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文档简介

模拟电子线路课程设计报告 课程设计报告课题:半导体三极管值范围测量仪设计第一部分 设计任务一、 设计题目及要求 设计题目:半导体三极管值范围测量仪设计设计要求:设计制作一个自动测量三极管直流放大系数值范围的装置。1、对被测NPN型三极管值分三档;2、值的范围分别为5080、80120及120180,对应的分档编号分别是1、2、3;3、用数码管显示值的档次;4、电路采用5V或正负5V电源供电。二、 设计方案分析论证简述 课程设计题目发布以后,由于考虑到课题二倾向于数字电路的内容,而课题一大部分涉及到模拟电子电路的知识,所以开始我就选择了做课题二。确定课题以后,并从老师给出的设计提示及其电路,我认为该课程设计题目的关键点和难点是确定电路中电子原件的标称数值。然后是再根据电路的特点,在原始的设计电路中适当的添加一定的附属电路,使原来的电路更加稳定更加精确即可。第二部分 设计方案1、 设计方案分析论证: 本电路的设计分析如下:(1)转换电路部分:由设计的要求可知,首先需要测定NPN型三极管值的范围,根据设计提示,以及自己的思考,在值的范围分别为5080、80120及120180的情况下,分别让待测的NPN型三极管与基准值分别为50、80、120、180的管进行比较,就可以确定范围了。但是由于值无法直接比较,则需要通过三极管的特性公式进行转换。值即三极管直流放大系数,且有,当IB为固定值时,IC反映了的变化,所以电阻RC上的电压VRC就反映了IC的变化,对VRC取样加入后级进行分档比较。这样就实现了转换电路的功能,从而实现值的比较;而这里的关键就是如何选择,因为 值与Ic有关,而且小功率管的值在Ic 23mA时较大,而在截止与饱和区较小,测量不准确。根据,这里,IB的选择在30A40 A之间。(2)基准电压部分:要确定的范围,必须有一个标准作为参照,就需要一个基准电压电路,给出值为50、80、120、180时的电压。基准电压电路,可以利用电阻串联分压实现。通过公式计算,确定了基准电压的值,再确定了分压电阻的组合。(3)比较电路部分:转换为电压值后分别与四个基准电压进行大小比较,就可以确定值的范围了,并且大小的情况由数字电路中的高电平、低电平表示(即逻辑电路的1、0),这样再经过编码译码就可以反映的取值范围情况了。我的比较电路使用的是一个LM324元件,1个元件就可以同时进行4个比较,要比使用4个要方便。(4)编码、译码部分:经过比较后得到的是一个4位的二进制数(取值:0000,0001,0011,0111,1111),这里我使用了cd4532三线八线优先编码器进行编码,CD4511进行译码。(5)显示部分:使用七段数码管进行显示。(6)下拉电阻部分:考虑到提高电路的驱动能力的问题,我设计附加的下拉电阻部分,具体设计如下述。2、方框图以下是我的初步设计框图:编码比较电路译码显示转换电路基准电压 图13、功能说明(1)转换电路:用采样电压的形式将值表现出来。(2)比较电路:将转换电路得到的电压与电阻分出的各个基准电压进行比较,进而产生高低电平对各个值进行区分。(3)编码电路:将比较电路产生的高低电平进行二进制编码。(4)译码电路:对前级产生的二进制编码进行七段数码管显示译码。(5)显示电路:将已经译码的二进制数用七段数码管显示。 (6)下拉电阻电路:增加电路的精确程度及提高电路的带负载的能力。第三部分 电路设计 (1)首先要确定电路的设计思路。如何对三极管的值进行测量呢?我是这样想的:将变化的值转化为与之成正比变化的电压或电流量,再取样进行比较、分档。然后通过编码、译码将所得分档通过数字LED数码管显示出来就达到了设计的基本要求 。 (2)在老师所给设计题目中给的提示中,提到了两种转换电路(即:将变化的值转化为与之成正比变化的电压或电流量电路)。在这两个电路中我选择第一种方案。以下是我对这两个电路性能的比较。