第5章电子技术基础实验.docx
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第5章电子技术基础实验
第5章模拟电子技术基础实验
5.1常用电子仪器的使用和电子器件的检测
5.1.1实验目的：
了解数字示波器、函数信号发生器、交流毫伏表和数字万用表的用途及主要指标。
了解上述仪器的操作及使用，初步掌握用示波器观察正弦信号的波形、定量测出正弦交流信号的波形参数的方法。
学习使用万用表检测电子元器件的方法。
5.1.2实验设备：
DS1062CA数字示波器；
F20型数字合成函数信号发生器/计数器；
YB2172数字交流毫伏表；
直流稳压电源；
数字万用表；
电子元器件（电阻、电容、电感、电位器等）。
5.1.3基础知识要点：
1简述
在电子电路实验中，常用电子仪器是电子技术基础实验的基本设备，正确使用各种电子仪器、正确地识别和检测电子元器件，是完成单元电路制作、调整测试和故障处理最基本的技能。
电路正确组接后，其动态和静态工作情况的测试，一般使用基本设备和万用表进行直接、间接、组合等测量方法进行测试。
本次实验通过检测电子器件和测试交流信号的有关参数，具体实践电子电路实验中测量的基本技能。
2常用电子仪器的功能及它们之间的连接关系
在电子电路基础实验中，常用的电子仪器有如图5.1.1所示的相关仪器，其相互关系及各仪器功能说明如下。
图5.1.1电子电路基础实验测量仪器的相互关系示意图
1）信号发生器：
用来产生信号源。
输出大小有数字式或指针式指示，输出波形有正弦波、三角波和方波，其输出电压和频率可调节，均可根据被测实验电路要求进行选择。
2）直流稳压电源：
用来为被测实验电路提供能源。
通常是电压输出，例如5～6V，±12V或±l5V等。
3）示波器：
用来测量实验电路的输出信号。
通过示波器可显示电压或电流波形，可测量频率、周期等其它有关参数。
4）测量仪器仪表，用来测量实验电路中的电阻、电压、电流、频率等参数的常用仪表。
例如毫伏表、电流表、指针式万用表、数字万用表、集成电路测试仪等。
5）被测实验电路：
研究电路的基础。
有的是一个单元实验电路，有的是采用接插板的设计预试的电路。
任何电子电路实验都需要这一部分，因为无论哪一种被测实验电路都要通过相关仪器准确地测量数据，观察实验现象和结果，进而真正掌握该电路的作用。
3电子元器件检测
1）电阻的检测
电阻阻值的测量可以用万用表欧姆档的直接测量法，也可运用电桥法和伏安法等间接测量法，这里我们主要介绍万用表测量电阻的方法。
用万用表的欧姆档测量电阻时，先根据被测电阻的大小，选择好万用表欧姆档的倍率或量程范围，再将两个输入端（称表笔）短路调零，最后将万用表并接在被测电阻的两端，读出电阻值即可。
用万用表测量电阻时应注意以下几个问题：
（1）要防止用双手把电阻的两个端子和万用表的两个表笔并联捏在一起，因为这样测得的阻值是人体电阻与待测电阻并联后的等效电阻的阻值，而不是待测电阻的阻值。
（2）电阻连接在电路中时，首先应将电路的电源断开，决不允许带电测量。
（3）用万用表测量电阻时应注意被测电阻所能承受的电压和电流值，以免损坏被测电阻。
例如，不能用万用表直接测量微安表的表头内阻，因为这样做可能使流过表头的电流超过其承受能力（微安级）而烧坏表头。
（4）万用表测量电阻时不同倍率档的零点不同，每换一档都应重新进行一次调零。
当某一档调节调零电位器不能使指针回到零欧姆处时，表明表内电池电压不足了，需要更换新电池。
（5）由于模拟式万用表欧姆档表盘刻度的非线性，测量误差也较大，因而一般作粗略测量。
数字式万用表测量电阻的误差比模拟万用表的误差小，但当它用来测量阻值较小的电阻时，相对误差仍然是比较大的。
