三、電路與電子技術實驗的過程和要求

（一）實驗預習

實驗預習是順利進行實驗并達到預期效果的重要前提與保障，是提高實驗質量與效率的有效途徑。實驗預習需要按照以下步驟進行：

（1）通過實驗指導書，了解本次實驗的目的和任務，了解本次實驗所涉及的電路類型。根據該電路類型，查閱相關理論書籍，復習相關的理論知識，掌握本次實驗的基本原理。

（2）根據實驗指導書給出的實驗電路和元器件參數，進行理論計算，給出理論計算結果，以便于在實驗中進行有目的的對比與測量。

實際元器件往往不同于理想元器件，實際元器件會因為其生產廠家不同、型號不同，在外形上有所不同，在標稱值與精度等元器件參數上也有很大差別。因此，實際電路的測量結果與理論計算的結果往往存在著誤差。

（3）根據實驗指導書給出的實驗電路和元器件型號，使用電子電路仿真軟件對電路進行仿真分析與調試，熟悉實驗中需要測試的數據，并將仿真結果與理論計算結果進行對比，分析誤差。

（4）根據本次實驗的目的和任務，確定本次實驗需要使用的儀器儀表，仔細閱讀相關儀器儀表的使用說明，熟悉相關儀器儀表的操作。

實驗中使用到的儀器儀表主要有數字萬用表、交流毫伏計、直流電源、任意函數發生器以及雙蹤示波器等。實驗前必須熟悉儀器儀表的功能、原理以及使用方法，在實驗中正確選用儀器儀表來對實驗電路進行表征及測量。

（5）根據本次實驗的目的和任務，擬定相關測試內容以及需要記錄的數據，合理設計實驗記錄表格，將相關理論計算結果填寫于表格中（便于與實驗記錄的數據相互對比），進行數據處理與誤差分析。

（二）實驗操作注意事項

實驗中必須嚴格遵守實驗操作注意事項，避免實驗事故的發生。

（1）實驗前必須充分預習，完成指定的預習任務。

（2）使用儀器和實驗箱前，必須了解其操作方法、性能及注意事項，并在使用時嚴格遵守實驗規定。

①將標有220V的電源線插入市電插座，接通開關。若三路直流電源指示燈亮，則表示學習機電源工作正常。

②實驗箱面板上的插孔應使用專用連接線。連接線插頭可疊插使用，順時針向下旋轉即可鎖緊，逆時針向上旋轉即可移開。

③實驗時應先閱讀實驗指導書，在斷開電源開關的狀態下按實驗線路接好連接線（實驗中用到可調直流電源時，應將該電源調到實驗值后再接到實驗線路中），檢查無誤后再接通主電源。

④實驗箱面板的實驗線路上凡標Vcc、Vee處均未接通電源，須在實驗時根據實驗線路要求接入相應電源，運算放大器單元的電源及所有接地端均已在板內接好。

（3）實驗時接線要認真，同組人員相互仔細檢查，確定無誤并經指導教師審查同意后才能接通電源。

（4）實驗時使用不同顏色連接線進行區分，以便于排查電路錯誤。一般來說，正電源“+”使用紅色導線，負電源“-”使用藍色導線，接地端使用黑色導線。接線時注意把接線端擰緊或夾牢，防止線路接觸不良或連接線脫落。

（5）實驗時應注意觀察，若發現有異常現象（例如元器件冒煙、發燙或有異味），應立即切斷電源，保持現場，報告指導教師。找出原因、排除故障，經指導教師同意后再繼續實驗。

（6）實驗過程中若需要改接連接線，應切斷電源后才能拆、接線。

（7）實驗結束后，必須切斷電源，并將儀器、設備、工具、導線等按規定整理好。

（三）實驗數據的記錄

做實驗之前必須規劃好需要記錄的實驗數據，并提前做好實驗記錄表格，便于實驗時進行數據記錄。數據處理要根據誤差理論對原始數據進行整理、計算、分析，最后得到測量結果，測量結果可以用數據、表格、曲線或者數學表達式表示出來。

