通用示波器显示元器件特性曲线的教学应用

刘金涛，崔国霖，林 波，刘国文，马天镇，潘晓峰

（中国海洋大学 信息科学与工程学院，山东 青岛 266100）

示波器作为一种重要的电路测量仪器，可以把电压电流的变化作为一个时间函数描绘出来[1]。熟练掌握示波器的工作原理及使用方法是电子类专业学生的必备技能。本文设计出一种电子技术设计课程的教学项目，用通用示波器显示元器件的特性曲线，加深学生对示波器工作原理的理解，掌握基本单元电路的工作原理，理解元器件的特性，将理论与实践相结合，提高学生的实践动手能力。

Multisim 软件内含搭建电路所需的电路元件，具有强大的仿真分析工具箱[2]。通过Multisim 仿真，设计出占空比可调的锯齿波和阶梯波发生电路，可配合示波器观察常用的晶体管、反相器、滞回比较器的特性曲线，并制作实际电路测试。

1 通用示波器工作原理

示波器成像部分由电子枪、偏转板和荧光屏组成，偏转板分为X 偏转板和Y 偏转板。在偏转板上加上不同的电压U可在偏转板之间形成不同的偏转距离（其中D, m, e, t 均为定值，e 为电子的电荷量，m 为电子的质量，D 为电位移矢量，t 为偏转的时间），显然x∝U，故调整偏转板上的电压可以实现对偏转距离的改变。电子枪处产生一定初速的电子，经过偏转板的偏转后打在荧光屏上形成图像。示波管的电子束实际上同时参与了两个不同方向即相互垂直方向的两个振动，两个分振动位移合成的合位移就是屏幕上的图形[3]，故X, Y 偏转板之间的配合可以实现特性曲线的显示。在Y 偏转板上加一正弦波电压，必须同时在X 偏转板上加一锯齿波扫描电压[4]，才能在荧光屏上观察到正弦波图像，如图1 所示。本文用示波器显示晶体管输出特性曲线、反相器传输特性曲线和滞回比较器传输特性曲线。

图1 示波器显示正弦波过程示意图

2 波形发生电路设计

波形发生电路常作为脉冲和数字系统的信号源，或为模拟电路提供测试信号和控制信号[5]。观察元器件特性曲线通常用锯齿波或三角波作为 X 轴扫描信号，如果要观察晶体管的输出特性曲线簇，在基极还要输入一个阶梯波电压，每次阶梯波上升一个台阶，就能观察到一条特性曲线。

2.1 锯齿波和矩形波发生电路

锯齿波和矩形波发生电路通常有2 种设计方法，一是用滞回比较器和积分电路组成振荡电路，二是用555 定时器组成多谐振荡电路，本文采用第一种方法产生锯齿波和矩形波。

2.1.1 电路结构

占空比可调的锯齿波发生电路由滞回比较器和积分电路构成，电路如图2 所示。滞回比较器起开关作用，RC 电路的作用是产生暂态过程[6]。通过调节电位器 Rw 改变电容 C1 充放电的时间常数，从而改变锯齿波的占空比，从b 点可以得到锯齿波，从a 点可以得到矩形波。

图2 锯齿波和矩形波发生电路

2.1.2 原理分析

令a 点电压为Ua，b 点电压为Ub。运算放大器U1输出电压，同相输入端电压为

令同相输入端电压Up1与反相输入端电压UN1为0，即可以得出阈值电压为输出电压幅值所以可以通过

调整R1与R3 值改变锯齿波的幅值。

2.1.3 仿真结果

图3 锯齿波和矩形波

2.2 阶梯波发生电路

采用对矩形波计数求和的方法得到阶梯波，这样可以使阶梯波和锯齿波保持同步，利于观察。

2.2.1 电路结构

阶梯波发生电路结构如图 4 所示。CD4518 为CMOS 型双BCD 同步十进制计数器[7]，将矩形波输入到阶梯波发生电路，通过CD4518 十进制计数器进行计数，输出的波形反向求和，再进行反向比例运算可以得到阶梯波。

