电学部分

一 实验目的

1、掌握用伏安法测量电阻。

2、了解非线性元件并用图线表示测量结果。

3、学习根据被测电阻大小正确选择安培计的连接方法。 二 仪器说明

直流稳压电源、直流电压表、直流电流表、滑线变阻器、万用电表、二极管（2AP）、小灯泡、开关、导线。 三 实验内容

1、测量二极管的正向特性。 2、测量二极管的反向特性。

3、测量小灯泡的伏安特性曲线（选作）。 四 实验原理

伏安法测电阻是电测量的基本方法之一。用伏特表测出电阻两端电压，用安培表测出流过电阻的电流，根据不含源电路的欧姆定律，电压与电流的比值即为电阻的阻值，这样的测电阻方法简称为伏安法。以电压为横坐标，电流为纵坐标，用描点法将测量结果在坐标纸上作图所得的曲线，称之为伏安特性曲线。若某元件伏安特性曲线为直线，该元件称为线性元件，电阻是线性元件；若某元件伏安特性曲线为曲线，该元件称为非线性元件，二极管、三极管都是非线性元件。

晶体二极管，是由具有不同导电性能的N型半导体和P型半导体结合形成的PN结构成的。有正、负两个电极，正极从P型半导体引出，负极从N型半导体引出，如图1-1所示，图下方为二极管在电路中的符号。

图1-1 图1-2 图1-3 如图1-2为二极管正向连接，即二极管正极接高电位，负极接低电位，流过二极管的电流随电压的增加也增加，但不成比例；如图1-3为二极管反

向连接，即二极管正极接低电位，负极接高电位，流过二极管的电流很微弱，基本不变。因此二极管是一个非线性元件，具有单向导电性。它的正、反向伏安特性曲线如图1-4所示。 图1-4

用伏安法进行测量时，根据待测对象的大小，安培计伏特计的连接方法有两种，即将安培计内接或外接，选择正确的接法，可以减小测量误差。 1、安培计内接

如图1-5所示，安培计测出的是流经电阻Rx的电流Ix，但伏特计测出的V不是Vx，而是VxVA，即由于安培计的内阻不为零，给电压的测量带来了误差，使测量的电阻值比Rx偏大，即：

RVVxVARxRARx(1A) IxIxRx式中RA为安培计内阻，RA是安培计内接给测量结果带来的误差，这种由于介入Rx电表造成的误差，叫做接入误差。当RARx时，接入误差可忽略不计。因此，在测量较大电阻时，宜采用安培计内接的方法。

图1-5 图1-6 2、安培计外接

如图1-6所示，伏特计测出的是Vx，但安培计测出的I不是Ix，而是IxIV，即由于伏特计电阻不是无穷大，使电流的测量产生误差，使测量得到的电阻值偏小，即：

VxVxIIxIVVxIx(1IV)IxVxIR(1V)Rx(1x) IxIxRV当待测电阻比较小（RxRV）时，宜采用安培表外接的方法。

五 实验步骤

1、二极管正向特性测定

（1）用万用表欧姆档判断被测二极管的正反向。 （2）按图1-7接线，滑线变阻器滑动点开始时置于分压为零的A点。

（3）接通电源，使二极管正向导通，观察在导通区通过二极管的电流随电压的变化，通过观察确定测

量范围，即电压和电流的调节范围。 图1-7 （4）测量二极管正向特性曲线。不要等间隔取点，在电流变化缓慢区电压间隔取得疏一些，在电流变化迅速区，电压间隔取得密一些。

