伏安特性综合测试实验 (FB2015型伏安特性综合实验装置) 实 验 讲 义 }1↓↓I1(
伏安特性综合测试实验 (FB2015 型伏安特性综合实验装置)
实验一、伏安法测量电学元件的伏安特性 由路中有名种由学元件，知一船的线性由阳，半导体一超管和二极，以及光敏由阻 热敏电阻和压敏电阻元件等非线性电阻。知道这些元件的伏安特性，对正确地使用它们足 至关重要的。通过电流表和电压表正确地测出加在它们两端的电压与通过电流的变化关系 称为伏安测量法（简称伏安法）。伏安法是电学中常用的一种基本测量方法。 【实验目的】 1.验证欧姆定律： 2.掌握用外接法、内接法测量伏安特性的基本方法： 3.掌握用补偿法测量电阻的方法： 4堂握用替代法量申阴的方法 掌握直流稳压电源、电压表、电流表、电阻箱等仪器的正确使用方法： 5. 掌握用FB2015型伏安特性数据采集仪，利用单片机，对待测元件的伏安特性参数进 行测量、作图及数据存储、查询等。 【实验原理】 1.电学元件的伏安特性 在某一电学元件两瑞加上直流电压，在元件内就会有电流通过，通过元件的电流与端 电压之间的关系称为电学元件的伏安特性。在欧姆定律U=I·R式中，电压U的单位为 伏特，电流I的单位为安培，电阻R的单位为欧姆。 般以电压为横坐标和电流为纵坐标 作出元件的电 电流关系曲线，称为该元件的伏安特性曲线 对于碳膜电阻、金属膜电阻、线绕电阻等电学元件，在通常情况下，通过元件的电流 与加在元件两端的电压成正比关系变化，即其伏安特性曲线为一直线。这类元件称为线性 U IA) 个I(A) U(V) U(V) 图1线性元件的伏安特性图2非线性元件的伏安特性 元件，如图1所示。至于半导体二极管、稳压管、白炽灯、热敏电阻等元件，通过元件的 电流与加在元件两端的电压不成线性关系变化，其伏安特性为一曲线。这类元件称为非线 性元件，如图 不为 某非线性 牛的伏安特性 在设计测量电学元件伏安特性的线路时，必须了解待测元件的规格，使加在它上面的 电压和通过的电流均不超过元件的额定值。此外，还必须了解测量时所需其它仪器的规格 (如电源、电压表、电流表、滑线变阻器等的规格)，也不得超过其量程或使用范围。根 据这些条件所设计的线路，可以保证实验正常进行，同时可以将测量误差减到最小。 2.实验线路的比较与选择： 在测量电阻R的伏安特性的线路中，常有两种接法，即图3-1中电流表内接法和图
1 实验一、伏安法测量电学元件的伏安特性 电路中有各种电学元件，如一般的线性电阻，半导体二极管和三极管，以及光敏电阻、 热敏电阻和压敏电阻元件等非线性电阻。知道这些元件的伏安特性，对正确地使用它们是 至关重要的。通过电流表和电压表正确地测出加在它们两端的电压与通过电流的变化关系 称为伏安测量法（简称伏安法）。伏安法是电学中常用的一种基本测量方法。 【实验目的】 1．验证欧姆定律； 2. 掌握用外接法、内接法测量伏安特性的基本方法； 3. 掌握用补偿法测量电阻的方法； 4. 掌握用替代法测量电阻的方法； 4．掌握直流稳压电源、电压表、电流表、电阻箱等仪器的正确使用方法； 5. 掌握用 FB2015 型伏安特性数据采集仪，利用单片机，对待测元件的伏安特性参数进 行测量、作图及数据存储、查询等。 【实验原理】 1. 电学元件的伏安特性： 在某一电学元件两端加上直流电压，在元件内就会有电流通过，通过元件的电流与端 电压之间的关系称为电学元件的伏安特性。在欧姆定律 U = I •R 式中，电压 U 的单位为 伏特，电流 I 的单位为安培，电阻 R 的单位为欧姆。一般以电压为横坐标和电流为纵坐标 作出元件的电压－电流关系曲线，称为该元件的伏安特性曲线。 对于碳膜电阻、金属膜电阻、线绕电阻等电学元件，在通常情况下，通过元件的电流 与加在元件两端的电压成正比关系变化，即其伏安特性曲线为一直线。这类元件称为线性 元件，如图 1 所示。至于半导体二极管、稳压管、白炽灯、热敏电阻等元件，通过元件的 电流与加在元件两端的电压不成线性关系变化，其伏安特性为一曲线。这类元件称为非线 性元件，如图 2 所示为某非线性元件的伏安特性。 在设计测量电学元件伏安特性的线路时，必须了解待测元件的规格，使加在它上面的 电压和通过的电流均不超过元件的额定值。此外，还必须了解测量时所需其它仪器的规格 （如电源、电压表、电流表、滑线变阻器等的规格），也不得超过其量程或使用范围。根 据这些条件所设计的线路，可以保证实验正常进行，同时可以将测量误差减到最小。 2．实验线路的比较与选择： 在测量电阻 R 的伏安特性的线路中，常有两种接法，即图 3-1 中电流表内接法和图