2）电位器的检测
电位器种类较多，现以碳膜旋转式电位器为例说明检测方法。
旋转式电位器的实物图形和电路符号如图5.1.2所示。
图中R1-3、R1-2、R2-3分别表示电位器各端子间的电阻，电位器R1-3阻值为它的标称值。
当转动轴按图中所示的顺时针方向旋转时，R1-2应逐步增大，R2-3应逐步减小，不管旋转角度如何，R1-3始终为一定值，并有R1-3=R1-2+R2-3的关系。
万用表检测电位器时，应首先测量R1-3阻值，若R1-3值与标称值相符，再测R1-2。
测R1-2时应慢慢转动旋转轴，R1-2值应随着转动轴旋转而连续地变化。
如果R1-2值始终为无穷大，说明电位器的2端开路；如果在旋转轴转动过程中R1-2值出现跳变。
说明电位器2端接触不良。
这两种情况都表明电位器损坏，不可再用。
图5.1.2电位器图
3）电容器的检测
用模拟式万用表电阻档可定性判别几千pF以上电容的好坏、电解电容正负极性和漏电流的大小。
（1）电容好坏的判别
电容的好坏可根据有无容量和有无短路这两点来判别。
可通过观察万用表指针偏转角度来定性判别电容有无容量或者是否短路。
对于几千pF以下的电容器，因为容量太小万用表无法检测其有无容量。
对于几千pF～几万pF量值的电容，应用R×10K档检测，这一档万用表内部电池E0和万用表内阻R0较大，可使充电过程增加，有利于测量。
对于零点几μF～几百μF量值的电容，可选用R×lK、R×l00、R×10等档位进行测量。
一般容量越大，电阻档位越低。
检测电容时（包括小容量电容），如果发现表针偏转后始终指向0Ω或某一较小的定值（如几十kΩ），说明电容内部短路或漏电流过大；检测几千pF以上容量的电容时，如果表针没有任何偏转，始终在∞处，说明电容内部开路。
这两种情况都表明电容已损坏。
（2）电容极性的判别
电容有有极性和无极性两种类型，在使用有极性电容时必须判别它的正负极性。
电容的极性可根据电容上的标志直接判定。
例如，目前生产的有极性电容的外壳上都印有“+”或“-”标志，未使用过的小型极性电容两条引出线，长的为正极，短的为负极。
电容极性也可用万用表电阻档测出。
有极性电容（如电解电容）内部的介质具有单向导电性能，当电容的正极加直流高电位，负极加低电位时，电容的漏电流较小。
如果电位加反，则漏电流较大。
我们可利用这一特点来判别电容的极性。
检测极性时，万用表置于电阻R×1K档，先将黑表笔（高电位端）和红表笔分别接在被测电容的两极。
表针向右偏转后又向左回偏，逐渐稳定在某一点，记下该点阻值。
将两表笔互换再测一次，记下第二次表笔稳定后的阻值。
比较两次测出的阻值，阻值大的一次测量时黑表笔所接的就是电容的正极。
4）电感器的检测
利用万用表的欧姆档可简单地测量出电感器的优劣情况。
具体方法是：
（1）选档：
选择万用表的R×1档（先调零）。
（2）接法：
用万用表的测试笔任意接电感器的两端。
测试时的现象和结论如表5.1.1所示。
表5.1.1电感器测试现象和结论
现象
可能原因
结论
表针指示电阻很大
电感线圈多股线中有几股断线
坏电感
表针不动（停在∞上）
电感线圈开路
坏电感
表针指示电阻值为零
电感线圈严重短路
坏电感
表针指示电阻值为零点几欧～几欧
好电感
5）二极管的检测：
用模拟式万用表可检测二极管的正负极、材料、好坏等。
检测方法分述如下：
（1）正负极性判别
二极管的正负两极可通过二极管外形或管壳上的标志直接确定。
用万用表判别极性时应置于R×1K或R×100档。
先将两表笔分别接在二极管两极，记下表针指示的阻值，再调换两表笔，记下第二次测出的阻值。
由于二极管具有单向导电性，其正反向电阻相差很大，故比较两次测出的阻值，阻值小的那次黑表笔所接的就是二极管的正极。
