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电子技术基础教案
2016—2017学年度
电子技术基础实验
(教案)
电子技术实验
内容提要
本章介绍了电子电路基础实验。
通过基础实验教学,可使学生掌握器件的基本性能、电子电路基本原理及基本的实验方法,从而验证理论,并发现理论知识在实际中的运用条件,培养学生从大量的实验数据中总结规律、发现问题的能力。
在实验课的安排上,分成必做和选做题,同时配备了大量的思考题,使学习优秀的学生有发挥的余地。
本章内容是进行电子技术设计的基础。
3.1模拟电子技术基础实验
实验一常用电子仪器的使用
一、实验目的
(1)掌握电子电路实验中常用的电子仪器—示波器、函数信号发生器、交流毫伏表、数字万用表等的主要技术指标、性能及正确使用方法。
(2)熟悉模拟实验装置的结构。
二、实验类型
验证型实验。
三、预习要求
(1)阅读有关示波器、函数信号发生器、交流毫伏表、数字万用表部分内容。
(2)了解所用仪器仪表的主要用途并回答下列问题:
①测量交流信号电压时,应当使用万用表的交流档还是使用交流毫伏表?
为什么?
②当示波器显示屏上的波形高度超出显示屏时应该调整哪个旋钮?
③如何得到频率f=1KHz,幅值为100mv(有效值)的正弦信号?
回答上述问题并将答案写在实验报告上。
四、实验原理
在模拟电子电路实验中,经常使用的电子仪器有示波器、函数信号发生器、交流毫伏表、直流稳压电源等,它们和数字万用表一起,可以完成对模拟电子电路的静态和动态工作情况的测试。
实验中要对各种电子仪器进行综合使用,可按照信号流向,以连线简捷、调节顺手、观察与读数方便等原则进行合理布局,各仪器与被测实验装置之间的布局与连接如图3-1所示。
接线时应注意,为防止外界干扰,各仪器的公共接地端
应连接在一起,称共地。
示波器、信号源和交流毫伏表的引线通常用屏蔽线或专用电缆线,直流电源的接线用普通导线,万用表接线用专用的表笔线。
1、示波器
示波器是一种用途很广的电子测量仪器,它既能显示电信号的波形,又能对电信号进行各种参数的测量。
现着重指出下列几点:
(1)寻找扫描光迹。
开机预热,然后将示波器“垂直”显示方式置“CH1”或“CH2”,输入耦合方式置“GND”,若在显示屏上不出现光点和扫描线,可按下列操作去找到扫描线。
①适当调节亮度旋钮(INTEN);
②触发方式开关置“自动AUTO”;
③适当调节垂直、水平“位移”(POSITION)旋钮,使扫描亮线位于屏幕的中央。
(2)双踪示波器一般有四种显示方式,即“CH1”、“CH2”、“DUAL”、“ADD”。
(3)为了显示稳定的被测信号波形,“触发源选择(SOURCE)”开关一般选为“CH1”或“CH2”触发,使扫描触发信号取自示波器内部的被测信号。
(4)触发方式开关(MODE)通常先置于“自动(AUTO)”调出波形后,若被显示的波形不稳定,可置触发方式开关于“常态(NORM)”,通过调节“触发电平”旋钮(LEVEL)找到合适的触发电压,使被测试的波形稳定地显示在示波器屏幕上。
有时,由于选择了较慢的扫描速率,显示屏上将会出现闪烁的光迹,但被测信号的波形不在X轴方向左右移动,这样的现象仍属于稳定显示。
(5)适当调节“扫描时间”开关(TIME/DIV)及“垂直衰减”开关(VOLTS/DIV),使显示屏上能显示1~2个周期的被测信号波形。
在测量幅值时,应注意将“垂直灵敏度微调”旋钮(VAR)置于“校准”(CAL)位置,即顺时针旋到底。
根据被测波形在显示屏坐标刻度上垂直方向所占的格数(DIV或CM)与“垂直灵敏度”旋钮指示值(VOLTS/DIV)的乘积,即可算得信号幅值的实测值Vp-p。
根据被测信号波形一个周期在显示屏坐标刻度水平方向所占的格数(DIV或CM)与“扫描时间”旋钮指示值(TIME/DIV)的乘积,即可得信号频率的实测值。
