Электротехника, электроника и схемотехника ЭВМ : линейные электрические цепи

УДК 
621.3 
 
Б12 

Р е ц е н з е н т  
канд. экон. наук, проф. И.П. Ильичев 

Бабичев Ю.Е. 
Б12  
Электротехника, электроника и схемотехника ЭВМ : линейные электрические цепи : лаб. практикум / Ю.Е. Бабичев. – М. : 
Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2017. – 70 с. 
 
 
Приведено описание пяти лабораторных работ по исследованию линейных электрических цепей в установившемся и переходном режимах. Рассмотрены двухполюсные и четырехполюсные элементы. В одной из работ 
исследуется резонанс напряжений. Приводятся также требования к оформлению отчетов по лабораторным работам. 
Предназначен для студентов бакалавриата, обучающихся по направлению подготовки 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника», может быть использован студентами других направлений подготовки. 

УДК 621.3 

 

 

 

 

 

 
 
 Ю.Е. Бабичев, 2017 
 
 НИТУ «МИСиС», 2017 

СОДЕРЖАНИЕ 

Краткое описание миниатюрной электротехнической лаборатории  .............. 3 

Лабораторная работа 1.  
Исследование линейной электрической цепи постоянного тока  .................... 5 

Лабораторная работа 2.  
Измерение комплексных потенциалов электрической цепи  ......................... 11 

Лабораторная работа 3.  
Исследование явления резонанса в последовательной R, L, C-цепи  
(резонанс напряжений)  ..................................................................................... 23 

Лабораторная работа 4.  
Исследование пассивных четырехполюсников  .............................................. 36 

Лабораторная работа 5.  
Исследование переходных процессов в цепях с одним накопителем  .......... 48 

Приложение. Требования к оформлению отчетов  
о лабораторных работах  ................................................................................... 56 

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ МИНИАТЮРНОЙ 
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ 

Миниатюрная электротехническая лаборатория МЭЛ-2 выполнена в корпусе с габаритными размерами 50×35×17 см. Эскиз наборного поля показан на рис. 1. Наборное поле разделено на шесть зон: 
1. Линейные и нелинейные цепи постоянного тока. 
2. Переменный ток, частотные характеристики, фильтры, четырехполюсники, переходные процессы. 
3. Длинная линия. 
4. Функциональный генератор. 
5. Трехфазные цепи. 
6. Выпрямитель. 

 

Рис. 1. Зоны наборного поля установки МЭЛ-2 

Миниатюрная электротехническая лаборатория в зоне 1 имеет два 
независимых регулируемых источника постоянного напряжения (Е1 
и Е2) с изолированными выводами, защитой от перегрузки и звуковой сигнализацией, дополнительные источники питания электронных блоков и операционных усилителей. Включение источников постоянного напряжения (Е1 и Е2) производится тумблером «Сеть» в 
правом верхнем углу лицевой панели. 
Миниатюрная электротехническая лаборатория содержит встроенный функциональный генератор. Он формирует сигналы синусои

дальной, прямоугольной и треугольной формы и имеет плавную перестройку частоты в диапазоне от 20 Гц до 1 МГц с возможностью 
частотной модуляции для снятия амплитудно-частотных характеристик. Частоту колебаний измеряет цифровой частотомер, работающий в том же частотном диапазоне. Функциональный генератор 
включается своим тумблером, находящемся на лицевой панели 
МЭЛ-2 в левом верхнем углу зоны генератора. 

Описание функционального генератора 

Блок функционального генератора сигналов содержит специализированную микросхему генератора, буферный операционный усилитель, схему генератора линейного пилообразного напряжения. Эскиз лицевой панели функционального генератора показан на рис. 2. 
Генератор имеет переключатель диапазонов, переключатель формы сигналов, клеммы соединения с внешними цепями. Частота устанавливается ручками регулировки «Грубо» и «Плавно» и контролируется частотомером. В режимах генерации прямоугольных и треугольных сигналов ручкой «Скважность» можно регулировать отношение длительностей импульса и паузы или прямого и обратного 
хода пилы. Ручкой «Амплитуда» регулируется уровень выходного 
напряжения. 

 

Рис. 2. Лицевая панель функционального генератора 

Режим девиации частоты включается поворотом ручки «Девиация» со щелчком из крайнего левого положения. При этом сигнал 
имеет линейную частотную модуляцию относительно среднего значения относительно отключенной девиации. Размах девиации регулируется поворотом ручки «Девиация». Этот режим может быть использован для наблюдения на осциллографе формы амплитудночастотных характеристик контуров. Для выполнения лабораторных 
работ, приведенных в данном пособии, режим девиации должен 
быть отключен поворотом ручки без усилий в крайнее левое положение до щелчка. 
Частотомер предназначен для измерения частоты периодического 
сигнала любой формы на выходе генератора и отображения ее на четырехразрядном семисегментном индикаторе. Диапазон измерения 
частоты составляет от 20 Гц до 1 Мгц. 