对于第一种方案(优点:精确):T1、T2、R1、R3构成微电流源电路,R2是被测管T3的基极电流取样电阻,R4是集电极电流取样电阻。由运放构成的差动放大电路,实现电压取样及隔离放大作用。因为选用了微电流源电路,从而使得T3的基极输入电流非常的稳定,而导致流过R4的电流基本上随着T3的值的变化而稳定变化。最终导致R4两端的电压与T3的值成正比。这也正是我们所需要的 。对于第二种方案(优点:简单、成本低):T1是被测三极管,其基极电流可由R1、R2限定运算放大器的输出,其中IB R3。通过近似的值从而计算出输入基极电流的大小,再计算集电极电流的大小,认为集电极输出的电流近似与T1的值成正比,最终得出电路输出电压与T1的值成正比的结论。对比这两种方案,很明显第一种方案的精度要高很多。为了提高前端转换电路的精度,减少由于前端电路的精度不高而影响后面电路乃至整个电路的精确程度,是最终的测量结果更加精确。 方案一设计图:图2方案二设计图:图3(3)确定了转换电路选择位电流源电路以后,接着我所要做的就是确定转换电路中电阻原件的阻值。这也是我前面提到的本课程设计的关键点,因为这些电阻的选择直接影响的最终仿真及实验的成败。所以要十分的慎重。以下是我对转换电路的计算过程:根据设计要求取要求大于1mA,取=1.5mA,而又取得:=。而的选择应在30A40 A之间为宜。则取=30uA。由公式:则:30。又因为,所以有:,取R2为33。令:=30K=200时,则取R4=470(4)比较电路的设计:要实现值的范围分别为5080、80120及120180,对应的分档编号显示分别是1、2、3则必须要取四个比较的基准点,选值为50、80、120、180为四个基准比较点,选择选取LM324为比较器,从而实现对输出电压值(即:B值)进行量化。当值为50时:输出电压为Vo=30uA*50*470=0.705V;当值为80时:输出电压为Vo=30uA*80*470=1.128V;当值为120时:输出电压为Vo=30uA*120*470=1.692V;当值为180时:输出电压为Vo=30uA*180*470=2.538V;如下图为比较电路模块电路图:比较电路模块电路图 图4以上电路图中基准电阻的计算过程如下:设以上电阻自下而上的顺序为R1、R2、R3、R4、R5,并且设R5的大小为100k则由前面所计算的基准电压得: 得:R2=60k,R3=80K;R4=120k,R5=350K取:R2=62k,R3=75K,R4=120K,R5=360k;(5)编码部分电路的设计:本部分我采用的CD4532(8位优先编码器)来进行编码,由CD4532的接口规则,及其功能,可得以下编码连接电路:编码电路模块电路 图5(注:以上是仿真的部分电路,仿真时比较器我用的是LM311,但是考虑到节省电子元器件,实际的时候比较器的运算放大器我用的是LM324)根据CD4532的真值表,要使CD4532输出符合8421码的编码,则需使a0,a1,a2,a3输出分别接4532的I1,I2,I3,I4角,其他输入端口都接低电平。值范围与CD4532编码输出的对应关系如下:(6)译码部分电路的设计:译码电路就是直接运用LED数码显示驱动芯片CD4511来实现,而译码显示如下: 数码管显示0; 数码管显示1; 数码管显示2; 数码管显示3; 数码管显示4。译码电路如下图:译码电路 图6(7)显示部分:显示部分使用LED七段数码管来进行显示。(8)附加电路设计:为了增加电路的精确程度及提高电路的带负载的能力,我在设计好基本电路后在比较电路和编码电路之间增加了一部分补充电路,即:在每个比较电路的输出端增加一个1K的下拉电阻,以增加电路带负载能力。附加下拉电阻如下图:附加下拉电阻电路电路图:图7(8)显示部分:使用七段数码管进行显示。第四部分 整机电路图(注:图中的驱动芯片与LED数码管之间有1K的驱动电阻连接,由于以上是仿真结果图所以没有将其画出)第五部分 安装调试及性能检测1、 安装调试(1) 仿真:设计好了电路,我先是在宿舍里电脑上用EWB仿真软件进行电路的仿真。