利用教学示波器显示二极管的伏安特性曲线

探索利用教学示波器显示二极管的伏安特性曲线
王小云南京师范大学物理技术科学院05 级教硕210097
实验日期： 2006.7.28天气：多云室温：33℃
J2458 系列教学示波器一般用来显示电压随时间变化的关系。

Y 方向输入信号电压， X 方向接内置的锯齿波形的扫描电压，如图 1 所示。

当 Y 方向的信号电压频率 f y与 X 方向上的扫描电压频率u x
f x相等时，即 f y=f x时，在示波器的荧光屏上正好显示一个完
整稳定的波形，若 f y=nf x，则显示 n 个完整稳定的波形，其它0
情况则不能显示完整稳定的波形。

t 当 X 方向外接信号电压，可显示其它图形，但 X 方向无
衰减旋钮，效果不佳，这使教学示波器的使用有很大的局限。

图 1 正在推广的高中新课程标准，在物理选修3— 1 内容标准中要求“观察并尝试识别常见
的电路原器件，初步了解它们在电路中的作用，在活动建议中要求描绘二极管的伏安特性曲
线，那么教师如何利用教学示波器显示二极管的伏安特性曲线呢？
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 I 与电阻上的电流I 相同，而电阻两端的电压 U =I R∝ I , 即可输入电阻 R 上的电压来反
D R R R D
映通过二极管的电流。

实验：器材：信号发生器、教学示波器、稳压二极管、正弦信号电压
电阻箱各一，导线若干。

电路如图 2 所示：
结果：只在水平方向有一亮线，增大信号电压，水
平亮线延长，实验失败。

失败原因猜测：可能是在 X 方向不能加足够的电压使二极管导通。

100Ω
Y输入
X 输入
图 2
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：如何在X 方向加足够的电压使二极管导通，
即在X 方向上实现一个具有Y 方向的衰减旋钮相同功能的装置。

解决方案：分压电路，两电阻R1R2串联，若 R1=9R2 则 R2上的电压只有总电压的十分之一，若 R1=99R2则 R2上的电压只有总电压的百分之一
实验：另加两只电阻箱将阻值分别调为9K Ω和 1KΩ 。

电路如图 3 所示。

正弦信号电压100Ω
Y输入
1KΩ9KΩX输入
图 3
结果：荧光屏上显示如图4。

这仍不是二极管的伏安
I
I 特性曲线，将示波器 X 输入旁
的同步开关拔到“+”的位置，
荧光屏上的图象上下颠倒，如
图 5
到此，得到的实际上是电阻与二极管串联组合体的伏安特性曲线，并非真正的二极管的伏安特性曲线。

U
U 图4图5
问题四：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？
理论分析：二极管虽不是线性元件，但对不同的电压、电流，仍有对应的阻值 R D=U D/I D，根据串联分压，我们可求出直接加在二极管两端的电压，再描点作图。

过程如下：
①定标：水平方向一格表示600mV=0.6V，竖直方向一格表示1mA（ 100mV/100Ω）
②找数据点
1 2 3 4
U/V -1.2 -1.5 -1.8 0
I/mA 0 -2.0 -4.0 0
U D/V -1.2 -1.3 -1.4 0 U D对应格数-2 -2.2 -2.3 0
③作图：如图6 所示④由图可知：在二
极管导通前及刚导通
电流较小时，电阻对曲线几乎没有影响，当
电流较大时，电阻的影响就凸显出来了。

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。

实验拓展：利用这种方法可以很好地显
示李萨如图形。

例如：若显示一三象限的过
原点的直线的李萨如图形，电路如图7：图中 R1、R2为电阻箱，它们的比值由示
5 6 7 8 9 10
1.2 1.8
2.1 2.4 2.7 2.9
0.1 0.5 1.0 2.0 3.0 4.0
1.19 1.75
2.0 2.2 2.4 2.5
2.0 2.9
3.3 3.7
4.0 4.2
I
串联组合体的伏安特性曲线
U
二极管的伏安特性曲线
图 6
波器的水平方向和竖直方向的标值比决定，Y 方向衰减旋钮正弦信号电压
指向 1，调节电阻箱，使R2 U y
（ U y、U x分别为 Y 方向和
R1 U x R1 R2
X 方向每一格所表示的电压值）即可。

若显示一圆形的李萨
X 输入Y 输入如图形，将 R2换成电容器C，使 X 输入与 Y 输入有 900的相
1 U y 图 7 移，调节 R1和 f 的值，使即可，类似地，其它
U x
2 fR1
李萨如图形也可显示。