挡位，Y通道的电压常数置2.5mV/cm挡位。这样，曲线刚好画在25cm×17cm坐标纸上。外接电阻箱拨至0Q，接通实验盒电源及X一Y记录仪的电源。将X一Y记录仪X通道、Y通道的"INPUT”开关均拨至“ZERO”位，旋X通道及Y通道的“POSITION”钮，将记录笔调至坐标纸的坐标原点处。再将X、Y通道的“INPUT”开关均拨至“MEAS”位，只要调节图3.3的分压器，即可看到记录笔空画稳压二极管全伏安特性曲线。待操作熟练，认为满意时，将“PEN”开关拨至“DOWN”位落下记录笔，即可调节分压器电阻W在坐标纸上画出稳压二极管全伏安特性曲线，如图3.4所示。R.图3.3图3.42.验证二极管正向伏安曲线指数规律根据半导体器件物理理论，二极管PN结的伏安特性由下式描述：1=1 [exp(KT) 1] (3.7)式中I为流过PN结的电流，单位A；I。为PN结反向饱和电流，单位为A；e为电子所带电量，等于1.602×10-19C，U为加给PN结的电压，单位V；k为玻耳兹曼常数，等于1.380X10-23J/K：T为PN结的绝对温度，单位为K；m为PN结所加正向电压范围决定的系数，1≤m≤2。上式中，正向结电压U通常为儿百毫伏，使得括号中第一项在室温下远大于1，于是有：euI=Ioexp((3.8)mkT不少二极管正向I一U特性在一定结电压范围4内服从上式指数规律。将X一Y记录仪X通道的电压常数置0.1V/cm挡，画正向I一U曲线：将图3.3中的外接电阻箱分别置2.7kQ和29.7kQ，相应地将X一Y记录仪的电压常数分别拨至为0.25mV/cm和25uV/cm挡，再画两条正向I一U曲线，如图3.5所示。任意画一条U平行于U轴的直线，与三条I一U曲线交于三点，相邻两点的电流刚好为10倍关系。如果每相邻两点图3.5间的电压之差不变（即三条曲线为等间隔的平行线），就证明了一U曲线服从（3.8)式所示指数规律，并可求出式中的因子m。3.考查稳压二极管的动态电阻在稳压二极管伏安曲线上某点作切线，由切线上两点间的△U、△I便可算出该点的动态21
南开大学出版社 挡位,Y 通道的电压常数置2.5mV/cm 挡位。这样,曲线刚好画在25cm×17cm 坐标纸上。 外接电阻箱拨至0Ω,接通实验盒电源及 X-Y 记录仪的电源。将 X-Y 记录仪 X 通道、 Y 通道的“INPUT”开关均拨至“ZERO”位,旋 X 通道及 Y 通道的“POSITION”钮,将记录笔 调至坐标纸的坐标原点处。再将 X、Y 通道的“INPUT”开关均拨至“MEAS”位,只要调节图 3.3的分压器,即可看到记录笔空画稳压二极管全伏安特性曲线。待操作熟练,认为满意时, 将“PEN”开关拨至“DOWN”位落下记录笔,即可调节分压器电阻 W 在坐标纸上画出稳压二 极管全伏安特性曲线,如图3.4所示。 图3.3 图3.4 2.验证二极管正向伏安曲线指数规律 根据半导体器件物理理论,二极管 PN 结的伏安特性由下式描述: I=I0 [exp( eU mkT) -1] (3.7) 式中I 为流过PN 结的电流,单位 A;I0 为PN 结反向饱和电流,单位为 A;e为电子所带电量, 等 于 1.602×10-19 C;U 为 加 给 PN 结 的 电 压,单 位 V;k 为 玻 耳 兹 曼 常 数,等 于 1.380×10-23J/K;T 为 PN 结的绝对温度,单位为 K;m 为 PN 结所加正向电压范围决定的系 数,1≤m≤2。 上式中,正向结电压U 通常为几百毫伏,使得括号中第一项在室温下远大于1,于是有: I=I0exp( eU mkT) (3.8) 图3.5 不少二极管正向I—U 特性在一定结电压范围 内服从上式指数规律。 将 X-Y 记录仪 X通道的电压常数置0.1V/cm 挡,画正向I—U 曲线;将图3.3中的外接电阻箱分 别置2.7kΩ 和29.7kΩ,相应地将 X-Y 记录仪的电 压常数分别拨至为0.25mV/cm 和25μV/cm 挡,再 画两条正向I—U 曲线,如图3.5所示。任意画一条 平行于U 轴的直线,与三条I—U 曲线交于三点,相 邻两点的电流刚好为10倍关系。如果每相邻两点 间的电 压 之 差 不 变 (即 三 条 曲 线 为 等 间 隔 的 平 行 线),就证明了I—U 曲线服从(3.8)式所示指数规律,并可求出式中的因子m。 3.考查稳压二极管的动态电阻 在稳压二极管伏安曲线上某点作切线,由切线上两点间的ΔU、ΔI 便可算出该点的动态 21