Л А Б О Р А Т О Р Н А Я  Р А Б О Т А  1  

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНЕЙНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ 
ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА 

Содержание работы. Опытное исследование свойств линейной 
электрической цепи, нахождение токов в ветвях методом наложения 
по законам Кирхгофа, определение потенциалов точек электрической 
цепи, исследование передачи энергии от активного двухполюсника 
нагрузке и сопоставление опытных и теоретических данных. 

Краткие сведения из теории 

В электрических цепях соотношения между токами, напряжениями, ЭДС и сопротивлениями определяются по законам Кирхгофа. 
Согласно первому закону Кирхгофа алгебраическая сумма токов 
в любом узле электрической цепи равна нулю, т.е. 

0.
I 

 
Второй закон Кирхгофа формулируется следующим образом: алгебраическая сумма напряжений в любом замкнутом контуре электрической цепи равна нулю: 

0.
U 

 
При наличии в рассматриваемом контуре источников ЭДС второй 
закон Кирхгофа формулируется следующим образом: алгебраическая 
сумма ЭДС, действующих в замкнутом контуре, равна алгебраической сумме напряжений, т.е. 

.
E
U



 
Наглядное представление о распределении потенциала в электрической цепи дает потенциальная диаграмма, являющаяся графической интерпретацией зависимости потенциала какой-либо точки (места соединения элементов) электрической цепи относительно некоторой точки отсчета (потенциал которой принимается за нулевой) от 
сопротивления участка цепи относительно той же точки. 
При построении потенциальной диаграммы по оси абсцисс откладывают сопротивления участков вдоль контура, начиная с точки отсчета, а по оси ординат – потенциалы относительно точки отсчета. 
Каждой точке участка цепи или замкнутого контура соответствует 

своя точка на потенциальной диаграмме. При переходе от одной точки электрической цепи к другой через резистор, с сопротивлением r, 
потенциал изменяется на величину падения напряжения в резисторе 

.
r
I r
   
 
При этом потенциал повышается, если переход осуществляется 
против направления тока, и понижается при переходе по направлению тока. В случае перехода через участок, содержащий источник 
ЭДС, потенциал, в зависимости от того, совпадает ли направление 
перехода с направлением ЭДС или они противоположны, соответственно повышается или понижается на значение ЭДС, т.е. 

.
E
E

 
 

Потенциал точки отсчета можно задать произвольно, но обычно 
его принимают равным нулю. 
При расчете сложных цепей широко применяется принцип наложения (суперпозиции). Принцип наложения формулируется следующим образом: ток в n-й ветви цепи с несколькими источниками ЭДС 
равен алгебраической сумме частичных токов, вызываемых каждой 
из ЭДС в отдельности. При расчете токов по методу наложения поочередно вычисляют частичные токи в n-й ветви от каждой ЭДС, 
принимая, что в цепи действует только рассматриваемая ЭДС, а все 
остальные равны нулю. Затем алгебраическим сложением вычисленных частичных токов от каждой ЭДС находят искомый ток ветви. 

Описание набора элементов и приборов 

На лицевой панели миниатюрной электротехнической лаборатории 
МЭЛ-2 имеется уже собранная электрическая цепь (рис. 1.1), состоящая из резисторов R1, R2, R3, R4, R5, R6 с постоянными сопротивлениями и трех измерительных резисторов Rи с сопротивлением 10 Ом. 

 

Рис. 1.1. Зона линейных электрических цепей установки МЭЛ-2 

Номинальные сопротивления резисторов: R1 =100 Ом, R2 =200 Ом, 
R3 =270 Ом, R4 =300 Ом, R5 =150 Ом, R6 =360 Ом. 
Исследуемая линейная цепь собирается подключением к ней источников постоянного напряжения E1 и E2. 
Измерительные резисторы Rи включены в первую, вторую и третью ветви. Измерения тока в этих ветвях проводятся косвенно путем 
измерения напряжений на измерительных резисторах универсальным 
цифровым прибором В7-35 или мультиметром (тестером). Токи в 
остальных ветвях находятся по закону Кирхгофа. 

