簡單的曲線跟蹤器電路解析

大多數(shù)電子產(chǎn)品都處理跟蹤曲線，無論是反饋回路的特性傳遞曲線、電阻器的直線 VI 線還是晶體管的集電極電壓與電流曲線。

這些曲線讓我們直觀地了解設(shè)備在電路中的行為方式。分析方法可能涉及將離散的電壓和電流值插入數(shù)學(xué)公式并繪制結(jié)果，通常 x 軸代表電壓，y 軸代表電流。

這種方法有效，但有時很乏味。正如每個電子愛好者都知道的那樣，現(xiàn)實(shí)生活中組件的行為可能（通常很大程度上）與描述其操作的公式不同。

在這里，我們將使用一個電路（鋸齒波）將離散增加的電壓施加到我們要繪制其 VI 曲線的組件，然后使用示波器查看結(jié)果。

簡單曲線追蹤器

要實(shí)時繪制曲線，我們需要將連續(xù)的離散電壓值應(yīng)用于我們的被測設(shè)備，那么如何做到這一點(diǎn)？

我們的問題的解決方案是鋸齒波。

鋸齒波呈線性上升并周期性地回零。這允許在被測設(shè)備上施加連續(xù)增加的電壓，并在圖表上產(chǎn)生連續(xù)的軌跡（在本例中為示波器）。

XY 模式下的示波器用于“讀取”電路。X 軸連接到被測設(shè)備，Y 軸連接到鋸齒波。

此處使用的電路是曲線跟蹤器的簡單變體，使用555 定時器和LM358 運(yùn)算放大器等通用部件。

所需組件

1. 對于計時器

555 計時器 - 任何變體

10uF電解電容（去耦）

100nF 陶瓷電容（去耦）

1K電阻（電流源）

10K電阻（電流源）

BC557 PNP晶體管或等效

10uF電解電容（定時）

2. 對于運(yùn)算放大器

LM358 或類似的運(yùn)算放大器

10uF電解電容（去耦）

10nF陶瓷電容（交流耦合）

10M電阻（交流耦合）

測試電阻（取決于被測設(shè)備，通常在 50 歐姆到幾百歐姆之間。）

電路原理圖

工作說明

1. 555定時器

這里使用的電路是經(jīng)典 555 非穩(wěn)態(tài)電路的簡單變體，可用作鋸齒波發(fā)生器。

通常定時電阻器通過連接到電源的電阻器饋電，但在這里它連接到（粗）恒流源。

恒流電源通過提供固定的基極-發(fā)射極偏置電壓來工作，從而產(chǎn)生（有點(diǎn)）恒定的集電極電流。使用恒定電流對電容器充電會產(chǎn)生線性斜坡波形。

這種配置直接從電容器輸出（我們正在尋找的鋸齒斜坡）而不是從引腳 3 導(dǎo)出輸出，它在這里提供窄負(fù)脈沖。

這個電路很聰明，因?yàn)樗褂?555 的內(nèi)部機(jī)制來控制恒流源電容斜坡發(fā)生器。

2. 放大器

由于輸出直接來自電容器（由電流源充電），可用于為被測設(shè)備 （DUT） 供電的電流基本上為零。

為了解決這個問題，我們使用經(jīng)典的 LM358 運(yùn)算放大器作為電壓（以及電流）緩沖器。這在一定程度上增加了 DUT 可用的電流。

電容器鋸齒波形在 1/3 和 2/3 Vcc（555 動作）之間振蕩，這在曲線跟蹤器中是不可用的，因?yàn)殡妷翰粫牧汩_始斜坡，從而給出“不完整”的跟蹤。為了解決這個問題，來自 555 的輸入交流耦合到緩沖器輸入。

10M電阻有點(diǎn)黑魔法——測試時發(fā)現(xiàn)如果不加電阻，輸出只是浮到Vcc并停留在那里！這是因?yàn)榧纳斎腚娙荨B同高輸入阻抗，它形成了一個積分器！10M 的電阻足以使這個寄生電容放電，但不足以顯著加載恒流電路。

