摘 要： 本文介绍了用Origin 软件进行电学元件伏安特性实验数据处理的具体方法。结果表明，利用Origin处理实验数据能有效避免手工处理所带来的误差，而且方法简单、直观、快捷，适合在实验教学中使用。
关键词： Origin 电学元件 伏安特性 实验数据处理
1.引言
电学元件伏安特性实验是大学物理实验中非常重要的基础实验之一。电路中有各种电学元件，如线性电阻、半导体二极管和三极管，以及光敏、热敏、压敏元件，等等。知道这些元件的伏安特性，对正确地使用它们是至关重要的。目前，绝大部分学生主要采用电子计算器和手工作图等传统方法来处理大学物理实验数据，过程烦琐、枯燥、费时且人为误差大。为了避免这些弊端，本文采用Origin软件处理线性电阻和半导体二极管的伏安特性实验数据，Origin软件具有数据分析（排序、调整、计算、统计、频谱变换、曲线拟合）、绘图（2D、3D图形）等功能，在大学物理实验教学和数据处理中得到应用［1-3]。使用Origin软件，不但快捷、精确，而且能有效地提高学生物理实验数据处理能力，强化学生的计算机应用能力。
2.实验原理
在某一电学元件两端加上直流电压，在元件内就会有电流通过，通过元件的电流与端电压之间的关系称为电学元件的伏安特性。在欧姆定律U=IR式中，电压U的单位为V，电流I的单位为A，电阻R的单位为Ω。一般以电压为横坐标和电流为纵坐标作出元件的电压－电流关系曲线，称为该元件的伏安特性曲线。在通常情况下，通过元件的电流和加在元件两端的电压成正比关系变化，其伏安特性曲线为一过坐标原点的直线，这类元件称为线性元件，如金属膜电阻、线绕电阻，等等。如果通过元件的电流和加在元件两端的电压不成线性关系，其伏安特性为一曲线，这类元件称为非线性元件，如半导体二极管、稳压管，等等。本实验是通过在被测元件两端施加不同极性和幅值的电压，并测量出流过该元件的电流，从而得出线性电阻和半导体二极管的伏安特性。
3.数据处理
实验中采用分压式电路，分别对线性电阻和非线性电阻的伏安特性进行测量。线路图及元件的技术指标参见箱式 FB321型电学元件伏安特性仪的生产厂家杭州精科仪器有限公司提供的实验讲义［４］。
（1）线性电阻
实验中，电压表的量程选择20V，电流表的量程为2mA，对应的内阻分别是R=10MΩ，R=100Ω，测量电阻R=10KΩ。为了减少测量时的系统误差，测量的线路方案可以按下列办法来选择［４］：
终判断出哪种线路更适合测R=10KΩ的电阻。利用Origin可以在同一坐标轴中绘制两种方法测得的线性电阻的伏安特性散点图及其拟合直线，得到拟合结果。结果直观、明了，方法简便、高效。具体步骤如下：
启动Origin，新建工程，在工作表data1中的A列输入电压，在B列输入电流表内接时测得电流，然后选择“Column”菜单下的“Add New Column”添加新的一列C，并把电流表外接时测得电流输入列C，选中B、C两列，再选择“Plot”菜单下的“Line+Sympol”即可同时得到两种方法所测得的伏安特性散点图，如图1所示；接着分别选中伏安特性散点图，选择“Analysis”菜单下的“Fit Linear”，对其进行拟合，拟合直线如图2所示。同时数据处理结果表明，安培表内接法所得阻值绝对误差比外接法小，在该实验中测量方案应选择电流表内接法；用安培表内接法测出的电阻值偏大，外接法测出的电阻值偏小，实验结果与理论相符；不管是电流表内接还是外接，线性拟合结果的相干系数都是，说明Origin拟合出来的结果与实际测量值吻合得非常好。
（2）半导体二极管
利用Origin绘制二极管正、反向伏安特性曲线，具体方法如下：
启动Origin，把测量数据电流和电压分别键入Origin工作表data1的A、B两列。单击选中B列，单击菜单“Plot”，从弹出的下拉菜单中选择“Line+Symbol”，Origin会在随后打开的窗口中绘制好伏安特性曲线，如图3所示。
从图3中很难清晰地看出二极管在某些区域的伏安特性，如二极管处于正向偏置时的导通电压等。此时进一步的利用Origin的“图层”技术可以在同一坐标轴上设置不同的刻度分别显示半导体二极管的正、反向伏安特性。操作步骤如下：
①二极管反向伏安特性曲线的图层1
双击图3中的Y轴，在弹出窗口中选择“scale”标签，修改数据范围为：-50-0，Increment为10；选择“Title&Format”标签，修改Axis为“At Position”；双击X轴，同进行同样的设置：数据范围为：-10-0， Axis为“At Position”。
②二极管正向伏安特性的图层2
隐藏图层1，新建图层2，加载原始数据，重复上述设置，X轴：数据范围为：0-1，Increment为0.2，Axis为“At Position；Y轴：数据范围为：0-200，Axis为“At Position”。
③复合图层，完成图形
恢复图层1的显示，同时显示图层1和2，缩小两个图形，使其原点重合。修改两个图形的相关属性和坐标轴属性，使图形清晰，界面一致，完成后的效果如图4。
从图4可以清晰地观察经Origin绘制出的二极管的正、反向伏安特性曲线，与理论描述相符。二极管是由PN结上加上引线和封装而成，从PN结的导电原理出发，二极管的伏安特性大致可分为死区、正向导通区、反向截止区和反向击穿区四个区。即当外加正向电压小于死区电压时，正向电流很小，几乎为零，这一区域称为死区；当外加正向电压大于死区电压时，二极管由不导通变为导通状态，二极管上的正向电流随外加电压曾指数增长关系，从图4可看出此二极管的正向导通压降约为0.8V；当外加反向电压不超过某一范围时，反向电流非常小且基本恒定，用毫安表很难检测到，此时二极管呈高阻截止状态；当外加反向电压过高时，反向电流将突然增加，二极管处于击穿状态。
4.结语
本文利用Origin7.5对电学元件伏安特性实验数据进行了处理。分析结果表明，利用Origin可进行散点图的2D图形绘制、线性拟合、设置同一坐标系中的坐标轴刻度不同，更直观地显示出不同范围内物理量之间的变化关系。整个处理过程简单、直观、高效、准确，大大减少了由于人的主观因素所造成的误差，因此适合在大学物理实验教学中推广应用。
参考文献：
［1］李玉珍，吕宝华.Origin在热敏电阻温度特性实验中的应用［M］.长春师范学院学报，Vol. 27，No5，2008：19-21.
［2］金淑华，秦艳芬，贺梅英.Origin软件在大学物理实验数据处理中的应用［M］.宁波工程学院学报，Vol. 20，No. 2，2008：5-7.
［3］李晓波，谢志远.Origin作图在大学物理实验教学中的应用及评价［M］.襄樊学院学报，Vol .31，No. 8，2010：86-88.
［4］电学元件的伏安特性测量［M］.
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