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摘要：在做电子技术课程实验时，发现了两个与理论不相符的问题。其一是在施密特触发器波形变换中出现了与理论不相符的波形。究其原因是输入端加入了负值电压所致，这是其内部电路决定的。若用交流电，必须叠加相应的直流分量，用以保证电压的最小值大于等于零。其二是用示波器观察整流电路输入输出波形时出现了与理论不相符的情况，究其原因是示波器的两个输入探头的负端内部是相连的，而整流电路的输入输出又是不共地的，必须单独观察其输入波形及输出波形。
关键词：施密特触发器；波形变换；门限电平
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）30-0075-02
目前，我国高等学校都很重视实践教育的重要性，理工科教学更是离不开优秀实验室和良好的实验制度，以培养知识、能力与素质全面发展的综合型人才。济南大学的实验室设备完好先进，对学生全方位开放，便于对所做实验进行更深入细致的探讨与分析。在做电子技术课程实验的过程中，发现了两个理论不够完善或实验仪器使用不当的问题，并得以解决。
一、施密特触发器波形变换问题
1.发现问题
施密特触发器是双稳态触发器的一种，有0态和1态两个稳定状态。但施密特触发器与一般双稳态触发器有两点不同，其一是施密特触发器既可以采用电平触发，也可以采用电位触发，其状态由输入信号电位维持；其二是具有迟滞特性，对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号，施密特触发器有不同的阈值电压。
施密特触发器的应用之一是波形变换，从教科书上获得的理论知识是可以把正弦波、三角波等波形，通过施密特触发器变换为图1所示的矩形波，[1] 其条件是输入电压的最大值大于施密特触发器的上门限电平（），输入电压的最小值小于下门限电平（），这样就可以在施密特触发器的输出端得到同频率的矩形波波形。[2]但是在现场实验时却出现了如图2所示的非正常波形。一方面输入正弦波的负半周被削掉，出现了严重失真。另一方面输出的波形也不是教科书上描述的矩形波。
2.查找故障
为什么实验波形与理论波形不相符？是实验故障还是书本理论有问题？为此按以下步骤进行逐步查找和改进。
（1）检查接线。实验线路如图3所示，电路并不复杂，仔细检查确认线路接线都正确，经实测也没有发现有接触不良等问题，并测得电源电压为+5V正确。
（2）检测器件（555定时器）。取下555定时器，另搭接简单的测试电路，检测结果器件性能完好，功能正常。
（3）检测示波器。实验仪器最易出现问题的是探头接线，首先检测了示波器的探头接线，然后又对示波器进行了自检，确定均完好。
（4）检测信号发生器。第一步首先将信号源输出端与555集成定时器断开，通过示波器观察信号源的波形，测试结果如图4（a）所示，是标准正弦波信号。第二步接入555定时器后通过示波器观察到的信号发生器发出的正弦波波形，如图4（b）所示，正弦波波形的负半周被削掉一部分，出现严重失真现象，也正与图2中ui的波形一致。
（5）改变实验条件。通过以上查找，明确了电路接线没有问题，实验仪器及器件也都没有问题，问题似乎出在仪器与电路的连接上。但从理论上分析又不应该出现这种问题。笔者请教了老师，查阅了大量资料及同类教科书。在清华大学宴石教授编写的《数字电子技术》一书中看到有关介绍：输入正弦波的波形在坐标轴的上方，即输入正弦波的谷点电压大于等于零而不是负值。受这一启发，笔者又回到实验室改变实验条件重新做实验，实验时对正弦波信号源叠加了一个直流电压，使输入正弦波信号的最小值大于等于零。叠加直流电压后，实验的结果如图5所示，与理论知识完全吻合。
3.问题原因分析
实验波形正常了，表面上看问题解决了，但是如何深入解释这一现象呢？单从教科书上555定时器的结构框图是无法解释这一现象的。笔者又多次查阅参考资料，最后在网上查到如图6所示的NE555定时器的内部电路。[3]通过分析555定时器内部电路，终于找到解释这一现象的合理依据。
