模电实验教案.docx
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模电实验教案
实验一 常用电子仪器的使用
一、实验目的
1、学习电子技术实验中常用的电子仪器——数字示波器、函数信号发生器、直流稳压电源、万用表等的主要技术指标、性能及正确使用方法。
2、初步掌握用双踪数字示波器观察波形和读取波形参数的方法。
3、使用万用表检测晶体二极管、三极管的质量好坏及管脚判断。
二、实验设备与器件
1、函数信号发生器2、双踪数字示波器
3、万用表4、电阻、电容、二极管、三极管
三、实验原理
在模拟电子技术实验中，经常使用的电子仪器有数字示波器、函数信号发生器、模电试验箱、万用表和电路板等。
它们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，可按照信号流向简捷连线，顺手调节，观察与读数方便等原则进行合理布局，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。
信号源和万用表的引线通常用屏蔽线或专用探头，示波器接线使用专用电缆线，直流电源的接线用普通导线。
1、数字示波器
数字示波器是一种用途很广的电子测量仪器，它既能直接显示信号的波形，又能对信号直接进行各种参数的测量。
1）、寻找扫描光迹
开机预热后，显示屏上应出现扫描基线，如没有则可按下列操作去显示扫描线：
①适当调节基线亮度。
②适当调节垂直
（
）、水平（
）“位移”旋钮，使扫描光迹位于屏幕中央。
③按下autoset自动设置按钮。
2）、双踪数字示波器一般有三种显示基波，即“CH1”、“CH2、“CH1＋CH2”
3）、为了显示稳定好看的被测信号波形，显示刻度纵轴幅度和横轴周期应适当调节。
根据被测波形在屏幕坐标刻度上纵轴幅度所占的格数与纵轴每格指示值的乘积，即可算得信号幅值的实测值。
也可以直接通过数字示波器自己读数显示。
根据被测信号波形一个周期在屏幕横轴周期坐标刻度水平方向所占的格数与横轴周期每格时间指示值的乘积，即可算得信号周期的实测值。
也可以直接通过数字示波器自己读数显示。
2、函数信号发生器
函数信号发生器按需要输出正弦波、方波、三角波三种信号波形。
输出电压最大可达20VP－P。
通过输出衰减开关20dB和40dB和输出幅度调节旋钮，可使输出电压在毫伏级到伏级范围内连续调节。
函数信号发生器的输出信号频率可以通过频率分档开关f1~f5进行调节。
函数信号发生器作为信号源，它的输出端不允许短路。
四、实验内容
一）双踪数字示波器的使用及测试
二）、利用万用表粗测二极管的质量及管脚极性
晶体二极管由一个PN结组成，具有单向导电性，其正向电阻小（一般为几百欧）而反向电阻大（一般为几十千欧至几百千欧），利用此点可进行判别。
（1）管脚极性判别
利用数字万用表的二极管档也可判别正、负极，此时红表笔（插在“V·Ω”插孔）带正电，黑表笔（插在“COM”插孔）带负电。
用两支表笔分别接触二极管两个电极，若显示值在1V以下，说明管子处于正向导通状态，红表笔接的是正极，黑表笔接的是负极。
若显示溢出符号“1”，表明管子处于反向截止状态，黑表笔接的是正极，红表笔接的是负极。
（2）判别二极管质量的好坏
一个二极管的正、反向电阻差别越大，其性能就越好。
如果双向阻值都较小，说明二极管质量差，不能使用；如果双向阻值都为无穷大，则说明该二极管已经断路。
如双向阻值均为零，说明二极管已被击穿。
用两支表笔分别接触二极管两个电极，若两次显示值均在1V以下，或均显示溢出符号“1”，则说明二极管短路或开路即已损坏。
若一次显示值在1V以下，另一次显示溢出符号“1”，则说明二极管是好的。
三）晶体三极管管脚、质量判别
（1）管型与基极的判别
若为数字万用表，则可置于二极管档用红表笔先接触某一个电极—假定的基极，黑表笔分别接触其他两个电极，当两次测得的电阻均很小（或均很大），则红表笔所接电极为基极，如两次测得的阻值一大、一小，相差很多，则假定的基极有错，应更换其他电极重测。
当两次测得的电阻均很小时该管属NPN型管，反之则是PNP型管。
（2）发射极与集电极的判别
万用表上有hFE插孔，可利用hFE来测量电流放大系数β。
当接法正确时，电流放大系数β较大；而当三极管倒置使用时，电流放大系数β很小。