2、二极管反向特性测定

（1）按图1-8接线，滑线变阻器滑动点开始时置于分压为零的A点。

（2）定性观察被测二极管反向特性。电源电压不

要超过所用二极管的击穿电压，同时通过观察确定 测试反向特性时电压的调节范围。 图1-8 （3）测试反向特性。 3、测量小灯泡的伏安特性曲线

实验者自行设计测试电路及实验步骤。 六 数据记录及处理 1、数据记录

表1：二极管正向特性测定

V(v) I(mA)  表2：二极管反向特性测定

V(v) I(A)  2、以V为横坐标，I为纵坐标，在坐标纸上作出二极管正、反向特性曲线。注意正、反向坐标轴取不同单位。

3、由正向特性曲线计算V0.25V和V0.35V时二极管的电阻，并由误差公式计算其系统误差：

R1V1VRRVIV2I(kV量程）2(kI量程) VIIIII其中kV为电压表级别，kI为电流表级别。 最后将结果写成标准表达式。 七 注意事项

1、测定二极管伏安特性曲线时，正向电流不能超过其额定工作电流，而反向电压不得超过其反向击穿电压（数值由实验室给出）。

2、测定小灯泡的伏安特性曲线时，所加的电压不得超过其额定电压。 八 问题讨论

1、怎样判断二极管的正、反向？对它进行测量时，应注意什么？ 2、说明测二极管正向特性电流表外接、测反向特性电流表内接的原因。 3、电流表及电压表在测量时，因改换不同量限对测量结果有无影响？为什么？在实验中是否允许改换？

4、画出测小灯泡伏安特性曲线的测试电路，写出实验步骤。

5、什么是电表级别？它与准确度关系如何？如何正确选择电表的量程？

实验二 电表改装

一 实验目的

1、掌握两种测量表头内阻的方法。

2、掌握将表头改装成电流表和电压表的原理和方法。 3、学会电表的校准方法。 二 仪器说明

FB308电表改装与校准实验仪 三 实验内容

1、用半偏法或替代法测量表头的内阻Rg。 2、将微安表改装为电流表并校准。 3、将微安表改装为伏特表并校准。 四 实验原理

磁电式表头的满度电流和满度电压都很小，一般只适用于测量毫安级以下的

电流和零点几伏以下的电压。如果要测量较大的电流和电压，就必须扩大它的量程。

1、电流表的扩程

采用并联电阻的方法，可以扩大表头的电流量程，如图3-1所示，在表头的 两端并联电阻Rp，使超过表头能承受的那部分电流从Rp流过。表头和Rp组成的整体就是电流表，Rp称为分流电阻。若表头的满度电流为Ig，内阻为Rg，扩程后电流表量程为I，nRpI为量程扩大倍数，则： Ig1Rg （2.1） n12、电压表的扩程

如图3-2所示，在表头上串联电阻Rs，使超过表头能承受的那部分电压降落在电阻Rs上。表头和串联电阻Rs组成的整体就是电压表，串联的电阻Rs称为扩程电阻。大小为：

RsUUgIgURg （2.2） Ig

图2-1 图2-2 3、电表的校准

扩程后的电表必须经过校准才能使用，所谓校准，就是将扩程后的电表和一个标准表进行测量比较。读出扩程表的指示值Ix(Ux)及标准表的指示值Is(Us)，求出

它

们

的

差

值

IxIsIx(UxUsUx)，画出校准

曲线。校准曲线画法如图3-3所示，以

Ix(Ux)为横坐标，以Ix(Ux)为纵坐标， 图2-3

作出校准曲线，两个校准点之间用直线连接。 五 实验步骤

1、用半偏法或替代法测表头内阻

用半偏法测表头内阻 （1）将电源电压E调至0V。 （2）按图2-4连接线路。

（3）接通E、RW、被改装表和标准表后，调节E 图2-4 和RW使改装表头满偏，记下标准表的读数，即为改装表头的满偏电流Ig。 （4）接入电阻箱R2，改变R2数值，同时调节E或RW，使被测表头指针由满偏减为半偏，标准电流表的读数保持不变，这时电阻箱的数值R2即为被测表头内阻Rg。

用替代法测表头内阻 （1）将电源电压E调至0V。 （2）按图2-5连接线路。

（3）接通E、RW、被改装表和标准表后，调 图2-5

节E和RW使改装表头满偏，记下标准表的读数，即为改装表头的满偏电流Ig。 （4）断开接到改装表头的接线，转接到电阻箱R2，改变R2数值，使标准电流表的电流保持刚才记录的数值，这时电阻箱的数值R2即为被测表头内阻Rg。 2、电流表的改装与校准

