电路分析与设计–2024-25，第一学期
实验室手册
学生的中文名字
学生的英文名
学生的电子科技大学学号
学生的 UoG ID#
1
一般说明
电路分析和设计实验课的一些一般说明。
1. 请在所有实验课中带上你的实验手册和你自己的元件盒，里面有试验板、电线和万用表 (与你在第
一年微电子学入门课中所用的一样)。
2. 学生需要参加超过 66%的实验课，以避免 CW 分数(扣分)，因此至少 6 分中的 4 分。当你完成实验任
务时，一定要让助教知道，这样他们可以签字同意你的工作，并把你的名字写在考勤表上。在此之
前不要离开实验室。
这本小册子包含 5 个实验活动脚本，每个都与一个单独的教学周有关，除了最后一周。
在最后一周，你将有机会完成最后提交的实验报告，并补上前几周未完成的工作； GTAs 和老师会在你
准备考试时讨论你可能有的任何问题。
实验活动总结如下:
实验
室编
号
一
2
3
四
5
6
实验主题
熟悉实验室及其设备
基于 PSpice 和戴维宁定理的 DC 电路
瞬变和时间常数
交流电路和滤波器
运算放大器
实验室报告任务
你将如何被评估？
您需要:

在 Moodle 上提交一份个人实验报告，你需要了解实验课 4-5 的主题。这份报告不得超过 3 页 A4
纸。“实验报告任务”部分(本实验手册末尾的第 25 页)提供了更多信息，我们在其中为您提供了
问题描述和一些关于如何撰写报告的提示。
这将占你电路设计和分析总分的 25%。

每个实验环节都有一些问题需要你在实验手册上回答。这将不计入您的最终分数，但需要由 GTA 检
查、批准和签署，以便将实验课算作已参加。如果您不回答这些问题，您的实验室出勤将不被计算
在内。
这也将是一个机会，让你获得一些关于你的工作的反馈，并思考在你的实验活动中哪些地方可以改
进或做得更好，如果你想在自己的时间里重复它们的话。
2
实验 1–熟悉实验设备
在本实验课中，你将熟悉实验室的设备，并学习如何使用。
实验室规则和健康与安全
请仔细阅读这些规则——如有任何问题，请咨询老师或 GTA。
熟悉环境，找到安全出口、灭火器、急救箱(如果有的话)和紧急联系电话(电子科技大学教学办公
室)。
对于电路分析和设计，除了使用电器和计算机之外，没有特别的危险。将设备连接到交流电源时要小
心谨慎，不要试图打开示波器、电源装置、波形发生器的机箱。
在极少数情况下，如果您在组件或芯片上提供过大的电压/电流，它们可能会燃烧并冒烟。不要惊慌，
立即通知 GTA 和老师。
 如果你需要使用焊接工具，要小心，因为它的顶端很烫。
 当你离开实验室时，尽可能保持你的桌子整洁。
 不要在实验室里喝水或吃东西。请把你所有的垃圾扔进垃圾箱。
 尊重实验室设备；用完东西后，把它们放回原处。
 将其他学生遗忘的物品放在实验室入口处的教师桌上。
在获取电阻、电容或芯片等元件时，只获取实验室必需的元件，不要获取过多不需要的元件，否则可
能会造成浪费。
o 尽量不要将不同阻值的电阻和电容混在一起，它们通常会在抽屉中很好地分开，我们希望
它们保持这种状态。
试验板
在 PCB 上设计电子电路的最终版本之前，试验板是制作电子电路原型和构建电子电路的简单工具。下
图显示了试验板的简化草图(注意，您的试验板可能稍有不同，或大或小)。
由数字 1-4 表示的每条水平线中的节点(孔)是电连接的，因此我们可以说每条线中每个节点之间的电
压总是 0V。垂直线中的节点也是如此，在我们的简化图中用 A-C 表示。请注意，这个试验板是分开的
3
在中间分成两个不同且电绝缘的半部，顶部和底部。因此，例如，线 A 中的节点和线 C 中的节点之间没
有电连接。
如果您可以打开试验板并移除塑料，您会看到节点(孔)下方有金属条，提供电气连接。每个金属条都
有夹子，可以夹住插入试验板的电线或元件。为了您的方便，本网站提供了更多信息(https://
learn.sparkfun.com/tutorials/how- to-use-a-bread board)。如果你对面包板一点都不熟悉，我们
建议你在自己的时间里快速浏览一下这个网页；那里的图片也很有用，很容易理解。
使用试验板时，您应该记住两件事:
 一些可用于示波器或其他仪器的探针可能会因电线太粗而无法进入试验板而终止。不要将这些大型
电线和探针强行插入试验板。你可能需要在实验室里找到一个这种类型电线的适配器，或者将一根
细电线连接到一根粗电线上。GTA 和老师会在遇到问题时提供帮助。
 试验板有频率限制。你使用的信号频率越高，试验板就会变得越差。确切数字取决于试验板的质量
和材料，但根据经验，您可以将数十 MHz 视为一个极限。限幅意味着频率高于阈值信号将会有损耗
和失真(由于寄生电容等现象),这可能会损害信号的质量和形状。因此，如果您使用的信号频率在
几十 MHz 左右，请注意这些可能的现象。
数字万用表
数字万用表是一个非常有用的工具，可以在实验室的许多情况下帮助你。您可以测量电压、电流、电
阻并进行连续性测试。如果您对数字万用表完全不熟悉，请查看此链接了解更多信息 (https://
learn . spark fun . com/tutorials/how-to-use-a-multimeter)。
现在我们将使用数字万用表来测量电阻。从实验室后面的机柜中取出(仅)三个不同阻值的电阻，例如
100ω、10kΩ、1mω。
首先，确保你知道如何从电阻体上的色带读取电阻值。网上有很多资源可以帮助你熟悉这个话题，比
如这个链接
https://www.digikey.co.uk/en/resources/conversion-calculators/conversion-calculatorresistor-color-代码-4 波段
请特别注意电阻器的公差值。这用标称值的百分比表示，在本课程的后面部分，您将了解到设计滤波
器或放大器电路时考虑容差的重要性。
然后，使用数字万用表测量电阻值，并在标称值和实验值下方的空白处做一些记录。您测量的值与标
称值有多大差异？你的读数在公差范围内吗？
标称值
测量值
容忍
数字万用表也可以测量电压和电流。但我们首先需要介绍电源，它是一种设备，可以为我们提供独立
的电压(或电流)源。
4
该电源单元
电源单元可以做很多事情，但我们在实验室中主要将其用作恒压源(如电池)和/或恒流源。
请确定您工作台上的电源并记下其部件号，以便您在需要更多信息时可以通过互联网查找其手册。
请务必理解恒压输出(CV)模式和恒流输出(CC)模式的含义。
现在做一个实际测试，让你熟悉电源和数字万用表。如果你遇到任何问题，请寻求 GTAs 或老师的帮
助。
 将电源设置为 CV 模式，以获得 5V 输出。
 将电源端子连接到试验板。确保将正极端子和负极端子连接到试验板上的两个不同节点。
 使用数字万用表确认电源产生 5V 输出。
 将该值更改为 3.3V 和 9V，并用数字万用表再次确认。将电压恢复至 5V，并关闭电源。
 现在，在试验板上构建一个简单的电路，如下所示。电压源 VP 是电源，正端由+表示，负端连接到
电路的地，由图底部的两条水平线表示。接地是电路中电压始终为 0V 的点。其他节点上的所有电
压都参考这个 0V 值，它们将是相对于这个零点的数字。
 将这些端子连接到值为 100 欧姆的 R1。如果你不确定，寻求帮助。

