《电路》课程教学资源（实验指导）实验5 RLC元件阻抗特性及交流等效参数的测定

实验5R、L、C元件阻抗特性及交流等效参数的测定 一、实验目的 1.验证电阻、感抗、容抗与频率的关系，测定R~∫、XL~∫与Xc~f特性曲线。 2.加深理解R、L、C元件端电压与通过电流间的相位关系。 3.学习用交流电压表、交流电流表和功率表测量交流等效参数。 4.学习单相功率表及双踪示波器的使用。 二、R、L、C元件阻抗及阻抗角频率特性的测定 (一)原理说明 1.在正弦交流信号作用下，R、L、C各电路元件的阻抗频率特性曲线如图2-5-1所示 2.元件阻抗频率特性的测量电路如图2-5-2所示，图中r是提供测量回路电流用的标准 小电阻，由于r的阻值远小于被测元件的阻抗值，因此可以认为AB之间电压就是被测元件R 或L或C两端的电压，而流过被测元件的电流可由r两端的电压除以r得到。 302 ur 图2-5-1 图2-52 若用双踪示波器同时观察r两端电压U,与被测元件两端电压UAB(即AB之间电压)，也 就反映出被测元件两端电压与流过该元件电流的波形，从而可在荧光屏上直接测出被测元件 两端电压与电流之间的相位差（即元件的阻抗角）。 3.R、L、C串联或并联后，亦可用同样的方法测得Z与Z的阻抗频率特性，根据电 压与电流的相位差可判断Z率与Z#是感性还是容性。 4.元件的阻抗角（即元件端电压与电流之间的相位差）随输入信号频率的变化而变化， 它们之间的关系称为元件的阻抗角频率特性。 用双踪示波器可测得元件的阻抗角频率特性。具体测量方法可以图2-5-3来说明。如图中 所示，在荧光屏上已测得元件的电压、电流波形，数得信号一个周期所占格数，相位差所

28 实验 5 R、L、C 元件阻抗特性及交流等效参数的测定 一、实验目的 1．验证电阻、感抗、容抗与频率的关系，测定 R ~ f 、X L ~ f 与 X C ~ f 特性曲线。 2．加深理解 R、L、C 元件端电压与通过电流间的相位关系。 3．学习用交流电压表、交流电流表和功率表测量交流等效参数。 4．学习单相功率表及双踪示波器的使用。 二、R、L、C 元件阻抗及阻抗角频率特性的测定 （一）原理说明 1．在正弦交流信号作用下，R、L、C 各电路元件的阻抗频率特性曲线如图 2-5-1 所示。 2．元件阻抗频率特性的测量电路如图 2-5-2 所示，图中 r 是提供测量回路电流用的标准 小电阻，由于 r 的阻值远小于被测元件的阻抗值，因此可以认为 AB 之间电压就是被测元件 R 或 L 或 C 两端的电压，而流过被测元件的电流可由 r 两端的电压除以 r 得到。 图 2-5-1 图 2-5-2 若用双踪示波器同时观察 r 两端电压 Ur与被测元件两端电压 UAB（即 AB 之间电压），也 就反映出被测元件两端电压与流过该元件电流的波形，从而可在荧光屏上直接测出被测元件 两端电压与电流之间的相位差（即元件的阻抗角）。 3． R、L、C 串联或并联后，亦可用同样的方法测得 Z 串与 Z 并的阻抗频率特性，根据电 压与电流的相位差可判断 Z 串与 Z 并是感性还是容性。 4．元件的阻抗角（即元件端电压与电流之间的相位差）随输入信号频率的变化而变化， 它们之间的关系称为元件的阻抗角频率特性。 用双踪示波器可测得元件的阻抗角频率特性。具体测量方法可以图 2-5-3 来说明。如图中 所示，在荧光屏上已测得元件的电压、电流波形，数得信号一个周期所占格数 n，相位差所

占格数m,则实际的相位差中（即阻抗角）为=m×360 一占n格 图2-5-3 (二)实验内容 1.测量R、L、C元件的阻抗频率特性 (1)按图2-5-2接线，图中R=1K9、L=1H、C=0.1F、=30Q,山，是激励源，为信号发 生器的验出，用交流亭伏表测量，使其有效值为三3V,并保持不变。 (2)使开关K分别接通R、L、C三个元件，在每一元件情况下，调节信号发生器的输 出频率，使其逐渐增加，用交流毫伏表测量对应于每一频率下电阻元件r两端的电压，并 进行有关计算，将测量与计算结果一并记录于表2-5-1中。 表2-5-1 200 1.2x 1.7 22 27张 32 3,7 .25 4.7 实验内容 (m R R= R &(mv) (mV e-马 Xe-UL 2.开关K分别接通R、L、C三个元件，在每一元件情况下，调节信号发生器的输出频 率，使其逐渐增加，用双踪示波器定性地观察在不同频率下元件阻抗角（即元件端电压与电 流之间的相位差)随频率的变化情况

