基于Origin的電學元件伏安特性實驗數(shù)據(jù)處理方法

　　摘 要： 本文介紹了用Origin 軟件進行電學元件伏安特性實驗數(shù)據(jù)處理的具體方法。結果表明，利用Origin處理實驗數(shù)據(jù)能有效避免手工處理所帶來的誤差，而且方法簡單、直觀、快捷，適合在實驗教學中使用。
　　關鍵詞： Origin 電學元件 伏安特性 實驗數(shù)據(jù)處理
　　
　　1.引言
　　電學元件伏安特性實驗是大學物理實驗中非常重要的基礎實驗之一。電路中有各種電學元件，如線性電阻、半導體二極管和三極管，以及光敏、熱敏、壓敏元件，等等。知道這些元件的伏安特性，對正確地使用它們是至關重要的。目前，絕大部分學生主要采用電子計算器和手工作圖等傳統(tǒng)方法來處理大學物理實驗數(shù)據(jù)，過程煩瑣、枯燥、費時且人為誤差大。為了避免這些弊端，本文采用Origin軟件處理線性電阻和半導體二極管的伏安特性實驗數(shù)據(jù)，Origin軟件具有數(shù)據(jù)分析（排序、調整、計算、統(tǒng)計、頻譜變換、曲線擬合）、繪圖（2D、3D圖形）等功能，在大學物理實驗教學和數(shù)據(jù)處理中得到應用［1-3]。使用Origin軟件，不但快捷、精確，而且能有效地提高學生物理實驗數(shù)據(jù)處理能力，強化學生的計算機應用能力。
　　2.實驗原理
　　在某一電學元件兩端加上直流電壓，在元件內就會有電流通過，通過元件的電流與端電壓之間的關系稱為電學元件的伏安特性。在歐姆定律U=IR式中，電壓U的單位為V，電流I的單位為A，電阻R的單位為Ω。一般以電壓為橫坐標和電流為縱坐標作出元件的電壓－電流關系曲線，稱為該元件的伏安特性曲線。在通常情況下，通過元件的電流和加在元件兩端的電壓成正比關系變化，其伏安特性曲線為一過坐標原點的直線，這類元件稱為線性元件，如金屬膜電阻、線繞電阻，等等。如果通過元件的電流和加在元件兩端的電壓不成線性關系，其伏安特性為一曲線，這類元件稱為非線性元件，如半導體二極管、穩(wěn)壓管，等等。本實驗是通過在被測元件兩端施加不同極性和幅值的電壓，并測量出流過該元件的電流，從而得出線性電阻和半導體二極管的伏安特性。
　　3.數(shù)據(jù)處理
　　實驗中采用分壓式電路，分別對線性電阻和非線性電阻的伏安特性進行測量。線路圖及元件的技術指標參見箱式 FB321型電學元件伏安特性儀的生產廠家杭州精科儀器有限公司提供的實驗講義［４］。
　　（1）線性電阻
　　實驗中，電壓表的量程選擇20V，電流表的量程為2mA，對應的內阻分別是R=10MΩ，R=100Ω，測量電阻R=10KΩ。為了減少測量時的系統(tǒng)誤差，測量的線路方案可以按下列辦法來選擇［４］：
　　終判斷出哪種線路更適合測R=10KΩ的電阻。利用Origin可以在同一坐標軸中繪制兩種方法測得的線性電阻的伏安特性散點圖及其擬合直線，得到擬合結果。結果直觀、明了，方法簡便、高效。具體步驟如下：
　　啟動Origin，新建工程，在工作表data1中的A列輸入電壓，在B列輸入電流表內接時測得電流，然后選擇“Column”菜單下的“Add New Column”添加新的一列C，并把電流表外接時測得電流輸入列C，選中B、C兩列，再選擇“Plot”菜單下的“Line+Sympol”即可同時得到兩種方法所測得的伏安特性散點圖，如圖1所示；接著分別選中伏安特性散點圖，選擇“Analysis”菜單下的“Fit Linear”，對其進行擬合，擬合直線如圖2所示。同時數(shù)據(jù)處理結果表明，安培表內接法所得阻值絕對誤差比外接法小，在該實驗中測量方案應選擇電流表內接法；用安培表內接法測出的電阻值偏大，外接法測出的電阻值偏小，實驗結果與理論相符；不管是電流表內接還是外接，線性擬合結果的相干系數(shù)都是，說明Origin擬合出來的結果與實際測量值吻合得非常好。
