Transcript 4. 电路基础

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第4章
电路基础
1.实训目的
通过实训，加深对电路的理解，掌握线性电阻和非
线性电阻的测试方法，掌握直流电路电流、电压和电位
的测试技能，熟悉电压源与电流源等效变换，初步掌握
受控源的实验研究方法。
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2.实训内容
1）常用电工仪表的使用（认识性实训）。
2）直流电路中电流、电压与电位的测量（认识性实训）。
3）元器件伏安特性的测量（基本技能性实训）。
4）电压源与电流源的等效变换（基本技能性实训）。
5）受控源的实验研究（设计性实训）。
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4.1
常用电工仪表的使用
4.1.1 实训目的
1）了解常用电工仪表的基本用途。
2）熟悉电压表、电流表等电工仪表的使用方法。
3）熟悉稳压电源的使用方法。
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4.1.2 实训原理
如何正确地使用电工仪表，是做好实验的保证，也是必
备的基本功。
短路、开路、虚接和错接等现象往往会引起烧毁仪表、
损坏设备、甚至危害人身安全等事故。
实训的关键是：了解电路原理，懂仪表性能，掌握接线
方法，熟悉实验规则。除此之外，在实验中还要切实掌握
以下技能：
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1.电路接线
（1）准备充分
在电路接线前，一定要做好实验准备工作。
（2）先主后辅
电路连接顺序是：先接主回路，再接辅助回路。
（3）牢固准确
接线端的连接处，要拧紧或插紧，防止虚接。
（4）井然有序
电路连接要井然有序，要易看、易查和易操作。
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2.仪器仪表接线
（1）电流表的接线方法
• 串联：电流表要串联在电路中。
• 方向：电流从表 “＋”端流进，从表“—”端流出。
• 电流表不准与电源并联。
图4-1 电流表串联在电路中
图4-2 电流从 “＋”端流进，从
“—”端流出
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（2）电压表的接线方法
并联：电压表要并联在被测电路中。
极性：测电压时，要注意电路 “＋”、—”端极性。
严禁电压表与电源串联 。
图4-3 电流表不能与电源并联
图4-4 电压表并联在电路中
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电压表的接线方法
电压表要并联接在被测电路中。
• 测量电压时，应注意电路 “＋”、—”端极性。
图4-5 测电压时要注意极性
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（3）欧姆表的接线方法
• 并联：欧姆表要与被测电阻或负载并接。
• 测量电阻时，应注意断开电阻的一端。
图4-6 万用表测电阻
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欧姆表的接线方法
图4-7
并联电路测量电阻RL
图4-8 串联电路测量电阻RL
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（4）单相功率表的接线方法
功率表有两对接线端子，一对标I的接线端子，是电流
接线端子，同电流表接法（串联）相同；另一对标U的接线
端子，是电压接线端子，同电压表接法（并联）相同。
图4-9 功率表的接线原理
图4-10 功率表与电路的连接
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（5）绝缘电阻表的测量接线方法
绝缘电阻表俗称兆欧表，又称“摇表”，它是测量
Ω以上电阻之用。主要是用于测量电气设备和供电线路的
绝缘电阻。
测量连接方法类似电压表。不同的是兆欧表有三个接
线柱，即L（线）、E（地）和G（屏），在进行一般测量
时，只要把被测绝缘电阻接在L与E之间便可。但在测量表
面不干净或潮湿的对象时，为了准确测量绝缘电阻，就必
须使用G。
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3、电工仪表的分类
电工仪表基本上可分为两大系列：
（1）以数字技术为基础构成的电子式数字显示仪表，
简称“数字表”。
（2）以电磁作用力为基础构成的机械式模拟指针表，
简称“指针表”。
数字仪表是将连续变化的物理量（称模拟量）转变为
不连续的数字量加以显示的新型仪表，是电工仪表发展的
方向。
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4.2
电流、电压与电位的测量
4.2.1 实训目的
1）加深对电流、电压与电位的理解。
2）掌握直流电路电流、电压和电位的测量方法。
