用示波法显示稳压二极管的伏安特性曲线
【摘要】设计实验用示波器测二极管伏安特性，正伏安特性曲线反映了元件在电路中的基本工作特性.传统的伏安法虽电路简单,但要人工测绘数据点,处理速度慢,误差较大.而示波器则能接受连续变化的信号,并能把它自动描绘成图形,处理速度快,结果直观。
另一方面，将二极管的电压U加到示波器的“X轴输入”端，将二极管的电流转化为电压后加到示波器的“Y轴输入”端，从而在示波器屏上得到伏安特性曲线图象，通过二极管的电压降为横坐标，通过二极管的电流为纵坐标直观的显示二极管的伏安特性。
【关键词】二极管 示波器 正反向电压 伏安特性曲线
【实验原理】
稳压二极管的正向电流与电压、反向电流与电压之间的关系可用I～V特性曲线表示，如图给出了稳压管的伏安特性曲线及其符号。从图中可以看出，给二极管两端加以正向电压，二极管表现为一个低阻值的非线性电阻，当正向电压较小时，正向电流几乎为零，只有当正向电压超过死区电压（一般硅管约为0.5V，锗管约为0.1V）时，正向电流才明显增大，当正向管压降达到导通时（一般硅管约为0.6～0.7V，锗管约为0.2～0.3V），管
子才处在正向导通状态。迅速增大的电流值有一最大限度，这个最大限度称为二极管的最大正向电流。给二极管两端加以反向电压，二极管表现为一个高阻值电阻。当反向电压较小时，反向电流很小，当反向电压超过反向击穿电压（一般在几十伏以上）后，反向电流会突然增大，二极管处于击穿状态。
如右图，在a、b端接上交流电压（其最大输出电压的有效值一般为6～8V左右，并能随时调节）若接
上直流电压，屏幕上只显示正向特征曲线。在Ａ、Ｂ之间测出的是近似加在待测元件R0的电压，在Ｃ、Ｂ间的是电阻R的电压，这个电压正比于R0的电流强度。因而将二极管的电压U加到示波器的“X轴输入”端，将二极管的电流转化为电压后加到示波器的“Y轴输入”端，从而在示波器屏上得到伏安特性曲线图象。
我们希望显示图形从原点往右是X轴正向往上是Y轴的正向，在Y轴加正向电压时，光点往上走，和习惯相同，但对X轴取向，不同示波器有不同情况，连接电路时，根据图形显示情况，可以改变电路的连接方式，使二极管正确的显示。为了正确的显示波形，示波器的Y轴输入和X轴输入要有公共端。
在测二极管伏安特性时，有时受实验室现有仪器设备本身结构的限制，可能示波器Y轴信号被短路，因此在实际电路设计中，取B点作为接地点。这种情况相当于伏安法测量中的电表内接方式，为了减小系统误差，R选用电阻箱，且值尽可能小，消除这个测量误差的影响。
【调试方案设计】
1.1实验仪器：
GOS6021双踪示波器； YB1602型数字函数信号发生器； 二极管； 变阻箱（0～9999Ω）两个；若干导线。 1.2实验步骤：
1、将线路如右上图接好。
2、打开信号源和示波器，调节信号发生器至正弦交流电压档，输出信号频率f为1kHz左右，输出电压为6～8V左右，示波器打到X－Y档，适当调节示波器，即可得到特征曲线。
3、观察出现的波形，调节R1、R和示波器的偏转因素使曲线大小适中。再确定原点（把CH1和CH2都接地，看亮点是否在示波器的中心点）。
4、最后将特性曲线定量地测绘出来，并记录R1、R2的阻值，以及信号发生器上的输出频率和输出电压。
注R1为限流电阻，用以防止通过二极管的电流过大造成损失，一般将它先调到1kΩ左右。
【分析及总结】
1.1稳压二极管的稳压原理：
稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。 这样，当把稳压管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。
1.2故障特点：
稳压二极管的故障主要表现在开路、短路和稳压值不稳定。在这3种故障中，前一种故障表现出电源电压升高；后2种故障表现为电源电压变低到零伏或输出不稳定。
1.3实验过程中遇到的问题及解决方案：
问题一：示波器的两输入端只能输入电压信号，如何反映通过二极管的电流？
解决方案：用一较小阻值的定值电阻（如R=100Ω）与二极管串联，则通过二极管的电流ID与电阻上的电流IR相同，而电阻两端的电压UR=IRR∝ID,即可输入电阻R上的电压来反映通过二极管的电流。
问题二：如何验证，必须知道水平方向一格代表多大电压，即如何给X轴定标？
解决方案：利用Y方向的标准，一格表示100mV及示波管的原理，偏移量与电压成正比。将信号发生器的正弦信号接示波器的Y输入，调节信号电压大小使竖直方向共四格长，表示所加信号电压的最大值为200mV，然后把这一信号从X方向输入示波器，荧光屏上有一长为6.6格的水平亮线，因此，X方向的一格表示60mV。
X方向左右各五格，最大只能加±300mV的电压，达不到二极管的最低导通电压为0.7V，所以，水平方向为一亮线。
问题三：电阻与二极管串联组合体的伏安特性曲线与真正的二极管的伏安特性曲线的关系如何？电阻的阻值对曲线的影响如何？
实验及结果：增大R的阻值，观察到图线倾角变小；减小R的阻值，观察到图线倾角变大，图线变陡，更接近真正的二极管的伏安特性曲线。
问题四：
实验过程中出现了李萨如图形，两者分开（如下图）由于x轴和y轴偏转系统对信
号延迟的不同引起的，所以他们之间存在相位差，出现李萨如图形。
调整后：
示波器的光点在电流（垂直）和电压（水平）偏转的共同作用下（如下图），在示波器上显示完整的二极管伏安特性曲线。
【个人经验】
1、首先按书上的电路连接好，并输入适当的电压和频率。
2、当屏幕出现模糊图形时，可能是因为导线间接触不好，需要检查一下；或者调整电阻，调整至适当值，即会看到清晰图像。
3、如果出现的图形清晰但是左右或上下刚好颠倒，这时就需要检查二极管，x轴或y轴的正负端有没有接错。
【参考文献】竺江峰，芦立娟等.示波器的使用[M].大学物理实验，129-133.