（1）校准零点：调整好表头零点。

（2）根据电路参数，估算E值大小并将E调至0V。

（3）确定电流表量程，根据2.1式计算出分流电阻Rp。

（4）按图2-6接好电流表校准线路。 图2-6

（5）校准量程：调节E、滑动变阻器RW和分流电阻Rp，使标准表指示为满量程时，扩程表指示也为满量程。

（6）校准刻度：调节E和滑动变阻器RW，按一定间隔逐步减小改装表读数直至零，再按原间隔逐步增大到满量程，读出标准表的相应读数。 3、电压表的改装与校准

（1）校准零点：调整好表头零点。

（2）根据电路参数，估算E值大小并将E调至0V。 （3）确定电压表量程，根据2.2式计算出扩程电阻Rs。 （4）按图2-7接好电压表校准线路。

（5）校准量程：调节E、扩程电阻Rs，使标准 图2-7 表指示为满量程时，扩程表指示也为满量程。

（6）校准刻度：调节E，按一定间隔逐步减小改装表读数直至零，再按原间隔逐步增大到满量程，读出标准表的相应读数。 六 数据记录及处理 1、数据记录

表1：满偏电流和表头内阻

实验方法 满偏电流Ig（A） 表头内阻Rg（） 表2：电流表的改装与校准

I mA，理论值Rp= ，实验值Rp= 

Ix(mA)  减小时 Is(mA) 增大时 平均值 IxIsIx(mA)

表3：电压表的改装与校准

U V，理论值Rs= ，实验值Rs= 

Ux(V) Us(V)  减小时 增大时 平均值 UxUsUx(V)

2、以Ix为横坐标，Ix为纵坐标，在坐标纸上作出电流表的校准曲线，并确定改装表的准确度等级。

3、以Ux为横坐标，Ux为纵坐标，在坐标纸上作出UxUx曲线，并确定改装表的准确度等级。 七 注意事项

1、仪器内部有限流保护措施，但实验时应注意电压源的输出量程选择是否正确尽，并尽可能避免工作电源短路，以免造成仪器元器件等不必要的损失。 2、仪器采用高可靠性能的专用连接线，使用时注意不要用力过猛，插线时要对准插孔，避免使插头的塑料护套变形。

3、被改装表头只允许通过100A的小电流，过载时会损坏表头，仔细检查线路和电路参数无误后才能将改装表头接入使用。 4、RW作为限流电阻，阻值不要调至最小值。 5、被校表选整刻度，读出标准表的相应读数。 八 问题讨论

1、测量电流计内阻应注意什么？是否还有别的办法来测量电流计内阻？能否用欧姆定律来进行测定？能否用电桥来进行测定？

2、本实验改装的电表经校准后使用时，它的测量误差是否可以比级别误差小些？为什么？

3、为什么校正电表时读数要从大到小一次，从小到大再作一次？ 4、标准表的级别应如何选择？

实验七 示波器的使用

一 实验目的

1.了解通用示波器的结构和工作原理。

2.初步掌握通用示波器各个旋钮的作用和使用方法。

3.学习利用示波器观察电信号的波形，测量幅度、频率和周期。 二 仪器说明

双踪示波器、两台函数信号发生器 三 实验内容 1.观察波形。 2.测量电压。 3.测量周期和频率。 4.李萨如图形的合成。 二 仪器说明

双踪示波器、两台函数信号发生器 三 实验内容 1.观察波形。 2.测量电压。 3.测量周期和频率。 4.李萨如图形的合成。 四 实验原理 一、示波器的结构

Y轴输入 内 外触发 放 大 或衰减 电子 触 发 同 步 扫 描 发生器 放 大 或衰减 H K G A1 A2 Y Y X X 荧 光 屏 － ＋ 亮度 聚焦 辅助聚焦 电源电源 X轴输入 图7.1 示波器的主要部分有示波管、带衰减器的Y轴放大器、带衰减器的X轴放大器、扫描发生器（锯齿波发生器）、触发同步和电源等，其结构方框图如图7.1