3）验证电路中各点电位的相对性，电压的绝对性和
等电位点的公共性。
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4.2.2 实训原理
1.电路模型
电路基本上是由电源、中间环节和负载三部分构成。
为了研究的方便，通常将实际电路抽象为电路模型，用
电阻、电容和电感等理想元件来模拟电路中的元器件，用理
想的电压源和电流源来替代电路电源，再用理想导线将这些
元器件连接起来，构成电路模型，如图4-11所示。
图4-11 电路模型
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2.电路基本参数
1）电流
2）电压
3）电位
4）正电位与负电位
5）等电位
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3.电流、电压和电位的测量
1）电流的测量
2）电压的测量
3）电位的测量
4）电压表的正确接法：
① 电压表外接法测量电路；
② 电压表内接法测量电路。
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4. 电压表的内接法与外接法
2）当被测电阻较小时，
1）当被测电阻较大时，
为了减少误差，通常采用
为了减少误差，通常采用
内接法。
外接法。
图4-12 电压表外接测量电路
图4-13 电压表内接测量电路
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4.2.4 实训内容与步骤
1.电压、电位测量
电路如图4-14所示。电路参数：直流电源 US1＝20V，
US2＝10V，R1＝120Ω，R2＝200Ω，R3＝100Ω，R4＝150Ω，
R5＝120Ω。
图4-14
电压、电位测量电路
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操作步骤
1）接通稳压电源，将两个电源的输出电压分别调到
20V和10V。
2）用电压表分别测出各点电位Ua、Ub、Uc、Ud、Ue
以及电压Uab、Ubc、Ucd、Ude。
3）根据测得的数据，验证电压与电位差的关系：
Uab＝Ua－Ub，Ubc＝Ub－Uc，Ucd＝Uc－Ud，Ude＝Ud－Ue， 其
值与基准点O无关。
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2.电流的测量
电路如图4-15所示。电路参数：直流电源US1＝14V，
US2＝9V，R1＝20Ω，R2＝5Ω，RL＝6Ω。
图4-15
电流测量电路
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操作步骤
1）调节直流稳压电源，使输出电压为：Us1＝14V，
Us2＝9V，并用直流电压表校准电压值。
2）用直流电流表测量I1、I2和I3的电流值，再用电
压表测量Uao 电压值，并将电流、电压测量值填入表4-3
中。
3）根据公式I3＝Uao/RL，计算电流I3 值，并验证I3
的测量值与计算值是否相等。
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4.2.6
注意事项
1）认真选用元器件和测量仪表的型号、规格。
2）要了解仪表测量的读数方法和误差处理方法。
3）测量时，要注意仪表的正、负极性。
4）要根据估算的电压、电流值来选择仪表的量程，量
程太小，容易损坏仪表；量程太大，误差大，测量不精确。
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4.3 元器件伏安特性的测量
4.3.1 实训目的
1）加深对元器件伏安特性的理解。
2）掌握线性和非线性元器件伏安特性的测量方法。
3）掌握线性和非线性元器件伏安特性曲线的绘制方法。
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4.3.2 实训原理
1）元器件的特性，一般用该元件上的电压U与通过
该元件的电流I之间的函数关系来表示，这种函数关系称
为该元件的伏安特性，有时也称为电路VCR (Voltage
Current Relation )。用U和I分别作为纵坐标和横坐标绘
成的曲线就叫做伏安特性曲线。
2）电阻、白炽灯泡和半导体二极管等，都是电路元
件。其中线性电阻的伏安特性是一条通过原点的直线，
该直线的斜率等于该电阻的阻值，如图4-16 A所示。
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3）白炽灯泡在工作时，灯丝处于高温状态，其灯丝
电阻随着温度的改变而改变，具有非线性电阻元件的伏
安特性，其阻值也不是常数，所以它的伏安特性为一条
曲线，不服从欧姆定律。
4）半导体二极管也是非线性元件，其阻值不但随电
压和电流的大小而改变，还与电流的方向有关。当正向
接法时，其外特性如图4-16 C所示。
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5）稳压二极管的正向伏安特性类似普通二极管，但