电阻r。AU(3.9)r=AI从图3.5伏安曲线上电流分别为10mA、1mA、0.1mA、一10mA处计算动态电阻，并从图3.4上估算电压为一4V附近处的动态电阻最少为多大。六、注意事项1.X一Y记录仪系贵重仪器，每次通电画曲线之前，应调好X通道和Y通道的电压常数避免待测电压超程。2.X一Y记录仪整套走笔机械装置精密而又娇气，勿随便触摸及施压。3.X一Y记录仪的走笔装置，机惯性较大，对待测电压信号变化的响应较慢，因此实验中应缓慢调节电路信号电压。七、考查题1.图3.3所示电路中，稳压二极管的正向电压为0.7V左右.限流电阻R已选定为300Q如果稳压二极管正向伏安曲线最大测到20mA，电路正向电源电压E+应为多少伏？2.使用X一Y记录仪，有哪些注意事项？K八、思考题1.对于图3.1所示伏安特性曲线，如果用图3.6所示E2电路测量，请证明或说明：当按（3.3）式选取电源电压E，按（3.5）式选取限流电阻R，在0E间匀速调节电源电Ri压时，记录仪的记录笔将匀速描绘整条伏安曲线。2.在测图3.1所示伏安特性曲线时，用什么方法证明图3.6图3.6所示电路中，电源电压在0～E间匀速调节至少需要多长时间，记录仪的记录笔的响应速度才能跟随上待测电压的变化速度？附：X一Y记录仪简介如图3.7为X一Y记录仪的俯视图，各部分的名称和功能简单介绍如下：（1)电源开关“POWER”：按人为开，再按则关。(2）记录笔。（3）测量端子：H为正，L为负，G为屏蔽。（4）输人开关“INPUT”：这是输入信号的通断开关。置“ZERO”位，记录仪输入端被短路：置“MEAS”位，为测量状态，使记录仪与测量电路接通。（5）位置旋钮“POSITION”：设定记录笔初始位置。（6）测量范围切换开关“RANGE”：设定记录笔走笔电压常数（走1cm代表待测的电压值）：但与该开关同轴的微调旋钮“VERNIER”应顺时针轻旋到底，听到轻微的“卡塔”声后，电压常数标识值才对。（7)微调旋钮“VERNIER”：对走笔电压常数作连续微调，但不给出电压常数数值。（8）静电吸附开关“CHART”拨至“HOLD（吸附）”位置，固定记录纸：拨至“RELEASE（释22
南开大学出版社 电阻r。 r= ΔU ΔI (3.9) 从图3.5伏安曲线上电流分别为10mA、1mA、0.1mA、-10mA 处计算动态电阻,并从图 3.4上估算电压为-4V 附近处的动态电阻最少为多大。 六、注意事项 1.X-Y 记录仪系贵重仪器,每次通电画曲线之前,应调好 X 通道和 Y 通道的电压常数, 避免待测电压超程。 2.X-Y 记录仪整套走笔机械装置精密而又娇气,勿随便触摸及施压。 3.X-Y 记录仪的走笔装置,机械惯性较大,对待测电压信号变化的响应较慢,因此实验中 应缓慢调节电路信号电压。 七、考查题 1.图3.3所示电路中,稳压二极管的正向电压为0.7V 左右,限流电阻R 已选定为300Ω, 如果稳压二极管正向伏安曲线最大测到20mA,电路正向电源电压E+ 应为多少伏? 2.使用 X-Y 记录仪,有哪些注意事项? 图3.6 八、思考题 1.对于图3.1所示伏安特性曲线,如果用图3.6所示 电路测量,请证明或说明:当按(3.3)式选取电源电压E, 按(3.5)式选取限流电阻R,在0~E 间匀速调节电源电 压时,记录仪的记录笔将匀速描绘整条伏安曲线。 2.在测图3.1所示伏安特性曲线时,用什么方法证明 图3.6所示电路中,电源电压在0~E 间匀速调节至少需 要多长时间,记录仪的记录笔的响应速度才能跟随上待测电压的变化速度? 附:X-Y记录仪简介 如图3.7为 X—Y 记录仪的俯视图,各部分的名称和功能简单介绍如下: (1)电源开关“POWER”:按入为开,再按则关。 (2)记录笔。 (3)测量端子:H 为正,L为负,G 为屏蔽。 (4)输入开关“INPUT”:这是输入信号的通断开关。