2、函数信号发生器
函数信号发生器按需要可以输出正弦波、方波、三角波三种信号波形。
输出电压最大可达9Vp-p,通过输出衰减开关(按下ATT和拉出AMPL各衰减20dB)和输出幅度调节旋钮(AMPL),可使输出电压在5mV~8V的范围内连续调节。
输出信号的幅度的有效值和峰值需用交流毫伏表和示波器测量。
函数信号发生器的输出信号频率可以通过频率分档开关(1Hz~1MHz)和频率微调旋钮(FREQUENCY)进行调节。
输出的频率从面板上的数码显示直接读出。
函数信号发生器作为信号源,它的输出端不允许短路。
3、交流毫伏表
交流毫伏表只能在其工作频率范围之内用来测量正弦交流电压的有效值。
为了防止过载而损坏,测量前一般先把量程开关置于量程较大位置上,然后在测量中逐档减小量程。
五、实验设备与器件
(1)示波器。
(2)函数信号发生器。
(3)双输入交流毫伏表。
(4)数字万用表。
(5)模拟电路实验箱。
六、实验内容和要求
1、用机内基准信号(CAL2Vp-p)对示波器进行自检
(1)扫描基线调节。
开启电源开关将示波器的显示方式开关置于“CH1”、或“CH2”显示,输入耦合方式开关置“GND”,触发方式式开关置于“自动AUTO”。
调节“辉度INTEN”旋钮和“聚集FOCUS”旋钮,使荧光屏上显示一条细且亮度适中的扫描基线。
然后调节“水平位移POSITION”旋钮和“垂直位移POSITION”旋钮,使扫描线位于屏幕中央,并且能上下左右移动自如。
(2)测试“基准信号”波形的幅度、频率。
将示波器的“基准信号CAL”通过专用电缆线引入选定的CH1或CH2,将垂直输入耦合方式开关置于“AC”或“DC”,触发源选择开关置于“CH1”或“CH2”。
调节“扫描时间”开关(TIME/DIV)和“垂直衰减”开关(VOLTS/DIV)使示波器显示屏上显示出一个或数个周期稳定的方波波形。
①测量“基准信号CAL”幅度及频率,将“垂直灵敏度微调”旋钮置“校准CAL”位置,“垂直衰减”开关置适当位置,读取基准信号幅值,记入表3-1中。
②测量“基准信号”频率。
将“扫描微调”旋钮置“校准”位置,“扫描时间”开关置适当位置,读取基准信号频率,记入表3-1中。
2、用示波器和交流毫伏表测量信号参数
调节函数信号发生器有关旋钮,使输出频率分别为100Hz、1KHz、10KHZ、100KHz,有效值为0.5V、1V、10mV、50mV(交流毫伏表测量值)的正弦波信号,将两组数据分别填入表3-2中。
改变示波器“扫描时间”开关及“垂直衰减”开关等位置,测量信号源输出电压的周期、频率(需换算)及峰-峰值和有效值(需换算)记入表3-2中。
3、用数字万用表测量实验箱中的电源
用数字万用表测量实验箱中的直流稳压电源电压值,并填入表3-3中,再用万用表测量直流信号源的电压值(为一个电压范围)填入表3-4中。
七、注意事项
预习报告只需写预习实验内容,无需抄录实验指导书中的所有内容,实验过程中所有的测量数据需记录在书中提供的便撕式原始数据记录表。
待实验完成,经指导老师签字后撕下贴在实验报告的原始数据记录页。
实验报告是实验结束后,经过分析和整理实验原始数据得出实验结果,并通过分析、讨论给出心得体会。
八、思考题
1、测量实验箱上的直流电源+12V和-12V时,万用表的功能开关应放在什么位置上?
挡位打到什么数值上?
2、实验过程中,可以从示波器读取测量数据,也可以用交流毫伏表测量数据,度说明两个测量结果有什么不同?
九、实验报告
1、整理实验数据,对预习要求回答的问题进行归纳。
2、归纳本次实验用到的示波器、信号发生器、交流毫伏表和数字万用表的使用方法。
3、写出通过本次实验,掌握了哪些实验方法和需注意的地方?
对实验方法有何建议,如何改进?