有多少电流流过电阻器？你可能知道也可能不知道欧姆定律，这是一个电路的基本定律，它说电阻
上的电压 V 等于电阻 R 和流过电阻的电流 I 的乘积，V=RI。使用欧姆定律找出估计的电流。
我=
？
现在你需要用数字万用表测量电压和电流。测量电压(您之前所做的)和测量电流(您现在正在尝试做的)
之间的一个基本区别是:
 测量 V 时，万用表与元件并联(电压相同)
 测量 I 时，万用表与元件串联(电流相同)
并联元件和串联元件之间的区别是一个基本概念，我们也将在课堂上研究。我们在这里用一个实际的
例子来介绍它，看看下图中的连接:
5

让我们从电压开始。按照右侧的图连接数字万用表，打开电源(确保产生 5 V 电压),并使用数字万
用表测量电压。你得到预期的电压值了吗？
V=
？

关闭电源。如图所示，在左侧连接万用表(串联)。确保选择万用表旋钮的正确位置，测量电流而不
是电压(200 mA 即可)。打开电源。读取电流值。这和你从上面的欧姆定律计算中所期待的类似吗？
如果有任何问题，一定要问 GTA 或老师。
我=
？

当你完成时，记得把万用表放回关闭位置。
波形发生器
任意波形发生器(AWG)将被用作交流信号(电压随时间变化的信号)的来源。这些可以是简单的正弦波、
方波或三角波，也可以是更复杂的波形和调制。
请确定您工作台上的波形发生器，并记下其零件号，以便您在需要更多信息时可以通过互联网查找其
手册。
AWG 有两个通道。这意味着您可以同时产生两个独立的不同信号(由 CH1 和 CH2 输出表示)。我们现在不
考虑同步输出；好奇请参考手册。
每个通道 CH1 和 CH2 由两个端子组成:一个输出电压和一个地，因为输出电压总是以地为基准 (我们的
0V)。但是，如果您查看 CH1 的前面板，您将只看到一个连接器。为什么？
这种连接器称为同轴电缆，实际上由两个金属连接器组成，内部引脚和外部金属，由塑料或空气 (绝缘
材料)隔开。内部引脚是有信号的端子；外部金属被视为仪器的接地 (0V)。当您将 AWG 连接到试验板
时，您将需要一个同轴探针，它有两个端接端子，一个用于信号，一个用于接地，分别连接到试验板
上的两个不同节点。如有问题，请询问助教或老师。
示波器
示波器是我们今天分析的最后一件设备。它用于检查一段时间内的信号值(在时域中)。因此，如果你
看它的显示，X 轴有时间维度(以秒及其子单位测量), Y 轴表示信号的幅度
6
测试并具有电压尺寸(以伏特或其子单位测量)。在本课程中，示波器将是您可视化 AWG 产生的信号和
电路产生的信号的主要工具。
请识别您工作台上的示波器并记下其零件号，以便您在需要更多信息时可以通过互联网查找其手册。
您会看到示波器有不同的通道，我们的型号有 4 个通道。这意味着每个频道可以显示一个独立的信
号，因此您最多可以同时观看 4 个信号。例如，如果您想查看电路的输入信号，然后同时查看不同的
中间输出，这将非常有用。
每个通道有两个终端:信号和地面，正如你已经看到的 AWG。现在是实际练习。
 将 AWG 通道 1 的端子连接到试验板。
 将示波器的通道 1 连接到试验板的相同节点。记住信号端去信号端；地归地。
 产生峰峰值电压等于 2V、频率等于 1 kHz 的正弦波形。
 你能在示波器上看到这个波形吗？如果你有问题，把你的波形给 GTA 或老师看。
 现在，在 AWG 上，尝试在 100 mV 和 8V 之间改变波形的峰峰值电压。示波器屏幕上的波形会发生什
么变化？
 确保您知道如何改变示波器上的垂直刻度来显示完整的波形。问你有没有问题。
 现在，在 AWG 上，在 100 Hz 和 50 kHz 之间改变波形的频率。示波器屏幕上的波形会发生什么变
化？
 确保您知道如何改变示波器上的水平刻度，以显示整洁、清晰的波形。问你有没有问题。
 现在，回到 AWG，生成一个最大值= 3V、最小值为 3V 的正弦波形
= -1V，频率= 5 kHz。
 在示波器上清晰地显示这个波形。您可以尝试示波器的 autoscale 按钮，也可以像前面一样使用垂
直/水平显示刻度。
 周期是频率的倒数，从物理学上你应该知道。如何使用示波器测量这个波形的周期？示波器显示屏
中有测量工具，或者您可以计算屏幕中的分度数。我们建议熟悉第二种方法来理解示波器的工作原
理。如有问题，请参考手册或询问 GTA。
 现在将 AWG 的 CH2 和示波器的 CH2 连接到试验板，这样就可以看到该信号和通道 1 的信号。在通道
1 产生 2V 峰峰值、0V 失调、1 kHz 正弦波，在通道 2 产生 2V 峰峰值、0V 失调、4 kHz 正弦波。在示
波器上显示两个波形。相应地调整刻度(垂直和水平)。
 现在你需要把示波器截图，导出成图。使用 u 盘获取数据。
 您还需要将示波器通道 1 和通道 2 的轨迹导出为. CSV 数据文件。请参考手册。一旦获得两条轨
迹，请使用 MS Excel 或 MATLAB 绘制两条轨迹，并复制您在示波器屏幕上看到的内容。
准备就绪后，将图片(截图)和 Excel/MATLAB 图展示给 GTA 或教师，以确认您的实验课已成功参加。
7
实验 2–使用 PSpice 和戴维宁定理的 DC 电路
在本实验课中，你将使用计算机程序 PSpice 来模拟电路的行为(SPICE =集成电路工程模拟程序)。
您将首先运行一个简单的仿真来熟悉软件，然后运行一个更复杂的电路来熟悉戴维宁定理。这是一个
相当长的实验室，所以你需要快速工作；如果你没有完成，你可以在你自己的时间回到实验室。
第 1 部分-熟悉 PSpice 打开 PSpice
选择开始> >或 CAD16.2 >捕获。
加载软件和访问许可证服务器时会有短暂的延迟。等到红色闪屏消失。屏幕将显示 OrCAD Capture 主
窗口，带有一个菜单栏和一个工具栏。子窗口显示会话日志(除非最小化，在这种情况下打开窗口)。
您的第一个动作必须始终是打开一个项目——当您开始一个设计时，可以是一个新项目，或者当您返
回到以前的设计时，可以是一个现有的项目。
创建新项目







从菜单栏中选择文件>新建>项目。在“新建项目”对话框中:
填写项目的标题(例如 Ex1 或 proj 1——您的姓名首字母可能有助于识别)
选择模拟或混合 A/D 按钮
单击浏览键，选择驱动器 H:\并导航到合适的位置。单击创建目录按钮，并为子目录输入合适的名
称，例如 Ex1。(包括姓名首字母)。点击确定。
选择这个新目录，然后单击“确定”——路径和目录现在显示在“位置”框中。在新建项目对话框
中单击确定。
选择“创建空白项目”按钮。
单击确定-这将打开一个示意图窗口，如下所示
“项目管理器”窗口(标题为 name.opj)现在显示与您的设计相关联的文件，以及将使用的资源，例如
库文件。您应该确保选择了“文件”选项卡。
8
窗口 Schematic1: Page 1 是您的设计页面。单击它使其成为活动窗口。(请注意，当您激活此窗口
时，屏幕右侧会出现一个工具条，这是 Schematics 工具条)
标题框
如果您愿意，可以在标题框中记录一些有用的项目信息。