29 占格数 m，则实际的相位差ф（即阻抗角）为 n m o 360  =  。 图 2-5-3 （二）实验内容 1．测量 R、L、C 元件的阻抗频率特性 （1）按图 2-5-2 接线，图中 R=1KΩ、L=1H、C=0.1µF、r=30Ω，uf是激励源，为信号发 生器的输出，用交流毫伏表测量，使其有效值为 Uf=3V，并保持不变。 （2）使开关 K 分别接通 R、L、C 三个元件，在每一元件情况下，调节信号发生器的输 出频率，使其逐渐增加，用交流毫伏表测量对应于每一频率下电阻元件 r 两端的电压 Ur，并 进行有关计算，将测量与计算结果一并记录于表 2-5-1 中。 表 2-5-1 频率 f（HZ） 实验内容 200 700 1.2K 1.7K 2.2K 2.7K 3.2K 3.7K 4.2K 4.7K R Ur（mV） r U I r R = R f I U R = L Ur（mV） r U I r L = L f L I U X = C Ur（mV） r U I r C = C f C I U X = 2．开关 K 分别接通 R、L、C 三个元件，在每一元件情况下，调节信号发生器的输出频 率，使其逐渐增加，用双踪示波器定性地观察在不同频率下元件阻抗角（即元件端电压与电 流之间的相位差）随频率的变化情况

3.将上述电路元件R、L、C串联，调节信号发生器的输出频率，使其逐渐增加，用双 踪示波器观察并测量在不同频率下R、L、C串联元件阻抗角的变化情况（即观察端电压UAB 与r的端电压U的相位差)，将测量与计算值记录于表2-5-2中。 表2-5-2 (kHz) 三、交流等效参数的测量—三表法 (一)原理说明 1.图2-5-4所示正弦交流电路，若用交流电压表、交流电流表和功率表分别测得阻抗Z 两端的电压八、其中通过的电流！和其所消耗的功率P,则通过计算可得阻抗Z的一组交流等 效参数为 4=9 R=尺-ceos0 220V X=Z sino 若阻抗Z为感性，则X=X,=2对L 若阻抗Z为容性，则X=Xc-2C 图2-5-4 以上测量阻抗Z交流等效参数的方法即三表法。 2.三表法可测量阻抗Z的交流等效参数，但其性质尚不能判别。阻抗Z的性质可通过在 其两端并联一适当容量的电容或与其串联一适当容量的电容加以判断： (1)通过在阻抗Z两端并联一适当容量的电容判断其性质时，若并联电容后电路中电流 表的读数增大，则阻抗Z为容性：若电流表的读数减小，则阻抗Z为感性。注意这里所并联 的电容，其容量有一定的限制，否则，并联电容值太大，即使阻抗Z为感性，电流表的读数 亦增大（为什么？）。 (2)通过与阻抗Z串联一适当容量的电容判断其性质时，若串联电容后电路中电流表的 读数减小，则阻抗Z为容性：若电流表的读数增大，则阻抗Z为感性。注意这里所串联的电 容，其容量也有一定的限制，否则，串联电容值太大，即使阻抗Z为感性，电流表的读数亦 减小（为什么？）。 阻抗Z的性质还可通过其两端电压、电流之间的相位关系进行判断：若电压超前于电流 则阻抗Z为感性，否则为容性。电压和电流之间的相位关系可通过示波器观察。 3.功率表的结构、接线与使用：功率表又称瓦特表，是一种动圈式仪表，其电流线圈与 负载串联（电流线圈有两个：当两个线圈串联时对应较小的电流量程，当两个线圈并联时对 30