4、回答预习要求的思考题中的问题目。
5、附上原始数据记录及指导教师签名。
实验原始数据记录
步骤1:
表3-1用机内基准信号(CSL2Vp-p)对示波器进行自检
参数
标准值
实测值
幅值Vp-p(V)
频率f(KHz)
步骤2:
表3-2用示波器和交流毫伏表测量信号参数
正弦波
信号频率
示波器测量值
信号电压
毫伏表读数
示波器测量值
周期(ms)
频率(Hz)
峰-峰值
有效值(计算)
100Hz
0.5V
1KHz
1V
10KHz
10mV
100KHz
50mV
步骤3:
表3-3用数字万用表测量实验箱中的直流稳压电源电压值
直流稳压电源的电压值(V)
+12
-12
+5
-5
测量值(V)
步骤4:
表3-4用数字万用表测量实验箱中的直流信号源的电压值
直流信号源
-5V~+5V
-5V~+5V
是否可调
可调()不可调()
可调()不可调()
指导教师:
实验日期:
实验二共射极单管放大电路
一、实验目的
1.掌握放大器静态工作点的调试方法,学会分析静态工作点对放大器性能的影响。
2.掌握放大器电压放大倍数、输入电阻、输出电阻及最大不失真输出电压的测试方法。
3.熟悉常用电子仪器及模拟电路实验设备的使用。
二、实验类型
验证型实验。
三、预习要求
1、阅读教材中有关单管放大电路的内容并估算实验电路的性能指标。
假设:
NPN三极管的
,
,
,
,
。
估算放大电路的静态工作点和电压放大倍数
。
2、改变静态工作点对放大电路的输入电阻
是否有影响?
改变外接电阻
对输出电阻
是否有影响?
四、实验原理
图3-2为电阻分压式工作点稳定单管放大器实验电路图。
它的偏置电路采用RB2和RB1组成的分压电路,并在发射极中接有电阻RE,以稳定放大器的静态工作点。
当在放大器的输入端加入输入信号Ui后,在放大器的输出端便可得到一个与Ui相位相反,幅值被放大了的输出信号U0,从而实现了电压放大。
图3-2共射极单管放大器实验电路
在图3-2电路中,当流过偏置电阻RB1和RB2的电流远大于晶体管T的基极电流IB时(一般5~10倍),则它的静态工作点可用下式估算,UCC为供电电源,此为+12V。
(3-1)
(3-2)
(3-3)
电压放大倍数
(3-4)
输入电阻
(3-5)
输出电阻
(3-6)
放大器静态工作点的测量与调试
1、静态工作点的测量
测量放大器的静态工作点,应在输入信号Ui=0的情况下进行,即将放大器输入端与地端短接,然后选用量程合适的数字万用表,分别测量晶体管的集电极电流IC以及各电极对地的电位UB、UC和UE。
一般实验中,为了避免断开集电极,所以采用测量电压,然后算出IC的方法,例如,只要测出UE,即可用
算出IC(也可根据
,由UC确定IC),同时也能算出
。
2、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)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的影响。
如工作点偏高,放大器在加入交流信号以后易产生饱和失真,此时uO的负半周将被削底,如图3-3(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3-3(b)所示。
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)饱和失真(b)截止失真
图3-3静态工作点对U0波形失真的影响
改变电路参数UCC,RC,RB(RB1,RB2)都会引起静态工作点的变化,如图3-4所示,但通常多采用调节偏电阻RB2的方法来改变静态工作点,如减小RB2,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,应该是相对信号的幅度而言,如信号幅度很小,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。
如须满足较大信号的要求,静态工作点最好尽量靠近交流负载线的中点。
图3-4电路参数对静态工作点的影响
3、放大器动态指标测试
放大器动态指标测试包括电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、最大不失真输出电压(动态范围)和通频带等。
(1)电压放大倍数AV的测量
调整放大器到合适的静态工作点,然后加入输入电压ui,在输出电压uo不失真的情况下,用交流毫伏表测出ui和uo的有效值Ui和Uo,则
AV=
(3-7)
(2)输入电阻Ri的测量
为了测量放大器的输入电阻,按图3-5电路在被测放大器的输入端与信号源之间串入一已知电阻R,在放大器正常工作的情况下,用交流毫伏表测出US和Ui,则根据输入电阻的定义可得:
R
=
=
=
(3-8)
测量时应注意
1测量R两端电压UR时必须分别测出US和Ui,然后按UR=US-Ui求出UR值。
2电阻R的值不宜取得过大或过小,以免产生较大的测量误差,通常取R与Ri为同一数量级为好,本实验可取R=1~2KΩ。
(3)输出电阻RO的测量
按图3-5电路,在放大器正常工作条件下,测出输出端不接负载RL的输出电压UO和接入负载后输出电压UL,根据
U
=
(3-9)
即可求出RO
RO=(
)R
(3-10)
在测试中应注意,必须保持RL接入前后输入信号的大小不变。
图3-5输入、输出电阻测量电路
1最大不失真输出电压UOPP的测量(最大动态范围)
如上所述,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,逐步增大输入信号的幅度,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缩顶现象(如图3-6)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2
UO。
或用示波器直接读出UOPP来。
图3-6静态工作点正常,输入信号太大引起的失真
②放大器频率特性的测量
放大器的频率特性是指放大器的电压放大倍数AV与输入信号频率f之间的关系曲线。
单管阻容耦合放大电路的幅频特性曲线如图3-7所示:
图3-7幅频特性曲线
Avm为中频电压放大倍数,通常规定电压放大倍数随频率变化下降到中频放大倍数的1/
倍,即0.707Avm所对应的频率分别称为下限频率fL和上限频率fH,则通频带
fBW=fH-fL(3-11)
放大器的幅频特性就是测量不同频率信号时的电压放大倍数AV。
为此可采用前述测AV的方法,每改变一个信号频率,测量其相应的电压放大倍数,测量时要注意取点要恰当,在低频段与高频段要多测几点,在中频可以少测几点。
此外,在改变频率时,要保持输入信号的幅度不变,且输出波形不能失真。
五、实验设备与器件
1、模拟电路实验箱。
2、函数信号发生器。
3、双踪示波器。
4、交流毫伏表。
5、数字万用表。
6、实验中所需的电阻器件。
六、实验内容和要求
1.连线
在实验箱的晶体管系列模块中,按图3-2所示连接电路。
2.测量静态工作点
静态工作点测量条件:
输入接地即使Ui=0.