在逻辑示意图页面编辑器窗口中单击以激活该窗口，并将其放大以充满屏幕。
滚动到图纸的右下角，找到标题框。
双击文本< Doc >。
在“显示属性”对话框的“值”框中键入您的姓名，然后单击“确定”。
在<标题>字段中输入绘图的标题。
模拟:具有固定电阻负载的网络的 DC 分析
第一个任务是使用 Pspice 中的原理图页面编辑器窗口绘制下图所示的电路图。
在 Schematics 窗口中(双击项目管理器窗口中的第 1 页)。你将看到上面讨论的图纸，你可以通过从零
件库中选择和放置元件来绘制电路图。
您现在可以开始放置设备了。然而，ORCAD 是一个非常强大的专业设计工具。有许多库包含数千种设备
和电子元件的仿真信息，并且每天都在更新。我们需要确保这里已经加载了与我们的目的相关的库。
检查您是否有正确的库
右手边的一排按钮允许我们修改原理图。最上面的按钮是指针。在它的正下方是“放置零件”按钮。



左键单击 Schematics 工具栏(屏幕右侧)中的获取新零件图标，将打开一个新窗口，显示可扫描的
组件列表
在库部分，确保您有模拟、设计缓存、运算放大器和源。
如果你没有，去添加库，然后在 Pspice 文件夹中选择所需的库，然后点击打开。
9
现在，您必须将所需的电子元件放置在图纸上。





在“放置零件”对话框中，单击模拟库。
在标有 PartI 的框中键入“R”。
确保 R 在零件列表中高亮显示
注意它叫 R？默认值为 1kω。
单击确定。
现在，电阻器将随着鼠标在工作区内移动，直到您左
键单击鼠标将其固定到位。一旦放置在工作区，第一
个电阻就被命名为 R1，并“吸附”到刚好可见的网格
上。
即使您删除了之前的电阻，每个后续电阻也会按顺序编号。尽管每个组件必须有一个唯一的名称(编
号)，但它可以有您喜欢的任何值。要退出电阻器，右击鼠标并选择结束模式。
组件(此处为电阻 R1)可通过鼠标左键单击激活(确保您单击的是组件的正中心，而不是边缘的电线)。
一旦激活(其颜色将从蓝色变为粉红色)，按住鼠标左键并移动鼠标即可在工作区内移动。在名称框
(R1)上双击鼠标左键以更改电阻器名称(它必须仍然以“R”作为第一个指示符，以表明它是一个电阻
器)，或者在值框(1k)上单击鼠标左键以更改其默认值。
要更改电阻器相对于网格的方向:


激活它，这意味着你点击符号，符号变成粉红色
进入编辑菜单并
1. 单击旋转或
2. 按 Ctrl-R 作为快捷键，或者
3. 右键单击活动组件，然后单击旋转。(使用这种方法，您可以根据最后点击的鼠标按钮向任意方
向旋转——试试看。)
尝试所有三种方法来熟悉这个操作。会经常用到。
您会注意到，如果在从“获取新零件”文件中“拾取并放置”一个电阻后，用鼠标左键单击，然后移
动鼠标指针，会显示一个新的电阻，其参考号在最后一个电阻上增加 1。在将该新电阻器定位在工作空
间内的合适位置之前，可以使用上述第二种至第三种方法中的任一种来旋转该电阻器。
以这种方式“抽取”额外电阻的过程可以根据需要重复多次。单击鼠标右键将退出电阻文件。显然，
与反复访问获取新器件文件相比，这是一种更快的“绘制”大量电阻的方法。
这样练习“画”电阻；突出显示不需要的电阻，然后按 Delete 键，即可将其删除。
务必按照本节所示的电路原理图绘制电阻网络。
10
现在剩下的组件。从源库中选择并放置一个 DC 电压源(VDC ),并将 DC 电压源的值设为 10V。
对于模拟接地符号(GND _模拟)，您需要使用右侧菜单上的特殊接地符号。如果需要，去添加库，然后
在 Pspice 文件夹中选择源库，然后点击打开。在源库中选择标记为“0”的零件。这将建立一个零基
准电压
构建电路图的最后一项任务是连接元件。这可通过使用 Schematics 工具条主菜单栏上的放置导线单选
按钮(在获取新零件按钮下方)来完成。