二极管的正反向电阻与材料有关，表5.1.2给出了参考值。
需要注意的是，用万用表测量二极管（也包括三极管）时，一般不能用R×1、R×10和R×10K档。
这是因为R×1、R×10档表的内阻小，测二极管正向电阻时二极管将通过较大电流，很容易烧坏二极管。
而R×10K档表内电源电压较高，测二极管反向电阻时，若被测管反向击穿电压小于表内电源电压，将击穿二极管。
（2）二极管硅锗材料的判别
制造二极管的材料不同，其正向电阻也不同。
利用这一特点可根据二极管正向电阻的阻值范围，判别是硅管还是锗管。
测量时应注意，万用表内电池电压和内阻不同，测得的同一只二极管的正向电阻也不同。
所以，不能给出统一的标准。
表5.1.2给出了用MF一47型万用表R×100Ω档测出的正向阻值，以供参考。
表5.1.2二极管正反向电阻参考值
材料
正向电阻
反向电阻
硅
几kΩ
∞
锗
几百Ω
几百kΩ
（3）二极管好坏的判别
若测得的正反向电阻都很小或都很大，则可判定二极管已损坏。
5.1.4实验内容及要求
1由数字信号发生器给出f=1kHz，Ui=1V的正弦波信号，用数字式交流毫伏表测量该正弦信号的大小，并用示波器观察该信号的波形，并测试该正弦信号的周期、有效值、峰峰值。
将波形及波形的相关参数记入表5.1.3。
2由数字信号发生器给出f=1kHz，Ui=5mV的正弦信号，用示波器观察波形并测试其周期有效值，峰峰值。
表5.1.3
波形
周期T
有效值
峰峰值
v
f
3常用元器件检测练习
1）按图5.1.2给出的电位器端子号，测量l0kΩ电位器，结果填入表5.1.4。
表5.1.4电位器测量
阻值
顺时针旋转到底
旋至中间
逆时针旋转到底
R1—3
Rl—2
R2—3
2）定性检测电容器好坏。
测试时应合理选择万用表电阻档位，将测试情况填入表5.1.5。
表5.1.5电容定性检测
电容器标称值
22μF
0.047μF
5100μF
电阻档位
表针偏转情况
3）按表5.1.6、表5.1.7给出的项目定性测试二极管
表5.1.6二极管定性检测
正向电阻
反向电阻
型号
阻值
档位
阻值
档位
材料
2AP9
IN4148
实验报告要求
1数字信号发生器输出的信号频率范围及幅度范围是多少？
频率调整方式有几种？
幅度调整方式有几种？
2如何由信号发生器给出f=1KHz,Vi=1V的正弦波？
3如何用数字示波器测量信号的有效值，峰峰值，周期，频率？
实验指导
本次实验所用仪器设备的用途、主要指标及使用方法见第九章有关内容。
5.2三极管及其单级共射放大电路
5.2.1实验目的
1.了解晶体三极管的命名方法和主要技术指标，学习识别其类型和管脚的技能。
2.学习共射极放大电路静态工作点的测量与调整，研究静态工作点对放大电路动态性能的影响。
3.学习放大电路主要性能指标（电压放大倍数、输入电阻、输出电阻及最大不失真输出电压）的测量方法。
5.2.2实验设备
1.数字示波器；
2.数字函数信号发生器；
3.数字交流毫伏表；
4.数字万用表；
5.单管放大器实验板。
5.2.3基础知识要点及参考电路
1.半导体三极管
半导体三极管是组成放大电路的核心器件，是集成电路的组成元件，在电路中主要用于电流放大、开关控制或与其他元器件组成特殊电路等。
半导体三极管的种类较多，按制造材料不同有硅管、锗管等；按极性不同有NPN型和PNP型；按工作频率不同有低频管、高频管等；按功耗不同有大功率管和小功率管。
它们的参数主要有电流放大倍数β、极间反向电流ICEO、极限参数及频率特性参数等。
举例如表5.2.1所示
表5.2.1几种常用三极管的参数
参数
PCM（mW）
ICM（mA）