　　（2）半導體二極管
　　利用Origin繪制二極管正、反向伏安特性曲線，具體方法如下：
　　啟動Origin，把測量數(shù)據(jù)電流和電壓分別鍵入Origin工作表data1的A、B兩列。單擊選中B列，單擊菜單“Plot”，從彈出的下拉菜單中選擇“Line+Symbol”，Origin會在隨后打開的窗口中繪制好伏安特性曲線，如圖3所示。
　　從圖3中很難清晰地看出二極管在某些區(qū)域的伏安特性，如二極管處于正向偏置時的導通電壓等。此時進一步的利用Origin的“圖層”技術可以在同一坐標軸上設置不同的刻度分別顯示半導體二極管的正、反向伏安特性。操作步驟如下：
　　①二極管反向伏安特性曲線的圖層1
　　雙擊圖3中的Y軸，在彈出窗口中選擇“scale”標簽，修改數(shù)據(jù)范圍為：-50-0，Increment為10；選擇“Title&Format”標簽，修改Axis為“At Position”；雙擊X軸，同進行同樣的設置：數(shù)據(jù)范圍為：-10-0， Axis為“At Position”。
　　②二極管正向伏安特性的圖層2
　　隱藏圖層1，新建圖層2，加載原始數(shù)據(jù)，重復上述設置，X軸：數(shù)據(jù)范圍為：0-1，Increment為0.2，Axis為“At Position；Y軸：數(shù)據(jù)范圍為：0-200，Axis為“At Position”。
　　③復合圖層，完成圖形
　　恢復圖層1的顯示，同時顯示圖層1和2，縮小兩個圖形，使其原點重合。修改兩個圖形的相關屬性和坐標軸屬性，使圖形清晰，界面一致，完成后的效果如圖4。
　　從圖4可以清晰地觀察經Origin繪制出的二極管的正、反向伏安特性曲線，與理論描述相符。二極管是由PN結上加上引線和封裝而成，從PN結的導電原理出發(fā)，二極管的伏安特性大致可分為死區(qū)、正向導通區(qū)、反向截止區(qū)和反向擊穿區(qū)四個區(qū)。即當外加正向電壓小于死區(qū)電壓時，正向電流很小，幾乎為零，這一區(qū)域稱為死區(qū)；當外加正向電壓大于死區(qū)電壓時，二極管由不導通變?yōu)閷顟B(tài)，二極管上的正向電流隨外加電壓曾指數(shù)增長關系，從圖4可看出此二極管的正向導通壓降約為0.8V；當外加反向電壓不超過某一范圍時，反向電流非常小且基本恒定，用毫安表很難檢測到，此時二極管呈高阻截止狀態(tài)；當外加反向電壓過高時，反向電流將突然增加，二極管處于擊穿狀態(tài)。
　　4.結語
　　本文利用Origin7.5對電學元件伏安特性實驗數(shù)據(jù)進行了處理。分析結果表明，利用Origin可進行散點圖的2D圖形繪制、線性擬合、設置同一坐標系中的坐標軸刻度不同，更直觀地顯示出不同范圍內物理量之間的變化關系。整個處理過程簡單、直觀、高效、準確，大大減少了由于人的主觀因素所造成的誤差，因此適合在大學物理實驗教學中推廣應用。
　　
　　參考文獻：
　　［1］李玉珍，呂寶華.Origin在熱敏電阻溫度特性實驗中的應用［M］.長春師范學院學報，Vol. 27，No5，2008：19-21.
　　［2］金淑華，秦艷芬，賀梅英.Origin軟件在大學物理實驗數(shù)據(jù)處理中的應用［M］.寧波工程學院學報，Vol. 20，No. 2，2008：5-7.
　　［3］李曉波，謝志遠.Origin作圖在大學物理實驗教學中的應用及評價［M］.襄樊學院學報，Vol .31，No. 8，2010：86-88.
　　［4］電學元件的伏安特性測量［M］.