電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)問(wèn)題之解析

摘要：在做電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)與理論不相符的問(wèn)題。其一是在施密特觸發(fā)器波形變換中出現(xiàn)了與理論不相符的波形。究其原因是輸入端加入了負(fù)值電壓所致，這是其內(nèi)部電路決定的。若用交流電，必須疊加相應(yīng)的直流分量，用以保證電壓的最小值大于等于零。其二是用示波器觀察整流電路輸入輸出波形時(shí)出現(xiàn)了與理論不相符的情況，究其原因是示波器的兩個(gè)輸入探頭的負(fù)端內(nèi)部是相連的，而整流電路的輸入輸出又是不共地的，必須單獨(dú)觀察其輸入波形及輸出波形。

關(guān)鍵詞：施密特觸發(fā)器；波形變換；門(mén)限電平

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）30-0075-02

目前，我國(guó)高等學(xué)校都很重視實(shí)踐教育的重要性，理工科教學(xué)更是離不開(kāi)優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)室和良好的實(shí)驗(yàn)制度，以培養(yǎng)知識(shí)、能力與素質(zhì)全面發(fā)展的綜合型人才。濟(jì)南大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備完好先進(jìn)，對(duì)學(xué)生全方位開(kāi)放，便于對(duì)所做實(shí)驗(yàn)進(jìn)行更深入細(xì)致的探討與分析。在做電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)理論不夠完善或?qū)嶒?yàn)儀器使用不當(dāng)?shù)膯?wèn)題，并得以解決。

一、施密特觸發(fā)器波形變換問(wèn)題

1.發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

施密特觸發(fā)器是雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的一種，有0態(tài)和1態(tài)兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。但施密特觸發(fā)器與一般雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有兩點(diǎn)不同，其一是施密特觸發(fā)器既可以采用電平觸發(fā)，也可以采用電位觸發(fā)，其狀態(tài)由輸入信號(hào)電位維持；其二是具有遲滯特性，對(duì)于負(fù)向遞減和正向遞增兩種不同變化方向的輸入信號(hào)，施密特觸發(fā)器有不同的閾值電壓。

施密特觸發(fā)器的應(yīng)用之一是波形變換，從教科書(shū)上獲得的理論知識(shí)是可以把正弦波、三角波等波形，通過(guò)施密特觸發(fā)器變換為圖1所示的矩形波，[1] 其條件是輸入電壓的最大值大于施密特觸發(fā)器的上門(mén)限電平（），輸入電壓的最小值小于下門(mén)限電平（），這樣就可以在施密特觸發(fā)器的輸出端得到同頻率的矩形波波形。[2]但是在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)卻出現(xiàn)了如圖2所示的非正常波形。一方面輸入正弦波的負(fù)半周被削掉，出現(xiàn)了嚴(yán)重失真。另一方面輸出的波形也不是教科書(shū)上描述的矩形波。

2.查找故障

為什么實(shí)驗(yàn)波形與理論波形不相符？是實(shí)驗(yàn)故障還是書(shū)本理論有問(wèn)題？為此按以下步驟進(jìn)行逐步查找和改進(jìn)。

（1）檢查接線。實(shí)驗(yàn)線路如圖3所示，電路并不復(fù)雜，仔細(xì)檢查確認(rèn)線路接線都正確，經(jīng)實(shí)測(cè)也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有接觸不良等問(wèn)題，并測(cè)得電源電壓為+5V正確。

（2）檢測(cè)器件（555定時(shí)器）。取下555定時(shí)器，另搭接簡(jiǎn)單的測(cè)試電路，檢測(cè)結(jié)果器件性能完好，功能正常。

（3）檢測(cè)示波器。實(shí)驗(yàn)儀器最易出現(xiàn)問(wèn)題的是探頭接線，首先檢測(cè)了示波器的探頭接線，然后又對(duì)示波器進(jìn)行了自檢，確定均完好。

（4）檢測(cè)信號(hào)發(fā)生器。第一步首先將信號(hào)源輸出端與555集成定時(shí)器斷開(kāi)，通過(guò)示波器觀察信號(hào)源的波形，測(cè)試結(jié)果如圖4（a）所示，是標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)。第二步接入555定時(shí)器后通過(guò)示波器觀察到的信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的正弦波波形，如圖4（b）所示，正弦波波形的負(fù)半周被削掉一部分，出現(xiàn)嚴(yán)重失真現(xiàn)象，也正與圖2中ui的波形一致。