30 3．将上述电路元件 R、L、C 串联，调节信号发生器的输出频率，使其逐渐增加，用双 踪示波器观察并测量在不同频率下 R、L、C 串联元件阻抗角的变化情况（即观察端电压 UAB 与 r 的端电压 Ur的相位差），将测量与计算值记录于表 2-5-2 中。 表 2-5-2 f（kHz） 200 300 400 500 600 700 800 1000 n(格) m(格) ф 三、交流等效参数的测量——三表法 （一）原理说明 1．图 2-5-4 所示正弦交流电路，若用交流电压表、交流电流表和功率表分别测得阻抗 Z 两端的电压 U、其中通过的电流 I 和其所消耗的功率 P，则通过计算可得阻抗 Z 的一组交流等 效参数为    X Z sin Z cos I P R UI P cos I U Z = = = = = 2 若阻抗 Z 为感性，则 X = XL = 2fL 若阻抗 Z 为容性，则 fC X XC 2 1 = = 图 2-5-4 以上测量阻抗 Z 交流等效参数的方法即三表法。 2．三表法可测量阻抗 Z 的交流等效参数，但其性质尚不能判别。阻抗 Z 的性质可通过在 其两端并联一适当容量的电容或与其串联一适当容量的电容加以判断： （1）通过在阻抗 Z 两端并联一适当容量的电容判断其性质时，若并联电容后电路中电流 表的读数增大，则阻抗 Z 为容性；若电流表的读数减小，则阻抗 Z 为感性。注意这里所并联 的电容，其容量有一定的限制，否则，并联电容值太大，即使阻抗 Z 为感性，电流表的读数 亦增大（为什么？）。 （2）通过与阻抗 Z 串联一适当容量的电容判断其性质时，若串联电容后电路中电流表的 读数减小，则阻抗 Z 为容性；若电流表的读数增大，则阻抗 Z 为感性。注意这里所串联的电 容，其容量也有一定的限制，否则，串联电容值太大，即使阻抗 Z 为感性，电流表的读数亦 减小（为什么？）。 阻抗 Z 的性质还可通过其两端电压、电流之间的相位关系进行判断：若电压超前于电流， 则阻抗 Z 为感性，否则为容性。电压和电流之间的相位关系可通过示波器观察。 3．功率表的结构、接线与使用：功率表又称瓦特表，是一种动圈式仪表，其电流线圈与 负载串联（电流线圈有两个：当两个线圈串联时对应较小的电流量程，当两个线圈并联时对

应较大的电流量程)：其电压线圈与负载并联，当靠近电源侧并联时称为前接法，当靠近负载 侧并联时称为后接法，若采用后接法，则并联线圈所消耗的功率也计入了功率表的读数之中， 测量会产生较大的误差，所以一般都采用前接法。 图254所示功率表采用前接法。另外在接线时，电压线圈的（◆）端一定要和电流线圈 的(*)端接在一起，否则对消耗功率的负载来说，功率表指针将反偏。 功率表的量程等于其电压量程和电流量程的乘积，一定要使电压量程大于被测电压，电 流量程大于被测电流。 (二)实验内容 首先将调压器输出电压调为0，并且关断电源，这时按图2-54所示接线（功率表采用前 接法)，阻抗Z按下列各步骤要求选取。 1.测量阻抗Z为3盏15W白炽灯(R)时的交流等效参数。测量时，使调压器输出电 压从0逐渐增大，监视电流表读数不得超过0.4A,按表2-5-3测量。 2.分别测量阻抗Z为1H电感线圈(L)和4μF电容器(C)时的交流等效参数。测量 方法见步骤1。 3.测量阻抗Z为R、L、C串联后的交流等效参数，用并联一适当容量电容的方法判断 阻抗Z的性质。 4.测量阻抗Z为R、L、C并联后的交流等效参数，用并联一适当容量电容的方法判断 阻抗Z的性质。 5.将图2-5-4中的功率表改为后接法，阻抗Z为3盏15W白炽灯，测量这时的交流等 效参数，并与步骤1中测量结果比较，分析测量误差。 将以上测量及计算结果记录于表2-5-3中。 表2-5-3 阻抗Z P0) ☑工 】 3盏15白炽灯 R、L、C串联 后法 四、实验设备 韦2-5-4 利与格一 双示被 生 GS-1组合仪表 自时 15/220N 五、实验注意事项 1.实验直接用220V的交流电源供电，实验中要特别注意人身安全，不可用手直接触摸 通电线路的裸露部分，以免触电