1.有效數字的概念及其取舍規則

使用儀器儀表測量出來的數據是被測值的近似值，因此表示測量結果的數字由兩部分組成。第一部分是可靠數字，這部分數據的測量值是準確、無誤差的；第二部分是欠準數字（即估計讀數），這部分數據是實際測量結果的估計值，是帶有誤差的。比如，使用量程100mA的電流表測量某電路電流時，電流讀數為89.3mA，則前面的“89”是可靠數字，而最后的“3”則為欠準數字。可靠數字與欠準數字合起來稱為有效數字，因此，上述例子中的電流讀數其有效數字為3位。

（1）在記錄測量數據時，一般只保留1位欠準數字，因此在實驗數據記錄中只有最后一位有效數字是欠準數字。這表明在上述例子中的電路電流值“89.3”的最后一位“3”是一個估計值，其有可能是“2”或者是“4”。

（2）在實驗數據測量時，測量值最后一位如果是“0”的話，無論該數字處于小數點左邊還是右邊，該數字都是有效數字，不可以隨意去除。例如，測得某電路電壓值為5.00V，該測量值的有效數字是3位，表示該實際電壓值位于4.99V至5.01V之間，因此小數點后面的兩個“0”均是有效數字，不可以隨意去除。

（3）在測量大數值時，為了保證有效數字的準確性，需要用科學記數法來進行記錄。例如，測得某電阻阻值為三千八百歐姆，當測量儀表的有效數字只有3位時，應記為“3.80×103Ω”，不能記為“3 800Ω”。

2.有效數字的運算規則

（1）在進行加、減法運算時，若多個數據的數量級相同，但有效位數不同，則以最少位有效位數n為準，其余數據的有效位數可按有關處理規則取n+1位，運算結束后，再按同樣規則處理成n位有效位數。若多個數據的數量級不同，則所有數據的數量級和有效位數都歸化為與數量級最大的數據相同。

例如，在某串聯電路中，測得R1上電壓降為2.13V，R2上電壓降為3.124 5V，R3上電壓降為3.573 2V，則三個電阻上的總電壓降為：

三個測量值中最少的有效位數為3位，則總電壓降的有效數字只能取三位，因此：

（2）進行乘除運算時，以有效位數最少的一個數為準，其余各數及運算結果、積（或商）均舍入比該數多一位，而與小數點位置無關。

（3）指數運算時，當底遠大于1或遠小于1時，指數的誤差對運算結果影響較大。

例如：

可見，底遠大于1或遠小于1時，指數變化很小都會讓運算結果產生很大變化，因而在一般情況下，盡可能對指數多保留幾位有效數字。

3.儀器儀表量程的選擇

在使用儀器儀表進行測量時，如果選擇量程不當，則測量結果會產生較大的誤差，而且也會損失有效數字，降低測量精度。

例如，使用數字萬用表測量1.6V的電壓時，采用不同量程的數字萬用表進行測量，其測量值也會有所不同，如表1-1所示。

由表1-1可知，測量1.6V的電壓應該選擇“2V”的量程進行測量，其他量程將會損失有效數字，并且增加測量誤差。在實際測量中，一般使測量值與總量程的比值在2/3左右，因為這時的測量誤差較小。

（四）實驗數據的處理

在實驗中可以獲取大量的實驗數據，而這些實驗數據并不一定能呈現很好的規律性，因此必須對實驗數據進行整理、計算、分析及可視化處理，才能從中找出實驗規律，得出實驗結論。因此，實驗數據的處理是總結實驗規律、獲得實驗結論的重要一環。常用的數據處理方法有列表法和畫圖法兩種。

1.列表法

列表法通過預先設計合理的記錄表格，在實驗中把實驗數據填寫到表格相應的位置，以便從表格中得到實驗的各種數據結果以及對比各實驗結果之間的關系。

例如，在反相求和運算電路的實驗中，設計的實驗記錄如表1-2所示：

根據已知的反相求和運算電路參數，理論推導出此反相求和運算電路輸入電壓與輸出電壓之間的關系為：

由表1-2可知，實際電路的測量值符合理論推導的反相求和運算電路輸入電壓與輸出電壓的關系，測量值與理論估算值的相對誤差均在±5%以內，說明測量數據基本可信。

對于不同的實驗內容，數據記錄表格的樣式也不一樣，需要在做實驗之前對實驗電路進行預習，弄清楚實驗電路的基本原理，合理安排被測量以及被測量的數值分布，便于發現輸入量與被測量之間的關系，總結實驗結論。