如何改進(jìn)曲線追蹤結(jié)果

由于該電路涉及高頻和高阻抗，因此需要仔細(xì)構(gòu)造以防止不需要的噪聲和振蕩。

建議充分去耦。盡可能避免使用面包板電路，而是使用 PCB 或穿孔板。

這個電路非常粗糙，因此很容易情緒化。建議使用可變電壓源為該電路供電。即使是LM317也能在緊要關(guān)頭工作。該電路在 7.5V 左右最穩(wěn)定。

另一個需要考慮的重要事項是示波器的水平刻度設(shè)置——如果太高，則所有低頻噪聲都會使軌跡模糊，如果太低，則沒有足夠的數(shù)據(jù)來獲得“完整”的軌跡。同樣，這取決于電源設(shè)置。

獲得可用軌跡需要仔細(xì)調(diào)整示波器時基設(shè)置和輸入電壓。

如果您想要進(jìn)行有用的測量，則需要測試電阻器和運(yùn)算放大器輸出特性的知識。用一點(diǎn)數(shù)學(xué)就可以獲得好的值。

如何使用曲線追蹤電路

有兩個簡單的事情要記住——X 軸代表電壓，Y 軸代表電流。

在示波器上，探測 X 軸非常簡單——電壓是“原樣”，即對應(yīng)于示波器上設(shè)置的每格電壓。

Y 或當(dāng)前軸稍微復(fù)雜一些。我們在這里不是直接測量電流，而是測量由于電流通過電路而導(dǎo)致的測試電阻兩端的電壓降。

如果我們測量 Y 軸上的峰值電壓值就足夠了。在這種情況下，它是 2V，如上圖所示。

所以通過測試電路的峰值電流為

I掃描= V peak /R test。

這代表“掃描”電流范圍，從 0 - I sweep。

根據(jù)設(shè)置，圖表可以擴(kuò)展到屏幕上的可用分區(qū)。因此，每格電流只是峰值電流除以圖形延伸到的格數(shù)，換句話說，就是與圖形頂部“尖端”接觸的 X 軸平行的線。

二極管的曲線跟蹤

上面描述的所有噪音和絨毛都可以在這里看到。

但是，可以清楚地看到二極管曲線，“拐點(diǎn)”為 0.7V（注意每格 X 刻度為 500mV）。

請注意，X 軸與預(yù)期的 0.7V 完全對應(yīng)，這證明了 X 軸讀數(shù)的“原樣”性質(zhì)。

此處使用的測試電阻為 1K，因此電流范圍為 0mA – 2mA。這里的圖表不超過兩格（大約），所以粗略的比例是 1mA/格。

電阻器的曲線跟蹤

電阻器是電氣上最簡單的器件，具有線性 VI 曲線，即歐姆定律，R = V/I。很明顯，低阻值電阻具有陡峭的斜率（對于給定的 V，I 較高），而高阻值的電阻具有更平緩的斜率（對于給定的 V，I 較?。?/p>

這里的測試電阻為 100 歐姆，因此電流范圍為 0mA – 20mA。由于圖表擴(kuò)展到 2.5 格，因此每格的電流為 8mA。

1 伏電流上升 16mA，因此電阻為 1V/16mA = 62 歐姆，這是合適的，因?yàn)?DUT 是 100 歐姆的電位器。

晶體管的曲線跟蹤

由于晶體管是一個三端器件，因此可以進(jìn)行的測量數(shù)量非常多，但是，只有少數(shù)這些測量值被普遍使用，其中之一是集電極電壓對基極電流的依賴性（均以地為參考） ，當(dāng)然）在恒定的集電極電流下。

使用我們的曲線追蹤器，這應(yīng)該是一件容易的事。底座連接到恒定偏置，X 軸連接到收集器。測試電阻提供“恒定”電流。

結(jié)果跟蹤應(yīng)如下所示：

I B與 V CE

請注意，上圖是對數(shù)刻度，記住示波器默認(rèn)是線性的。

因此，曲線跟蹤器是為簡單組件生成 VI 跟蹤并有助于直觀了解組件特性的設(shè)備。