3-2中电流表外接法。电压表和电流表都有一定的内阻（分别设为Rv和R。)。简化处理 时直接用电压表读数U除以电流表读数I来得到被测电阻值R,即R=U/I,这样会引 进一定的系统性误差。 当电流表内接时，电压表读数比电阻端电压值大，即有： R-U-RA (1) 当电流表外接时，电流表读数比电阻R中流过的电流大，这时应有： (2) R U R 在(1)式和(2)式中，R和R分别代表安培表和伏特表的内阻。比较电流表的 +(mA 0 + m R 图3-1电流表的内接法线路图 图3-2电流表的外接法线路图 内接法和外接法，显然，如果简单地用U人值作为被测电阻值，电流表内接法的实验结果 偏大，而电流表外接法的实验结果偏小，都有一定的系统性误差。在需要这样作简化处理 的实验场合，为了减少上述系统性误差，测量电阻的线路方案可粗略地按下列办法来选择： (I)当R<Ry,且R较R大得不多时，宜选用电流表外接： (2)当R>RA,且R和Ry相差不多时，宜选用电流表内接 (3)当R>RA，且R<Rv时，则必须先用电流表内接法和外接法测量，然后再比 较电流表的读数变化大还是电压表的读数变化大？根据比较结果再决定采用内接法还是 外接法，具体方法见本实验的实验内容第2点的第(3)小点。 如果要得到待测电阻的准确值，则必须测出电表内阻并按(1)和（②）式进行修正，本 实验不进行这种修正 【实验仪器】 FB2015型伏安特性综合实验系统一台、FB2015型伏安特性综合实验系统数据采集 仪（测试元件 专用连接线等) 【实验内容】 1.测定线性电阻的伏安特性，并作出伏安特性曲线，从图上求出电阻值： (1)采用电流表外接法实验线路，取待测电阻R=1002。 (2)按图4连接线路，将指针式电压表量程选择为20V,并联在直流工作电源的两端 钮。用于监视电源的输出电压。 (3)根据测量对象，将伏安特性测量用电流表量程置于0.3A,电压表的量程置于20V 2
2 3-2 中电流表外接法。电压表和电流表都有一定的内阻（分别设为 R V 和 RA ）。简化处理 时直接用电压表读数 U 除以电流表读数 I 来得到被测电阻值 R ，即 R = U/I ，这样会引 进一定的系统性误差。 当电流表内接时，电压表读数比电阻端电压值大，即有: R A I U R = − （1） 当电流表外接时，电流表读数比电阻 R 中流过的电流大，这时应有： R V 1 U I R 1 = − ( 2 ) 在（1）式和（2）式中， R A 和 R V 分别代表安培表和伏特表的内阻。比较电流表的 内接法和外接法，显然，如果简单地用 I U 值作为被测电阻值，电流表内接法的实验结果 偏大，而电流表外接法的实验结果偏小，都有一定的系统性误差。在需要这样作简化处理 的实验场合，为了减少上述系统性误差，测量电阻的线路方案可粗略地按下列办法来选择： （1）当 R R V ,且 R 较 RA 大得不多时，宜选用电流表外接； （2）当 R RA ，且 R 和 R V 相差不多时，宜选用电流表内接； （3）当 R RA ，且 R R V 时，则必须先用电流表内接法和外接法测量，然后再比 较电流表的读数变化大还是电压表的读数变化大？根据比较结果再决定采用内接法还是 外接法，具体方法见本实验的实验内容第 2 点的第（3）小点。 如果要得到待测电阻的准确值，则必须测出电表内阻并按（1）和(2)式进行修正，本 实验不进行这种修正。 【实验仪器】 FB2015 型伏安特性综合实验系统一台、 FB2015 型伏安特性综合实验系统数据采集 仪（测试元件、专用连接线等） 【实验内容】 1． 测定线性电阻的伏安特性，并作出伏安特性曲线，从图上求出电阻值： （1）采用电流表外接法实验线路，取待测电阻 R =100。 （2）按图 4 连接线路 ，将指针式电压表量程选择为 20V ，并联在直流工作电源的两端 钮。用于监视电源的输出电压。 （3）根据测量对象，将伏安特性测量用电流表量程置于 0.3A ，电压表的量程置于 20V