五、实验总结
1、整理实验数据，并进行分析。
2、你是怎样用万用表粗测晶体管的质量好坏与管脚的？
实验二 晶体管共射极单管放大器
一、实验目的
1、学会放大器静态工作点的调试方法，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、实验设备与器件
1、＋12V直流电源 2、函数信号发生器
3、双踪示波器 4、万用表
5、晶体三极管3DG6×1（β＝50～100）或9011×1（管脚排列如图2－7所示），电阻器、电容器若干
三、实验原理
图2－1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RB1和RB2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2－1共射极单管放大器实验电路
在图2－1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
UCE＝UCC－IC（RC＋RE）
电压放大倍数
输入电阻
Ri＝RB1//RB2//rbe
输出电阻
RO≈RC
由于电子器件性能的分散性比较大，因此在设计和制作晶体管放大电路时，离不开测量和调试技术。
在设计前应测量所用元器件的参数，为电路设计提供必要的依据，在完成设计和装配以后，还必须测量和调试放大器的静态工作点和各项性能指标。
一个优质放大器，必定是理论设计与实验调整相结合的产物。
因此，除了学习放大器的理论知识和设计方法外，还必须掌握必要的测量和调试技术。
放大器的测量和调试一般包括：
放大器静态工作点的测量与调试，消除干扰与自激振荡及放大器各项动态参数的测量与调试等。
1、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直流毫安表和直流电压表（或用万用表的直流毫安档和直流电压档），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UE或UC，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UBE＝UB－UE，UCE＝UC－UE。
为了减小误差，提高测量精度，应选用内阻较高的直流电压表。
2） 静态工作点的调试
放大器静态工作点的调试是指对管子集电极电流IC（或UCE）的调整与测试。
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2－2（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2－2（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输入电压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）（b）
图2－2静态工作点对uO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2－3所示。
但通常多采用调节偏置电阻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。
图2－3电路参数对静态工作点的影响
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，如输入信号幅度很小，即使工作点较高或较低也不一定会出现失真。
所以确切地说，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。
如需满足较大信号幅度的要求，静态工作点最好尽量靠近交流负载线的中点。
2、放大器动态指标测试
放大器动态指标包括电压放大倍数、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（或用示波器测出ui和uo的峰-峰值UiP-P和UOP-P），则
2） 输入电阻Ri的测量
为了测量放大器的输入电阻，按图2－4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（或用示波器测出ui和uS的峰-峰值UiP-P和USP-P），则根据输入电阻的定义可得