VBRCBO（V）
ICBO（μA）
hFE
fT（MHz）
极性
3DGlOOD
100
20
40
1
4
0．Ol
NPN
3DG200A
100
20
15
0.1
25～270
0．Ol
NPN
CS9013H
400
500
25
0.5
144
150
NPN
CS9012H
600
500
25
0.5
144
150
PNP
参数
VP（V）
IDSS（A）
gm（mA／V）
PDM（mW）
rGS（Ω）
fM
3DJ6G
-9
3～6.5
1
100
108
30
N沟道
2.半导体三极管的识别与检测
1）三极管的类型
半导体三极管的类型有NPN型和PNP型两种。
通常可根据管子外壳标注的型号来判别是NPN型，还是PNP型。
在半导体三极管型号命名中，第二部分字母A、C表示PNP型管；B、D表示NPN型管；A、B表示锗材料；C、D表示硅材料。
另外，目前市场上广泛使用的9011～9018系列，高频小功率9012、9015为PNP型，其余为NPN型。
半导体三极管更为详细的型号和命名方法，具体请阅读有关手册。
2）三极管的电极判别
（1）直观辨识法。
半导体三极管有基极（B）、集电极（C）和发射极（E）三个电极，有些三极管可根据管脚的排列图位置直接确定。
如图5.2.1是常用三极管的结构特征及极性标识图。
图5.2.1常用三极管的结构特征及极性标识图图
（2）特征辨识法。
如图5.2.1所示，有些三极管用结构特征标识来表示某一电极。
如高频小功率管3DGl2、3DG6的外壳有一小凸起标识，该凸起标识旁引脚为发射极。
（3）万用表欧姆档判别法。
如果不知道管脚排列规则，同时外型结构又无明显标识时，可通过指针式万用表及图5.2.2（a）（b）判别。
首先假设一个基级，万用表置于R×1或R×100档，黑表笔接在假定的基极上，用红表笔依次碰触另外两个电极，并测得两电极间阻值。
若两次测得电阻均很小（为PN结正向电阻值），则黑表笔对应为基极且此管为NPN型；或者两次测得电阻值均很大（为PN结反向电阻值），交换表笔后再用黑笔去碰触另两极，也测量两次，若两次阻值也很小，则原黑表笔对应为三极管基极，且此管为PNP型。
注意：
选用指针式万用表欧姆档时，黑表笔为正极，红表笔为负极，这与数字式万用表不同。
其次，判别集电极和发射极。
其基本原理是把三极管接成基本放大电路，利用测量三极管的电流放大倍数β值的大小，来判定集电极和发射极。
以NPN管为例说明，如图5.2.2（b）所示。
基极确定后，不管基极，用万用表两表笔分别接另两电极，用100kΩ的电阻一端接基极，电阻的另一端也接万用表黑表笔，若表针偏转角度较大，则黑表笔对应为集电极，红表笔对应为发射极。
可以用手捏住基极与黑表笔（但不能使两者相碰），以人体电阻代替l00kΩ电阻的作用（对于PNP型，手捏红表笔与基极）。
上面这种方法，实质上是把三极管接成了正向偏置状态，若极性正确，则集电极会有较大电流。
图5.2.2（a）判定基极（b）判别集电极和发射极
2）三极管类型判别（硅管、锗管判别）
根据硅材料PN结正向电阻较锗材料大的特点，可用万用表欧姆R×lkΩ档测定，若测得发射结正向阻值约为3～10kΩ，则为硅材料管：
若测得正向阻值约为50～1kΩ，则为锗材料管。
或测量发射结（集电结）反向电阻值，若测得反向阻值约为500kΩ，则为硅材料管；若测得反向阻值约为l00kΩ，则为锗材料管。
（阻值范围有重合？
？
）
3.基本放大电路——工作点稳定的分压式共射放大电路
工作点稳定的分压式共射放大电路，它既有电流放大作用，又有电压放大作用。
该电路信号从基极输入，集电极输出。
