摘 要： 本文介紹了用Origin 軟件進(jìn)行電學(xué)元件伏安特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的具體方法。結(jié)果表明，利用Origin處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能有效避免手工處理所帶來的誤差，而且方法簡單、直觀、快捷，適合在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用。
　　關(guān)鍵詞： Origin 電學(xué)元件 伏安特性 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理
　　
　　1.引言
　　電學(xué)元件伏安特性實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中非常重要的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之一。電路中有各種電學(xué)元件，如線性電阻、半導(dǎo)體二極管和三極管，以及光敏、熱敏、壓敏元件，等等。知道這些元件的伏安特性，對正確地使用它們是至關(guān)重要的。目前，絕大部分學(xué)生主要采用電子計(jì)算器和手工作圖等傳統(tǒng)方法來處理大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，過程煩瑣、枯燥、費(fèi)時(shí)且人為誤差大。為了避免這些弊端，本文采用Origin軟件處理線性電阻和半導(dǎo)體二極管的伏安特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，Origin軟件具有數(shù)據(jù)分析（排序、調(diào)整、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、頻譜變換、曲線擬合）、繪圖（2D、3D圖形）等功能，在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和數(shù)據(jù)處理中得到應(yīng)用［1-3]。使用Origin軟件，不但快捷、精確，而且能有效地提高學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力，強(qiáng)化學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力。
　　2.實(shí)驗(yàn)原理
　　在某一電學(xué)元件兩端加上直流電壓，在元件內(nèi)就會(huì)有電流通過，通過元件的電流與端電壓之間的關(guān)系稱為電學(xué)元件的伏安特性。在歐姆定律U=IR式中，電壓U的單位為V，電流I的單位為A，電阻R的單位為Ω。一般以電壓為橫坐標(biāo)和電流為縱坐標(biāo)作出元件的電壓－電流關(guān)系曲線，稱為該元件的伏安特性曲線。在通常情況下，通過元件的電流和加在元件兩端的電壓成正比關(guān)系變化，其伏安特性曲線為一過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，這類元件稱為線性元件，如金屬膜電阻、線繞電阻，等等。如果通過元件的電流和加在元件兩端的電壓不成線性關(guān)系，其伏安特性為一曲線，這類元件稱為非線性元件，如半導(dǎo)體二極管、穩(wěn)壓管，等等。本實(shí)驗(yàn)是通過在被測元件兩端施加不同極性和幅值的電壓，并測量出流過該元件的電流，從而得出線性電阻和半導(dǎo)體二極管的伏安特性。
　　3.數(shù)據(jù)處理
　　實(shí)驗(yàn)中采用分壓式電路，分別對線性電阻和非線性電阻的伏安特性進(jìn)行測量。線路圖及元件的技術(shù)指標(biāo)參見箱式 FB321型電學(xué)元件伏安特性儀的生產(chǎn)廠家杭州精科儀器有限公司提供的實(shí)驗(yàn)講義［４］。
　?。?）線性電阻
　　實(shí)驗(yàn)中，電壓表的量程選擇20V，電流表的量程為2mA，對應(yīng)的內(nèi)阻分別是R=10MΩ，R=100Ω，測量電阻R=10KΩ。為了減少測量時(shí)的系統(tǒng)誤差，測量的線路方案可以按下列辦法來選擇［４］：
　　終判斷出哪種線路更適合測R=10KΩ的電阻。利用Origin可以在同一坐標(biāo)軸中繪制兩種方法測得的線性電阻的伏安特性散點(diǎn)圖及其擬合直線，得到擬合結(jié)果。結(jié)果直觀、明了，方法簡便、高效。具體步驟如下：
　　啟動(dòng)Origin，新建工程，在工作表data1中的A列輸入電壓，在B列輸入電流表內(nèi)接時(shí)測得電流，然后選擇“Column”菜單下的“Add New Column”添加新的一列C，并把電流表外接時(shí)測得電流輸入列C，選中B、C兩列，再選擇“Plot”菜單下的“Line+Sympol”即可同時(shí)得到兩種方法所測得的伏安特性散點(diǎn)圖，如圖1所示；接著分別選中伏安特性散點(diǎn)圖，選擇“Analysis”菜單下的“Fit Linear”，對其進(jìn)行擬合，擬合直線如圖2所示。同時(shí)數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明，安培表內(nèi)接法所得阻值絕對誤差比外接法小，在該實(shí)驗(yàn)中測量方案應(yīng)選擇電流表內(nèi)接法；用安培表內(nèi)接法測出的電阻值偏大，外接法測出的電阻值偏小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論相符；不管是電流表內(nèi)接還是外接，線性擬合結(jié)果的相干系數(shù)都是，說明Origin擬合出來的結(jié)果與實(shí)際測量值吻合得非常好。