图2－4输入、输出电阻测量电路
测量时应注意下列几点:
①由于电阻R两端没有电路公共接地点，所以测量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R0的测量
按图2-4电路，在放大器正常工作条件下，测出输出端不接负载RL的输出电压峰-峰值UOP-P和接入负载后的输出电压峰-峰值ULP-P，根据
即可求出
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。
4） 最大不失真输出电压UOP-P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2－5）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
。
或用示波器直接读出UOP-P来。
图2－5静态工作点正常，输入信号太大引起的失真
5） 放大器幅频特性的测量
放大器的幅频特性是指放大器的电压放大倍数AU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2－6所示，Aum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
倍，即0.707Aum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
放大器的幅率特性就是测量不同频率信号时的电压放大倍数AU。
为此，可采用前述测AU的方法，每改变一个信号频率，测量其相应的电压放大倍数，测量时应注意取点要恰当，在低频段与高频段应多测几点，在中频段可以少测几点。
此外，在改变频率时，要保持输入信号的幅度不变，且输出波形不得失真。
6） 干扰和自激振荡的消除
参考实验附录
3DG9011（NPN）
3CG9012（PNP）
9013（NPN）
图2－6幅频特性曲线图2－7晶体三极管管脚排列
四、实验内容
实验电路如图2－1所示。
各电子仪器可按实验一中图1－1所示方式连接，为防止干扰，各仪器的公共端必须连在一起，同时信号源、交流毫伏表和示波器的引线应采用专用电缆线或屏蔽线，如使用屏蔽线，则屏蔽线的外包金属网应接在公共接地端上。
1、调试静态工作点
接通直流电源前，先将RW调至最大，函数信号发生器输出旋钮旋至零。
接通＋12V电源、调节RW，使IC＝2.0mA（即UE＝2.0V），用万用表的直流电压档测量UB、UE、UC及用万用表欧姆档测量RB2值。
记入表2－1。
表2-1IC＝2mA
测量值
计算值
UB（V）
UE（V）
UC（V）
RB2（KΩ）
UBE（V）
UCE（V）
IC（mA）
2、测量电压放大倍数
在放大器输入端加入频率为1KHz的正弦信号uS，调节函数信号发生器的输出旋钮使放大器输入电压UiP-P
300mV，同时用示波器观察放大器输出电压uO波形，在波形不失真的条件下用示波器测量下述三种情况下的UOP-P值，并用双踪示波器观察uO和ui的相位关系，记入表2－2。
（注意：
RW应保持不变）
表2－2Ic＝2.0mAUiP-P＝300mV
RC（KΩ）
RL（KΩ）
UOP-P（V）
Au
观察记录一组uO和u1波形
2.4
∞
1.2
∞
2.4
2.4
3、观察静态工作点对电压放大倍数的影响
置RC＝2.4KΩ，RL＝∞，UiP-P适量，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UOP-P值，记入表2－3。
表2－3 UiP-P＝ mV
IC（mA）
UOP-P（V）
AU
测量IC时，要先将信号源输出旋钮旋至零（即使UiP-P＝0）或断开信号源输出连接线。
4、观察静态工作点对输出波形失真的影响
RC＝2.4KΩ，RL＝∞，ui＝0，调节RW使IC＝2.0mA，测出UCE值，再逐步加大输入信号，使输出电压u0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u0的波形，并测出失真情况下的IC和UCE值，记入表2－4中。
每次测IC和UCE值时都要将信号源的输出旋钮旋至零（或直接断开信号源的输出连接导线）。
表2－4UiP-P＝ mV
IC（mA）