分析图6可知，R7、R8、R9 3个5KΩ电阻构成分压器。当5端悬空时，3个电阻各分三分之一的电源电压，Q1～Q8构成电压比较器，6端为其同相输入端，Q9～Q13构成另一电压比较器，2端为其反相输入端，Q15～Q24构成RS触发器，两个电压比较器的输出端作为RS触发器的两个输入端。当施密特触发器输入的正弦波信号为正半周时，与教科书上介绍的原理相同，555定时器正常工作。当输入的正弦波信号为负半周时，由于集成555定时器接单电源电压，555定时器的触发输入端（2）端电位为负值。由其内部电路可以看到，PNP型三极管Q10的集电极与发射极的电位都高于基极电位，因此，Q10的集电结和发射结都处于正向偏置，导致Q10饱和导通，形成很大的基极电流。该电流以灌电流负载流向信号发生器，加重了信号发生器的负载，因为信号发生器本身也是由放大器组成，从而导致信号发生器的负半周由于负载电流过大而出现失真现象。所以观察到的输入波形如同图4（b）所示。另一方面，由于Q10饱和导通，饱和电压约等于零，致使Q15的基极电位与（2）端接近相等，也为负值，与正常情况下的高电平相反，导致555定时器不能正常工作，所以观察到的输出波形与理论上的矩形波波形完全不符。
根据以上分析得出，出现不正常波形的原因是在555定时器的输入端加入负值电压造成，提示大家今后在应用555定时器时一定不要加负值电压。
二、整流电路共地问题
1.发现问题
在学习整流电路时，根据理论知识，在图7所示桥式整流电路中，若变压器原边加入220V，50Hz工频电压，变压器负边电压u2与输出电压uo的波形如图8所示。[4]
做实验时，将双踪示波器CH1探头的正端及负端分别接图7中u2的正端及负端，将示波器CH12探头的正端及负端分别接图7中uo的正端及负端，用示波器观察到的波形如图9所示。从实验波形上可以看到，不仅输出波形不正常，就连输入的正弦波也出现了严重失真，负半周的波形被削掉。 2.查找问题原因
上述实验波形与理论波形不符的问题是什么原因造成的呢？笔者先是用故障排查法逐次查找问题原因未果。
笔者又重新做了一次实验，这次采用分次测量的方法单独将示波器CH1探头的正负端分别接图7中u2的正负端，CH2悬空不接，在示波器上观察到的波形如图10（a）所示，是正常的正弦波波形。然后断开示波器探头与整流电路的连接，重新将示波器CH1探头的正负端分别接图7中uo的正负端，用示波器观察到的波形如图10（b）所示，这与理论相符。
出于好奇，笔者再次将双踪示波器的两个探头分别接到图7的输入输出端，同时观察输入输出的波形，所观察到的波形又回到图9中的样子。
问题原因就是当用示波器同时观察图7中输入和输出波形时（示波器两条输入线分别接入图7的输入输出端）就会出现图9所示的错误波形，当用示波器分别观看图7的输入输出波形时（示波器一条输入线逐次接入图7的输入输出端），波形正常。
3.问题探讨与分析
为什么不能用示波器同时观察输入输出的波形呢？经过与老师和同学反复探讨与实验，终于找到了答案，原来是示波器两个探头的负端在其内部已经接在一起，如果同时将两个探头CH1及CH2分别接输入输出端，表面上看没有问题，但实际上已经通过示波器两个探头的负端将整流电路输入输出的负端连接在一起了，如图11粗实线所示。显然，整流二极管D3被短接了。因此，当输入正半周时，二极管D2 、D4截止，D3被短接，D1导通，CH1与CH2只差0.7V，近似相等。当输入负半周时，二极管D1截止，D3被短接，D4导通，所以CH1两端的电压就是导通的D4两端的电压，约为负的0.7V，此时负载两端没有电流，所以电压为零，全波整流变成了半波整流，CH2波形为0，这就是造成图9中CH1、CH2错误波形的原因。
三、结语
从发现问题、找寻问题的原因及解决方法，到最后解决问题、动手、动脑、观察、思考……经历了反反复复的学习实验过程，提高了能力，巩固和加深理解了课堂上所学的理论知识，同时还激发了浓厚的学习兴趣。实践证明，高等学校中理论教学与科学实验是密不可分和相互支撑的。中小学的初等教育是学一些常识性的知识，基本上只学理论就行了，做点实验也是演示性的，很少做实质性的实验。高等教育要学一些比较高级的开放性知识，这些知识需要进一步的开拓与发展，需要大量的实际实验来把握和验证，理论与实验携手并行。这也是学生进入大学后，学习方式方法需要转变的一个重要方面。理论给予人们知识，实验给予人们智慧和技能。
参考文献：
[1]宴石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2012.