在步骤1连线基础上,Ui=0,打开直流开关,调节RW,使IC=2.0mA(即UE=2.4V),用万用表测量UB、UE、UC、RB2值。
记入表3-5中。
3.测量电压放大倍数
调节一个频率为1KHz、峰峰值为50mV的正弦波作为输入信号Ui。
把输入信号连接到放大电路的输入端,同时用双踪示波器观察放大器输入电压Ui和输出电压Uo的波形,在Uo波形不失真的条件下用毫伏表测量表3-6中三种情况下的
和
,并用双踪示波器观察Uo和Ui的相位关系,记入表3-6中。
注意:
由于晶体管元件参数的分散性,定量分析时所给Ui为50mV不一定适合,具体情况需要根据实际给适当的Ui值,以后不再说明。
由于Uo所测的值为有效值,故峰峰值Ui需要转化为有效值或用毫伏表测得的Ui来计算AV值。
切记万用表、毫伏表测量都是有效值,而示波器观察的都是峰峰值。
4.观察静态工作点对电压放大倍数的影响
在步骤3的RC=2.4KΩ,RL=∞连线条件下,调节一个频率为1KHz、峰峰值为50mV的正弦波作为输入信号Ui。
调节RW,用示波器监视输出电压波形,在uo不失真的条件下,测量数组IC和UO的值,记入表3-7。
测量IC时,要使Ui=0(断开输入信号Ui)。
5.观察静态工作点对输出波形失真的影响
在步骤3的RC=2.4KΩRL=∞连线条件下,使ui=0,调节RW使IC=2.0mA(参见本实验步骤2),测出UCE值。
调节一个频率为1KHz、峰峰值为50mV的正弦波作为输入信号Ui,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3-8中。
每次测IC和UCE值时要使输入信号为零(即使ui=0)。
6.测量最大不失真输出电压
在步骤3的RC=2.4KΩRL=2.4KΩ连线条件下,同时调节输入信号的幅度和电位器RW,用示波器和毫伏表测量UOPP及UO值,记入表3-9。
*7.测量输入电阻和输出电阻
按图2-4所示,取R=2K,置RC=2.4KΩ,RL=2.4KΩ,IC=2.0mA。
输入f=1KHz、峰峰值为50mV的正弦信号,在输出电压uo不失真的情况下,用毫伏表测出US,Ui和UL,用公式2-8(3-8)算出Ri。
保持US不变,断开RL,测量输出电压UO,参见公式3-10算出R0。
*8.测量幅频特性曲线
取IC=2.0mA,RC=2.4KΩ,RL=2.4KΩ。
保持上步输入信号ui不变,改变信号源频率f,逐点测出相应的输出电压UO,自作表记录之。
为了频率f取值合适,可先粗测一下,找出中频范围,然后再仔细读数。
七、注意事项
1.检测所用导线是否导通,尽量连接短导线避免干扰。
接好电路检查无误再通电。
2.选连接直流通路测静态工作点,接Ucc=+12V和地线,电路图虚线部分需用导线连接,测量时开上接通,开关下断开,测量电阻Rb2的时候需要将Rb2和电路断开,即开关上断开。
3.测量静态电压时,注意正确调整万用表挡位;实验中不直接测量电路电流值,通过测量两点电压,计算电流。
调节电位器进需缓慢些,静态工作调好后,不要再动电位器,以免影响测量。
4.如果电路工作不正常,可自己检测电路中的三极管。
其方法:
将万用表的旋钮拨到欧姆挡的R×100(或R×1K)位置,用红表笔接触基极,用黑表笔分别接触另两个电极,若三极管为NPN型,则测量的两个电阻值都较大(几百千欧以上);若三极管为PNP型,则测量的两个电阻值都较小(几百欧至几千欧)。
如果不符合这个规律,则表明该三极管坏了。
八、实验报告
1.整理测试数据,并对数据进行处理,画出相关曲线;
2.通过实验结果分析各参数对放大器静态工作点的影响,与理论分析结果进行比较。
3.回答预习要求和思考题中的问题;
4.附上原始数据记录及指导教师的签名。
九、思考题
1.如果在实验电路中,将NPN型晶体管换成PNP型晶体管,试问Ucc及电解电容极性应如何改动?
