通用示波器顯示元器件特性曲線的教學(xué)應(yīng)用

劉金濤，崔國霖，林 波，劉國文，馬天鎮(zhèn)，潘曉峰

（中國海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100）

示波器作為一種重要的電路測量儀器，可以把電壓電流的變化作為一個時間函數(shù)描繪出來[1]。熟練掌握示波器的工作原理及使用方法是電子類專業(yè)學(xué)生的必備技能。本文設(shè)計出一種電子技術(shù)設(shè)計課程的教學(xué)項目，用通用示波器顯示元器件的特性曲線，加深學(xué)生對示波器工作原理的理解，掌握基本單元電路的工作原理，理解元器件的特性，將理論與實踐相結(jié)合，提高學(xué)生的實踐動手能力。

Multisim 軟件內(nèi)含搭建電路所需的電路元件，具有強(qiáng)大的仿真分析工具箱[2]。通過Multisim 仿真，設(shè)計出占空比可調(diào)的鋸齒波和階梯波發(fā)生電路，可配合示波器觀察常用的晶體管、反相器、滯回比較器的特性曲線，并制作實際電路測試。

1 通用示波器工作原理

示波器成像部分由電子槍、偏轉(zhuǎn)板和熒光屏組成，偏轉(zhuǎn)板分為X 偏轉(zhuǎn)板和Y 偏轉(zhuǎn)板。在偏轉(zhuǎn)板上加上不同的電壓U可在偏轉(zhuǎn)板之間形成不同的偏轉(zhuǎn)距離（其中D, m, e, t 均為定值，e 為電子的電荷量，m 為電子的質(zhì)量，D 為電位移矢量，t 為偏轉(zhuǎn)的時間），顯然x∝U，故調(diào)整偏轉(zhuǎn)板上的電壓可以實現(xiàn)對偏轉(zhuǎn)距離的改變。電子槍處產(chǎn)生一定初速的電子，經(jīng)過偏轉(zhuǎn)板的偏轉(zhuǎn)后打在熒光屏上形成圖像。示波管的電子束實際上同時參與了兩個不同方向即相互垂直方向的兩個振動，兩個分振動位移合成的合位移就是屏幕上的圖形[3]，故X, Y 偏轉(zhuǎn)板之間的配合可以實現(xiàn)特性曲線的顯示。在Y 偏轉(zhuǎn)板上加一正弦波電壓，必須同時在X 偏轉(zhuǎn)板上加一鋸齒波掃描電壓[4]，才能在熒光屏上觀察到正弦波圖像，如圖1 所示。本文用示波器顯示晶體管輸出特性曲線、反相器傳輸特性曲線和滯回比較器傳輸特性曲線。

圖1 示波器顯示正弦波過程示意圖

2 波形發(fā)生電路設(shè)計

波形發(fā)生電路常作為脈沖和數(shù)字系統(tǒng)的信號源，或為模擬電路提供測試信號和控制信號[5]。觀察元器件特性曲線通常用鋸齒波或三角波作為 X 軸掃描信號，如果要觀察晶體管的輸出特性曲線簇，在基極還要輸入一個階梯波電壓，每次階梯波上升一個臺階，就能觀察到一條特性曲線。

2.1 鋸齒波和矩形波發(fā)生電路

鋸齒波和矩形波發(fā)生電路通常有2 種設(shè)計方法，一是用滯回比較器和積分電路組成振蕩電路，二是用555 定時器組成多諧振蕩電路，本文采用第一種方法產(chǎn)生鋸齒波和矩形波。

2.1.1 電路結(jié)構(gòu)

占空比可調(diào)的鋸齒波發(fā)生電路由滯回比較器和積分電路構(gòu)成，電路如圖2 所示。滯回比較器起開關(guān)作用，RC 電路的作用是產(chǎn)生暫態(tài)過程[6]。通過調(diào)節(jié)電位器 Rw 改變電容 C1 充放電的時間常數(shù)，從而改變鋸齒波的占空比，從b 點可以得到鋸齒波，從a 點可以得到矩形波。

圖2 鋸齒波和矩形波發(fā)生電路

2.1.2 原理分析

令a 點電壓為Ua，b 點電壓為Ub。運(yùn)算放大器U1輸出電壓，同相輸入端電壓為

令同相輸入端電壓Up1與反相輸入端電壓UN1為0，即可以得出閾值電壓為輸出電壓幅值所以可以通過

調(diào)整R1與R3 值改變鋸齒波的幅值。

2.1.3 仿真結(jié)果

圖3 鋸齒波和矩形波

2.2 階梯波發(fā)生電路

采用對矩形波計數(shù)求和的方法得到階梯波，這樣可以使階梯波和鋸齒波保持同步，利于觀察。

2.2.1 電路結(jié)構(gòu)

階梯波發(fā)生電路結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。CD4518 為CMOS 型雙BCD 同步十進(jìn)制計數(shù)器[7]，將矩形波輸入到階梯波發(fā)生電路，通過CD4518 十進(jìn)制計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)，輸出的波形反向求和，再進(jìn)行反向比例運(yùn)算可以得到階梯波。