Лабораторное задание 

1. Включить лабораторный стенд кнопкой «Вкл» на блоке питания (должен загореться цифровой индикатор универсального цифрового прибора В7-35). 
2. Включить источники постоянного напряжения Е1 и Е2 на лицевой панели МЭЛ-2 тумблером «Сеть» (вверху справа; должна загореться сигнальная лампа). 
3. Подготовить универсальный цифровой прибор В7-35 для измерения постоянных напряжений. Для этого следует: 
а) установить переключатель рода тока (левый рычажный переключатель) универсального прибора В7-35 в верхнее положение «=» 
(постоянное напряжение/ток); 
б) установить переключатель измеряемой величины (правый рычажный переключатель) универсального прибора В7-35 в верхнее 
положение «mV» «V» (напряжение). 
4. Подключить к источнику Е1 вольтметр В7-35 и, вращая ручку 
регулировки, установить заданное преподавателем напряжение, контролируя его вольтметром. Если на индикаторе прибора напряжение 
отрицательное, то следует поменять местами штекеры вольтметра в 
гнездах Е1. Следует запомнить, какой штекер «+», а какой – «–» 
(например, по цвету изоляции проводника). 
5. Повторить п. 4 с источником Е2. Значения напряжений источников нужно записать в рабочий отчет и поддерживать неизмененными. 

Опыт № 1 
6. Подключить источник напряжения Е1 к гнездам a и f 
(см. рис. 1.1). Гнезда d и е замкнуть проводником. 
7. Измерить напряжения на трех измерительных резисторах Ukи, 
где k – номер тока той ветви, где установлен резистор Rи, и записать 
в табл. 1.1 

Напряжения следует измерять с учетом знаков для «условно положительных направлений», обозначенных на схеме (см. рис. 1.1). 
Для этого штекер «плюс» прибора следует подключать к тому 
гнезду измерительного резистора, от которого направлен ток 
внутрь Rи. 

Таблица 1.1 

Ток 

Эксперимент 
Расчет 

Опыт № 1 
Е1 ≠ 0, Е2 = 0 
Опыт № 2 
Е1 = 0, Е2 ≠ 0 
Опыт № 3 
Е1 ≠ 0, Е2 ≠ 0 
Е1 ≠ 0, Е2 ≠ 0 

I1, мА 
 
 
 
 

I2, мА 
 
 
 
 

I3, мА 
 
 
 
 

 
Расчеты 
 

I4, мА 
 
 
 
 

I5, мА 
 
 
 
 

I6, мА 
 
 
 
 

Факультативно. Измерить напряжения на всех резисторах URm, 
где т – номер резистора. Записать полученные результаты. 
8. Определить (с учетом знака) токи во всех ветвях при действии 
только источника напряжения Е1, подключенного к зажимам a и f. 
Результаты записать в табл. 1.1. 
Указание 
Значение тока в ветви рассчитывается по формуле закона Ома: 

и ,
10

k
k
U
I 
 

где 
и
k
U
 – напряжение, измеренное на измерительном сопротивлении 
в ветвях с номерами 1, 2, 3; 

kI  – ток в этой ветви; 
10 – сопротивление резистора, Ом. 

Токи в остальных ветвях следует рассчитывать по закону Кирхгофа для токов. 

9. Разомкнуть гнезда d и е и измерить напряжение холостого хода 
Uхх между разомкнутыми гнездами. Рассчитать входное сопротивление цепи со стороны зажимов d и е: 

хх
de
кз
.
U
R
I

 

Указание. ток короткого замыкания Iкз при замкнутых зажимах 
(гнездах) d и е равен току второй ветви по п. 8. 
10. Выключить источники постоянного напряжения тумблером 
«Сеть». 

Опыт № 2 
11. Подключить к гнездам d и е источник напряжения Е2, отключить источник напряжения Е1, а гнезда a и f замкнуть проводником. 
12. Включить источники тумблером «Сеть». Аналогично измерениям п. 7 и расчетам по п. 8 определить токи во всех ветвях (с учетом 
их знаков) при действии только источника напряжения Е2. Результаты также записать в табл. 1.1. 
Факультативно. Измерить напряжения на всех резисторах URm, 
где т – номер резистора. Записать полученные результаты. 
13. Разомкнуть гнезда a и f и измерить напряжение холостого хода Uхх между разомкнутыми гнездами. Рассчитать входное сопротивление цепи со стороны зажимов a и f аналогично п. 9. 
14. Выключить источники постоянного напряжения тумблером 
«Сеть». 

Опыт № 3 
15. Подключить к клеммам a и f источник напряжения Е1. Включить источники тумблером «Сеть». Аналогично измерениям п. 7 и 
расчетам по п. 8 определить токи во всех ветвях (с учетом их знаков) 
при действии обоих источников напряжения Е1 и Е2. Результаты записать в табл. 1.1. 
Факультативно1. Измерить напряжения на всех резисторах URm, 
где т – номер резистора. Записать полученные результаты. 

––––––––––– 
1 П р и м е ч а н и е . На оценку «удовлетворительно» выполнение факультативных пунктов 
задания не требуется.