所示。

1．示波管

如图7.1所示，示波管主要包括电子、偏转系统和荧光屏三部分，都密封在玻璃外壳内，里面抽成高真空。下面分别说明各部分的作用。

（1）荧光屏：它是示波器的显示部分，当加速聚焦后的电子打到荧光屏上时，屏上所涂的荧光物质就会发光，从而显示出电子束的位置。当电子停止作用后，荧光剂的发光需经一定时间才会停止，称为余辉效应。

（2）电子：由灯丝H、阴极K、控制栅极G、第一阳极A1、第二阳极A2五部分组成。灯丝通电后加热阴极。阴极是一个表面涂有氧化物的金属筒，被加热后发射电子。控制栅极是一个顶端有小孔的圆筒，套在阴极外面。它的电位比阴极低，对阴极发射出来的电子起控制作用，只有初速度较大的电子才能穿过栅极顶端的小孔然后在阳极加速下奔向荧光屏。示波器面板上的“亮度”调整就是通过调节电位以控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变了屏上的光斑亮度。阳极电位比阴极电位高很多，电子被它们之间的电场加速形成射线。当控制栅极、第一阳极、第二阳极之间的电位调节合适时，电子内的电场对电子射线有聚焦作用，所以第一阳极也称聚焦阳极。第二阳极电位更高，又称加速阳极。面板上的“聚焦”调节，就是调第一阳极电位，使荧光屏上的光斑成为明亮、清晰的小圆点。有的示波器还有“辅助聚焦”，实际是调节第二阳极电位。

（3）偏转系统：它由两对相互垂直的偏转板组成，一对垂直偏转板Y，一对水平偏转板X。在偏转板上加以适当电压，电子束通过时，其运动方向发生偏转，从而使电子束在荧光屏上的光斑位置也发生改变。

容易证明，光点在荧光屏上偏移的距离与偏转板上所加的电压成正比，因而可将电压的测量转化为屏上光点偏移距离的测量，这就是示波器测量电压的原理。

2．信号放大器和衰减器

由于示波管本身的X及Y轴偏转板的灵敏度不高（约0.1—1mm/V），当加在偏转板的信号过小时，要预先将小的信号电压加以放大后再加到偏转板上。为此设置X轴及Y轴电压放大器。衰减器的作用是使过大的输入信号电压变小以适应放大器的要求，否则放大器不能正常工作，使输入信号发生畸变，甚至使仪器受损。对一般示波器来说，

0 Ux t 图7.2 X轴和Y轴都设置有衰减器，以满足各种测量的需要。

3．扫描与整步装置

扫描系统也称时基电路，用来产生一个随时间作线性变化的扫描电压，这种扫描电压随时间变化的关系如同锯齿，故称锯齿波电压，这个电压经X轴放大器放大后加到示波管的水平偏转板上，使电子束产生水平扫描。这样，屏上的水平坐标变成时间坐标，Y轴输入的被测信号波形就可以在时间轴上展开。扫描系统是示波器显示被测电压波形必需的重要组成部分。

如果扫描电压的周期与被测信号的周期不相等或不成整数倍，屏上的图形不稳定。为了使屏上的图形稳定，必须使扫描电压的周期与被测信号的周期之比为整数倍：Tx/Ty=n（n＝1，2，3，„），n是屏上显示完整波形的个数。

为了获得一定数量的波形，示波器上设有“扫描时间”、“扫描微调”旋钮，用来调节锯齿波电压的周期Tx（或频率fx），使之与被测信号的周期Ty（或频率fy）成合适的关系，从而在示波器屏上得到所需数目的完整的被测波形。输入Y轴的被测信号与示波器内部的锯齿波电压是互相的。由于环境或其它因素的影响，它们的周期（或频率）可能发生微小的改变。这时，虽然可通过调节扫描旋钮将周期调到整数倍的关系，但过一会儿又变了，波形又移动起来。在观察高频信号时这种问题尤为突出。为此示波器内装有扫描同步装置，让锯齿波电压的扫描起点自动跟着被测信号改变，这就称为整步（或同步）。有的示波器中，需要让扫描电压与外部某一信号同步，因此设有“触发选择”键，可选择外触发工作状态，相应设有“外触发”信号输入端。 二、示波器的应用 1．观察波形