输入电阻与相同材料的二极管正向偏置电阻相当，输出电阻较高，且输出电压与输人电压反相，故用于小信号的放大，或用于多级放大电路的中间级。
参考电路如图5.2.3所示
图5.2.3共射极单管放大器参考电路
该电路当流过偏置电阻RB1和RB2的电流远大于三极管的基级电流IB时（一般为5～10倍），则它的静态工作点、电压放大倍数和输出输入电阻，可由下列关系式估算：
Ro=Rc
4.静态工作点的含义及其测量和调试
1）静态工作点
静态工作点是指放大电路无交流信号输入时，在晶体管的输入特性和输出特性上所对应的工作电压和工作电流。
为了获得最大不失真的输出电压，静态工作点应设置在交流负载线的中点，若工作点选得过高，易引起饱和失真；若选得过低，易产生截止失真。
对于线性放大电路，这两种工作点都是不合适的，必须对其进行调整。
2）静态工作点测量
静态工作点与电路参数VCC、Rc、RE1、RB1、RB2及三极管β有关。
当电路参数确定后，工作点的调整一般是通过调节电位器RW来实现的，RW调小，工作点增高；RW调大，工作点降低。
调整与测量静态工作点的实验方法是：
从信号发生器输出频率为lkHz的交流信号作为Ui，用示波器观察输出电压Uo的波形，调节电位器RW使输出波形的幅值为最大且不失真，此时的工作点为最佳工作点。
然后使Ui=0，用万用表直接测量UBE及UCE，计算IC的值。
在实验中，如果测得UCEQ=0.5V，说明三极管已饱和；如测得UCEQ≈VCC，则说明三极管已截止。
但测量电流ICQ时要注意，如果直接测电流，需断开集电极回路，比较麻烦，所以为了避免更改接线，常采用测量电压来换算电流的方法，即：
先测出发射极对地电压UE，再利用公式
，算出ICQ。
此法虽简便，但测量精度稍差，需选用内阻较高的电压表。
3）静态工作点的调试
放大器静态工作点的调试是指对三极管集电极电流IC或（UCE）的调整与测试。
静态工作点是否合适，对放大器的性能和输出波形都有很大影响。
如工作点偏高，放大器在加入交流信号以后容易产生失真，此时Uo的负半周将被削底，如图5.2.4（a）所示；如工作点偏低则易产生截止失真，即Uo的正半周被缩顶（一般截止失真不如饱和失真明显），如图5.2.4（b）所示。
如果输入信号过大，使三极管工作在非线性区，即使静态工作点选在交流负载线的中点，输出电压波形仍可能出现双向失真，这些情况都不符合不失真放大的要求。
所以在选定工作点以后还必须进行动态调试，即在放大器的输入端加入一定的输入电压Ui，检查输出电压Uo的大小和波形是否满足要求。
如不满足，则应调节静态工作点的位置。
（a）（b）
图5.2.4静态工作点对Uo波形失真的影响图5.2.5电路参数对静态工作点的影响
改变电路参数Vcc、Rc、（RBl、RB2）都会引起静态工作点的变化，如图5.2.5所示。
但通常多采用调节偏置电阻RW的方法来改变静态工作点，如减小电位器RW，则可使静态工作点提高等。
最后还要说明的是，上面所说的工作点“偏高”或“偏低”不是绝对的，相对信号的幅度值而言，如输入信号幅度很小，即使工作点较高或较低，也不一定会出现失真。
所以确切的说，产生波形失真是信号幅度与静态工作点设置配合不当所致。
如需满足较大信号幅度的要求，静态工作点最好尽量靠近交流负载线的中点。
4）放大电路的动态指标测试
放大电路的动态主要指标，有电压放大倍数Av、输入电阻Ri、输出电阻Ro，以及最大不失真输出电压Uomax等。
（1）放大电路电压放大倍数测量
放大器的电压放大倍数是指输出电压与输入电压的有效值之比，当选定三极管和负载电阻（RC、RL）后，Av主要取决于静态工作点ICQ。
测量方法请阅读第一章有关内容。
（2）输入电阻与输出电阻的测量，
输入电阻Ri的大小表示放大电路从信号源或前级放大电路获取电流的多少。
