圖1. ADALM1000原理圖。

 

現(xiàn)在我們開始下一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

 

目標(biāo)

 

本實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的目的是通過獲得給定電路的戴維寧等效電壓(V_TH)和戴維寧等效電阻(R_TH)來驗(yàn)證戴維寧定理，然后驗(yàn)證最大功率傳輸定理。

 

背景知識

 

利用戴維寧定理可以將一個(gè)復(fù)雜電路簡化為由一個(gè)電壓源(V_TH)與一個(gè)電阻(R_TH)和負(fù)載電阻(R_L)串聯(lián)組成的等效電路。創(chuàng)建戴維寧等效電路之后，很容易確定負(fù)載電壓V_L或負(fù)載電流I_L。

 

戴維寧定理的主要用途之一是用一個(gè)簡單的等效電路替換一個(gè)電路的很大一部分，通常是較復(fù)雜且意義不大的部分。相比于更復(fù)雜的原始電路，利用新的更簡單電路可以快速計(jì)算出輸送給負(fù)載的電壓、電流和功率。該定理還有助于選擇負(fù)載（電阻）的最佳值以實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸。

 

圖2. 圖1的戴維寧等效電路。

 

最大功率傳輸定理是指，一個(gè)獨(dú)立電壓源與一個(gè)電阻R_S串聯(lián)，或一個(gè)獨(dú)立電流源與一個(gè)電阻R_S并聯(lián)，當(dāng)負(fù)載電阻R_L = R_S時(shí)，輸送給R_L的功率最大。

 

就戴維寧等效電路而言，當(dāng)負(fù)載電阻R_L等于電路的戴維寧等效電阻R_TH時(shí)，輸送給R_L的功率最大。

 

圖3. 最大功率傳輸。

 

材料

 

●    ADALM1000 硬件模塊

●    各種電阻（100 Ω、330 Ω、470 Ω、1 kΩ 和1.5 kΩ）

 

程序

 

1. 驗(yàn)證戴維寧定理：

 

a. 利用下列元件值構(gòu)建圖2 所示電路：

 

●    R₁ = 330 Ω

●    R₂ = 470 Ω

●    R₃ = 470 Ω

●    R₄ = 330 Ω

●    R₅ = 1 kΩ

●    R_L = 1.5 kΩ

●    R_S = 5 V

 

b. 使用ALM1000 電壓表工具精確測量負(fù)載電阻兩端的電壓V_L。使用電壓表工具，將通道CA 連接到V_L 的正端，將通道CB連接到負(fù)端。V_L 將是CA 電壓與CB 電壓之差。該值稍后將與您使用戴維寧等效電路得出的值進(jìn)行比較。

 

c. 測出V_TH：移除負(fù)載電阻R_L，測量端子上的開路電壓V_OC。使用電壓表工具，將通道CA 連接到V_OC的正端，將通道CB 連接到負(fù)端。V_OC將是CA 電壓與CB 電壓之差。它等于V_TH。參見圖4。

 

圖4. 測量戴維寧電壓。

 

d. 測出R_TH：移除電源電壓V_S 并構(gòu)建圖5 所示電路。使用ALM1000 歐姆表工具測量原先R_L所在開口處的電阻。這就是R_TH。使用歐姆表進(jìn)行測量之前，確保沒有電源施加到電路上，并且接地連接已按照圖示移動(dòng)。

 

圖5. 測量戴維寧電阻R_TH。

 

e. 獲得V_TH 和R_TH 之后，構(gòu)建圖2 所示電路。利用零件箱中電阻的串聯(lián)和/ 或并聯(lián)組合得到R_TH 的值。使用儀表源工具，連接通道CA 以提供V_TH源，并將該值設(shè)置為步驟c 中測量的V_TH值。

 

圖6. 戴維寧等效結(jié)構(gòu)。

 

f. R_L 設(shè)置為步驟b 中使用的1.5kΩ，測量等效電路的V_L，并將其與步驟b 中獲得的V_L 進(jìn)行比較，由此驗(yàn)證戴維寧定理。