置“ZERO”位,记录仪输入端被短路; 置“MEAS”位,为测量状态,使记录仪与测量电路接通。 (5)位置旋钮“POSITION”:设定记录笔初始位置。 (6)测量范围切换开关“RANGE”:设定记录笔走笔电压常数(走1cm 代表待测的电压 值);但与该开关同轴的微调旋钮“VERNIER”应顺时针轻旋到底,听到轻微的“卡塔”声后,电 压常数标识值才对。 (7)微调旋钮“VERNIER”:对走笔电压常数作连续微调,但不给出电压常数数值。 (8)静电吸附开关“CHART”拨至“HOLD(吸附)”位置,固定记录纸;拨至“RELEASE(释 22
放）”位置，记录纸方可移动（9)控笔开关“PEN”：拨至“UP”位置，笔抬起：拨至“DOWN”位置，笔落下，可画函数曲线。（10）测量键“MEAS”：按下，仪器处于X一Y记录仪功能状态。（11）复位键“RESET”：按下，记录笔自右端返回扫描起始位置。（12)试扫键TRIAL”：按下，记录笔自左向右试扫描（笔不落下）。（13)记录键RECORD"：按下，记录笔自左向右扫描，画时间函数曲线，（14)扫描速率开关SWEEPRATE”：设置记录笔时间常数（笔走1cm所用时间）。?④?623036X-YHOYOLO门GOHOXOLO口GO29??S?02图3.723
南开大学出版社 放)”位置,记录纸方可移动。 (9)控笔开关“PEN”:拨至 “UP”位 置,笔 抬 起;拨 至 “DOWN”位 置,笔 落 下,可 画 函 数 曲线。 (10)测量键“MEAS”:按下,仪器处于 X-Y 记录仪功能状态。 (11)复位键“RESET”:按下,记录笔自右端返回扫描起始位置。 (12)试扫键“TRIAL”:按下,记录笔自左向右试扫描(笔不落下)。 (13)记录键“RECORD”:按下,记录笔自左向右扫描,画时间函数曲线。 (14)扫描速率开关“SWEEPRATE”:设置记录笔时间常数(笔走1cm 所用时间)。 图3.7 23
实验4电表改装一、目的要求1.掌握改装直流电压表、电流表及欧姆表的原理和校准方法。2.了解温度变化给电表造成的误差及补偿方法。二、引言一只磁电式微安表头，虽可测电压或电流，但其量程太小。若想测量较大的电压或电流，则需对电表进行改装，加以扩程。实验室常用的机电式电压表、电流表及欧姆表都是由微安表头改装而成的。若将一只微安表头改装成不同量程的电压表、电流表及欧姆表等，并把它们有机地组装在一起，这就是我们常用的万用表。了解上述改装电表的原理和方法，对正确使用用表是很有帮助的。R三、原理1.表头内阻随温度的变化及温度补偿U磁电式结构的微安表头，其动圈是由铜导线（常用紫铜线）←绕制而成的。而铜导线的温度系数较大（α=0.004/℃），所以图4.1当温度变化时，动圈电阻（即表头内阻R）也要发生变化。设想温度变化10℃，则表头内阻将变化4%，从而使改装后的电表产生不可忽视的误差。为了减小这种误差，常采用温度补偿电路。如图4.1所示，为串联温度补偿电路，即和电流表头串联一温度系数很小的锰铜电阻R（称为温度补偿电阻）。按照A类仪表检定规程要求，串联R后，m级表头在室温偏离标准温度（20士10）℃时，其量程I。的相对变化不得超过m%。为此R应满足下式：4-mR,R>(4,1)m2.改装电压表参看图4.1，表头串联电阻R即可扩大表头的电压量程。设扩展的电压量程为U，则R的阻值应为：UR-1.-Re(4.2)这里R既是表头扩大电压量程串接的降压电阻，又是温度补偿电阻。所以R应选用温度系数小的电阻，且R值的大小应同时满足（4.1）、（4.2）两式的要求。式中U/I。表示扩程后的电压表的内阻。1/I。则表示每伏电压量程应具有的内阻，称为“每伏欧姆数”，单位“Q/V”，常标在电压表的表盘上。这是电压表的一个重要参数，知道这个参数，就可以计算各量程的内阻。易知，I。越小，扩程后的电压表每伏欧姆数就越大，用来测电压时，对待测电路的分流影响就24