[2]董传岱，于云华.数字电子技术[M].东营：中国石油大学出版社，
2003.
[3]The Internet Network（2014）[EB/OL].http：//pic.baike.soso.com.
[4]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2012.
（责任编辑：王祝萍）
关键词：施密特触发器；波形变换；门限电平
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）30-0075-02
目前，我国高等学校都很重视实践教育的重要性，理工科教学更是离不开优秀实验室和良好的实验制度，以培养知识、能力与素质全面发展的综合型人才。济南大学的实验室设备完好先进，对学生全方位开放，便于对所做实验进行更深入细致的探讨与分析。在做电子技术课程实验的过程中，发现了两个理论不够完善或实验仪器使用不当的问题，并得以解决。
一、施密特触发器波形变换问题
1.发现问题
施密特触发器是双稳态触发器的一种，有0态和1态两个稳定状态。但施密特触发器与一般双稳态触发器有两点不同，其一是施密特触发器既可以采用电平触发，也可以采用电位触发，其状态由输入信号电位维持；其二是具有迟滞特性，对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号，施密特触发器有不同的阈值电压。
施密特触发器的应用之一是波形变换，从教科书上获得的理论知识是可以把正弦波、三角波等波形，通过施密特触发器变换为图1所示的矩形波，[1] 其条件是输入电压的最大值大于施密特触发器的上门限电平（），输入电压的最小值小于下门限电平（），这样就可以在施密特触发器的输出端得到同频率的矩形波波形。[2]但是在现场实验时却出现了如图2所示的非正常波形。一方面输入正弦波的负半周被削掉，出现了严重失真。另一方面输出的波形也不是教科书上描述的矩形波。
2.查找故障
为什么实验波形与理论波形不相符？是实验故障还是书本理论有问题？为此按以下步骤进行逐步查找和改进。
（1）检查接线。实验线路如图3所示，电路并不复杂，仔细检查确认线路接线都正确，经实测也没有发现有接触不良等问题，并测得电源电压为+5V正确。
（2）检测器件（555定时器）。取下555定时器，另搭接简单的测试电路，检测结果器件性能完好，功能正常。
（3）检测示波器。实验仪器最易出现问题的是探头接线，首先检测了示波器的探头接线，然后又对示波器进行了自检，确定均完好。
（4）检测信号发生器。第一步首先将信号源输出端与555集成定时器断开，通过示波器观察信号源的波形，测试结果如图4（a）所示，是标准正弦波信号。第二步接入555定时器后通过示波器观察到的信号发生器发出的正弦波波形，如图4（b）所示，正弦波波形的负半周被削掉一部分，出现严重失真现象，也正与图2中ui的波形一致。
（5）改变实验条件。通过以上查找，明确了电路接线没有问题，实验仪器及器件也都没有问题，问题似乎出在仪器与电路的连接上。但从理论上分析又不应该出现这种问题。笔者请教了老师，查阅了大量资料及同类教科书。在清华大学宴石教授编写的《数字电子技术》一书中看到有关介绍：输入正弦波的波形在坐标轴的上方，即输入正弦波的谷点电压大于等于零而不是负值。受这一启发，笔者又回到实验室改变实验条件重新做实验，实验时对正弦波信号源叠加了一个直流电压，使输入正弦波信号的最小值大于等于零。叠加直流电压后，实验的结果如图5所示，与理论知识完全吻合。
3.问题原因分析
实验波形正常了，表面上看问题解决了，但是如何深入解释这一现象呢？单从教科书上555定时器的结构框图是无法解释这一现象的。笔者又多次查阅参考资料，最后在网上查到如图6所示的NE555定时器的内部电路。[3]通过分析555定时器内部电路，终于找到解释这一现象的合理依据。
