稳压管特性曲线的双支路示波器显示方法

聂 明

(东北石油大学 物理与电子工程学院，黑龙江 大庆 163318)

《电子元器件伏安特性的测定》是大学物理实验[1-5]课程中的一个基础实验项目。在元器件伏安特性曲线的测量上，这种测试方法的优点之一是电路简单，实验装置容易获得，仅需直流稳压电源、磁电式直流电压表和电流表及滑线变阻器等装置；二是不论被测器件是线性元件还是非线性元件都能测量。而缺点之一则是由电表输入阻抗不理想，会引起系统误差；二是需要人工逐点测试，处理速度慢，并且只有测试完足够多的数据点，进行描点或拟合作图后才能看到U-I变化的全貌，实时性较差，不直观。示波器设置在X-Y工作模式则可描绘任意两个变量之间的关系，相当于一台X-Y图示仪，可组成一个动态测试系统。因此，作为一个设计性实验或提高性实验项目，可以利用示波器来直观实时地显示稳压管的伏安特性曲线全貌。这在此前的一些与此相关的资料中，往往不同程度地存在一定的问题，这些问题将在下面阐述。为此，本文设计了一种简单且有效的双支路测量电路，这种测量电路在以往的论文资料中未见报道。实验证明这种测量方法可以解决此类实验中存在的相关问题，并且这种思路也可借鉴于利用示波器的Y-T模式显示三极管输出特性曲线、铁磁材料磁滞回线等的实验中，同时此项实验内容也对训练学生如何灵活分析处理实际问题大有裨益。

1 实验电路

在以往的相关资料[6-10]中，利用示波器的X-Y模式显示二极管伏安特性曲线的实验电路有3种，如图1所示。

(a)

(b)

(c)图1 稳压管伏安特性曲线测量电路

在图1(a)测量电路中，E为交流信号源，其峰值电压要略高于稳压二极管的击穿电压，E通过无感的电流取样电阻R加到被测试管的两极。对稳压(齐纳)二极管D来说，半个周期是正的，而另半个周期是负的，在R中将引起正向和反向电流通过。将电阻R的端电压施加到示波器的垂直通道CH2(Y)，则荧光屏上的光点会产生上、下位移。所以，垂直偏转与电流成正比，当R是1 Ω时，垂直刻度能直接地变换成电流。将施加在被测管上的电压接入示波器的水平通道CH1(X)，控制电子束产生光点的左、右移动，则电子束水平偏转与电压成正比。综上，水平偏转(电压)和垂直偏转(电流)的合成作用使电子束描绘出一个完整的U-I曲线。这种测量方案在原理上是正确的，但是在实际测量中行不通。原因在于，考虑到电气安全问题，实际使用的仪器，不论是信号发生器还是示波器等需要市电供电的设备，都是使用通用的单相三线制电源线供电。这样仪器的壳体接地端都与保护地线相接，并且信号发生器和示波器的信号输出及输入端的同轴电缆卡环形接口(BNC)的信号地端都是与壳体接地端相连接的。由此可知，图1(a)中信号发生器的输入端B或者C端是接地的，而示波器的两路输入端的公共端要选择电路中的选定的测量接地端A点，这就使得图中B、A两点或C、A两点短接。则示波器输入端CH1或CH2两信号之一为零，使得伏安特性曲线无法显示。

为了解决这种由于测量装置接地结构带来的问题，在图1(a)的信号输入端与待测元件之间加上一个变压器T，如图1(b)所示。使得输入信号与后级电路电隔离，这样就解决了上述问题。测量过程中只要设置CH1输入通道反相，则屏幕即可正确显示稳压管伏安特性曲线。存在的问题，一是需要增加隔离变压器这一耦合器件，二是变压器存在耦合不紧密和有损耗等不理想因素，变压器T与信号源之间阻抗未必匹配。

另一种解决这个问题的方法如图1(c)所示，电路中只选一点作为信号源和示波器两个输入通道的测量接地端，这样就解决了图1(a)电路中存在的问题，不会使取样电阻R或待测稳压二极管D短接。但这里存在的问题是CH2通道输入的虽然是代表稳压管电流的电压信号，可CH1通道输入的电压信号可不是待测稳压管的端电压，而是加于电阻和稳压管的总电压。所以示波器屏幕实际显示的是取样电阻R与待测稳压二极管D串联组合体的伏安特性曲线，而并非真正的稳压管的伏安特性曲线。图2是利用数字存储示波器显示的稳压管伏安特性曲线。