2.畫圖法

在研究數個物理量之間的關系時，經常會用畫圖形的方式來表達，圖形表達方式比數字、公式、表格以及文字表達方式更直觀、更形象。在使用畫圖法來表示各種物理量之間關系時需要遵循以下步驟：

（1）坐標系的選擇。數學上常用的坐標系有直角坐標系、極坐標系和對數坐標系。實驗中應根據需要描述的不同物理量之間的數學關系，合理選擇坐標系進行作圖。坐標系的選擇將會影響圖形的表達能力。例如，需要表達的兩個物理量之間呈對數關系時，如果采用普通的直角坐標系來進行作圖，則只能畫出一條非線性曲線，從圖中只能直觀地觀察到兩個物理量之間的非線性關系；而如果采用對數坐標系進行作圖，則可以使得圖形變成一條直線，從而直觀地展現兩個物理量之間的對數關系。

（2）坐標軸的標注。在畫圖法中，橫坐標代表自變量，縱坐標代表因變量。在圖中應該明確表明橫坐標與縱坐標所代表的物理量及其單位，并標上合適的刻度。對于圖中的關鍵點，要標注該點坐標的具體數值。

（3）測試點的選取。實驗中，被測量的最大值和最小值都必須進行測量。

如果繪制的是曲線，則至少要讀取5組數據。實驗中，如果發現測量數據隨著輸入量的變化急劇地變化時，應該在變化陡峭的部分多取幾個測試點，這樣得出的曲線比較平滑準確。在曲線變化的拐點處也應該多取幾個測試點，以準確確定拐點的位置。

（4）數據擬合。在實驗中由于測量帶有誤差，如果將所有測試點直接連接起來，得到的曲線將呈現折線的形狀，并不能準確反映兩個物理量之間的真實關系。應該根據實際情況，參考理論推導的兩個物理量之間的關系公式，對實驗數據進行數據擬合，才能得到兩個物理量之間的真實關系，并估計測量誤差。

（五）測量誤差及誤差分類

測量誤差就是測量結果與被測量真實值之間的差別，通常誤差有絕對誤差、實際相對誤差和滿刻度相對誤差三種。

（1）絕對誤差ΔX：實驗測量所得到的值與被測量真實值之間的差。其計算公式為：

（2）實際相對誤差γ0：絕對誤差ΔX與被測量真實值的比值，其計算公式為：

由于被測量的真實值難以準確得到，可以將高一級測量精度的測量儀表所測得的值看作被測量的真實值。

（3）滿刻度相對誤差γm：測量的絕對誤差與測量儀表滿刻度之間的比值，其計算公式為：

其中X滿刻度是測量儀表的滿刻度值，大于被測量的真實值，因此滿刻度相對誤差應該小于實際相對誤差。

實驗測量中有很多原因可以造成誤差，按照性質可分為系統誤差、偶然誤差和過失誤差三類。

（1）系統誤差，又稱可測誤差。它是實驗方法、所用儀器、試劑、實驗條件的控制以及實驗者本身的一些主觀因素所造成的誤差。這類誤差的性質是：在多次測定中會重復出現；所有的測定或者都偏高，或者都偏低，即具有單向性；由于誤差源于某一個固定的原因，其數值基本是恒定不變的。

（2）偶然誤差，又稱隨機誤差或未定誤差，是一些偶然的原因造成的。例如，測量時環境溫度、氣壓的微小變化都能造成誤差。這類誤差的性質是：由于源于隨機因素，誤差數值不定，且方向也不固定，有時為正誤差，有時為負誤差。這種誤差在實驗中無法避免。從表面看，這類誤差沒什么規律，但若用統計的方法去研究，可以從多次測量的數據中找到它的規律性。

（3）過失誤差，這是實驗工作者粗枝大葉，不按操作規程辦事，過度疲勞或情緒不好等原因造成的。這類錯誤有時無法找到原因，但是完全可以避免。