王 勇

(復(fù)旦大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200433)

學(xué)生在進(jìn)行電子線路實(shí)驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)犯各種各樣的錯(cuò)誤，產(chǎn)生各種各樣的故障，特別是面包板實(shí)驗(yàn)，有些錯(cuò)誤如接觸不良是學(xué)生無(wú)意中犯的錯(cuò)誤，有些錯(cuò)誤則是應(yīng)該讓學(xué)生盡量避免的，如電源短路、電源反接、器件管腳接錯(cuò)等引起器件和設(shè)備損壞以及危及人身安全的錯(cuò)誤，要在實(shí)驗(yàn)之前特別提醒學(xué)生是不能犯的，而類(lèi)似電源忘記退耦、示波器探頭夾子忘記接地之類(lèi)的不損壞器件和設(shè)備以及不危及人身安全的錯(cuò)誤應(yīng)該允許學(xué)生試錯(cuò)，讓學(xué)生觀察到錯(cuò)誤會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象，并正確分析處理故障現(xiàn)象，這對(duì)于提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，并進(jìn)一步提高其分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力是很有幫助的。

電子線路實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生故障現(xiàn)象的原因有很多，應(yīng)該根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)電路和故障現(xiàn)象分析判斷，許多實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師都進(jìn)行了不少的探索[2-6]，下面以學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的幾個(gè)故障為例，具體分析學(xué)生實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題和解決辦法。

1 故障現(xiàn)象一

學(xué)生在剛開(kāi)始使用示波器的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)忘記將示波器探頭的小夾子接地，這時(shí)如果用示波器探頭接觸電路或者測(cè)量直流電源輸出，就會(huì)在示波器上看到頻率為50 Hz、幅度為幾伏甚至幾十伏的電壓信號(hào)，初次觀察到這個(gè)現(xiàn)象學(xué)生往往很驚訝，不明白這個(gè)幾十伏電壓信號(hào)的來(lái)源。在指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，可以針對(duì)這一故障現(xiàn)象，先讓學(xué)生試錯(cuò)，將示波器探頭小夾子懸空，將示波器探頭接到穩(wěn)壓電源的正極或負(fù)極輸出，讓學(xué)生在示波器上觀察到幾伏甚至幾十伏的50 Hz電壓信號(hào)；然后讓學(xué)生關(guān)閉穩(wěn)壓電源開(kāi)關(guān)，但不拔掉穩(wěn)壓電源的電源線，此時(shí)，會(huì)觀察到50 Hz電壓信號(hào)仍然存在，只是幅度有所減??；但是如果將示波器探頭接到穩(wěn)壓電源220 V強(qiáng)電的接地點(diǎn)上(有的穩(wěn)壓電源就是機(jī)殼)，50 Hz電壓信號(hào)幾乎消失；最后讓學(xué)生拔掉穩(wěn)壓電源的電源線，這時(shí)無(wú)論是機(jī)殼還是電源輸出端子上都能觀察到很強(qiáng)的50 Hz電壓信號(hào)，結(jié)束試錯(cuò)。

隨后幫助學(xué)生分析50 Hz電壓信號(hào)的來(lái)源。首先解釋示波器探頭小夾子實(shí)際上是與示波器的機(jī)殼相連，也就是與示波器電源線的地線相連，當(dāng)示波器小夾子懸空時(shí)，實(shí)際上示波器的小夾子是接在強(qiáng)電系統(tǒng)的接地線上。等效電路如圖1所示，A點(diǎn)是示波器小夾子懸空時(shí)通過(guò)接地電阻R1與大地相連，B點(diǎn)是直流穩(wěn)壓電源的外殼通過(guò)電源接地線與大地相連，接地電阻為R2，將示波器探頭接到穩(wěn)壓電源外殼B點(diǎn)上50 Hz電壓信號(hào)幾乎消失。但是如果將穩(wěn)壓電源的電源線拔掉，等效電路如圖2所示。這時(shí)的穩(wěn)壓電源就是一個(gè)孤立的金屬導(dǎo)體，它感應(yīng)空間50 Hz電磁干擾，用示波器能夠觀察到它對(duì)地的感應(yīng)電壓，一旦穩(wěn)壓電源接上電源線，機(jī)殼接地，機(jī)殼的感應(yīng)電壓就幾乎消失(接地電阻足夠小，忽略地線干擾)，但是穩(wěn)壓電源的直流輸出端子仍有50 Hz干擾信號(hào)(無(wú)論穩(wěn)壓電源是否開(kāi)啟)，這是穩(wěn)壓電源電路板感應(yīng)的50 Hz電磁干擾，其實(shí)人體作為一個(gè)導(dǎo)體，也會(huì)感應(yīng)空間50 Hz電磁干擾，讓學(xué)生直接用手觸碰示波器探頭，也能在示波器上觀察到50 Hz電磁干擾信號(hào)。