(a)取样电阻R较大

(b)取样电阻R较小图2 稳压管与电阻串联组合体的伏安特性曲线

由图2(a)、(b)可见，在二极管正向导通和反向击穿前及导通电流较小时，取样电阻对曲线形状几乎没有影响，两者没有差别。而当正向导通和反向击穿后，导通电流较大时，电阻的影响就凸显出来了。实验可见：增大取样电阻R值，曲线倾角变小；减小取样电阻R值，曲线倾角变大变陡，更接近真正的稳压二极管伏安特性曲线。

为了解决以上各种测量电路存在的问题，本文提出一种双支路测量电路，如图3所示。与上面列举的各种测量电路相比，这种电路中增加了一个测量支路，并且两个测量支路中选用的待测稳压二极管相同，两支路中的电流取样电阻R阻值也完全相同，但是两个元件的连接顺序调换了一下。信号发生器的输出端及示波器两信号输入端的接地端都选电路中同一个测量接地点。第一测量支路中的A点信号接入CH1，是信号发生器输出正弦激励信号作用下稳压二极管两端响应的电压信号。第二测量支路中的B点信号接入CH2，是正弦激励信号作用下电流取样电阻两端响应的电压信号。这样，由A、B两点输入示波器水平和垂直通道的信号分别是稳压管的端电压信号和与流过稳压管电流成比例的电压信号，所以示波器屏幕显示的是待测稳压二极管的伏安特性曲线。实际接线图如图4所示。

图3 稳压管伏安特性曲线的双支路测量电路

图4 双支路测量电路接线图

2 稳压管伏安特性曲线的显示及动态电阻的测量

利用双支路测量电路测得的稳压二极管伏安特性曲线如图5所示，相关信号波形如图6所示。与图2中伏安特性曲线不同，图5是真正的稳压管伏安特性曲线。在图5和图6中根据相关曲线可以定量测得正向导通电压、反向击穿电压及最大反向电流等参数。

图5 稳压二极管伏安特性曲线

图6 信号波形

稳压二极管的参数之一动态电阻rZ，是稳压管在击穿状态下，在稳压区工作时两端电压变化量与其电流变化量的比值。反映在特性曲线上，rZ是工作点处切线斜率的倒数。rZ随工作电流增大而减小，其值愈小，电流变化时稳定电压UZ的变化愈小，即稳压特性愈好。

稳压管动态电阻的测量过程如图7所示。因动态电阻rZ随工作电流的不同而不同，必须选定一个特定的位于稳压区的静态工作点。图7(a)为待测稳压二极管处于稳压区的特性曲线，图7(b)为与此对应的选定的一个工作点P。此点设定方法是，示波器两输入通道设置为直流耦合，信号发生器交流信号调至零输出，通过输出负直流偏移的调节，使示波器屏幕亮点调至要求位置，即使此点对应的电压与取样电阻R之比等于IP。将示波器两输入通道设置为交流耦合，信号发生器输出直流偏移量不变，增加正弦交流信号的输出。注意交流输出不可过大，不可使二极管电压信号出现畸变。实验中若使用的是数字存储示波器，则可充分利用其信号平均获取方式及输入通道的带宽限制、数字滤波等功能，获取噪声干扰尽可能小的信号波形，如图7(c)所示。利用数字存储示波器的自动测量功能，测得稳压二极管交流电压峰峰值Ud和取样电阻交流电压峰峰值UR，由下式可计算得到与工作电流IP对应的动态电阻，即

将图7(c)测得的Ud=142 mV，UR=1.52 V，r=196.7 Ω代入得rZ=18.4 Ω。

(a)稳压管稳压(反向)工作区

(b)选定的静态工作点

(c)微变信号图7 稳压管动态电阻的测量

3 结 语

利用示波器显示电子元器件的伏安特性曲线，可作为一项设计性实验或示波器应用性实验项目。示波器显示二极管伏安特性曲线的优点在于方法简单，图像清晰，能实时快速显示正、反向特性的全部信息。为解决以往此项实验中遇到的相关问题，这里提出一种新的稳压管伏安特性测量电路-双支路测量电路。这种测量电路是在以往电路的基础上通过增一个测量支路，形成两个信号获取支路，这样就巧妙地解决了由于信号源和示波器的接地结构带来的相关问题。利用这种测量电路可以方便快捷地测得稳压二极管的伏安特性曲线，并且不需额外增加任何元器件。这里用双支路测量电路显示了稳压管的伏安特性曲线，解释了相关信号波形，并测量了稳压管在IP状态下对应的动态电阻。

当然还存在一种较复杂的解决此类问题的一种方案[11]，这种方法复杂且需要增加较多的元器件。在具体实验过程中还可能存在取样电阻选取不当或外部干扰等问题，见参考文献[7]。考虑到稳压二极管存在结电容，测试信号频率如何选择，见参考文献[12]。