示波器在物理演示实验中的应用

在中学的物理教学、实验室和课外无线电科技活动中，教学示波器的应用极为广泛，特别是它能直接显示出被测电压和电流的波形，把抽象的电的变化过程在屏幕上形象地描绘出来，使同学们容易理解和接受，收到较好的教学效果。

现以教学中采用较多的325—2型示波器为例，介绍示波器在中学物理演示实验中的应用方法。325－2型示波器面板上各旋钮的位置见图1（a）。

1．观察晶体二极管半波整流的电路，如图1（b）所示。输入电压U\(_{sr}\)，可由实验电源来供给，交流2伏。二极管D1，由于工作电压很低，所以对反向电压要求不高，采用最大整流电流在100毫安以上的硅整流二极管都可以。负载电阻R\(_{x2}\)用1～2千欧、12瓦以上的。

当将示波器的“扫描范围”旋钮、调到“10～100”档，即扫描频率为10～100H\(_{z}\)档，“Y输入”和“地”两个接线柱分别接在图1（b）电路测试点1、2上时，适当调节示波器面板上“亮度”、“聚焦”、“辅助聚焦”、“Y轴增益”、“X轴增益”和“微调／相位”等各有关旋钮，就可以在屏上显示出所输入的50Hz交流电u\(_{sr}\)的波形。再将示波器的“Y输入”和接“地”接线柱改接在测试点3、4上，就会显示出整流后输出的单向脉动直流电压Usc的波形，见图1（c）。由于负载Rx2为纯电阻，所以显示出波形也可以看做是输出的单向电流I\(_{x2}\)的波形。

按图2（a）所示把电子开关（示波器附件）的“Y\(_{1}\)输入”和“地”两个接线柱分别接在测试点1、2上，电子开关的“Y2输入”和“地”两个接线柱分别接在测试点3、4上，再把电子开关的“输出”和“地”接线柱分别接在示波器的“Y输入”和“地”接线柱上，电子开关的交换频率可选在“120KH\(_{z}\)～150KHz”档调节有关的各旋钮，在屏幕上就会同时显示出输入交流电和输出直流电的波形，见图2（b）。这时由于两个波形同时显示在屏上，便于比较和鉴别，演示效果更好。

2．观察半导体二极管全波整流的电路，如图3（a）所示。u\(_{sr}\)也用实验电源来供给，当将A、B、C端分别插入电源面板上最下面的三个插孔时，即可得到全波整流所需要的2V～0～2V的交流电压。D1、D\(_{2}\)要求正向电阻要接近，否则输出电压波形的幅度相差较大，演示效果不好。其他与半波整流一样。

当将示波器“Y输入”和“地”接线柱分别与电路的测试点1、2和3、4连接时，就会分别显示出输入交流和输出直流的波形，见图3（b）和（c）。

如果使用电子开关，连接方法跟观察半波整流的波形一样，这时显示出的波形，见图3（d）。

在实验时，如果把开关K打开，在屏幕上立即呈现出半波整流的波形，K合上即为全波整流的波形，反复比较，波形变化极为明显。

3．观察半导体二极管桥式整流的电路，如图4所示。u\(_{sr}\)用实验电源来供给，2～4伏均可。

当将示波器“Y输入”和“地”接线柱分别与电路的测试点1、2和3、4连接时，会在屏幕上分别显示出图3（b）和（c）所示的输入交流、输出直流的波形。

如果用电子开关来观察波形，这就需要把它“Y\(_{1}\)输入”接线柱连接在测试点1或2上，“Y2输入”和“地”接线柱分别接在测试点3、4上，此时在屏上就会出现如图3（d）所示的波形。应当注意，由于“地”接线柱已经接在测试点4上，这就不能再将测试点1或2再直接接“地”了，否则因为这两点电位不同，将造成短路。

4．观察滤波器滤波后波形的电路，如图5（a）所示。为了增加演示效果采用了半波整流电路，而且π形滤波器的输入电容C\(_{1}\)用的容量很小。

当将示波器的“Y输入”和“地”接线柱，连接在测试点3、4上时，在屏上即显出图5（b）中“1”的半波整流的波形。合上开关K\(_{1}\)，构成最简单的电容滤波电路波形就变成图中“2”所示的样子，平滑一些了。再合上开关K2，这时构成了π形RC滤波器，波形就变得更平滑了，如图中的“3”。从而清楚地说明滤波器滤波的情况。