2.在示波器上显示的NPN和PNP型晶体管放大器输出电压的饱和失真和截止失真波形是否相同?
说明其理由。
3.在单级放大电路中,哪些元件是决定电路的静态工作点的?
4.负载电阻RL变化时,对电压放大倍数有无影响?
实验原始数据记录
步骤1:
表3-5测量静态工作点(+IC=2.0mA)
测量值
计算值
UB(V)
UE(V)
UC(V)
RB2(KΩ)
UBE(V)
UCE(V)
IC(mA)
步骤2:
表3-6测量电压放大倍数IC=2.0mAUi=mV(有效值)
RC(KΩ)
RL(KΩ)
U0(V)
AV
观察记录一组U0和Ui波形
2.4
∞
1.2
∞
2.4
2.4
步骤3:
表3-7观察静态工作点对电压放大倍数的影响
RC=2.4KΩRL=∞Ui=mV
IC(mA)
2.0
U0(V)
AV
步骤4:
表3-8观察静态工作点对输出波形失真的影响
RC=2.4KΩRL=∞Ui=mV
IC(mA)
UCE(V)
U0波形
失真情况
管子工作状态
2.0
步骤5:
表3-9测量最大不失真输出电压
RC=2.4KΩRL=2.4KΩ
IC(mA)
Uim(mV)有效值
Uom(V)有效值
UOPP(V)峰峰值
指导教师:
实验日期:
实验三射极跟随器
一、实验目的
1.掌握射极跟随器的特性及测试方法
2.进一步学习放大器各项参数测试方法
二、实验类型
验证型实验。
三、预习要求
1.复习射极跟随器的工作原理。
2.根据图3-8的元件参数值估算静态工作点,并画出交、直流负载线。
四、实验原理
图3-8射极跟随器实验电路
图3-8为射极跟随器,输出取自发射极,故称其为射极跟随器。
RB调到最小值时易出现饱和失真,RB调到最大值时易出现截止失真,由于本实验不需要失真情况,故RW=100K取值比较适中,若想看到饱和失真使RW=0K,增加输入幅度即可出现,若想看到截止失真使RW=1M,增加输入幅度即可出现,有兴趣的同学可以验证一下。
本实验基于图3-8做实验,现分析射极跟随器的特点。
其特点是
1.输入电阻Ri高
Ri=rbe+(1+β)RE(3-12)
如考虑偏置电阻RB和负载电阻RL的影响,则
Ri=RB∥[rbe+(1+β)(RE∥RL)](3-13)
由上式可知射极跟随器的输入电阻Ri比共射极单管放大器的输入电阻Ri=RB∥rbe要高的多。
输入电阻的测试方法同单管放大器,实验线路如图3-8所示,
Ri=
(3-14)
即只要测得A、B两点的对地电位即可。
2.输出电阻RO低
RO=
∥RE≈
(3-15)
如考虑信号源内阻RS,则
RO=
∥RE≈
(3-16)
由上式可知射极跟随器的输出电阻RO比共射极单管放大器的输出电阻RO=RC低得多。
三极管的β愈高,输出电阻愈小。
输出电阻RO的测试方法亦同单管放大器,即先测出空载输出电压UO,再测接入负载RL后的输出电压UL,根据
UL=
(3-17)
即可求出RO
RO=(
)RL(3-18)
3.电压放大倍数近似等于1
图3-8电路
AV=
<1(3-19)
上式说明射极跟随器的电压放大倍数小于近似1且为正值。
这是深度电压负反馈的结果。
但它的射极电流仍比基极电流大(1+β)倍,所以它具有一定的电流和功率放大作用。
五、实验设备与器件
1、模拟电路实验箱。
2、函数信号发生器。
3、双踪示波器。
4、交流毫伏表。
5、数字万用表。
6、实验中所需的电阻器件。
六、实验内容和要求
1.在晶体管系列实验模块中按图3-8正确连接电路,此时开关K先开路,。
2.静态工作点的调整
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