（5）改變實(shí)驗(yàn)條件。通過(guò)以上查找，明確了電路接線沒(méi)有問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)儀器及器件也都沒(méi)有問(wèn)題，問(wèn)題似乎出在儀器與電路的連接上。但從理論上分析又不應(yīng)該出現(xiàn)這種問(wèn)題。筆者請(qǐng)教了老師，查閱了大量資料及同類教科書(shū)。在清華大學(xué)宴石教授編寫(xiě)的《數(shù)字電子技術(shù)》一書(shū)中看到有關(guān)介紹：輸入正弦波的波形在坐標(biāo)軸的上方，即輸入正弦波的谷點(diǎn)電壓大于等于零而不是負(fù)值。受這一啟發(fā)，筆者又回到實(shí)驗(yàn)室改變實(shí)驗(yàn)條件重新做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)正弦波信號(hào)源疊加了一個(gè)直流電壓，使輸入正弦波信號(hào)的最小值大于等于零。疊加直流電壓后，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如圖5所示，與理論知識(shí)完全吻合。

3.問(wèn)題原因分析

實(shí)驗(yàn)波形正常了，表面上看問(wèn)題解決了，但是如何深入解釋這一現(xiàn)象呢？單從教科書(shū)上555定時(shí)器的結(jié)構(gòu)框圖是無(wú)法解釋這一現(xiàn)象的。筆者又多次查閱參考資料，最后在網(wǎng)上查到如圖6所示的NE555定時(shí)器的內(nèi)部電路。[3]通過(guò)分析555定時(shí)器內(nèi)部電路，終于找到解釋這一現(xiàn)象的合理依據(jù)。

分析圖6可知，R7、R8、R9 3個(gè)5KΩ電阻構(gòu)成分壓器。當(dāng)5端懸空時(shí)，3個(gè)電阻各分三分之一的電源電壓，Q1～Q8構(gòu)成電壓比較器，6端為其同相輸入端，Q9～Q13構(gòu)成另一電壓比較器，2端為其反相輸入端，Q15～Q24構(gòu)成RS觸發(fā)器，兩個(gè)電壓比較器的輸出端作為RS觸發(fā)器的兩個(gè)輸入端。當(dāng)施密特觸發(fā)器輸入的正弦波信號(hào)為正半周時(shí)，與教科書(shū)上介紹的原理相同，555定時(shí)器正常工作。當(dāng)輸入的正弦波信號(hào)為負(fù)半周時(shí)，由于集成555定時(shí)器接單電源電壓，555定時(shí)器的觸發(fā)輸入端（2）端電位為負(fù)值。由其內(nèi)部電路可以看到，PNP型三極管Q10的集電極與發(fā)射極的電位都高于基極電位，因此，Q10的集電結(jié)和發(fā)射結(jié)都處于正向偏置，導(dǎo)致Q10飽和導(dǎo)通，形成很大的基極電流。該電流以灌電流負(fù)載流向信號(hào)發(fā)生器，加重了信號(hào)發(fā)生器的負(fù)載，因?yàn)樾盘?hào)發(fā)生器本身也是由放大器組成，從而導(dǎo)致信號(hào)發(fā)生器的負(fù)半周由于負(fù)載電流過(guò)大而出現(xiàn)失真現(xiàn)象。所以觀察到的輸入波形如同圖4（b）所示。另一方面，由于Q10飽和導(dǎo)通，飽和電壓約等于零，致使Q15的基極電位與（2）端接近相等，也為負(fù)值，與正常情況下的高電平相反，導(dǎo)致555定時(shí)器不能正常工作，所以觀察到的輸出波形與理論上的矩形波波形完全不符。

根據(jù)以上分析得出，出現(xiàn)不正常波形的原因是在555定時(shí)器的輸入端加入負(fù)值電壓造成，提示大家今后在應(yīng)用555定時(shí)器時(shí)一定不要加負(fù)值電壓。

二、整流電路共地問(wèn)題

1.發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

在學(xué)習(xí)整流電路時(shí)，根據(jù)理論知識(shí)，在圖7所示橋式整流電路中，若變壓器原邊加入220V，50Hz工頻電壓，變壓器負(fù)邊電壓u2與輸出電壓uo的波形如圖8所示。[4]

做實(shí)驗(yàn)時(shí)，將雙蹤示波器CH1探頭的正端及負(fù)端分別接圖7中u2的正端及負(fù)端，將示波器CH12探頭的正端及負(fù)端分別接圖7中uo的正端及負(fù)端，用示波器觀察到的波形如圖9所示。從實(shí)驗(yàn)波形上可以看到，不僅輸出波形不正常，就連輸入的正弦波也出現(xiàn)了嚴(yán)重失真，負(fù)半周的波形被削掉。