将光标放在您希望开始“连接”电路的位置。
单击左键一次并移动(强烈建议平行于网格线)到下一个位置。
单击鼠标左键将固定导线，并且可以重复单击鼠标左键-移动-单击鼠标左键来绘制新的互连导线的
过程，直到完成布线。
随时按 ESC 键将退出拉丝模式。同样，可以高亮显示并删除不需要的焊线。
电路已准备好进行模拟。
由于所有元件都有固定的(定义的)值，PSpice 在这种情况下只需计算电路中不同的 DC 偏置电压和电
流。
 单击屏幕顶部工具栏上的新建模拟配置文件按钮。
 将新的模拟称为 Sim1 或易于记忆且不言自明的名称。确保从“继承自”框中选择“无”。
 将出现一个模拟设置窗口；只需点击确定。
 按下工具栏上的“V”和“I”按钮。
 单击运行 PSpice 模拟按钮(或 F11)。您将看到一个新窗口打开，其中记录了模拟的进度。
如果电路包含错误，将会打开另一个窗口，详细说明 PSpice A/D 无法执行计算的可能原因。
如果模拟运行没有错误，将出现消息“计算的偏置点”。然后将打开一个窗口，其中包含一个 x 轴为
时间的图表。
返回到原理图窗口。按下“V”和“I”单选按钮，显示电路电流和电压的计算值，如前一页所示。
要标记一个节点，双击连接到该节点的其中一条连线。将打开一个名为“设置属性值标签”的弹出
框，您可以在其中键入字母和数字的组合。不允许有空格。
在这一阶段，如果一切正常，您应该能够看到电路中每个元件的电压 V 和电流 I 的值。如有问题，请咨
询 GTA。请在下面写下您的电路中每个节点的电压，从 A 到 f。作为附加练习，您可以在没有 Pspice 的
情况下自己解决电路，以检查您是否获得了相同的结果。
VA
=
VB
=
VC
=
VD
=
VE
=
VF =
11
第 2 部分–戴维宁定理
让 PSpice 打开，因为你以后会再次需要它来仔细检查你获得的结果。
在你的试验板上构建如下所示的电路。使用电源的 V1=15 V，电阻器 R1-R5 和 RL 的指示值为欧姆。本
实验的目的是构建并验证下面这个大电路的戴维宁等效电路，假设负载电阻为 RL。
1.
2.
3.
4.
5.
6.
为了构建戴维宁等效电路，需要找到戴维宁电压 VTH 和戴维宁串联电阻 RTH 的值。
从戴维宁电压开始。从电路中移除负载电阻 RL，并测量节点 A 和 d 之间的电压，这就是戴维宁电
压，即移除负载时负载端的电压。在下一页的空白处记下 VTH。
现在谈谈戴维南抵抗运动。关闭电源。更换短路的电源 V1。然后用万用表测量端子 A 和 D 之间的电
阻。这是戴维南抵抗。在下面的空白处记录 RTH。
将电阻 RL 放回电路中，将万用表连接在端子 A 和 B 或 C 和 D 之间，测量流经 RL 的电流。拆除短路
连接，并将电源放回电路中。
打开电源。读取并记录电阻器 RL 中流动的电流值。来自原始电路的 IL？
在下面的空白处画出包含 VTH RTH 和电阻 RL 的戴维宁等效电路。然后在试验板上构建等效电路，
再次测量负载电阻 RL 上的电流。
您应该测量一个与原始电路中测得的电流相当的等效电流。差异有多大，是什么导致了这种误差
(例如容差、寄生参数)？
等效电路的 IL
7.
？
最后，您可以在 PSpice 中模拟原始电路，并记录流经负载电阻 RL 的电流值。你应该得到与实验测
量值相似的值，但由于容差和寄生参数的影响，这些值并不完全相同。
12
PSpice 模拟的 IL
？
一旦您获得了当前 IL 的三个值，您就可以在完成实验单元 2 后将它们展示给 GTA，以便让其签字同意您
参加实验。
13
实验 3–瞬变和时间常数
在本实验课中，你将描述包含电容(或电感)等电抗元件的电路的瞬态特性。具体而言，您将了解电容
的选择如何影响流经元件的电流幅度，并观察输入电压平方占空比变化时的充电和放电行为。
请记住，我们所说的瞬变是指在电压或电流源突然发生变化后，对元件上的电压和电流进行分析。瞬
态的研究需要解微分方程，正如在课堂上所强调的。
让我们看看下图中的 RC 电路。
描述该电路的微分方程如下所示。如果你不知道这是从哪里来的，请用演示器再检查一遍 (它是基尔霍
夫电压定律和电容器中电流方程的结合)。
𝑉! − − 𝑅𝐶 𝑑𝑉" = 0
𝑑𝑡
𝑉"
我们将在讲座中看到，如果我们假设电压源从某一电平 K V 突然降至 0 V，电容两端的电压将有以下表
达式，其中 τ 是电路的时间常数，等于 RC。
𝑉"(𝑡) = 𝐾𝑒#$/&