输入电阻越大，索取前级电流越小，对前级的影响就越小。
如图5.2.3电路所示参数，放大电路的输入电阻和三极管输入电阻rbe分别为
可见，ICQ增加，rbe减小，Ri下降。
输入电阻测量方法请阅读第二章2.1.2中有关内容。
输出电阻Ro的大小表示电路带负载能力的大小。
输出电阻越小，带负载能力越强。
该电路的输出电阻近似等于集电极电阻Rc，几乎与ICQ无关，即Ro≈Rc。
输出电阻测量方法请阅读第二章2.1.2中有关内容。
（3）最大不失真输出电压UOPP的测量（最大动态范围）
为了得到最大动态范围，应将静态工作点调在交流负载线的中点。
为此在放大器正常工作情况下，逐步增加输入信号的幅度，并同时调节Rw（改变静态工作点），用示波器观察Uo，当输出波形同时出现削底和削顶现象时，说明静态工作点已调在交流负载线的中点。
然后反复调整输入信号，使波形输出幅度最大，且无明显失真时，用交流毫伏表测出Uo（有效值），则动态范围等于
Uo。
或用示波器直接读出UOPP来。
5.2.4实验内容及要求
1查阅手册并记录
在手册上查找晶体三极管（3DG100D、CS9013）、场效应管（1DJ6G）的类型和管脚情况，仿照表格5.2.1作记录，并按照前面介绍的方法用万用表测量β，发射极电阻和集电极电阻。
2测量电路在线性放大状态时的静态工作点
接通直流电源前，先将Rw调至最大，函数信号发生器输出旋钮旋至零。
接通+12V电源，调节Rw，使Ic=2.0mA（即UE=2.0V）。
通过函数信号发生器输入Ui≈10mV，频率为lkHz的正弦信号Ui，用直流电压表测量UB、UE、Uc及用万用表测量RB2值，并记入表5.2.2。
表5.2.2
测量值
计算值
UB（V）
UE（V）
Uc（V）
Rb2（kΩ）
UBE（V）
UCE（V）
Ic（mA）
IB（μA）
β
12
3测量电压放大倍数
在放大器输入端加入频率为lkHz，Ui≈10mV的正弦信号，同时用示波器观察放大器输出电压Uo波形，在波形不失真的条件下用交流毫伏表测量下述三种情况下的Uo值，并用双踪示波器观察Uo和Ui的相位关系，记入表5.2.3。
表5.2.3
Rc（kΩ）
RL（kΩ）
Uo（V）
AV
Ui/Uo波形
4观察静态工作点对电压放大倍数的影响
置Rc=2.4kΩ，RL=∞，适量调节Rw，用示波器监视输出电压波形，在Uo不失真的情况下，测量数组Ic和Uo值，记入表5.2.4。
表5.2.4
Ic（mA）
2.0
Uo（V）
AV
注意：
测量Ic时，要先将信号源输出旋钮至零（即使Ui=0）。
5了解静态工作点设置不当，给放大电路带来的非线性失真现象
置Rc=2.4kΩ，RL=2.4kΩ，Ui=0，调节Rw使Ic=2.0mA，测出UCE值，再逐步加大输入信号，使输出电压Uo足够大但不失真。
然后保持输入信号不变，分别增大和减小Rw，使波形出现失真，绘出Uo的波形，并测出失真情况下的Ic和UCE值，记入表5.2.5中。
每次测量时都要将信号源的输出旋钮旋至零。
表5.2.5
IC（mA）
UCE（V）
Uo波形
失真情况
三极管工作状态
2.0
6测量最大不失真输出电压
置Rc=2.4kΩ，RL=2.4kΩ，同时调节输入信号的幅度和电位器Rw，用示波器和交流毫伏表测量UOPP及Uo值，记入表5.2.6。
表5.2.6
IC（mA）
Uim（mV）
UOm（V）
UOPP（V）
7测量输入电阻和输出电阻。
置Rc=2.4kΩ，RL=2.4kΩ，Ic=2.0mA。
输入f=1kHz的正弦信号，在输出电压不
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