被观察信号从示波器探极输入，锯齿波信号由机内提供，在荧光屏上可看到波形。 2．电压测量

将示波器Y轴“Volts/Div”旋钮设定到使波形便于观察的合适位置，从荧光屏上读出交流信号的双峰值的格数A，则被测信号的Vpp值为Vpp= Volts/DivA。 3．周期和频率的测量

调节示波器“扫描时间”或“扫描速度”旋钮，在荧光屏上得到几个周期的稳定波形，读出相邻两极值点的水平距离d，则其信号周期：Ttd(ms)，其中

t是“扫描时间”旋钮刻度，单位为ms/Div，频率f=1/T。 4．李萨如图形的合成

若将两个不同频率的正弦信号分别送入示波器的X轴输入和Y轴输入，当两信号间频率成整数倍时，在示波器的荧光屏上出现如图所示的有规律的图形，称之为“李萨如”图形。设X轴信号频率为fx，Y轴信号频率为fy，则有

fxny，fynx其中ny表示利萨如图形与Y轴相切点数，nx表示利萨如图形与X轴相切点数。当fx与fy成不同倍数关系时，会出现各种各样的利萨如图形，但当fx与fy不成整数倍时，图形紊乱变化。 五 实验步骤 1．观察波形

调节函数信号发生器使之输出不同频率和幅度的正弦波信号，方波信号、锯齿波信号，用示波器观察各种波形。 2．测量电压

测出上述波形的峰—峰值，与函数信号发生器指示的数值相比较。 3．测量周期和频率

测出信号的周期和频率，并与函数信号发生器的读数相比较。 4.李萨如图形的合成

调节两台函数信号发生器，让其输出幅度适中的具有一定频率的正弦信号，分别送入双踪示波器的y1、y2通道，将示波器的X—Y转向开关拨向y，则在荧光屏上出现利萨如图形，改变频率调节示波器有关旋钮和频率微调，使示波器荧光屏上出现图7.3所示图形。

图7.3

六 数据记录及处理 1．测量电压 电压分度值V/Div １ ２ ３ Vpp格数（Div） Vpp(V) 函数信号发生器读数V'pp(V) 100% VppV'ppV'pp 1．测量周期和频率

扫描时间t(ms/Div) 周期格数（Div） T(s) f(HZ) 函数信号发生器读数f0（HZ） ff0f0100% 1 2 3 3．画出利萨如图形，记录此时fx、fy值。 七 注意事项

1．测信号电压时，一定要将电压衰减旋纽的微调顺时针旋足（校正位置）；测信号周期时，一定要将扫描速率旋纽的微调顺时针旋足（校正位置）； 2．不要频繁开关机，示波器上光点的亮度不可调得太强，也不能让亮点长时间停在荧光屏的一点上，如果暂时不用，把辉度降到最低即可。 3．动旋钮和按键时必是有的放矢，不要将开关和旋钮强行旋转、以免损坏按键、旋钮和示波器。

4．示波器的标尺刻度盘与荧光屏不在同一平面上，之间有一定距离，读数时要尽量减小视差。 八 问题讨论

1．如果打开示波器电源后，看不到扫描线也看不到光点，可能有那些原因？ 2．当Y轴输入端有信号，但屏上只有一条水平线时，是什么原因？应如何调节才能使波形沿Y轴展开？