图4 阶梯波发生电路

2.2.2 原理分析

CD4518 的EN 引脚接高电平，MR 引脚接低电平，构成十进制计数器，使输出的阶梯波具有十个台阶。将矩形波信号输入到 CD4518 的 CP 引脚计数，从输出端A, B, C, D 可以得到幅值为5 V、频率比为8∶4∶2∶1 的矩形波。设CD4518 四个输出端A, B, C, D 输出电压分别为U1,U2,U3,U4，集成运放U6 输出电压为Uo，将R15, R16, R17, R18 阻值分别设置为39 k, 20 k,10 k, 5.1 k，R19 设定为4.7 k。反向求和运算输出电压为然后进行反向比例运算，输出电压R23 为可调电阻，通过调节R23 可以改变阶梯波的幅值，从而满足测量不同元件的需求。

2.2.3 仿真结果

用示波器的X 通道测量集成运放U7 输出的波形，结果如图5 所示。

图5 阶梯波

3 图示元器件特性曲线

3.1 晶体管输出特性曲线

晶体管作为一种常用的固体半导体器件，具有放大、稳压、整流等功能。观察示波器的特性曲线有助于学生对晶体管特性和工作原理的理解。晶体管输出特性曲线是以基极电流作为参变量，描述集电极电流随集射极电压的变化关系的一簇伏安特性曲线[8]。

3.1.1 电路结构

晶体管输出特性曲线测试电路如图6 所示。晶体管输出特性曲线反映了在确定的IB下，IC随UCE的变化，将阶梯波通过电阻R24 输入到被测晶体管的基极，以产生不同的IB，将同步的锯齿波通过电阻R10 输入到被测晶体管的集电极，产生线性变化的 UCE，晶体管的发射极接地。在集电极电阻R10 两端接入差分比例运算电路，将阶梯波电压转换为晶体管的基极阶梯电流[9]，然后输入到示波器Y 通道，示波器X 通道接晶体管的集电极。

图6 晶体管输出特性曲线测试电路

3.1.2 仿真结果

将示波器的Y 通道接到U3 的输出端，X 通道接到晶体管的集电极。用示波器的同步触发方式观察得到的波形如图7 所示。因为阶梯波有10 个台阶，因此可以观察到10 条输出特性曲线。

图7 晶体管特性曲线

3.2 反相器特性曲线

反相器作为典型门电路，广泛应用于各种数字电路和模拟电路中。反相器可以将输入信号的相位进行180°翻转，从而满足不同电路需求。74LS04 是6 输入TTL 反相器，本文以74LS04 反相器为例进行分析。

3.2.1 电路结构

反相器特性曲线测试电路结构如图 8 所示，U4为反相器 74LS04，将锯齿波通过电阻 R24 输入到反相器 74LS04。当锯齿波电压小于反相器的阈值电压时，输出为低电平；当锯齿波电压大于反相器的阈值电压时，输出为高电平。

图8 反相器特性曲线测试电路

3.2.2 仿真结果

将示波器的X 通道接到反相器的输入端，Y 通道接到反相器的输出端，用示波器的同步触发方式观察得到的波形如图9 所示。

图9 反相器特性曲线

3.3 滞回比较器特性曲线

电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路[10]，集成运放在开环或正反馈情况下工作在非线性区，可以构成单限、滞回和窗口电压比较器[11]。单限比较器抗干扰能力差，在单限比较器中引入负反馈构成滞回比较器，滞回比较器有一定的抗干扰能力，本文以滞回比较器为例进行分析。

3.3.1 电路结构

图10 滞回比较器特性曲线测试电路

滞回比较器特性曲线测试电路如图10 所示。用集成运放U8 和电阻、稳压二极管构成滞回比较器，将三角波输入到滞回比较器。

3.3.2 原理分析

3.3.3 仿真结果

将示波器的X 通道接到U8 的反相输入端，Y 通道接到输出端，用示波器的同步触发方式观察，波形如图11 所示。

图11 滞回比较器特性曲线

4 结语

用Multisim 仿真出元器件的特性曲线，并制作实际电路进行调试、验证，与仿真波形基本一致，从而证明了实验的可行性。通过课程设计，可为学生提供练习平台，提高学生进行实践和学习的积极性[12]。用通用示波器观察元器件特性曲线，有利于学生将学到的数字电路、模拟电路知识加以综合运用，加深学生对课堂内容的理解，将理论与实践相结合，提高学生的动手能力。