1. 回忆电容器的理论，写出流经电容器的电流表达式。
2. 如果 R = 10kω，C = 20nF，计算上图所示电路的时间常数。在下面写下数值。
3. 为上一页图中所示的电路建立 PSpice 仿真。脉冲电压源的初始电压(V1)应为 0 V，变化应为 4 V
(V2)。电压源的上升时间(TR)、下降时间(TF)和延迟时间(TD)应设置为 0s。将方波周期(PER)设置
为 10 倍𝜏，将脉冲宽度(PW)设置为 5𝜏.
4. 运行两次瞬态模拟，在同一图上绘制电容两端的电压和通过电容的电流。将电流乘以某个系数，这
样就可以很容易地从图表中读出电流的幅度。
a. 第一次仿真应使用值 R = 10kω 和 C = 20 nF 进行。
b. 第二次仿真应使用 R = 1kω 和 C = 0.2 μF 来运行。
c. 地块的时间跨度应为 20 𝜏.步进上限应小于 0.1 𝜏，以便清楚显示电流的上升和下降。
14
5. 对于这两种模拟，在瞬态过程中，当电容两端的电压从 4 V 降至 0 V 时，从曲线中读取值，完成下
表。请指出您当前使用的测量单位。
C 两端的电压[V]
3.75
3.5
2.5
1.5
0.5
0.25
时间
通过 C 的电流
C 两端的电压[V]
3.75
3.5
2.5
1.5
0.5
0.25
时间
通过 C 的电流
6. 重复模拟，将电压脉冲的占空比改为 0.1，然后改为 0.9。你观察到了什么？在这里做些笔记。
7. 现在，利用 R = 10kω、C = 20 nF 和一个针对输入电压的任意波形发生器，在试验板上构建电
路。在发生器中，将方波的占空比和周期分别设置为 0.5 和 10 𝜏。将 4 V 设为方波的峰值。
8. 用万用表测量电阻 R 的实际值，并记在这里 R= ？
9. 用示波器测量电容器两端的电压。您需要:
 将图像存储为要从示波器导出的文件。
 将数据导出为. csv 文件(如果需要，请参见实验 1)。将数据导入 Excel。绘制一部分数
据，显示当脉冲源的电压从 4 V 变为 0 V 时，电容器两端的电压如何降低。使用趋势线，找
出 指 数 拟 合 的 系 数 (https://support.office.com/en-us/article/Add-change-orremove-a-trend line-in-a-chart-fa 59 f86 c-5852-4b 68-a6d 4-901 a 745842 ad)。
 根据测得的电阻 R(可以用数字万用表测量)和指数拟合得到的系数计算电容值。
你可以在下面的空白处做些笔记。要让 GTA 签署本实验课程，您需要在 Excel 中显示您的曲线图以及电
容 c 值的计算结果。您的计算值与标称值相比如何？
15
实验 4–交流电路和滤波器
本实验的目的是描述 RC 和 CR 电路及其作为滤波器的特性，即阻止/衰减输入信号的某些频率成分但让
其他成分通过的电路。本实验中的活动将有助于您提交实验报告，因此请仔细记录您可能需要的所有
笔记和数据点！
让我们总结一些关于周期时变信号的基本概念。周期性的时间相关信号被称为 AC，即交流电。例子包
括正弦波和方波，如图 1 和 2 所示。周期 T 是信号重复自身所需的时间，周期的倒数是频率 f (f =
1/T)。频率是信号每秒重复的次数，以赫兹(Hz)为单位。
对于图 1 的正弦波，也给出了涉及信号的几个重要参数
电流或电压的振幅，我们将在本课程中定义和研究。
正弦波
1.5
一
山峰
正弦波
0.707
振幅
0.5
振幅
皇家邮轮峰值到
振幅山峰半个周期内的平均振幅 (0.636)
-0.5
0 振幅
-1
-1.5
0
45
90
135
180
225
270
315
360
时间
图 1 正弦波
图 2 显示了两个相同的正弦波(即相同的振幅和频率)在时间上的位移。这个时间延迟 t 可以表示为相移
.它被测量为周期 t 的一个完整波形的一部分，并被表示为以度或弧度为单位的角度测量(1 弧度=
360/2度:以度为单位，可以在 00 - 3600 的范围内变化，以弧度为单位，的范围是 0 到 2).
所以:相移= $ × 360。
'
正弦波
1.5
正弦波
延迟时移正弦波
一
0.5
时移 t
振幅
0
-0.5
-1
-1.5 0
T/4
T/2
时间
图 2 相移正弦波
让我们首先回忆一下我们将在课程中详细学习的一些理论要素。
16
3T/4
T