2.查找問(wèn)題原因

上述實(shí)驗(yàn)波形與理論波形不符的問(wèn)題是什么原因造成的呢？筆者先是用故障排查法逐次查找問(wèn)題原因未果。

筆者又重新做了一次實(shí)驗(yàn)，這次采用分次測(cè)量的方法單獨(dú)將示波器CH1探頭的正負(fù)端分別接圖7中u2的正負(fù)端，CH2懸空不接，在示波器上觀察到的波形如圖10（a）所示，是正常的正弦波波形。然后斷開(kāi)示波器探頭與整流電路的連接，重新將示波器CH1探頭的正負(fù)端分別接圖7中uo的正負(fù)端，用示波器觀察到的波形如圖10（b）所示，這與理論相符。

出于好奇，筆者再次將雙蹤示波器的兩個(gè)探頭分別接到圖7的輸入輸出端，同時(shí)觀察輸入輸出的波形，所觀察到的波形又回到圖9中的樣子。

問(wèn)題原因就是當(dāng)用示波器同時(shí)觀察圖7中輸入和輸出波形時(shí)（示波器兩條輸入線分別接入圖7的輸入輸出端）就會(huì)出現(xiàn)圖9所示的錯(cuò)誤波形，當(dāng)用示波器分別觀看圖7的輸入輸出波形時(shí)（示波器一條輸入線逐次接入圖7的輸入輸出端），波形正常。

3.問(wèn)題探討與分析

為什么不能用示波器同時(shí)觀察輸入輸出的波形呢？經(jīng)過(guò)與老師和同學(xué)反復(fù)探討與實(shí)驗(yàn)，終于找到了答案，原來(lái)是示波器兩個(gè)探頭的負(fù)端在其內(nèi)部已經(jīng)接在一起，如果同時(shí)將兩個(gè)探頭CH1及CH2分別接輸入輸出端，表面上看沒(méi)有問(wèn)題，但實(shí)際上已經(jīng)通過(guò)示波器兩個(gè)探頭的負(fù)端將整流電路輸入輸出的負(fù)端連接在一起了，如圖11粗實(shí)線所示。顯然，整流二極管D3被短接了。因此，當(dāng)輸入正半周時(shí)，二極管D2 、D4截止，D3被短接，D1導(dǎo)通，CH1與CH2只差0.7V，近似相等。當(dāng)輸入負(fù)半周時(shí)，二極管D1截止，D3被短接，D4導(dǎo)通，所以CH1兩端的電壓就是導(dǎo)通的D4兩端的電壓，約為負(fù)的0.7V，此時(shí)負(fù)載兩端沒(méi)有電流，所以電壓為零，全波整流變成了半波整流，CH2波形為0，這就是造成圖9中CH1、CH2錯(cuò)誤波形的原因。

三、結(jié)語(yǔ)

從發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、找尋問(wèn)題的原因及解決方法，到最后解決問(wèn)題、動(dòng)手、動(dòng)腦、觀察、思考……經(jīng)歷了反反復(fù)復(fù)的學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，提高了能力，鞏固和加深理解了課堂上所學(xué)的理論知識(shí)，同時(shí)還激發(fā)了濃厚的學(xué)習(xí)興趣。實(shí)踐證明，高等學(xué)校中理論教學(xué)與科學(xué)實(shí)驗(yàn)是密不可分和相互支撐的。中小學(xué)的初等教育是學(xué)一些常識(shí)性的知識(shí)，基本上只學(xué)理論就行了，做點(diǎn)實(shí)驗(yàn)也是演示性的，很少做實(shí)質(zhì)性的實(shí)驗(yàn)。高等教育要學(xué)一些比較高級(jí)的開(kāi)放性知識(shí)，這些知識(shí)需要進(jìn)一步的開(kāi)拓與發(fā)展，需要大量的實(shí)際實(shí)驗(yàn)來(lái)把握和驗(yàn)證，理論與實(shí)驗(yàn)攜手并行。這也是學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后，學(xué)習(xí)方式方法需要轉(zhuǎn)變的一個(gè)重要方面。理論給予人們知識(shí)，實(shí)驗(yàn)給予人們智慧和技能。

參考文獻(xiàn)：

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[2]董傳岱，于云華.數(shù)字電子技術(shù)[M].東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)出版社，

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[3]The Internet Network（2014）[EB/OL].http：//pic.baike.soso.com.

[4]童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2012.

（責(zé)任編輯：王祝萍）