圖1 不拔掉穩(wěn)壓電源電源線時(shí)的等效電路

圖2 拔掉穩(wěn)壓電源電源線時(shí)的等效電路

2 故障現(xiàn)象二

各種干擾是學(xué)生電子電路實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常碰到的故障現(xiàn)象，如在二階低通濾波器實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生在濾波器輸出端觀察輸出波形并不光滑(假定濾波器截止頻率為2 kHz)，輸出波形上疊加了微小的高頻噪聲信號(hào)，這讓同學(xué)們很不理解，理論上二階低通濾波器已經(jīng)將高頻噪聲信號(hào)濾除，實(shí)際測(cè)量二階濾波器的截止頻率也沒(méi)有錯(cuò)誤，那么是什么原因?qū)е螺敵霾ㄐ尾⒉还饣?？這個(gè)疊加的寄生高頻噪聲信號(hào)從何而來(lái)？

仔細(xì)觀察學(xué)生的實(shí)驗(yàn)電路，發(fā)現(xiàn)學(xué)生沒(méi)有進(jìn)行正負(fù)電源退耦，而給正負(fù)電源退耦后，輸出波形變光滑，高頻噪聲信號(hào)消失。如果供給多級(jí)放大器的電源的內(nèi)阻較大,通過(guò)電源內(nèi)阻反饋到前級(jí)放大器的反饋極型可能為正反饋，從而使放大器產(chǎn)生自激振蕩。如圖3所示的兩級(jí)放大電路，Ic2在電源內(nèi)阻Ro上產(chǎn)生一個(gè)反饋電壓Vf=Ic2Ro，Vf通過(guò)Rb1、Rb2得到反饋電流If1、If2。其中If1是并聯(lián)正反饋，如果寄生正反饋?zhàn)銐驈?qiáng)，滿足AF≥1，放大器就會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。

圖3 兩級(jí)放大電路

另外放大器末級(jí)的耗電會(huì)造成電源的波動(dòng),此波動(dòng)將影響前級(jí)電路的工作,并被前級(jí)放大,造成后級(jí)電路更大的波動(dòng),如此惡性循環(huán),從而也可能產(chǎn)生自激。在電路實(shí)驗(yàn)中，穩(wěn)壓電源往往通過(guò)較長(zhǎng)的電源線和電路相連，在進(jìn)行直流電源退耦時(shí)，退耦電容應(yīng)該接在靠近放大電路一側(cè)，如對(duì)運(yùn)放電路，退耦電容應(yīng)盡量靠近運(yùn)放的電源連接端子，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到了不進(jìn)行電源退耦的后果和現(xiàn)象，體會(huì)到了電源退耦的重要性。

運(yùn)算放大器實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生寄生干擾振蕩的另一種情況是，部分學(xué)生在電路輸入端沒(méi)有任何輸入信號(hào)的情況下(輸入端懸空)，在放大器輸出端觀察到幅度比較大的干擾輸出信號(hào)，如果提示學(xué)生將輸入端接信號(hào)源或接地，干擾輸出信號(hào)消失；也有的學(xué)生在測(cè)量放大器輸入阻抗時(shí)，在放大器輸入端串接一個(gè)比較大的電阻，此時(shí)放大器產(chǎn)生干擾振蕩，而提示學(xué)生將串接的輸入電阻減小，干擾振蕩消失，可以判斷這是由于外界干擾串入放大器中引起的。電子線路中的干擾信號(hào)主要由外部干擾信號(hào)和內(nèi)部干擾信號(hào)組成，外部干擾信號(hào)是由外部空間電磁場(chǎng)信號(hào)通過(guò)感應(yīng)耦合到放大器的輸入端子(特別是當(dāng)放大器的輸入阻抗比較高且放大倍數(shù)比較大時(shí))，內(nèi)部干擾則是由電路內(nèi)部引起的。