31 应较大的电流量程）；其电压线圈与负载并联，当靠近电源侧并联时称为前接法，当靠近负载 侧并联时称为后接法，若采用后接法，则并联线圈所消耗的功率也计入了功率表的读数之中， 测量会产生较大的误差，所以一般都采用前接法。 图 2-5-4 所示功率表采用前接法。另外在接线时，电压线圈的（*）端一定要和电流线圈 的（*）端接在一起，否则对消耗功率的负载来说，功率表指针将反偏。 功率表的量程等于其电压量程和电流量程的乘积，一定要使电压量程大于被测电压，电 流量程大于被测电流。 （二）实验内容 首先将调压器输出电压调为 0，并且关断电源，这时按图 2-5-4 所示接线（功率表采用前 接法），阻抗 Z 按下列各步骤要求选取。 １. 测量阻抗 Z 为 3 盏 15W 白炽灯（R）时的交流等效参数。测量时，使调压器输出电 压从 0 逐渐增大，监视电流表读数不得超过 0.4A，按表 2-5-3 测量。 ２. 分别测量阻抗 Z 为 1H 电感线圈（L）和 4F 电容器（C）时的交流等效参数。测量 方法见步骤 1。 ３. 测量阻抗 Z 为 R、L、C 串联后的交流等效参数，用并联一适当容量电容的方法判断 阻抗 Z 的性质。 ４. 测量阻抗 Z 为 R、L、C 并联后的交流等效参数，用并联一适当容量电容的方法判断 阻抗 Z 的性质。 ５. 将图 2-5-4 中的功率表改为后接法，阻抗 Z 为 3 盏 15W 白炽灯，测量这时的交流等 效参数，并与步骤１中测量结果比较，分析测量误差。 将以上测量及计算结果记录于表 2-5-3 中。 表 2-5-3 阻抗 Z 测量值 计算值 U(V) I(A) P(W) |Z|() cos R() X() L(mH) C(F) R： 3 盏 15W 白炽灯 L：1H 电感线圈 C：4F 电容器 R、L、C 串联 R、L、C 并联 R（后接法） 四、实验设备 表 2-5-4 序号 名称 型号与规格 数量 备注 1 双踪示波器 1 2 低频信号发生器 1 DG03 3 实验电路箱 1 DG21 4 GYS-Ⅰ组合仪表 1 5 自耦调压器 1 DG01 6 白炽灯 15W/220V 3 DG08 五、实验注意事项 1．实验直接用 220V 的交流电源供电，实验中要特别注意人身安全，不可用手直接触摸 通电线路的裸露部分，以免触电

2.每次改接线路前都必须将调压器输出电压调为0，并且在关断电源的情况下接线。 3.测量时，使调压器输出电压从0逐渐增大，以电流表读数不超过0.4A为准。 4.交流毫伏表属于高阻抗电表，测量前必须先调零。 5.测量中值时，示波器的“V/div”和“t/iv”的微调旋钮应置于“校准位置”。 6.各仪表要正确接线。尤其是功率表，不能单独使用，一定要有电压表和电流表监测， 使电压表和电流表的读数不超过功率表电压和电流的量程。 7.仪表要正确读数。尤其是功率表，要注意电压量程和电流量程，要正确换算。 大、预习思考题 1,测量R、L、C各个元件的阻抗角时，为什么要与它们串联一个小电阻？可否用一个 小电感或一个大电容来代替？为什么？ 2.用三表法测量一个阻抗的交流等效参数时，阻抗的性质可通过在其两端并联一适当容 量的电容或与其串联一适当容量的电容加以判断，分别用相量图加以说明，并计算所并联电 容或串联电容的取值范围。 3.用三表法测量一个阻抗的交流等效参数时，功率表前接法和后接法对测量结果有何影 七、实验报告要求 1.根据表2-51的实验数据，在坐标纸上绘制出R、L、C三个元件的阻抗频率特性曲线， 从中可以得出什么结论？ 2.根据表2-5-2的实验数据，在坐标纸上绘制出R、L、C串联元件的阻抗角频率特性曲 线，从中可以得出什么结论？ 3.根据表2-5-3的实验数据，完成各项计算。 4.完成预习思考题

32 2．每次改接线路前都必须将调压器输出电压调为 0，并且在关断电源的情况下接线。 3．测量时，使调压器输出电压从 0 逐渐增大，以电流表读数不超过 0.4A 为准。 4．交流毫伏表属于高阻抗电表，测量前必须先调零。 5．测量ф值时，示波器的“ V/div”和“t/div”的微调旋钮应置于“校准位置”。 6．各仪表要正确接线。尤其是功率表，不能单独使用，一定要有电压表和电流表监测， 使电压表和电流表的读数不超过功率表电压和电流的量程。 7． 仪表要正确读数。尤其是功率表，要注意电压量程和电流量程，要正确换算。 六、预习思考题 1．测量 R、L、C 各个元件的阻抗角时，为什么要与它们串联一个小电阻？可否用一个 小电感或一个大电容来代替？为什么？ 2．用三表法测量一个阻抗的交流等效参数时，阻抗的性质可通过在其两端并联一适当容 量的电容或与其串联一适当容量的电容加以判断，分别用相量图加以说明，并计算所并联电 容或串联电容的取值范围。 3．用三表法测量一个阻抗的交流等效参数时，功率表前接法和后接法对测量结果有何影 响？ 七、实验报告要求 1．根据表 2-5-1 的实验数据，在坐标纸上绘制出 R、L、C 三个元件的阻抗频率特性曲线， 从中可以得出什么结论？ 2．根据表 2-5-2 的实验数据，在坐标纸上绘制出 R、L、C 串联元件的阻抗角频率特性曲 线，从中可以得出什么结论？ 3．根据表 2-5-3 的实验数据，完成各项计算。 4．完成预习思考题