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基于网络实验环境下数字方波发生器
工作特性的研究

李瑜芳
福建信息职业技术学院

摘要：采用最新的网络实验方法，对数字方波发生器工作特性进行研究，简要介绍实验研究所用的仪器——网络实验仪器，介绍实验方法与程序，并应用现代电子技术理论系统解释实验研究现象。通过研究发现教材中忽略的一个问题，即一般教材仅仅提到数字方波发生器中电阻取值不能太大，却没有阐述电阻取值太小会出现何种情况，从而对数字方波发生器工作特性有了更系统的阐述。
关键词：虚拟网络实验；数字方波发生器；工作特性

选择实验环境，设计实验程序；通过实验研究，观察实验现象，充分发现问题；应用现代技术理论解释现象这是现代科学研究的普遍方法。本文系统介绍研究数字方波发生器的工作特性的过程与结果，将从实验环境选择、实验方法及实验数据与现象几个方面介绍研究过程，并应用现代电子技术理论阐述研究数字方波发生器的工作特性。
1.实验环境选择
目前实验仪器可分为四大类：传统仪器、现代仪器、仿真实验仪器和网络实验仪器。以测量仪器为例，传统的电子测量仪器主要有两个缺陷：第一，没有与计算机相连，测量曲线不能保存、不能分析，手工记录的数据误差较大；第二，实验者必须在实验室进行实验，一般不允许外单位人员进入研究，也不能满足本单位研究者实时研究。现代测量仪器将传统测量仪器与计算机系统相连接，一般既能测量又能分析、能记忆但因为价格偏高还不能进入普通的教学实验室。另外它仍然没有解决上述传统测量仪器的第二个缺陷。仿真实验虽然能利用电脑对测量曲线进行分析和存储，但是由于实验软件都是用理想化的元器件参数进行运算，因而人们可利用电脑做模拟验证性实验或模拟辅助研究实验，但不适合做真实的实验研究。
网络实验仪器已成为新一代测试仪器的主流，它是网络技术与现代测量仪器技术的有机融合。只要有一台高精度测量仪器装在远程主机服务器上，在与主机服务器连接的任何一台PC机上都能通过TCP/IP协议与远程主机服务器建立连接，通过送参数和命令给远程主机服务器，在远程主机服务器上运行测试程序作真实的实验，而本地PC机则可以得到数据，然后显示波形，分析数据并得到实验结果。它具有传统仪器的功能，如使用的三极管、二极管、电阻、电容都是实际器件，而非理想器件；它又具有现代仪器的功能，可以对数据进行存储和恢复，并可针对不同的应用需求对仪器功能进行调整；它还具有网络的功能，实验者不用进实验室就能做真实验而非仿真实验，利用屏幕虚拟面板可快速重新组合仪器和实验,并进行实时的数据处理,特别适合研究者自主研究。利用网络技术组建的远程实验仪器系统，可以使信息采集、传输和处理一体化，一方面可以使许多昂贵的硬件资源得以共享，大大减少了实验室的场所、设备和师资人力的投资。另一方面，还便于测试实验系统的扩展和实验效率的提高，让研究者通过网络自主进行探索型的实践性研究,同时这也将引起实验教学的变革。
通过以上分析，本人选择福州大学电子科学与应用物理系何礼熊教授设计制作的网络实验仪器系统。该系统是充分利用有效的网络资源和技术（主要是Winsock控件）来组成远程实验仪器系统；仪器特有的多踪彩色示波器功能和任意信号发生器是传统示波器和传统信号发生器无法比拟的；通过软件编程可向操作者提供不同的图形界面，即软面板，其实验软件包中的EXE文件是用VB语言编写的，源程序没公开，软件包中的HTM文件、BMP文件和DAT文件允许用户改写，HTM文件可用FRONTPAGE或其他TEXT编辑器修改，BMP文件可用画图板或其他图形编辑器修改，DAT文件可用任何TEXT编辑器修改。

2. 实验的方法及实验数据与现象
采用实验研究的方法研究数字方波发生器的工作特性，选定何礼熊教授设计制作的网络实验仪器系统，通过调整数字方波发生器内部电路（如图1右下方电路图）的阻值，观察Vi与Vo2波形。
例如调整R5值，设R5为0.1KΩ后，用鼠标左键单击“送网站测试”。如果出现“网站忙”的出错信息，请再用鼠标左键单击“送网站测试”。如果出现“请等待，提示消失后可进行数据示波”的提示，当提示消失后用鼠标左键单击“数据示波”，可以观测到实测的彩色波形。波形如图1所示。同理，调整R5值，设R5为0.7KΩ后，波形如图2所示。调整R5值，设R5为1. 0KΩ后，波形如图3所示。调整R5值，设R5为1.6KΩ后，波形如图4所示。
观测并计算得出如下结论：
当R5为0.1KΩ时，周期T为6.6ms，阈值电压为1.2V。波形图见图1，波形中Vi 波形幅度变小。
当R5为0.7KΩ时，周期T为27.8ms，阈值电压为1.2V。波形图见图2
当R5为1. 0KΩ时，周期T为46.6ms，阈值电压为1.2V。波形图见图3
当R5为1. 6 KΩ时，周期T超过70 ms，负向脉冲为18.9ms，阈值电压为1.2V波形图见图4。波形中Vi 波形出现平顶。