 = 2f，其中 f 是信号频率，单位为 Hz，ω 是角频率，因此 f 和 ω 不是同一个参数。
低通滤波器在较低频率下增益最高。
高通滤波器在较高频率下增益最高。
带通滤波器在中间频率范围内具有最高增益。
带阻滤波器(或陷波滤波器)在频率范围之外具有最高增益。
增益通常以分贝显示。这意味着取增益的以 10 为底的对数的 20 倍-> 20log10 (|Vout/Vin|)
滤波器的带宽，即滤波器允许通过而不衰减的频率范围，通常用最大增益的 -3 dB 来表示(即增益
为-3 dB 时的频率)。在这些电路中，这由下面的公式给出，频率通常称为截止频率。
𝑓(
=
一
2𝜋𝑅𝐶
让我们从实验工作开始。
1. 构建图 3 所示的 CR 电路，设置 R ≈ 4 k或一个接近的值。信号发生器是任意波形发生器。示波
器将有两个通道连接到图 3 中的两个节点(不要忘记接地连接！).通道 1 是电路(信号发生器)的输
入，通道 2 是输出。
第一频道
47nF
信号发
生器
第二频道
稀有
图 3 CR 电路原理图
2. 计算您在第 1 点构建的 CR 电路的理论截止频率。请记在这里。
fc=
？
3. 设置任意波形发生器以提供正弦输出，频率范围为 10 Hz 至 20 kHz，峰峰值为 2V。这是由你来决
定在这些最小和最大频率之间有多少步骤，但要确保你有足够的点来生成一个平滑的曲线 (约 10
点)。对于每个频率值，在电子表格中记下频率值、输入和输出信号的峰间振幅以及输入和输出之
间的相位差。您可能需要更改示波器的振幅和时标，以便能够正确查看波形。
17
4. 生成两个曲线图，一个是以 dB 为单位的实验增益，另一个是相移，两者都是上述电路频率的函
数。将 X 轴设置为对数刻度，这在 Excel 中使用合适的绘图选项很容易做到。
在下面的空白处画出两个 CR 电路的增益和相移图，并在继续之前向 GTA 或教师展示。
5. 看增益的剧情。请评论哪些频率范围可以通过该滤波器，哪些不能。这是什么过滤器？从你的数据
中可以看到的实验截止频率是多少？
6. 现在，如图 4 所示交换 R 和 C 的位置，构建一个 RC 滤波器。
第一频道
稀有
信号发生器
第二频道
47nF
图 4 RC 电路原理图
18
7. 重复任务 3-4 中的步骤，为这个新电路生成增益和相移图。同样，你可以在下面的空白处画出草
图，但在继续之前，一定要向 GTA 或老师展示你的电子表格中的增益和相移图。
8. 看增益的剧情。请评论哪些频率范围可以通过该滤波器，哪些不能。这是什么过滤器？从你的数据
中可以看到的实验截止频率是多少？
19
下一步将研究如何将迄今为止分别分析的 RC 和 CR 电路结合起来，以获得具有整体带通特性的新电路。
这意味着只有一定范围的频率能够通过滤波器，高于和低于该范围的其他频率将被衰减。
9. 首先，试着思考如何将 CR 电路和所分析的 RC 电路结合起来，以获得带通滤波器。试着画出电路草
图。
 请记住，您希望在输出端消除两个最高频率(什么滤波器可以做到这一点？)和最低频率(你
还需要什么滤波器？)
10. 尝试以对数标度绘制带通系统的增益图。在图中突出显示截止频率 (有两个，一个与 RC 电路相关，
一个与 CR 电路相关……)。
11. 在下面画出这些草图，并和 GTA 或老师一起检查你的方法是否正确。
12. 现在，在您的试验板上构建一个频率响应(增益)集中在 2 kHz 左右的带通滤波器(BPF)。这意味着
只有 2 kHz 左右的频率范围可以通过滤波器，而较低和较高的频率会被衰减。[提示:考虑使用 10
nF、22 nF、1kω 和 5kω 元件或与之接近的值]。