反向伏安特性则较特别，如图4-16 D所示。
在反向电压开始增加时，其反向电流几乎为零，但
当电压增加到某一数值时（一般称稳定电压），电流突
然增加，以后它的端电压维持恒定，这种稳压特性，在
电子设备中有着广泛的应用。
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特性曲线
图4-16 线性电阻与非线性电阻的特性曲线
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4.3.4 实训内容与步骤
1. 测量线性电阻的伏安特性
电路如图4-17所示。电路参数：直流电源＝0～20V，
RL＝100Ω，S为单刀单掷开关。
图4-17 测量线性电阻伏安特性电路
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操作步骤
1）先将稳压电源调到零位，闭合开关S，缓慢调节
稳压电源Us的输出电压，使输出电压分别为表4-5所列出
的电压值。
记录时，以并联的电压表的指示值为准。然后逐点
测量通过负载电阻RL的电流值，并填入表4-5中。
2）在实训报告册上，用逐点法绘制线性电阻RL的伏
安特性曲线。
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2.测量白炽灯泡的伏安特性
将上述电路中的负载电阻RL换成20W/36V白炽灯泡，重
复上述步骤，即可测得白炽灯泡两端的电压及相应电流数
值，如图4-18所示。
图4-18 测量白炽灯泡伏安特性的电路
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操作步骤
1）将稳压电源Us调到零位，闭合开关S，缓慢调节Us
的输出电压，使输出电压分别为表4-6所列出的电压值。
记录时，以并联的电压表的指示值为准。然后逐点
测量通过白炽灯泡的电流值，并填入表4-6中。
2）在实训报告册上，用逐点法绘制非线性电阻－白
炽灯泡的伏安特性曲线。
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3.测量二极管的正反向伏安特性
电路 如图 4-19 所示 ， R为限流电 阻 。 首先 用万用表
R×100Ω或R×1KΩ档，判定二极管的极性，并记录等效
正向阻值和反向阻值。
图4-19
测量二极管和稳压管伏安特性电路
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操作步骤
1）将稳压电源调到零位，闭合开关S，接通电源，缓
慢调节Us的输出电压，使输出电压U分别为表4-7所列出
的电压值。然后逐点测量通过二极管的正向电流ID+和反
向电流ID- ，将所测的电流值填入表4-7中。
2）在实训报告册上，用逐点法绘制二极管正反向伏
安特性曲线。
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4.测量稳压管正反向的伏安特性
将图4-19所示电路中的二极管换成稳压二极管，重复
上述步骤并记下读数。
图4-19
测量二极管和稳压管伏安特性电路
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4.3.6
注意事项
1）实验时，电流表应串接在电路中，电压表应并接在
被测电路两端，要注意电流表的方向和电压表的极性。
2）合理选择量程，切勿超过电压表和电流表的量程，
以免损坏电表。
3）稳压电源的输出，应由小至大逐步增加，输出端切
勿碰线短路。
4）测量二极管正向特性时，电源输出要由小到大，逐
渐增加，切勿超过最大工作电流而损坏二极管。
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4.4 电流源与电压源的等效变换
4.4.1 实训目的
1) 加深对电流源与电压源的理解。
2) 熟悉电流源与电压源的外特性。
3) 掌握电压源与电流源的等效变换方法。
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4.4.2 实训原理
1）电压源是一种理想的电路元件，其端电压是一固定值。
无论负载如何变化，端电压总保持一定。实际电压源模型
可以看作一个理想电压源与一个电阻的串联组合。
2）电流源也是一种理想的电路元件，其输出电流是一固
定值。无论负载如何变化，输出电流总保持一定。实际电
流源模型可以看作一个理想电流源与一个电阻的并联组合。
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3）电路分析时，有时将实际电源看成理想电压源
与等效内阻相串联，或看成理想电流源与等效内阻相
并联，根据电路分析的需要，电压源与电流源可以进
行等效变换。
电压源与电流源的等效变换是指外部变换，即变
换前后端口的外特性保持不变。
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4.4.4 实训内容与步骤
1.测量理想电压源的外特性
电路如图4-20所示。电路参数：直流电源Us＝10V，
