные характеристики простейших электрических цепей.......... 49

Лабораторная работа № 6
Резонансные явления в электрических цепях ..................................... 59

Лабораторная работа № 7
Исследование пассивного четырехполюсника ................................... 75

Лабораторная работа № 8
Переходные процессы в цепях первого и второго порядков .............. 87

Приложение 1
Описание приборов ............................................................................ 103

Приложение 2
Описание лабораторного стенда ........................................................ 130

Список библиографических ссылок.................................................. 135

Введение

Ц

елью практикума по курсам «Основы теории цепей» 
и «Теория электрических цепей» является изучение 
и экспериментальное подтверждение основных теоретических положений, ознакомление с некоторыми измерительными приборами и овладение методикой основных электрических измерений.
Выполнение каждой работы состоит из четырех основных 
этапов:

1. Теоретическая часть.
2. Расчетная часть
2. Экспериментальная часть.
3. Составление отчета.

1. Теоретическая часть
Во время выполнения теоретической части студент должен 
обстоятельно ознакомиться с соответствующими разделами теоретического курса с использованием конспекта лекций и учебников [1–3].

2. Расчетная часть
а) выполнить требуемые предварительные расчеты (примеры можно посмотреть в задачнике [4]) и построить необходимые графики (числовые данные для расчетов находятся в лаборатории);
б) составить принципиальные и монтажные схемы эксперимента, продумать назначение каждого прибора и деталей лабораторной установки, а также порядок их включения;
в) подготовить ответы на контрольные вопросы.

Введение

3. Экспериментальная часть
Лабораторные работы поставлены коллективом кафедры 
«Теоретические основы радиотехники» УрФУ и в течение многих лет дорабатываются и выполняются в лаборатории «Основы 
теории цепей». Предыдущая редакция методических указаний 
к ним была подготовлена в 2005 году [5], [6]. Лабораторные работы выполняются бригадами по два человека в часы, предусмотренные расписанием.
Непосредственному выполнению каждой лабораторной работы предшествует теоретический коллоквиум — проверка подготовленности студентов. При этом студент представляет преподавателю оформленный отчет по предыдущей работе и все 
расчеты, графики и схемы, относящиеся к выполняемой работе.
Если представленные материалы признаны удовлетворительными, преподаватель задает контрольные вопросы, касающиеся предстоящей лабораторной работы.
Если материалы, представленные студентом, или его ответы 
на контрольные вопросы признаны неудовлетворительными, 
студент к выполнению лабораторной работы не допускается.
Студенты, допущенные к лабораторной работе, выполняют 
ее в соответствии с настоящими указаниями.
Все студенты должны быть ознакомлены (под расписку) 
с инструкцией по технике безопасности и правилами внутреннего распорядка в лаборатории.
При сборке установки студенты должны обращать особое 
внимание на выполнение монтажных схем. Монтажную схему 
следует собирать, используя наименьшее количество соединительных проводов. Все контактные соединения должны быть 
надежными и выполненными технически грамотно.
Расчеты, основанные на экспериментальных данных, выполняются в лаборатории в процессе работы. Кривые, снятые 
в лаборатории, вычерчиваются также в процессе работы.
Экспериментальная часть работы считается выполненной после просмотра и утверждения черновика отчета преподавателем.

Введение 

4. Составление и сдача отчета
Отчет составляется каждым студентом индивидуально 
и оформляется в соответствии с требованиями стандарта.
В отчете должны быть отражены:
— цель работы;
— результаты расчетов;
— экспериментальная часть работы;
— выводы по выполненной работе.
По результатам выполнения расчетной части составляются 
и приводятся таблицы, графики, указанные в описании, необходимые расчеты. Расчетам должно предшествовать краткое объяснение методик расчета, расчетные формулы и соотношения 
с указанием первоисточника. Значения символов и числовых коэффициентов, входящих в формулу, расшифровываются в тексте отчета.
В разделе отчета, посвященном эксперименту, вычерчиваются 
схемы измерений с кратким объяснением методики эксперимента.
Рисунки и графики выполняются на листах белой или миллиметровой бумаги, помещаются после первого упоминания 
в тексте или в конце отчета в виде приложения; при размещении в тексте их размер должен быть не менее 10×15 см.
На графике вычерчивается координатная сетка, по осям проставляются изменяющиеся величины с указанием размерности. 
Рисунки и графики снабжаются подрисуночными подписями.
Каждая таблица снабжается заголовком, в котором указаны 
ее номер и название.
Значения всех физических величин должны приводиться 
в единицах СИ или в кратных и дольных от них.
Выводы содержат анализ полученных результатов по всем 
пунктам задания, объяснение причин отклонения результатов эксперимента от расчетных величин, оценку погрешностей 
и т. д. Можно указать части работы, вызвавшие затруднения, 
дать рекомендации по улучшению лабораторного практикума.
В тексте отчета следует по возможности не использовать личные местоимения. Не допускается применять сокращения слов, 
кроме установленных правилами русского языка.

лабораторная работа № 1 
измерение параметров сигналов и цепей

1. цель работы

Целью работы является ознакомление с основными характеристиками и правилами пользования приборами, применяемыми в лабораторном практикуме, а также с устройством лабораторного стенда.