1．观察半导体二极管静态伏安特性曲线的电路，如图6（a）所示。加在二极管D上的电压u\(_{D}\)是由实验电源输出2伏交流电，再经过电位器W1构成的分压器来供给，调节W\(_{1}\)即可得到适当的uD。当把u\(_{D}\)加在示波器的X轴时，电子射线在水平方向就按uD的变化来描绘图线。当整流电流I\(_{D}\)通过电阻R时，在它上面要产生电压降uR，u\(_{R}\)与ID同相位。若把u\(_{R}\)加在示波器的Y轴时，电子射线在垂直方向就按uR的变化来描绘图线。如果u\(_{D}\)和uR分别从示波器的X轴和Y轴输入，在屏上就能显示出二极管的静态伏安特性曲线。

观察时，把示波器的“扫描范围”旋钮拨到“外接”档，即切断仪器内部扫描波，把“Y输入”和“地”接线柱分别接在测试点1、2上，“X输入”和“地”接线柱分别接到测试点3、2上，适当调节各有关旋钮，在屏上就显示出图6（b）所示的二极管伏安特性曲线了。

由于在u\(_{D}\)的负半周时，ID=0，所以形成了曲线底部较长的一段直线。

如采用的是锗二极管，曲线即如图6（b）中虚线所示。

上面的电路是配合325—2型或J—SI型教学示波器来设计的。因其他型号示波器其放大器的输出端与示波管偏转板的接线顺序与上述的示波器不尽相同，故显示出的曲线有的左右相反或上下相反，这时需要把线路改变一下才成。例如使用SB—10示波器来做这一实验时，就可以把二极管D的两极调换过来。以下两个实验也要注意这一点。

2．观察半导体三极管输入特性曲线的电路，如图7（a）所示。二极管D用于整流，使三极管BG的发射结始终是正向偏压（为防止I\(_{C}\)过大烧毁管子，可加限流电阻RS）。R为测量基极电流I\(_{b}\)的电阻。示波器的“Y输入”和“地”接线柱分别接在测试点1、2上，“X输入”和“地”接线柱分别接在测试点3、2上，在交流电的正半周时，D导通，随着电压的增长ube增加，I\(_{b}\)也跟着增加，于是在屏幕上便显示出ube～I\(_{b}\)的变化曲线，即三极管的输入特性曲线，见图7（b）。在交流电的负半周时，D截止，Ib=0，但由于发射结也加以反向电压，有时在曲线的底部还出现一段水平的直线。

如果把开关由①扳向②，即给三极管接上集电极电压E\(_{c}\)，将会看到曲线明显地向右移动，如图7（b）中虚线所示。

在这个实验中，如果用的是PNP型锗管，电路见图7（c）。效果比用硅管还好。

3．观察半导体三极管输出特性曲线的电路，如图8（a）。二极管D用来整流，保证给三极管BG集电结以反向偏压。R\(_{2}\)为用于测量集电极电流Ic的电阻。电源E\(_{b}\)、电阻R1和电位器W\(_{2}\)等组成偏置电路，用于改变Ib。示波器的“Y输入”和“地”“X输入”和“地”分别接在测试点1、2；3、2上时，在交流电的正半周，D导通，u\(_{ce}\)增加，电子射线在水平方向移动的距离也增加；Ic增大，电子射线在垂直方向移动的距离也增大，于是在屏幕上便描绘出u\(_{ce}\)～Ic曲线，即三极管的输出特性曲线，见图8（b）。

调整W\(_{2}\)使Ib增加，则曲线也逐渐升高，如图8（b）中虚线所示，现象极为明显。

上述的电路，每次只能看到一根特性曲线，如果想观察特性曲线簇，那么就需要制做一个简单的阶梯波发生器。制做时，可参考本刊73年第三期《简易晶体管特性曲线图示仪》一文。

这个实验如果用PNP锗管来做，所用的电路如图8（c）。

1．观察单管低频放大器输入、输出信号波形的电路，如图9（a）所示。输入信号电压u\(_{sr}\)，是用学生实验电源输出2V交流电压，并通过电位器W1组成的分压器来供给，调节W\(_{1}\)即可改变usr。R\(_{1}\)为用于测量基极电流ib的电阻。R\(_{c}\)为集电极直流负载电阻，并用它来测量ic。电源E\(_{b}\)、电位器W2、电阻R\(_{2}\)和开关K等组成偏置电路，必要时用于提供和改变放大器的静态工作点。C1、C\(_{2}\)分别为输入、输出隔直流电容。Ec为集电极电源，用4.5～6伏均可。三极管BG用任何一种NPN型管都成，当然，如果换用PNP型管时，线路应作相应的改动。