图1

图2

图3

图4
3. 数字方波发生器工作特性分析
3.1 V02输出为矩形波。
如图5是带有RC电路的环形振荡器，设当Vi1为正跳变时，那么Vi2将立即跳变为低电平，Vo2也紧跟着跳变为高电平。但由于电容上的电压是不能突变的，因此，Vi3必然随着Vi2一起产生负跳变，这样，Vi1(Vo3)仍为正跳变。而Vo2的高电平开始通过R向电容C充电。使Vi3逐渐升高，这是电路所处的第一种过程。当Vi3升高到非门的阀值电压VT1时，Vo3产生负跳变，Vi1也是负跳变。于是Vi2产生正跳变，Vo2产生负跳变。同样由于电容上的电压不能突变，因此Vi3不能随Vo2产生跳变，而是与Vi2一起产生正跳变。这时电容C开始通过电阻R放电，使Vi2逐渐降低，这是电路所处的第二种过程。当Vi3降低到非门阀值电压VT2后,Vo3产生正跳变，于是又回复到开始的第一个过程，这样就产生了连续的脉冲源。振荡周期T=t1+t2，其中t1为电容的充电时间，t2为电容的放电时间。

图5
由于RC电路的延迟时间比门电路的传输时间长得多，所以分析电路时忽略非门的传输延迟时间。
3.2 周期随R5的增大而增大，且正向脉冲与负向脉冲脉宽不等。
由图6充、放电回路可知改变R的值和改变C的值都可起到改变连续脉冲源的频率的作用。一般情况下，周期的大小与R5的取值成正比，因而改变R值周期会发生变化，且周期随R5的增大而增大。
正向脉冲与负向脉冲脉宽不等的原因是：当Vo2为低电平时，电容C开始通过电阻R放电 ，放电时间常数t2=1.41RC。当Vo2为高电平时，Vo2开始通过R向电容C充电，此时，门3内部也会流出一路电流参与电容C充电，造成充电时间与放电时间不等，电路充电时间常数t1=0.91RC;  振荡周期T大约是2.32RC。

图6
3.3 R5为1. 6 KΩ时，Vi3 波形出现平顶。
R5取值不能大于关门电阻，当Vo2为低电平时， Vi3不能随Vo2产生跳变，而是与Vi2一起产生正跳变，当电容C开始通过电阻R放电，门3内部也会流出一路电流通过R5造成一定压降，如果R5不太大，随着C的放电，Vi2逐渐降低；如果R5太大，即使C放电，电容上电压下降，但门3内部流出一路电流与C的放电电流通过R5造成一定压降超过一定电压， Vi3 的电压将因为门3处于开启状态被钳位在一定电压上，当放电电流变小后，Vi3 的电压才可随之变化。所以，R5取值不能大于关门电阻。
3.4 R5为0.1KΩ时， Vi3 波形幅度变小。
通过实验发现，当R5取值太小时，Vi3 波形幅度变小。这一实验现象在许多教材中都未涉及。一般教材只提到R5取值不能太大，却未提到R5取值太小会出现何种现象。为什么会出现这一现象呢？这与反相器的输出特性有关，从图7的反相器的输出特性可知，当门电路输出UO为高电平时，输出高电平UO将随着输出拉电流IL的增大而减小。而输出电阻变小，将导致输出拉电流IL的增大。所以R5取值太小时，门2输出拉电流太大，使门2本应输出的高电平降低，造成Vi3 波形幅度变小。

图7

4. 结束语
以上介绍了在网络实验环境下对数字方波发生器工作特性进行研究的过程与结果，目的之一是向广大教师及研究人员介绍一种新的实验研究方法，网络实验应该是大中专院校实验教学改革的一个方向，是值得推广应用的。文章目的之二是将研究结果与各位同行共享，通过研究发现了许多教材忽略的一个问题，即许多教材仅仅提到数字方波发生器中电阻取值不能太大，却未提到电阻取值太小会出现何种情况，从而对数字方波发生器工作特性有了更系统的阐述。

参考文献：
[1]何礼熊.电子线路类制作测试模拟实验课[M].北京：高等教育出版社,高等教育电子音像出版社,2000年.(DXMS1.0版)
[2] 赵学泉,延明,李绍胜.电子电路实验技术[M].北京：北京邮电大学出版社,1999.
[3]安德宁,赵廷瑞,.数字电路与逻辑分析设计实验技术[M].北京：北京邮电学院出版社,1993.