UCE（V）
u0波形
失真情况
管子工作状态
2.0
5、测量最大不失真输出电压
置RC＝2.4KΩ，RL＝2.4KΩ，同时调节输入信号的幅度和电位器RW，先使输出信号同时出现饱和失真和截止失真，然后减小ui使饱和失真和截止失真消失，用示波器测量此时的UiP-P和UOP-P值，记入表2－5。
表2－5
IC（mA）
UiP-P（mV）
UOP-P（V）
五、实验总结
1、列表整理测量结果，并把实测的静态工作点、电压放大倍数、输入电阻、输出电阻之值与理论计算值比较（取一组数据进行比较），分析产生误差原因。
2、总结RC，RL及静态工作点对放大器电压放大倍数的影响。
3、讨论静态工作点变化对放大器输出波形的影响。
4、分析讨论在调试过程中出现的问题。
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、实验设备与器件
1、＋12V直流电源 2、函数信号发生器
3、双踪示波器 4、万用表
5、3DG12×1（β＝50～100）或9013
电阻器、电容器若干。
三、实验原理
射极跟随器的原理图如图3－1所示。
它是一个电压串联负反馈放大电路，它具有输入电阻高，输出电阻低，电压放大倍数接近于1，输出电压能够在较大范围内跟随输入电压作线性变化以及输入、输出信号同相等特点。
图3－1射极跟随器
射极跟随器的输出取自发射极，故称其为射极输出器。
1、输入电阻Ri
图3－1电路
Ri＝rbe＋（1＋β）RE
如考虑偏置电阻RB和负载RL的影响，则
Ri＝RB∥[rbe＋（1＋β）（RE∥RL）]
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要高得多，但由于偏置电阻RB的分流作用，输入电阻难以进一步提高。
输入电阻的测试方法同单管放大器，实验线路如图3－2所示。
图3－2射极跟随器实验电路
即只要测得A、B两点的对地电位即可计算出Ri。
2、输出电阻RO
图3－1电路
如考虑信号源内阻RS，则
由上式可知射极跟随器的输出电阻R0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UOP-P，再测接入负载RL后的输出电压ULP-P，根据
即可求出RO
3、电压放大倍数
图3－1电路
≤1
上式说明射极跟随器的电压放大倍数小于近于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流大（1＋β）倍，所以它具有一定的电流和功率放大作用。
4、电压跟随范围
电压跟随范围是指射极跟随器输出电压uO跟随输入电压ui作线性变化的区域。
当ui超过一定范围时，uO便不能跟随ui作线性变化，即uO波形产生了失真。
为了使输出电压uO正、负半周对称，并充分利用电压跟随范围，静态工作点应选在交流负载线中点，测量时可直接用示波器读取uO的峰峰值，即电压跟随范围；或用交流毫伏表读取uO的有效值，则电压跟随范围
U0P－P＝2
UO
四、实验内容
按图3－2组接电路
1、静态工作点的调整
接通＋12V直流电源，在B点加入f＝1KHz正弦信号ui，输出端用示波器监视输出波形，反复调整RW及信号源的输出幅度，使在示波器的屏幕上得到一个最大不失真输出波形，然后置ui＝0，用万用表直流电压档测量晶体管各电极对地电位，将测得数据记入表3－1。
表3－1
UE（V）
UB（V）
UC（V）
IE（mA）
在下面整个测试过程中应保持RW值不变（即保持静工作点IE不变）。
2、测量电压放大倍数Au
接入负载，在B点加f＝1KHz正弦信号ui，调节输入信号幅度，用示波器观察输出波形uo，在输出最大不失真情况下，用示波器测UiP-P、ULP-P值。
记入表3－2。
表3－2
UiP-P（V）
ULP-P（V）
Au
3、测量输出电阻R0
接上负载RL＝1K，在B点加f＝1KHz正弦信号ui，用示波器监视输出波形，测空载输出电压UOP-P，有负载时输出电压ULP-P，记入表3－3。
表3－3
U0P-P（V）
ULP-P（V）
RO（KΩ）
4、测量输入电阻Ri
在A点加f＝1KHz的正弦信号uS，用示波器监视输出波形，分别测出A、B点对地的电位USP-P、UiP-P，记入表3－4。
表3－4
USP-P（V）
UIP-P（V）