3 故障現(xiàn)象三

寄生振蕩也是學(xué)生電子電路實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常碰到的故障現(xiàn)象，特別是在負(fù)反饋放大器實(shí)驗(yàn)中寄生振蕩現(xiàn)象比較多，有些學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)了放大器沒(méi)有進(jìn)行信號(hào)放大，放大器輸出端反而產(chǎn)生了一個(gè)與待放大信號(hào)頻率不相同的寄生振蕩信號(hào)，判斷負(fù)反饋放大器寄生振蕩現(xiàn)象的原因比較復(fù)雜，一種情況是當(dāng)反饋深度比較大時(shí)，由于負(fù)反饋放大器的不穩(wěn)定性引起的自激振蕩，負(fù)反饋對(duì)放大器的許多性能都有改進(jìn)，但是對(duì)于一個(gè)多極點(diǎn)系統(tǒng)而言，由于基本放大器在高頻區(qū)存在附加相移，因此在中頻區(qū)施加負(fù)反饋時(shí)，有可能在高頻區(qū)變?yōu)檎答?，有可能引起放大器的自激振蕩。由?fù)反饋放大器的不穩(wěn)定性引起的自激振蕩在多級(jí)負(fù)反饋放大器(如三級(jí)以上分立元件放大器)和運(yùn)放負(fù)反饋放大器中比較常見(jiàn)，解決的辦法一般采用相位補(bǔ)償技術(shù)，有超前補(bǔ)償技術(shù)和滯后補(bǔ)償技術(shù)，如圖4所示電路采用的是超前補(bǔ)償技術(shù)，補(bǔ)償電容C并接在Rf兩端。

圖4 采用超前補(bǔ)償技術(shù)的放大電路

學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，產(chǎn)生寄生振蕩后往往無(wú)從下手，一般會(huì)提示學(xué)生從負(fù)反饋的穩(wěn)定性入手分析原因，學(xué)生在理論課上學(xué)習(xí)了負(fù)反饋的穩(wěn)定性，在實(shí)驗(yàn)中也有機(jī)會(huì)體會(huì)到負(fù)反饋放大器的不穩(wěn)定性引起的自激振蕩現(xiàn)象及解決辦法。

4 故障現(xiàn)象四

在數(shù)?；旌想娐穼?shí)驗(yàn)中，數(shù)字電路對(duì)模擬電路的干擾十分嚴(yán)重，甚至于讓模擬電路無(wú)法正常工作。下面以筆者指導(dǎo)的電子線路綜合實(shí)驗(yàn)“模擬信號(hào)的六位頻率計(jì)”實(shí)驗(yàn)為例介紹學(xué)生實(shí)驗(yàn)中碰到的一個(gè)比較棘手的故障現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)要求輸入信號(hào)幅度為不小于200 mV，測(cè)量頻率范圍為100 Hz～20 MHz。輸入信號(hào)通過(guò)UA733寬帶放大、整形，經(jīng)由計(jì)數(shù)器分頻送入閘門(mén)電路，另一方面基準(zhǔn)信號(hào)控制閘門(mén)使被測(cè)信號(hào)在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)去計(jì)數(shù)。其中基準(zhǔn)信號(hào)可采用10 MHz晶振及TTL電路，通過(guò)分頻產(chǎn)生1 s的基準(zhǔn)信號(hào)。其中模擬信號(hào)放大器UA733電路采用雙電源供電，正負(fù)6 V電源需經(jīng)過(guò)100F電解電容和0.1F瓷片電容以及100H電感退耦后接入放大器，數(shù)字電路正5 V電源也需經(jīng)過(guò)100F電解電容和0.1F瓷片電容退耦后接入數(shù)字電路器件。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生對(duì)模擬電路電源和數(shù)字電路電源都分別進(jìn)行了退耦，但是大部分同學(xué)仍然得不到正確的測(cè)量結(jié)果，例如當(dāng)輸入幅度200 mV頻率 100 Hz的正弦信號(hào)時(shí)，得到的測(cè)量結(jié)果為幾千赫茲甚至幾十千赫茲的頻率，排除了學(xué)生實(shí)驗(yàn)電路存在設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和搭建錯(cuò)誤以及接觸不良因素后，仔細(xì)觀察學(xué)生實(shí)驗(yàn)電路，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在對(duì)數(shù)字地和模擬地的共地處理上不當(dāng)，學(xué)生將模擬電路電源地COM1和數(shù)字電路電源地COM2直接在穩(wěn)壓電源上用導(dǎo)線短接，以實(shí)現(xiàn)模擬和數(shù)字電路的共地，模擬地和數(shù)字地沒(méi)有分開(kāi)布線，這樣數(shù)字地上的干擾信號(hào)很容易串入模擬地，UA733放大器的輸出信號(hào)干擾很?chē)?yán)重，用示波器觀察在整形電路的輸出端的數(shù)字信號(hào)上升沿和下降沿存在高頻寄生振蕩信號(hào)，從而導(dǎo)致頻率測(cè)量不準(zhǔn)。為了盡量減少數(shù)字地和模擬地之間的相互干擾，應(yīng)該將模擬地和數(shù)字地分開(kāi)布線，由于該實(shí)驗(yàn)?zāi)M電路只有UA733放大器，可以在面包板上單獨(dú)設(shè)置一列插孔為模擬地，UA733的電源退耦電容都接在此列上，而面包板橫條上接數(shù)字電源地，并與面包板背面大面積銅片相連。在數(shù)字地和模擬地的共地處理上，拆掉穩(wěn)壓電源上COM1和 COM2短接導(dǎo)線，在面包板上將模擬地所在列與數(shù)字地所在行相連，學(xué)生實(shí)驗(yàn)電路如圖5所示。