观察波形时，把示波器的“扫描范围”旋钮扳到“10～100”档。“Y输入”和“地”接线柱分别接在测试点1、2上，这时观察的是u\(_{sr}\)的波形，见图9（b）。然后依次接测试点3、4；5、6；6、7和8、9，分别观察ib、i\(_{c}\)（uRC）、u\(_{ce}\)和输出电压usc的波形，见图9（c）（d）（e）。非常明显地看出，在放大器没有设置静态工作点的情况下，输出信号u\(_{sc}\)的波形发生了严重的失真。

如果用电子开关来观察，要把电子开关的“Y\(_{1}\)输入”和“地”、“Y2输入”和“地”接线柱分别接在测试点1、2和6、7上，在屏幕上显示出输入信号u\(_{sr}\)和输出信号usc的波形，如图9（f），实验效果更好。

然后，给放大器加上偏置电路，即合上开关K，并调节W\(_{2}\)给放大器以合适的工作点，再用示波器分别观察usr、i\(_{b}\)、ic(u\(_{RC}\))、uce和u\(_{sc}\)的波形，其中usr、i\(_{b}\)、ic（u\(_{RC}\)）的波形见图10（a），uce和u\(_{sc}\)的波形见图10（b）。就会看到在输出端得到了不失真并放大了的交流信号。此时，调节W2，改变静态工作点。当W\(_{2}\)的阻值增大或减小，即工作点下降或上升时，将发生截止和饱和失真，见图10（c）和（d），现象极为明显。通过这个实验来说明，为了使放大器得到放大了的不失真输出信号，就必需设置偏置电路，而且要选取合适的工作点，否则将发生失真。

如果用电子开关来观察输入、输出信号的波形，效果会更好。特别是u\(_{sc}\)和usr反相显示得更清楚，见图10（e）。

把图9（a）中电源E\(_{b}\)去掉，R2和W\(_{2}\)改接在如图虚线所示的位置，即构成所谓“固定偏置电路”了。这时适当调节W2给予合适的静态工作点，也能够得到如图10所示的各种不失真波形。此外，如调节W\(_{1}\)和W2，使输出信号的波形振幅最大而且刚好不失真的情况下，用热毛巾或水紧贴三极管BG，使其温度上升或下降，就会看到，由于温度上升或下降，造成工作点升高或降低，从而发生饱和或截止的失真，如图10中的（d）或（c）。这说明“固定偏置电路”的温度稳定性是不高的。

把这只三极管改装在图11所示的“分压式电流负反馈偏置电路”的单管放大器上，调节W\(_{1}\)、W2使输出信号波形恰好不失真的情况下，用上述相同的方法来改变三极管的温度，就会看到输出信号的波形没有明显的变化。这说明这种偏置电路的温度稳定性是较高的。

要是取下发射极旁路电容器C\(_{e}\)，还能明显地看出输出信号波形的振幅会显著减小。从而说明Ce具有旁路交流，减小负反馈的功用。

上述实验，如果要采用I\(_{cbo}\)较大些的锗三极管，效果会更好。

2．观察推挽功率放大器输入、输出信号波形的电路，如图12（a）所示。由于变压器B\(_{1}\)2的低频特性差，若采用50H\(_{z}\)交流电作信号源时，效果不好，故这里应用400Hz或1KH\(_{z}\)正弦音频信号作为信号源。BG1、BG\(_{2}\)集电极串联的电阻R4、R\(_{5}\)，是为测量集电极电流使用。三极管BG1、BG\(_{2}\)的β-不要相差太大，一般不超过30％就可以。

观察波形时，把示波器的“扫描范围”旋钮扳到“100～1K”档，“Y输入”和“地”接线柱分别接在测试点1、2；3、4；5、6；7、8上，分别观察u\(_{sr}\)、Ic1、I\(_{c2}\)和usc的波形，当u\(_{sr}\)的强度和放大器的静态工作点调得合适时，usr和u\(_{sc}\)的波形如图12（b），不同的是usc波形的振幅较大，I\(_{c1}\)和Ic2的波形如图12（c）。从而清楚地显示出推挽放大器中两管轮流工作，经过放大，输出不失真的信号。

如果偏流调得过小，u\(_{sc}\)的波形便会发生“交越失真”，如图12（d）。

要是BG\(_{1}\)和BG2两只管子的β相差过大，u\(_{sc}\)的波形便发生失真（正、负半周振幅大小不一样），见图12(e)。（待续）（王兴乃）