Ri（KΩ）
5、测试跟随特性
接入负载RL＝1KΩ，在B点加入f＝1KHz正弦信号ui，逐渐增大信号ui幅度，用示波器监视输出波形直至输出波形达最大不失真，并测量对应的ULP-P值，记入表3－5。
表3－5
UiP-P（V）
ULP-P（V）
6、测试频率响应特性
保持输入信号ui幅度不变，改变信号源频率，用示波器监视输出波形，并测量不同频率下的输出电压ULP-P值，记入表3－6。
表3－6
f（KHz）
ULP-P（V）
五、实验报告
1、整理实验数据，并画出曲线ULP-P＝f（UiP-P）及ULP-P＝f（f）曲线。
2、分析射极跟随器的性能和特点。
实验四 OTL功率放大器
一、实验目的
1、进一步理解OTL功率放大器的工作原理
2、学会OTL电路的调试及主要性能指标的测试方法
二、实验设备与器件
1、＋5V直流电源2、函数信号发生器
3、双踪示波器4、万用表
5、晶体三极管3DG6（9011）3DG12（9013）3CG12（9012）
晶体二极管IN4007,8Ω扬声器、电阻器、电容器若干
三、实验原理
图4－1所示为OTL低频功率放大器。
其中由晶体三极管T1组成推动级（也称前置放大级），T2、T3是一对参数对称的NPN和PNP型晶体三极管，它们组成互补推挽OTL功放电路。
由于每一个管子都接成射极输出器形式，因此具有输出电阻低，负载能力强等优点，适合于作功率输出级。
T1管工作于甲类状态，它的集电极电流IC1由电位器RW1进行调节。
IC1的一部分流经电位器RW2及二极管D，给T2、T3提供偏压。
调节RW2，可以使T2、T3得到合适的静态电流而工作于甲乙类状态，以克服交越失真。
静态时要求输出端中点A的电位
，可以通过调节RW1来实现，又由于RW1的一端接在A点，因此在电路中引入交、直流电压并联负反馈，一方面能够稳定放大器的静态工作点，同时也改善了非线性失真。
图4－1OTL功率放大器实验电路
当输入正弦交流信号ui时，经T1放大、倒相后同时作用于T2、T3的基极，ui的负半周使T2管导通（T3管截止），有电流通过负载RL，同时向电容C0充电，在ui的正半周，T3导通（T2截止），则已充好电的电容器C0起着电源的作用，通过负载RL放电，这样在RL上就得到完整的正弦波。
C2和R构成自举电路，用于提高输出电压正半周的幅度，以得到大的动态范围。
OTL电路的主要性能指标
1、最大不失真输出功率P0m
理想情况下，
，在实验中可通过测量RL两端的电压有效值，来求得实际的
。
2、效率η
PE—直流电源供给的平均功率
理想情况下，ηmax＝78.5％。
在实验中，可测量电源供给的平均电流IdC，从而求得PE＝UCC·IdC，负载上的交流功率已用上述方法求出，因而也就可以计算实际效率了。
3、频率响应
详见实验二有关部分内容
4、输入灵敏度
输入灵敏度是指输出最大不失真功率时，输入信号Ui之值。
四、实验内容
在整个测试过程中，电路不应有自激现象。
1、静态工作点的测试
按图4－1连接实验电路，将输入信号旋钮旋至零（ui=0）电源进线中串入直流毫安表（将万用表置于直流毫安档代替），电位器RW2置最小值，RW1置中间位置。
接通＋5V电源，观察毫安表指示，同时用手触摸输出级管子，若电流过大，或管子温升显著，应立即断开电源检查原因（如RW2开路，电路自激，或输出管性能不好等）。
如无异常现象，可开始调试。
1）调节输出端中点电位UA
调节电位器RW1，用万用表的直流电压档测量A点电位，使
。
2）调整输出级静态电流及测试各级静态工作点
调节RW2，使T2、T3管的IC2＝IC3＝5～10mA。
从减小交越失真角度而言，应适当加大输出级静态电流，但该电流过大，会使效率降低，所以一般以5～10mA左右为宜。
由于毫安表是串在电源进线中，因此测得的是整个放大器的电流，但一般T1的集电极电流IC1较小，从而可以把测得的总电流近似当作末级的静态电流。
如要准确得到末级静态电流，则可从总电流中减去IC1之值。
调整输出级静态电流的另一方法是动态调试法。
先使RW2＝0，在输入端接入f＝1KHz的正弦信号ui。
逐渐加大输入信号的幅值，此时，输出波形应出现较严重的交越失真（注意：
没有饱和和截止失
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