电阻R＝200Ω，可变电阻RL＝1KΩ，R为限流电阻。
图4-20 测量理想电压源伏安特性电路
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操作步骤
1）闭合开关S，调节Us的输出电压为10V。然后，缓
慢调节可变电阻RL，使RL阻值由小到大变化，分别为表
4-9所列出的值。
2）逐点测量电压和电流值，并将所测电流和电压值
填入表4-9中。
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2.测量实际电压源的外特性
电路如图4-21所示。电路参数：直流电源Us＝10V，R0
＝100Ω，限流电阻R＝200Ω，可变电阻RL＝1KΩ。将直流
电源US与电阻R0串联，来模拟实际电压源。
图4-21
测量实际电压源伏安特性的电路
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操作步骤
1）闭合开关S，使稳压电源Us的输出电压为10V。再
缓慢调节可变电阻RL，使RL 阻值由小到大变化，分别为
表4-10所列出的值。
2）逐点测量电压值和电流值，并将所测电流和电压
值填入表4-10中。
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3.测量理想电流源的外特性
电路如图4-22所示。电路参数：Is为直流稳流源，输出
电流为10mA。负载电阻RL＝470Ω，电阻Ro分别为1KΩ和
∞（开关S1接通或断开）。
图4-22
测量理想电流源外特性电路
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操作步骤
1）断开开关S1（相当于R0开路），闭合开关S2，缓
慢调节电阻RL，使可变电阻RL 的阻值分别为表4-11所列
出的值。
2）逐点测量电流和电压值，并填入表4-11中。
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4.测量实际电流源的外特性
1）测量电路仍如图4-22所示。闭合开关S1和S2，使电
流源Is与电阻R0并联，模拟电流源。
2）缓慢调节电阻RL，使RL 的阻值分别为表4-12所列出
的值。然后逐点测量电流和电压值，并填入表4-11中。
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5.电压源与电流源等效变换
1）电路按图4-23（a）接线。电路参数：Us＝10V，R0＝
100Ω，RL＝470Ω，闭合开关S，并记录电压表和电流表读数。
图4-23 a 测量电压源外特性电路
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2）然后利用原有的元件和仪表，按图4-23（b）接线。
调节电流源的输出电流IS，使电压表与电流表的读数与图423（a）电压源相等，记录IS值。
图4-23 b 测量电流源外特性电路
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3）验证电压源与电流表等效变换条件的正确性。
图4-23 a b
电压源与电流源等效变换
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4.4.6
注意事项
1)在测量电压源的外特性时，切勿忘记测空载时的电压
值（即＝∞时的电压值）。测电压源时，一定要接限流电
阻，且不允许短路。
2)在测量电流源的外特性时，切勿忘记测短路时的电流
值。测电流源时，负载电压不允许超过20V，更不允许开路。
3)拆装线路时，务必关断电源，不许带电操作。
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*4.5 受控源的实验研究
（设计性实训）
4.5.1 实训目的
1) 加深对受控源的理解。
2) 了解受控源特性的实验研究方法。
3) 初步掌握设计性实训的思路和方法。
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4.5.2 实训原理
1) 电源可分为独立源（电压源、电流源）与非独立
源（受控源）两种。在电路分析中，受控源可视为一个
与电阻、电容和电感等无源元件一样重要的元件。
2) 受控源通常分为四种：
电压控制电压源（VCVS）
电流控制电压源（CCVS）
电压控制电流源（VCCS）
电流控制电流源（CCCS）
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1. 电压控制电压源
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2. 电压控制电流源
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3. 电流控制电压源
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4. 电流控制电流源