在下一页空白页上画出电路草图，标明每个元件、输入和输出的值
确保您理解并能够证明您是如何为 CR 部分和 RC 部分选择组件的
以 dB 为单位绘制增益与频率的函数关系图，从您的实验中收集尽可能多的点(即，在发生器
上设置一定的频率，测量输出和输入的峰间电压，计算增益，并在图中绘制一个点 -继续重
复此操作，直到获得包含多个点的图)。
你可以在下一页空白处记下数据，但要使用电子表格专业地绘制数据。向 GTA 或教师展示您
的带通滤波器图。
20
作为实验 4 的总结，要成功通过本节课，您需要向 GTAs 教师展示 CR 电路、RC 电路和带通滤波器的令人
信服的增益图。
21
实验 5–运算放大器
在本实验课中，你将使用运算放大器，并构建和描述使用该元件的简单电路。
这里我们假设使用 LM741 运算放大器。该电路的引脚原理图如下所示。LM741 需要正电源和负电源，您
可以在本实验的其余部分使用+/- 10V 的电源(除非另有说明)。您的电路仍然需要一个接地点，该接地
点应连接到电源上的 0V 端子、信号发生器上的 0V 端子以及您连接到电路的任何探针上的接地点。
注意:如果实验室中没有这种运算放大器，您可以使用不同的运算放大器，只要您相应地更新实验手册
上的电源选择和引脚图。
反相配置
1. 构建下图所示的电路，其中 R1 = 500ω，R2 = 1kω。对于输入电压，使用等于 Vin= +0.1V 的 DC
输入
R2
R1
V
V
在外
在
2. 回想一下这种配置下运算放大器的理论增益公式(线性范围)，并写在这里。请记住，如果您想以 dB
为单位评估增益，在对数标度中，您需要计算 20 * log10 (|GAIN|)
增益=
22
3. 更改 R2 值时，测量增益值。您可能希望使用等于 2.5kΩ、5kω、50kΩ、1mω 的电阻。通过实验
测量增益时，需要比较输出电压和输入电压。您可以在下面的空白处写下不同 R2 值的增益值。
4. R2 = 1mω 时的增益值是多少？记下下面的值。您是否注意到与理论值有任何显著差异，为什么？
5. 现在将输入电压改为交流信号，即最大幅度为 0.1 V(峰峰值为 0.2 V)、初始频率为 500 Hz 的正弦
波。使用 R1 = 1kω 和 R2 = 100kω，测量增益并记录下来。
现在，尝试不同的正弦波幅度值，例如最大值等于 50 mV 和 0.15 V，将输入信号的频率保持在 500
Hz。
6. 现在，保持 R1 = 1kω，R2 = 100kω，但尝试不同的正弦波幅度值，例如最大值等于 50 mV、0.1
V 和 0.15 V，保持输入信号的频率为 500 Hz。
a. 在示波器上显示 0.15 V 输入正弦波的输入和输出电压。输出看起来怎么样？向 GTA 或老师
展示你的结果，以检查它是否正确。
b. 现在修改给运算放大器的 DC 电源电压 V+和 V-，使用+15 V 和-15 V，输出电压如何变化？
在下一页的空白处画出您在示波器上看到的 10V 和 15V 电源电压下的波形。再一次，在继续
前进之前向 GTA 展示你的结果。
23
同相配置
7. 构建下图所示的电路，其中 Vin 是等于 0.1V 的 DC 电压，确保放大器的 DC 电源电压为 10V。现在测
试三种不同的电阻组合，并记录所有组合的输出电压。
 R1 = R2 = 1kω
 R1 = 1kω，R2 = 10kω
 R1 = 1kω，R2 = 22kω
V
V
在
在外
R2
R1
8. 在所有这三种情况下，这种放大器配置的增益是多少？你能获得的最小增益是多少？
9. 现在，将输入信号变为频率为 1 kHz、最大值等于 0.1V 的正弦波，使用 R1 = 1kω 并选择 R2，使电
路的增益等于 50。R2 的价值是什么？
请务必理解运算放大器反相和同相配置的区别，以及如何计算这两种情况下的增益。
确保你完全理解实验的第 6 点，你必须提高 DC 电源电压，以避免输出失真。如果你需要更多的澄清，
可以和助教或者老师谈谈。
您已到达实验课 5 的末尾。向 GTA 展示您的结果，以获得您的出席签名。如果你完成得早，你可以开始
看实验报告。
24
实验报告任务-课程工作
在本节中，您将找到关于实验室报告的更多信息。您需要将此提交到 Moodle 上，但请注意，提交的确
切时间和截止日期将由教师在适当的时候公布。如果你对下面的说明不确定，尽管问。
问题是
您的团队为格拉斯哥学院电子科技有限公司工作，这是一家小公司，为捷豹路虎制造的自动驾驶汽车
的传感器提供电子电路。你的直线经理带着安装在汽车前部的一个雷达系统的问题来找你。
调频连续波雷达系统输出端的下变频信号具有 0Hz 到 1kHz 之间的有用带宽。由于雷达硬件的缺陷(很可
能是本地振荡器谐波通过混频器泄漏)，该信号被不需要的 10 kHz 谐波(正弦)信号污染。
要求您设计一个滤波器，让信号的有用带宽通过，但不需要的 10 kHz 谐波至少衰减 40 dB(与有用带宽
相比)。
在向您的经理汇报时，您应该展示:
 所用滤波器的 PSpice 原理图和元件及其值。
 PSpice 绘图显示系统性能符合您的预期。您想要证明您可以对信号的有用频率不提供衰减，并且在
10 kHz 时至少提供 40 dB 的衰减。
 使用可用元件实现电路。包括使用元件的理由、实验数据和结果，显示滤波器增益与频率的函数关
系图，以证明您提出的设计可行。
小贴士:试着弄清楚:
o
o
o
你需要什么类型的过滤器？
您会设置什么截止频率，滤波器的阶数是多少？
你需要一个有源滤波器还是一个无源滤波器就够了？采用相应的设计方法。
该报告
 实验报告最长不得超过三页 A4 纸，并且必须是 PDF 格式。更长的提交或以其他格式提交将不被接
受。
 四个方向的边距必须大于 1.5 厘米，推荐字体为 Arial 11 或 Times New Roman 12。请不要用非常
小的字体书写。
 报告的第一页必须有您的英文姓名和 UoG/UESTC 编号(您当然可以用中文姓名，但请不要忘记英文
版本)
 实验报告是个人的，但你们可以两人一组得出结果；然而，不要提交相同的报告，因为这将被视为
抄袭。
 报告的结构–您可能希望使用以下章节和标题来组织您的报告。
o 摘要——摘要是对你的报告的总结，以综合的方式表达了问题是什么，你用什么方法来解
决它，以及你的工作的主要结果是什么
o 简介–简介更详细地描述了要求您解决的问题及其背景
o 方法——你需要描述你的大部分工作，你使用的工具(PSpice 中的模拟？在试验板或 PCB 上
演示？)，设计程序
25
o
o
o