3．如果图形不稳定，总是向左或向右移，应如何调节？

实验九 电位差计测量电池的电动势和内阻

一 实验目的

1.掌握用补偿法测电动势的原理。 2.了解箱式电位差计的结构和原理。

3.学会用学生电位差计测量干电池的电动势和内阻。 二 仪器说明

学生电位差计（87-1型）、标准电池、稳压电源、电阻箱、被测电池 三 实验内容

1．测量电池电动势。2．测量电池的内阻。（选做） 四 实验原理

电位差计是通过与标准电池电压进行比较来测定未知电压的一种仪器。由于电路中采用了补偿法，使被测电路在测量时无电流通过，因此可以达到相当高的精度。

1．电位补偿原理

如图9.1，E0是可调电压的电源，调节E0，Ex为待测电压，调节检流计指零，则有ExE0，这时我们称电路达到补偿。在补偿条件下，如果E0的数值已知，则Ex可求出。用电压表测量电压时，总是从电压表分出一部分电流，改变了被测电路的状态，补偿法测电压，电路中无电流，不影响测量电路状态，这是补偿法测量的最大优点。

图9.1 图9.2

2．电位差计的线路原理

电位差计是根据电位补偿原理制成的测量电动势的仪器，原理如图9.2所示。电源E、限流电阻R、精密电阻Rab串联成一闭合回路，称为辅助回路，当一恒定的标准电流I0流过电阻Rab时，改变Rab上两滑动头C、D的位置，就能改变C、D间的电位差VCD。测量时用VCD与Ex进行比较，VCD即上面要求的E0，ExCDGEx（或EsCDGEs）称为补偿回路。

（1）校准：为使Rab中流过的是标准电流I0，根据标准电池电动势Es的大小，选定C、D间的电阻Rs，使EsI0Rs，调节R改变辅助回路中的电流，当检流计指零时，辅助回路中的电流就被精确地校准到所需要的I0值。

（2）测量：把开关倒向Ex一边，滑动C、D到C、D使检流计再度指零，设C、D间的电阻为Rx，则：ExI0Rx。

电位差计的电路图为：

图9.3

3.电位差计测电池内阻（选做）

图9.4

将图9.2中的Ex换成图9.4所示电路，当K2拨向Ex一边，K4断开，调节电

路达到补偿，测出Ex。当K4闭合时，检流计中无电流，但Ex、R、K4组成的电路中有电流，设电流为I，则

EExIrIR （9.1）

电位差计测出E，则内阻为

rExEExEExRR （9.2）

EIER当R已知，可计算出内阻。 五 实验步骤 1.测量电动势

（1）将线接好，注意E、Es、Ex的极性不要接错。E=3V （2）校准：将RA、RB读数调到标准电动势的数值。

保护电阻Rb开始置于较大位置，先合上电源开关K1，再合上K3，最后将K2拨向Es一边，观察检流计指针偏转情况，同时调节R使检流计指零，并逐渐减小Rb，提高灵敏度，当Rb较小时，G无偏转，则I0已达到标准值。

（3）测电动势：保持R不变，Rb再返回最大值，将K2拨向Ex一边，调节RA、

RB使检流计指针指零，并逐渐减小Rb。最后从RA、RB上读出Ex值。重复“校

准”与“测量”三次。 2.测量内阻（选做）

按9.3图接线，并接入电位差计，闭合开关K4，重复上述步骤 （2）、（3）三次，取E平均值。 六 数据记录及处理 1.测量电动势

记录三次测量值，取平均。 2.测量内阻（选做）

取E平均值，根据（9.2）式计算内阻。 七 注意事项

1．电源、标准电池、待测电池的极性不能接反。

2．电源电压在2.8—3.4之间，超出此范围，不易调节平衡。

3．使用电位差计必须先接辅助回路，然后在接补偿回路，断电时先断开补偿回路再断开辅助回路。

八 问题讨论

1. 电位差计工作电源不稳定，对电动势的测量有无影响，为什么？

2．在电位差计调节平衡时发现检流计指针总向一侧偏转，无法达到平衡，这可能是什么原因？

3.为什么电位差计具有较高的测量精度? 4.为什么要使工作电流标准化？

5.电位差计校准后基本回路中的可变电阻还能否改变？为什么？