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受控源的基本特性
受控源的基本特性主要有：输入特性、输出特性
及转移特性。输入特性是指控制端电压与电流之间的
关系，用输入特性曲线表示。输出特性是指控制量为
某一常数时，输出端电压与电流之间的关系，用输出
特性曲线表示。
转移特性是指输出量与控制量之间的关系。
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4.5.4 实训内容与步骤
1. VCVS的实验研究
电 路 如 图 4 - 2 6 所 示 。 电 路 参 数 ： 直 流 稳 压 电 源 U1＝
0~10V连续可调，R1＝R2＝10KΩ，RL＝0~2KΩ（可调电
阻），受控源实验电路板（或集成运放）。
图4-26 电压控制电压源测试电路
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操作步骤
1）测试VCVS转移特性
U2  f (U1 )
调节稳压电源的输出电压U1 ，用电压表逐点对应测量
输出电压U2 ，并将所测数据填入表4-14中，并绘制曲线。
2）测试VCVS负载特性
U 2  f ( RL )
保持U1＝2V，调节负载电阻RL的大小，用电压表逐点
对应测量输出电压值U2，并将所测电压值填入表4-15中。
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2. VCCS实验研究
电路如图4-27所示。电路参数：稳压电源U1＝ 0~10V连
续可调，R1＝10KΩ，RL＝0~2KΩ（可调电阻），受控源电
路板（或集成运放），操作步骤同上。
图4-27 电压控制电流源测试电路
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操作步骤
1）测试VCVS转移特性
I 2  f (U1 )
调节直流电源的输出电压U1，用电压表逐点对应测量
输出电流I2，将所测数据填入表4-16中，并绘制曲线。
2）测试VCVS负载特性
I 2  f ( RL )
保持U1＝2V，调节负载电阻RL 的大小，用电压表逐
点对应测量电压值输出I2，并将所测电压值填入表4-17中。
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3.CCVS实验研究
电路如图4-28所示。电路参数：直流稳流源的输出电
流值为I1，R＝10KΩ，RL＝0~2KΩ（可调电阻），受控源
实验电路板（或集成运放）。
图4-28
电流控制电压源测试电路
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操作步骤
1）测试CCVS的转移特性
U 2  f ( I1 )
调节直流稳流源输出电流I1，用电压表逐点对应测量
输出电压U2，将所测数据填入表4-18中，并绘制曲线。
2）测试CCVS负载特性
U 2  f ( RL )
保持I1＝0.2mA，调节负载电阻RL 的大小，用电压表
逐点对应测量输出电压U2，并将所测电压值填入表4-19中。
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4. CCCS实验研究
电路如图4-29所示。电路参数：稳流源Is输出电流连
续可调，R1＝ R2＝ 10KΩ，RL＝ 0~2KΩ （可调电阻），受
控源电路板（或集成运放），操作步骤同上。
图4-29 电流控制电流源测试电路
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操作步骤
1）测试CCCS的转移特性
U 2  f ( I1 )
调节直流稳流源的输出电流I1，用电流表逐点对应测
量输出电流I2，并将所测电流值填入表4-20中，并绘制特
性曲线。
2）测试CCVS负载特性
U 2  f ( RL )
保持I1＝0.2mA，调节负载电阻RL的大小，用电流表
逐点对应测量电流值I2，并将所测电流值填入表4-21中。
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4.5.6
注意事项
1) 运算放大器输出端不准与地短路，输入电压不得大
于5V。
2) 运算放大器需用±12V或±15V供电，其正负极和管
脚不能接错。
3) 用电流源供电的实验，不允许开路。
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4) 做VCVS及CCVS实验时，输出端严禁短路。
5) 做受控源实验时，严禁用万用表的电流档测VCVS及
CCVS的输出电压。
6) 稳压电源输出应由小至大逐步增加，输出端切勿短
路。
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4.5.7
设计报告要求
主要内容：
1）实训目的、基本原理和实训设计方案。
2）电路图、所需仪表、元器件及电路参数。
3）实验内容和操作步骤。
4）数据测量与分析。
5）设计总结。
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