2. подготовка к эксперименту

1) Изучить краткое описание приборов, использующихся 
в лаборатории.
2) Изучить описание лабораторного стенда.
3) Изучить описание лабораторной работы и продумать методику выполнения экспериментов.

3. лабораторное задание

3.1. Измерение сопротивлений резисторов
Работа с универсальным вольтметром В7–77.
3.1.1. Подготовить прибор к работе.
3.1.2. Измерить сопротивления резисторов R1 — R5 из блока «Простые и сложные цепи». Ручка потенциометра должна 
быть установлена в положение максимального сопротивления.

лабораторная работа № 1 

3.1.3. Результаты измерений сравнить с номинальными значениями сопротивлений из таблицы данных, находящихся в лаборатории.

3.2. Измерение параметров гармонических колебаний
Работа с генератором GFG-8219A, вольтметром В7–77, осциллографом OS-5020.

Измерить амплитуду гармонических сигналов двумя способами: при помощи вольтметра и при помощи осциллографа. 
Измерить период колебаний при помощи осциллографа, рассчитать частоту, сравнить с заданной.

3.2.1. Включить генератор, осциллограф, подготовить их 
к работе.

3.2.2. Установить частоту колебаний генератора F = 1 кГц, 
амплитуду максимальную.

3.2.3. Измерить напряжение генератора при помощи вольтметра.

3.2.4. Подать сигнал генератора на вход осциллографа, измерить амплитуду и период колебаний. Соединение выхода генератора с входом осциллографа можно выполнить, используя 
гнезда блока «Простые и сложные цепи».

3.2.5. Зарисовать наблюдающийся сигнал, указать на рисунке масштабы, период и амплитуду.

3.3. Измерение параметров сигналов
Работа с генератором, осциллографом.
Измерить основные параметры импульсных сигналов генератора. Построить графики зависимостей напряжения от времени, указать на них основные параметры.

3.3.1. Установить регулировку уровня выхода генератора в крайнее правое положение, переключатель режима работы — в положение «прямоугольные импульсы», частоту сигнала F = 1 кГц.

3.3.2. Измерить основные параметры сигнала (период Т, длительность t, разность между максимальным и минимальным 

измерение параметров сигналов и цепей

значениями напряжения Um). Зарисовать наблюдаемый сигнал 
с указанием масштабов по осям и основных его параметров.

3.3.3. Повторить пп. 1–2 для следующих режимов работы генератора:
— симметричные треугольные импульсы;
— прямоугольные импульсы с максимальной скважностью;
— прямоугольные импульсы с минимальной скважностью.
Для изменения скважности импульсной последовательности (отношения периода к длительности) вытянуть ручку DUTY 
на себя, повернуть до упора вправо (максимальная скважность) 
или влево (минимальная скважность).

3.4. Измерение разности фаз
Работа с генератором и осциллографом.
Измерения разности фаз между двумя напряжениями. Построить графики зависимости разности фаз от частоты.

3.4.1. Собрать схему (рис. 1.1).
3.4.2. Измерить сдвиг фаз между напряжениями U1 и U2 на частотах 1, 2, 5, 10, 100 кГц при помощи осциллографа и фазометра.

ГЕНЕРАТОР

R1

C1

ОСЦИЛЛОГРАФ

Y1
Y2

Рис. 1.1. Схема измерения разности фаз между входным напряжением 
и напряжением на сопротивлении

лабораторная работа № 1 

3.5. Измерение модуля реактивного сопротивления
Измерение сопротивления емкости на разных частотах косвенным методом.
При измерениях на емкость подается напряжение с заданными параметрами, измеряется ток, протекающий через емкость. Модуль сопротивления вычисляется как отношение напряжения к току:

X
U
I

c =

3.5.1. Собрать схему (рис. 1.2). Установить амплитуду сигнала 
близкой к максимальной, измерить ее при помощи вольтметра.

ГЕНЕРАТОР

C1

АМПЕРМЕТР 

Рис. 1.2. Измерение модуля сопротивления емкости

3.5.2. Измерить ток через емкость на 6–8 частотах в диапазоне от 1 до 100 КГц.

3.5.3. Рассчитать модуль сопротивления емкости, построить 
график зависимости модуля сопротивления от частоты.

4. Требования к содержанию отчета

Отчет должен содержать:
— цель работы;
— схемы измерений;
— таблицы результатов измерений и графики по каждому 
пункту задания;
— выводы.

измерение параметров сигналов и цепей

5. контрольные вопросы

1. Объясните назначение органов управления вольтметра 
В7–77.
2. Опишите порядок подготовки прибора В7–77 к измерению переменного напряжения.

3. Объясните назначение органов управления генератора 
GFG-8219A.

4. Объясните методику определения амплитуды и длительности импульса с помощью осциллографа OS-5020.
5. Поясните методику определения частоты гармонического сигнала с помощью осциллографа.

6. Поясните методику измерения сдвига фаз с помощью осциллографа.

7. Опишите порядок подготовки к работе осциллографа 
OS-5020.
8. Поясните методику измерения разности фаз.
9. Поясните методику измерения модуля реактивного сопротивления при помощи вольтметра и амперметра.
10. Изложите основные правила техники безопасности при 
выполнении лабораторных работ.