 

g. 可選步驟：設(shè)置R_L = 2.2kΩ，重復(fù)步驟1b 至步驟1f。

 

2. 驗(yàn)證最大功率傳輸定理：

 

利用下列值構(gòu)建圖7 所示電路：

 

●    V_S = 5 V

●    R₁ = R2 = 470 Ω

●    R₃ = 1 kΩ

●    R_L = 1 kΩ 和100 Ω 電阻的組合（圖8）

 

圖7. 驗(yàn)證最大功率定理的電路。

 

b. 使用電壓表工具，將通道CA 連接到V_L 的正端，將通道CB連接到R_L 的負(fù)端。V_L 將是CA 電壓與CB 電壓之差。

 

c. 為找到傳輸最大功率的R_L 值，構(gòu)建1 kΩ 和100 Ω 的串/ 并聯(lián)組合，以100 Ω 步進(jìn)將負(fù)載電阻R_L 從500 Ω 改變到1400 Ω，如圖8 所示。對于每個(gè)R_L 值，記下V_L。

 

圖8. R_L配置。

 

d. 使用PL = V_L^²/R_L 計(jì)算每個(gè)負(fù)載電阻值對應(yīng)的功率。然后在測量結(jié)果之間進(jìn)行插值，以計(jì)算對應(yīng)于最大功率(PL-max) 的負(fù)載電阻值。該值應(yīng)等于圖7 中電路的R_TH（相對于負(fù)載端子）。

 

問題

 

1. 對圖2 電路使用分壓，計(jì)算V_L。將其與測量值進(jìn)行比較。解釋為何存在差異。

2. 計(jì)算傳輸?shù)綀D3 電路所獲得的負(fù)載R_L的最大功率。

 

您可以在學(xué)子專區(qū)博客上找到問題答案。

 

注釋

 

與所有ALM實(shí)驗(yàn)室一樣，當(dāng)涉及與ALM1000連接器的連接和配置硬件時(shí)，我們使用以下術(shù)語。綠色陰影矩形表示與ADALM1000模擬I/O連接器的連接。模擬I/O通道引腳被稱為CA和CB。當(dāng)配置為驅(qū)動(dòng)電壓/測量電流時(shí)，添加-V，例如CA-V；當(dāng)配置為驅(qū)動(dòng)電流/測量電壓時(shí)，添加-I，例如CA-I。當(dāng)通道配置為高阻態(tài)模式以僅測量電壓時(shí)，添加-H，例如CA-H。

 

示波器跡線同樣按照通道和電壓/電流來指稱，例如：CA-V和CB-V指電壓波形，CA-I和CB-I指電流波形。

 

對于本文示例，我們使用的是ALICE 1.1版軟件。

 

文件：alice-desktop-1.1-setup.zip。請點(diǎn)擊此處下載。

 

ALICE桌面軟件提供如下功能：

 

●    雙通道示波器，用于時(shí)域顯示和電壓/ 電流波形分析。

●    雙通道任意波形發(fā)生器(AWG) 控制。

●    X 和Y 顯示，用于繪制捕捉的電壓/ 電流與電壓/ 電流數(shù)據(jù)，以及電壓波形直方圖。

●    雙通道頻譜分析儀，用于頻域顯示和電壓波形分析。

●    波特圖繪圖儀和內(nèi)置掃描發(fā)生器的網(wǎng)絡(luò)分析儀。

●    阻抗分析儀，用于分析復(fù)雜RLC 網(wǎng)絡(luò)，以及用作RLC 儀和矢量電壓表。

●    一個(gè)直流歐姆表相對于已知外部電阻或已知內(nèi)部50 Ω 電阻測量未知電阻。

●    使用ADALP2000 模擬器件套件中的AD584 精密2.5 V 基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行電路板自校準(zhǔn)。

●    ALICE M1K 電壓表。

●    ALICE M1K 表源。

●    ALICE M1K 桌面工具。

 

注：需要將ADALM1000連接到您的PC才能使用該軟件。

 

 

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