分析图6可知，R7、R8、R9 3个5KΩ电阻构成分压器。当5端悬空时，3个电阻各分三分之一的电源电压，Q1～Q8构成电压比较器，6端为其同相输入端，Q9～Q13构成另一电压比较器，2端为其反相输入端，Q15～Q24构成RS触发器，两个电压比较器的输出端作为RS触发器的两个输入端。当施密特触发器输入的正弦波信号为正半周时，与教科书上介绍的原理相同，555定时器正常工作。当输入的正弦波信号为负半周时，由于集成555定时器接单电源电压，555定时器的触发输入端（2）端电位为负值。由其内部电路可以看到，PNP型三极管Q10的集电极与发射极的电位都高于基极电位，因此，Q10的集电结和发射结都处于正向偏置，导致Q10饱和导通，形成很大的基极电流。该电流以灌电流负载流向信号发生器，加重了信号发生器的负载，因为信号发生器本身也是由放大器组成，从而导致信号发生器的负半周由于负载电流过大而出现失真现象。所以观察到的输入波形如同图4（b）所示。另一方面，由于Q10饱和导通，饱和电压约等于零，致使Q15的基极电位与（2）端接近相等，也为负值，与正常情况下的高电平相反，导致555定时器不能正常工作，所以观察到的输出波形与理论上的矩形波波形完全不符。
根据以上分析得出，出现不正常波形的原因是在555定时器的输入端加入负值电压造成，提示大家今后在应用555定时器时一定不要加负值电压。
二、整流电路共地问题
1.发现问题
在学习整流电路时，根据理论知识，在图7所示桥式整流电路中，若变压器原边加入220V，50Hz工频电压，变压器负边电压u2与输出电压uo的波形如图8所示。[4]
做实验时，将双踪示波器CH1探头的正端及负端分别接图7中u2的正端及负端，将示波器CH12探头的正端及负端分别接图7中uo的正端及负端，用示波器观察到的波形如图9所示。从实验波形上可以看到，不仅输出波形不正常，就连输入的正弦波也出现了严重失真，负半周的波形被削掉。 2.查找问题原因
上述实验波形与理论波形不符的问题是什么原因造成的呢？笔者先是用故障排查法逐次查找问题原因未果。
笔者又重新做了一次实验，这次采用分次测量的方法单独将示波器CH1探头的正负端分别接图7中u2的正负端，CH2悬空不接，在示波器上观察到的波形如图10（a）所示，是正常的正弦波波形。然后断开示波器探头与整流电路的连接，重新将示波器CH1探头的正负端分别接图7中uo的正负端，用示波器观察到的波形如图10（b）所示，这与理论相符。
出于好奇，笔者再次将双踪示波器的两个探头分别接到图7的输入输出端，同时观察输入输出的波形，所观察到的波形又回到图9中的样子。
问题原因就是当用示波器同时观察图7中输入和输出波形时（示波器两条输入线分别接入图7的输入输出端）就会出现图9所示的错误波形，当用示波器分别观看图7的输入输出波形时（示波器一条输入线逐次接入图7的输入输出端），波形正常。
3.问题探讨与分析
为什么不能用示波器同时观察输入输出的波形呢？经过与老师和同学反复探讨与实验，终于找到了答案，原来是示波器两个探头的负端在其内部已经接在一起，如果同时将两个探头CH1及CH2分别接输入输出端，表面上看没有问题，但实际上已经通过示波器两个探头的负端将整流电路输入输出的负端连接在一起了，如图11粗实线所示。显然，整流二极管D3被短接了。因此，当输入正半周时，二极管D2 、D4截止，D3被短接，D1导通，CH1与CH2只差0.7V，近似相等。当输入负半周时，二极管D1截止，D3被短接，D4导通，所以CH1两端的电压就是导通的D4两端的电压，约为负的0.7V，此时负载两端没有电流，所以电压为零，全波整流变成了半波整流，CH2波形为0，这就是造成图9中CH1、CH2错误波形的原因。
三、结语
从发现问题、找寻问题的原因及解决方法，到最后解决问题、动手、动脑、观察、思考……经历了反反复复的学习实验过程，提高了能力，巩固和加深理解了课堂上所学的理论知识，同时还激发了浓厚的学习兴趣。实践证明，高等学校中理论教学与科学实验是密不可分和相互支撑的。中小学的初等教育是学一些常识性的知识，基本上只学理论就行了，做点实验也是演示性的，很少做实质性的实验。高等教育要学一些比较高级的开放性知识，这些知识需要进一步的开拓与发展，需要大量的实际实验来把握和验证，理论与实验携手并行。这也是学生进入大学后，学习方式方法需要转变的一个重要方面。理论给予人们知识，实验给予人们智慧和技能。
参考文献：
[1]宴石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2012.
[2]董传岱，于云华.数字电子技术[M].东营：中国石油大学出版社，
2003.
[3]The Internet Network（2014）[EB/OL].http：//pic.baike.soso.com.
[4]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2012.
（责任编辑：王祝萍）