　?。?）半導(dǎo)體二極管
　　利用Origin繪制二極管正、反向伏安特性曲線，具體方法如下：
　　啟動(dòng)Origin，把測量數(shù)據(jù)電流和電壓分別鍵入Origin工作表data1的A、B兩列。單擊選中B列，單擊菜單“Plot”，從彈出的下拉菜單中選擇“Line+Symbol”，Origin會(huì)在隨后打開的窗口中繪制好伏安特性曲線，如圖3所示。
　　從圖3中很難清晰地看出二極管在某些區(qū)域的伏安特性，如二極管處于正向偏置時(shí)的導(dǎo)通電壓等。此時(shí)進(jìn)一步的利用Origin的“圖層”技術(shù)可以在同一坐標(biāo)軸上設(shè)置不同的刻度分別顯示半導(dǎo)體二極管的正、反向伏安特性。操作步驟如下：
　?、俣O管反向伏安特性曲線的圖層1
　　雙擊圖3中的Y軸，在彈出窗口中選擇“scale”標(biāo)簽，修改數(shù)據(jù)范圍為：-50-0，Increment為10；選擇“Title&Format”標(biāo)簽，修改Axis為“At Position”；雙擊X軸，同進(jìn)行同樣的設(shè)置：數(shù)據(jù)范圍為：-10-0， Axis為“At Position”。
　?、诙O管正向伏安特性的圖層2
　　隱藏圖層1，新建圖層2，加載原始數(shù)據(jù)，重復(fù)上述設(shè)置，X軸：數(shù)據(jù)范圍為：0-1，Increment為0.2，Axis為“At Position；Y軸：數(shù)據(jù)范圍為：0-200，Axis為“At Position”。
　?、蹚?fù)合圖層，完成圖形
　　恢復(fù)圖層1的顯示，同時(shí)顯示圖層1和2，縮小兩個(gè)圖形，使其原點(diǎn)重合。修改兩個(gè)圖形的相關(guān)屬性和坐標(biāo)軸屬性，使圖形清晰，界面一致，完成后的效果如圖4。
　　從圖4可以清晰地觀察經(jīng)Origin繪制出的二極管的正、反向伏安特性曲線，與理論描述相符。二極管是由PN結(jié)上加上引線和封裝而成，從PN結(jié)的導(dǎo)電原理出發(fā)，二極管的伏安特性大致可分為死區(qū)、正向?qū)▍^(qū)、反向截止區(qū)和反向擊穿區(qū)四個(gè)區(qū)。即當(dāng)外加正向電壓小于死區(qū)電壓時(shí)，正向電流很小，幾乎為零，這一區(qū)域稱為死區(qū)；當(dāng)外加正向電壓大于死區(qū)電壓時(shí)，二極管由不導(dǎo)通變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，二極管上的正向電流隨外加電壓曾指數(shù)增長關(guān)系，從圖4可看出此二極管的正向?qū)▔航导s為0.8V；當(dāng)外加反向電壓不超過某一范圍時(shí)，反向電流非常小且基本恒定，用毫安表很難檢測到，此時(shí)二極管呈高阻截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)外加反向電壓過高時(shí)，反向電流將突然增加，二極管處于擊穿狀態(tài)。
　　4.結(jié)語
　　本文利用Origin7.5對電學(xué)元件伏安特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。分析結(jié)果表明，利用Origin可進(jìn)行散點(diǎn)圖的2D圖形繪制、線性擬合、設(shè)置同一坐標(biāo)系中的坐標(biāo)軸刻度不同，更直觀地顯示出不同范圍內(nèi)物理量之間的變化關(guān)系。整個(gè)處理過程簡單、直觀、高效、準(zhǔn)確，大大減少了由于人的主觀因素所造成的誤差，因此適合在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中推廣應(yīng)用。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
　?。?］李玉珍，呂寶華.Origin在熱敏電阻溫度特性實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用［M］.長春師范學(xué)院學(xué)報(bào)，Vol. 27，No5，2008：19-21.
　?。?］金淑華，秦艷芬，賀梅英.Origin軟件在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用［M］.寧波工程學(xué)院學(xué)報(bào)，Vol. 20，No. 2，2008：5-7.
　?。?］李曉波，謝志遠(yuǎn).Origin作圖在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用及評價(jià)［M］.襄樊學(xué)院學(xué)報(bào)，Vol .31，No. 8，2010：86-88.
　?。?］電學(xué)元件的伏安特性測量［M］.