南开大学出版社 实验4 电表改装 一、目的要求 1.掌握改装直流电压表、电流表及欧姆表的原理和校准方法。 2.了解温度变化给电表造成的误差及补偿方法。 二、引言 一只磁电式微安表头,虽可测电压或电流,但其量程太小。若想测量较大的电压或电流, 则需对电表进行改装,加以扩程。实验室常用的机电式电压表、电流表及欧姆表都是由微安表 头改装而成的。若将一只微安表头改装成不同量程的电压表、电流表及欧姆表等,并把它们有 机地组装在一起,这就是我们常用的万用表。了解上述改装电表的原理和方法,对正确使用万 用表是很有帮助的。 图4.1 三、原理 1.表头内阻随温度的变化及温度补偿 磁电式结构的微安表头,其动圈是由铜导线(常用紫铜线) 绕制而成的。而铜导线的温度系数较大(α=0.004/℃),所以 当温度变化时,动圈电阻(即表头内阻 Rg)也要发生变化。设 想温度变化10℃,则表头内阻将变化4%,从而使改装后的电表产生不可忽视的误差。为了减 小这种误差,常采用温度补偿电路。如图4.1所示,为串联温度补偿电路,即和电流表头串联 一温度系数很小的锰铜电阻 R(称为温度补偿电阻)。按照 A 类仪表检定规程要求,串联 R 后,m 级表头在室温偏离标准温度(20±10)℃时,其量程I0 的相对变化不得超过 m%。为此 R 应满足下式: R≥ 4-m m Rg (4.1) 2.改装电压表 参看图4.1,表头串联电阻R 即可扩大表头的电压量程。设扩展的电压量程为U,则R 的 阻值应为: R= U I0 -Rg (4.2) 这里R 既是表头扩大电压量程串接的降压电阻,又是温度补偿电阻。所以R 应选用温度系数 小的电阻,且R 值的大小应同时满足(4.1)、(4.2)两式的要求。式中U/I0 表示扩程后的电压 表的内阻。1/I0 则表示每伏电压量程应具有的内阻,称为“每伏欧姆数”,单位“Ω/V”,常标在 电压表的表盘上。这是电压表的一个重要参数,知道这个参数,就可以计算各量程的内阻。易 知,I0 越小,扩程后的电压表每伏欧姆数就越大,用来测电压时,对待测电路的分流影响就 24
越小。制作多量程的电压表，可串接不同的降压电阻，联接的方式有两种，如图4.2所示。扩程后的电压表需要用标准表进行校准。所谓标准表是指比扩程表准确度高的电表。校准是利用上述两种表同时测量同一电压时的指示值进行比较（称“比对”），然后求出标准表的指示值U。和扩程表的指示值Ux的每一组差值△U，并以Ux为横坐标，U为纵坐标，作△U一Ux校正曲线。该曲线是各点逐次连接的折线，以后在使用扩程表时，可用校正曲线修正它的读数，得到较为准确的结果。CRKO(a)Ch.图4.23.改装电流表直流电流表的扩程电路如图4.3所示。其中R为温度补偿电阻且满足（4.1)式，电流表扩大的量程为I，R。为分流电阻，其大小为：R,+RRs(4.3)RRs图4.3图4.4式中n=I/I。，为扩程倍数。若扩展的量程较大，Rs为低阻时，应采用四端结构，如图4.4所示。制作多量程的电流表，可并联不同的Rs值。并联的方式原理上有两种，一种是开路转换，如图4.5（a）所示。此种转换虽压降小，但其带电转换或转换开关K接触不良时，易烧毁表RRRRR:R.R(a)(b)图4.525
南开大学出版社 越小。 制作多量程的电压表,可串接不同的降压电阻,联接的方式有两种,如图4.2所示。扩程 后的电压表需要用标准表进行校准。所谓标准表是指比扩程表准确度高的电表。校准是利用 上述两种表同时测量同一电压时的指示值进行比较(称“比对”),然后求出标准表的指示值U0 和扩程表的指示值UX 的每一组差值ΔU,并以UX 为横坐标,ΔU 为纵坐标,作ΔU-UX 校正 曲线。该曲线是各点逐次连接的折线,以后在使用扩程表时,可用校正曲线修正它的读数,得 到较为准确的结果。 (a) (b) 图4.2 3.改装电流表 直流电流表的扩程电路如图4.3所示。其中R 为温度补偿电阻且满足(4.1)式,电流表扩 大的量程为I,RS 为分流电阻,其大小为: RS= Rg+R n-1 (4.3) 图4.3 图4.4 (a) (b) 图4.5 式中n=I/I0,为扩程倍数。若扩展的量程较大,RS 为低阻时,应采用四端结构,如图4.4所 示。 制作多量程的电流表,可并联不同的 RS 值。并联的方式原理上有两种,一种是开路转 换,如图4.5(a)所示。此种转换虽压降小,但其带电转换或转换开关 K 接触不良时,易烧毁表 25