經(jīng)過(guò)這樣處理后，輸入幅度200 mV頻率 100 Hz的正弦信號(hào)時(shí)，測(cè)量結(jié)果為100 Hz，觀察UA733輸出信號(hào)，干擾大大減少，通過(guò)施密特非門(mén)整形后，輸出的數(shù)字信號(hào)上升沿和下降沿上的高頻寄生振蕩消失。

圖5 模擬信號(hào)的六位頻率計(jì)實(shí)驗(yàn)電路實(shí)測(cè)

接地電阻的影響可以用如圖6所示的簡(jiǎn)單電路進(jìn)行分析。圖6中當(dāng)R2變化時(shí)，由于R3存在，R1上的電流也會(huì)發(fā)生變化，對(duì)于包含電容、電感以及放大器的電路，問(wèn)題會(huì)更復(fù)雜些。定義公共阻抗為處在兩條或兩條以上電路電流都要通過(guò)的公共路徑上的阻抗，圖6中R3就是公共阻抗。在電子電路中，接地電阻無(wú)疑是電路的公共阻抗，在實(shí)際的電路中很難做到接地電阻等于零，在多級(jí)放大電路和數(shù)?；旌想娐分校拥鼐€上的電阻也會(huì)在放大器之間以及數(shù)字地和模擬地之間形成寄生反饋。在指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生對(duì)于接地的概念比較模糊，對(duì)接地線上的電阻形成的寄生反饋的理解也似是而非。因此在指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)注意講解接地的概念，指導(dǎo)學(xué)生區(qū)分交流地、信號(hào)地、直流電源地、數(shù)字地和模擬地等概念，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中盡量減小接地電阻。特別是在多級(jí)放大電路中，由于末級(jí)信號(hào)電流比較強(qiáng)，這樣在相同接地電阻的情況下，末級(jí)接地電阻產(chǎn)生的寄生反饋?zhàn)顝?qiáng)，因此接地點(diǎn)應(yīng)盡量靠近末級(jí)放大器的接地端。而在數(shù)模混合電路中，注意模擬地與數(shù)字地分開(kāi)布線，減少數(shù)字地對(duì)模擬地的干擾。

圖6 分析接地電阻影響的簡(jiǎn)單電路

5 結(jié)束語(yǔ)

本文討論了學(xué)生實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的一些常見(jiàn)錯(cuò)誤和故障現(xiàn)象及處理辦法，實(shí)際上，學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題千變?nèi)f化，有學(xué)生電路參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)錯(cuò)誤，有面包版接觸不良錯(cuò)誤，也有器件本身缺陷或損壞出現(xiàn)錯(cuò)誤，即使寄生干擾振蕩現(xiàn)象也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止本文討論的幾種情況，需要在指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，正確引導(dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題，找出出現(xiàn)故障現(xiàn)象背后的原因，最終解決實(shí)驗(yàn)中遇到的各種問(wèn)題。這種允許學(xué)生試錯(cuò)的教學(xué)方法也得到了學(xué)生的肯定，在學(xué)校教務(wù)處的評(píng)教系統(tǒng)中，按本文思路指導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)課程學(xué)生評(píng)價(jià)很高，名列學(xué)院各門(mén)課程前茅，學(xué)生留言也給了比較高的評(píng)價(jià)和鼓勵(lì)，當(dāng)然也給了一些比較好的建議，在以后的工作中還應(yīng)繼續(xù)努力，不斷提高教學(xué)質(zhì)量，許多實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師也進(jìn)行了不少探索和努力[7-10]，都值得學(xué)習(xí)和借鑒。

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