你接下来要解决的问题(例如，为什么是那个过滤器结构，为什么是那些组件？)
结果和讨论——在这里，您需要通过模拟和实验演示来展示和证明您提议的设计是可行的
结论——再次总结问题和你是如何解决的(有人需要能够理解你的大部分工作，只阅读介绍
和结论)
参考资料——如果你使用了书籍、研究论文、网站上的资料，你需要在最后引用它们(如果
你对此感到困惑，一定要联系 GTAs/老师)
一份好的报告应该给出电路原理图，包括所选的元件及其值，以及仿真和实验结果，以证明所提议
的设计是可行的。你需要写一些文字来证明你的选择和评论你的结果。记住这是一个“真正的”开
放性问题，所以没有唯一正确的解决方案。
写好报告的一些技巧。请记住:
o 在电路示意图中标明元件、输入、输出和接地的值
o 为你使用的所有数字加上标题
o 在你展示的图表中标明测量单位
o 不要仅仅用没有或很少文字的数字和图表来评论这些结果。您的报告需要“讲述一个故
事”，并说服读者，通过做实验活动，您现在对过滤器有了很好的了解。
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附录–远程实验

实验程序
步骤 1:远程访问实验室计算机。
图 1 远程实验室的概念
步骤 2:在 LabAS_7-segments 中选择放置 7 段显示器的位置。然后建立电路。
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图 2 7 段显示器的引脚连接图
步骤 3:根据您的表格确定在七段显示器上产生数字 0-9 所需的十六进制值，修改上面的代码以从 0-9 计
数。
第四步:(可选)当显示器从 0-9 计数时，与奇数同时显示小数点。
步骤 5:重置 LabAS_7-segments 中的电路。
第六步:了解模拟实验。
第七步:完成问卷。
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