将电流换向开关往下拨，使输出电压方向为正向：实验仪的按钮开关k,k,置于释放位置 (图中星号标注位置)，这样，检流计等部件不参与实验测量。仔细检查电路无误后，请 教师检查。 (4)将直流电源输出调节旋纽（粗、细）逆时针旋到底，闭合机箱后的交流电源开关， 机箱上数字电压表数码管点亮。表示仪器状态基本正非常。 (5)顺时针缓慢调节电源旋钮，观察仪表显示是否正常，如仪表正负极性有否错误，接 着可以进行正式测试。 00 R 图4用电流表外接法测量中值电阻伏安特性接线图 (如变化范围1.00~8.00V,变化步长为1.00V),改变电 2.测定二极管正向伏安特性，并画出伏安特性曲线 (1)联线前，先初步了解所用晶体管型号和主要参数（即最大正向电流和最大反向电压） 然后用万用表欧姆档测量其正反向阻值，从而判断晶体二级管的正 式万用表处 于欧姆档时，负笔为正电位，正笔为负电位。但数字式万用表则相反)。想一想如何利用 它判别二极管的正负极？还有其它判别二极管极性的办法吗？在本实验中，我们实际上 可以直接根据在二极管元件上的标志来判断其正反向（正负极）的。 mA R 图5测量二极管正向伏安特性电路图 (2)手工测量晶体二极管正向特性： 实阿 试验线路如图6-1，采用电流表外接法进行接线，图中R=102为保护电阻，用 以限制电流： 2
3 将电流换向开关往下拨，使输出电压方向为正向；实验仪的按钮开关 1 k2 k , 置于释放位置 （图中星号标注位置），这样，检流计等部件不参与实验测量。仔细检查电路无误后，请 教师检查。 （4）将直流电源输出调节旋钮（粗、细）逆时针旋到底，闭合机箱后的交流电源开关， 机箱上数字电压表数码管点亮。表示仪器状态基本正非常。 （5）顺时针缓慢调节电源旋钮，观察仪表显示是否正常，如仪表正负极性有否错误，接 着可以进行正式测试。 （5）选取合适的电压变化值（如变化范围 1.00 ~ 8.00V ，变化步长为 1.00V ），改变电 压测量 8 个测量点，将对应的电压与电流值列表记录，以便作图。 2．测定二极管正向伏安特性，并画出伏安特性曲线 （1）联线前，先初步了解所用晶体管型号和主要参数（即最大正向电流和最大反向电压）。 然后用万用表欧姆档测量其正反向阻值，从而判断晶体二级管的正负极（指针式万用表处 于欧姆档时，负笔为正电位，正笔为负电位。但数字式万用表则相反）。 想一想如何利用 它判别二极管的正负极？还有其它判别二极管极性的办法吗？ 在本实验中，我们实际上 可以直接根据在二极管元件上的标志来判断其正反向（正负极）的。 （2）手工测量晶体二极管正向特性： ① 实际试验线路如图 6-1，采用电流表外接法进行接线，图中 R =10 为保护电阻，用 以限制电流 ；
②选择指针式电压表2V量程，并联到直流电源的输出端钮，检测直流工作电源的输出电 压，控制出由压节围为=0)V ③将电流换向开关往下拨，使输出电压方向为正向 ④将指针式电流表的I=0.3A(Or0.03A)量程档接到接线柱C,D端钮，用来测量通过 二极管的正向电流： ⑤将数字式电压表的2V量程接到接线柱E,H端钮，用来测量二极管通过不同电流时对 应的正向电压降： FB2015阿状V码然A维 0 ☐00 图6-1用外接法测量二极管的正向伏安特性接线图 R 1.图中虚线部分可不连接：2.采集仪的1通道输入信号规定取负极性，否则不能正常取样作图。 图6-2用数据采集仪测量二极管正向伏安特性接线图 ©仪器面板上的按钮开关K,K,置于释放位置（常开位置），所以检流计等部分均断开， 不参与实验： ⑦先将电源输出电压调节旋钮逆时针旋到底，接通交流电源开关，注意线路有否出现不 正常的现象，如一切正常，即可开始实验测量： ⑧然后缓慢增加电压，如取0.00V、0.10V、020V、…(当发现电流变化快即将到 达门槛电压时，如硅管约0.6~0.8V可适当减小测量间隔)将观察到的电压和电流值记录 到麦格中， ⑨根据实验数据，作二极管的正向伏安特性曲线 (3)用FB2015型伏安特性数据采集仪利用单片机测量、处理二极管的伏安特性：
4 ② 选择指针式电压表 2V 量程，并联到直流电源的输出端钮，检测直流工作电源的输出电 压，控制输出电压范围为 U = 0 ~ 2V ； ③ 将电流换向开关往下拨，使输出电压方向为正向； ④ 将指针式电流表的 I = 0.3A (or 0.03A) 量程档接到接线柱 C, D 端钮，用来测量通过 二极管的正向电流； ⑤ 将数字式电压表的 2V 量程接到接线柱 E, H 端钮,用来测量二极管通过不同电流时对 应的正向电压降； ⑥ 仪器面板上的按钮开关 1 K2 K , 置于释放位置（常开位置），所以检流计等部分均断开， 不参与实验； ⑦ 先将电源输出电压调节旋钮逆时针旋到底，接通交流电源开关，注意线路有否出现不 正常的现象，如一切正常，即可开始实验测量； ⑧ 然后缓慢增加电压，如取 0.00V 、0.10V 、0.20V 、……（当发现电流变化快即将到 达门槛电压时，如硅管约 0.6 ~ 0.8V 可适当减小测量间隔）将观察到的电压和电流值记录 到表格中； ⑨ 根据实验数据，作二极管的正向伏安特性曲线。 （3）用 FB2015 型伏安特性数据采集仪利用单片机测量、处理二极管的伏安特性：