圖4 階梯波發(fā)生電路

2.2.2 原理分析

CD4518 的EN 引腳接高電平，MR 引腳接低電平，構(gòu)成十進(jìn)制計數(shù)器，使輸出的階梯波具有十個臺階。將矩形波信號輸入到 CD4518 的 CP 引腳計數(shù)，從輸出端A, B, C, D 可以得到幅值為5 V、頻率比為8∶4∶2∶1 的矩形波。設(shè)CD4518 四個輸出端A, B, C, D 輸出電壓分別為U1,U2,U3,U4，集成運(yùn)放U6 輸出電壓為Uo，將R15, R16, R17, R18 阻值分別設(shè)置為39 k, 20 k,10 k, 5.1 k，R19 設(shè)定為4.7 k。反向求和運(yùn)算輸出電壓為然后進(jìn)行反向比例運(yùn)算，輸出電壓R23 為可調(diào)電阻，通過調(diào)節(jié)R23 可以改變階梯波的幅值，從而滿足測量不同元件的需求。

2.2.3 仿真結(jié)果

用示波器的X 通道測量集成運(yùn)放U7 輸出的波形，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 階梯波

3 圖示元器件特性曲線

3.1 晶體管輸出特性曲線

晶體管作為一種常用的固體半導(dǎo)體器件，具有放大、穩(wěn)壓、整流等功能。觀察示波器的特性曲線有助于學(xué)生對晶體管特性和工作原理的理解。晶體管輸出特性曲線是以基極電流作為參變量，描述集電極電流隨集射極電壓的變化關(guān)系的一簇伏安特性曲線[8]。

3.1.1 電路結(jié)構(gòu)

晶體管輸出特性曲線測試電路如圖6 所示。晶體管輸出特性曲線反映了在確定的IB下，IC隨UCE的變化，將階梯波通過電阻R24 輸入到被測晶體管的基極，以產(chǎn)生不同的IB，將同步的鋸齒波通過電阻R10 輸入到被測晶體管的集電極，產(chǎn)生線性變化的 UCE，晶體管的發(fā)射極接地。在集電極電阻R10 兩端接入差分比例運(yùn)算電路，將階梯波電壓轉(zhuǎn)換為晶體管的基極階梯電流[9]，然后輸入到示波器Y 通道，示波器X 通道接晶體管的集電極。

圖6 晶體管輸出特性曲線測試電路

3.1.2 仿真結(jié)果

將示波器的Y 通道接到U3 的輸出端，X 通道接到晶體管的集電極。用示波器的同步觸發(fā)方式觀察得到的波形如圖7 所示。因為階梯波有10 個臺階，因此可以觀察到10 條輸出特性曲線。

圖7 晶體管特性曲線

3.2 反相器特性曲線

反相器作為典型門電路，廣泛應(yīng)用于各種數(shù)字電路和模擬電路中。反相器可以將輸入信號的相位進(jìn)行180°翻轉(zhuǎn)，從而滿足不同電路需求。74LS04 是6 輸入TTL 反相器，本文以74LS04 反相器為例進(jìn)行分析。

3.2.1 電路結(jié)構(gòu)

反相器特性曲線測試電路結(jié)構(gòu)如圖 8 所示，U4為反相器 74LS04，將鋸齒波通過電阻 R24 輸入到反相器 74LS04。當(dāng)鋸齒波電壓小于反相器的閾值電壓時，輸出為低電平；當(dāng)鋸齒波電壓大于反相器的閾值電壓時，輸出為高電平。

圖8 反相器特性曲線測試電路

3.2.2 仿真結(jié)果

將示波器的X 通道接到反相器的輸入端，Y 通道接到反相器的輸出端，用示波器的同步觸發(fā)方式觀察得到的波形如圖9 所示。

圖9 反相器特性曲線

3.3 滯回比較器特性曲線

電壓比較器是對輸入信號進(jìn)行鑒幅與比較的電路[10]，集成運(yùn)放在開環(huán)或正反饋情況下工作在非線性區(qū)，可以構(gòu)成單限、滯回和窗口電壓比較器[11]。單限比較器抗干擾能力差，在單限比較器中引入負(fù)反饋構(gòu)成滯回比較器，滯回比較器有一定的抗干擾能力，本文以滯回比較器為例進(jìn)行分析。

3.3.1 電路結(jié)構(gòu)

圖10 滯回比較器特性曲線測試電路

滯回比較器特性曲線測試電路如圖10 所示。用集成運(yùn)放U8 和電阻、穩(wěn)壓二極管構(gòu)成滯回比較器，將三角波輸入到滯回比較器。

3.3.2 原理分析

3.3.3 仿真結(jié)果

將示波器的X 通道接到U8 的反相輸入端，Y 通道接到輸出端，用示波器的同步觸發(fā)方式觀察，波形如圖11 所示。

圖11 滯回比較器特性曲線

4 結(jié)語

用Multisim 仿真出元器件的特性曲線，并制作實際電路進(jìn)行調(diào)試、驗證，與仿真波形基本一致，從而證明了實驗的可行性。通過課程設(shè)計，可為學(xué)生提供練習(xí)平臺，提高學(xué)生進(jìn)行實踐和學(xué)習(xí)的積極性[12]。用通用示波器觀察元器件特性曲線，有利于學(xué)生將學(xué)到的數(shù)字電路、模擬電路知識加以綜合運(yùn)用，加深學(xué)生對課堂內(nèi)容的理解，將理論與實踐相結(jié)合，提高學(xué)生的動手能力。