電子技術(shù)課程實驗問題之解析

摘要：在做電子技術(shù)課程實驗時，發(fā)現(xiàn)了兩個與理論不相符的問題。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出現(xiàn)了與理論不相符的情況，究其原因是示波器的兩個輸入探頭的負端內(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；門限電平

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）30-0075-02

目前，我國高等學(xué)校都很重視實踐教育的重要性，理工科教學(xué)更是離不開優(yōu)秀實驗室和良好的實驗制度，以培養(yǎng)知識、能力與素質(zhì)全面發(fā)展的綜合型人才。濟南大學(xué)的實驗室設(shè)備完好先進，對學(xué)生全方位開放，便于對所做實驗進行更深入細致的探討與分析。在做電子技術(shù)課程實驗的過程中，發(fā)現(xiàn)了兩個理論不夠完善或?qū)嶒瀮x器使用不當?shù)膯栴}，并得以解決。

一、施密特觸發(fā)器波形變換問題

1.發(fā)現(xiàn)問題

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)由輸入信號電位維持；其二是具有遲滯特性，對于負向遞減和正向遞增兩種不同變化方向的輸入信號，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，從教科書上獲得的理論知識是可以把正弦波、三角波等波形，通過施密特觸發(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)器的上門限電平（），輸入電壓的最小值小于下門限電平（），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)場實驗時卻出現(xiàn)了如圖2所示的非正常波形。一方面輸入正弦波的負半周被削掉，出現(xiàn)了嚴重失真。另一方面輸出的波形也不是教科書上描述的矩形波。

2.查找故障

為什么實驗波形與理論波形不相符？是實驗故障還是書本理論有問題？為此按以下步驟進行逐步查找和改進。

（1）檢查接線。實驗線路如圖3所示，電路并不復(fù)雜，仔細檢查確認線路接線都正確，經(jīng)實測也沒有發(fā)現(xiàn)有接觸不良等問題，并測得電源電壓為+5V正確。

（2）檢測器件（555定時器）。取下555定時器，另搭接簡單的測試電路，檢測結(jié)果器件性能完好，功能正常。

（3）檢測示波器。實驗儀器最易出現(xiàn)問題的是探頭接線，首先檢測了示波器的探頭接線，然后又對示波器進行了自檢，確定均完好。

（4）檢測信號發(fā)生器。第一步首先將信號源輸出端與555集成定時器斷開，通過示波器觀察信號源的波形，測試結(jié)果如圖4（a）所示，是標準正弦波信號。第二步接入555定時器后通過示波器觀察到的信號發(fā)生器發(fā)出的正弦波波形，如圖4（b）所示，正弦波波形的負半周被削掉一部分，出現(xiàn)嚴重失真現(xiàn)象，也正與圖2中ui的波形一致。

（5）改變實驗條件。通過以上查找，明確了電路接線沒有問題，實驗儀器及器件也都沒有問題，問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)這種問題。筆者請教了老師，查閱了大量資料及同類教科書。在清華大學(xué)宴石教授編寫的《數(shù)字電子技術(shù)》一書中看到有關(guān)介紹：輸入正弦波的波形在坐標軸的上方，即輸入正弦波的谷點電壓大于等于零而不是負值。受這一啟發(fā)，筆者又回到實驗室改變實驗條件重新做實驗，實驗時對正弦波信號源疊加了一個直流電壓，使輸入正弦波信號的最小值大于等于零。疊加直流電壓后，實驗的結(jié)果如圖5所示，與理論知識完全吻合。

3.問題原因分析

實驗波形正常了，表面上看問題解決了，但是如何深入解釋這一現(xiàn)象呢？單從教科書上555定時器的結(jié)構(gòu)框圖是無法解釋這一現(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定時器的內(nèi)部電路。[3]通過分析555定時器內(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5KΩ電阻構(gòu)成分壓器。當5端懸空時，3個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，兩個電壓比較器的輸出端作為RS觸發(fā)器的兩個輸入端。當施密特觸發(fā)器輸入的正弦波信號為正半周時，與教科書上介紹的原理相同，555定時器正常工作。當輸入的正弦波信號為負半周時，由于集成555定時器接單電源電壓，555定時器的觸發(fā)輸入端（2）端電位為負值。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。該電流以灌電流負載流向信號發(fā)生器，加重了信號發(fā)生器的負載，因為信號發(fā)生器本身也是由放大器組成，從而導(dǎo)致信號發(fā)生器的負半周由于負載電流過大而出現(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，也為負值，與正常情況下的高電平相反，導(dǎo)致555定時器不能正常工作，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定時器的輸入端加入負值電壓造成，提示大家今后在應(yīng)用555定時器時一定不要加負值電壓。

二、整流電路共地問題

1.發(fā)現(xiàn)問題

在學(xué)習整流電路時，根據(jù)理論知識，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，變壓器負邊電壓u2與輸出電壓uo的波形如圖8所示。[4]

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

2.查找問題原因

上述實驗波形與理論波形不符的問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題原因未果。

筆者又重新做了一次實驗，這次采用分次測量的方法單獨將示波器CH1探頭的正負端分別接圖7中u2的正負端，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探頭的正負端分別接圖7中uo的正負端，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探頭分別接到圖7的輸入輸出端，同時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。

問題原因就是當用示波器同時觀察圖7中輸入和輸出波形時（示波器兩條輸入線分別接入圖7的輸入輸出端）就會出現(xiàn)圖9所示的錯誤波形，當用示波器分別觀看圖7的輸入輸出波形時（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.問題探討與分析

為什么不能用示波器同時觀察輸入輸出的波形呢？經(jīng)過與老師和同學(xué)反復(fù)探討與實驗，終于找到了答案，原來是示波器兩個探頭的負端在其內(nèi)部已經(jīng)接在一起，如果同時將兩個探頭CH1及CH2分別接輸入輸出端，表面上看沒有問題，但實際上已經(jīng)通過示波器兩個探頭的負端將整流電路輸入輸出的負端連接在一起了，如圖11粗實線所示。顯然，整流二極管D3被短接了。因此，當輸入正半周時，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。當輸入負半周時，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，約為負的0.7V，此時負載兩端沒有電流，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錯誤波形的原因。

三、結(jié)語

從發(fā)現(xiàn)問題、找尋問題的原因及解決方法，到最后解決問題、動手、動腦、觀察、思考……經(jīng)歷了反反復(fù)復(fù)的學(xué)習實驗過程，提高了能力，鞏固和加深理解了課堂上所學(xué)的理論知識，同時還激發(fā)了濃厚的學(xué)習興趣。實踐證明，高等學(xué)校中理論教學(xué)與科學(xué)實驗是密不可分和相互支撐的。中小學(xué)的初等教育是學(xué)一些常識性的知識，基本上只學(xué)理論就行了，做點實驗也是演示性的，很少做實質(zhì)性的實驗。高等教育要學(xué)一些比較高級的開放性知識，這些知識需要進一步的開拓與發(fā)展，需要大量的實際實驗來把握和驗證，理論與實驗攜手并行。這也是學(xué)生進入大學(xué)后，學(xué)習方式方法需要轉(zhuǎn)變的一個重要方面。理論給予人們知識，實驗給予人們智慧和技能。

參考文獻：

[1]宴石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2012.

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

2003.

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

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

（責任編輯：王祝萍）