在仿真的过程中,我遇到了很多的问题。其一是在仿真软件中的CD4511不能正确的驱动数码管,二是,仿真软件中没有与实验室相同型号的七段数码管,该仿真软件元件库中的数码管是四个管脚的而实验室我们所运用的是十个管脚的数码管。最后经过我反复的研究发现,以上问题都是由一个问题引起的,这就是我所用的EWB软件版本比较旧,其元件库中不包含我们所需要的元件。于是我就换了一个较新版本的EWB软件,以上问题就迎刃而解了。于是,仿真很快就成功了。(2) 安装布线:在仿真完成之后我就在实验室领齐元件准备开始布线了。在布线之前,我先将领来的元件都测试一遍,等测试个元件功能准确无误后才进行布线。 布线时,我先将各个主要芯片按照功能模块的分配合理的插在面包板上,然后再将其他元件逐个的安装好。在布线过程中,我力求做到合理、美观,尽量减少飞线。在布线过程中,我一边布线一边检查,在每完成一个模块的安装后都用万用表对其输入输出进行检测,并将测试值与理论值进行比较,从中发现错误,并及时地纠正错误。在这个过程中,我也纠正了许多的错误,比如:开始转换电路部分中的R4和R2的阻值我并非用的是470和33k的,我是在安装好转换电路部分进行测试输出时发现此时的书有一点与理论计算不相符,于是我就决定更换电阻的阻值,经过我反复的尝试才决定用470和33k的电阻。最后经过我细心仔细的操作,终于将布线这个关键步骤完成了,剩下的就是调试了。由于我力求每一步、每一个环节都正确无误,使得安装布线这一个过程就整整花了我一下午的时间。(3) 整机调试:由于我安装过程做得非常的仔细,使得我调试非常顺利就得到的了理想的结果。当插入值为40的三极管时LED数码管显示的是0;当插入值为75的三极管时LED数码管显示的是1;当插入值为125的三极管时LED数码管显示的是3;当插入值为210的三极管时LED数码管显示的是4。2、 性能指标测量及记录 测量数据如下:运用值为124(该值是运用数字万用表大概测量的 )的9013三极管时的数据:表一:转换电路部分Vce(T3)VbeVce(T2)2.942V0.671V2.121V3.315V表二 :各比较电路输出电压运放a0输出运放a1输出运放a2输出运放a3输出4.95V4.90V4.90V0.35V最后LED数码管显示的是3,说明电路正确无误。3、 元器件清单 1、电阻470*1,1k*8,3k*1,3.3k*1,30k*4,360k*1,120k*1,75k*1,62k*1,100K*12、电容10u*13、三极管9012*2、9013*14、芯片LM324*2, CD4532*1、CD4511*15、其他七段共阴数码管*1,实验箱*1,导线若干,万用表*1第六部分 心得体会经过了一个星期的模拟电子线路课程设计,使我学到了很多的东西,同时也使我发现了自己的很多的不足。而对于我来说,这次课程设计,总体来说可以分成两个阶段。一、电路的设计和安装及调试;二、课程设计报告的制作与设计的总结。阶段一(3.5天):在这个阶段中,使我的动手能力得到了很大的提高,不管是设计电路还是安装电路的过程中,都是如此。在课程设计的前期,从课程设计的课题发布开始,此次课程设计就正式开始了。此次课设计,从头到尾我都是单独完成的,先是设计电路、仿真电路,然后是安装调试。虽然我以前也曾经参与过这样的电子设计类的活动,但是,以前不是在老师的提示和指点下,就是在同学的合作下完成的,从来都没有从设计到制作都是一人完成。在前期的设计和仿真过程中,我深刻的体会到电脑仿真对于一个电子工程师是如此重要,它可以替你节省大量个工作和资源,使你的工作达到最简单并且最快捷,并能使你在仿真的过程能够更加深刻的理解电路的工作原理,及其功能特点,并能及时地帮助你纠正一些不应该出现的错误,以减少损失,和提高效率。而且仿真的结果基本上与实际的数据相符合,这也为以后调试提供了可贵的理论数据依据。同时,我从中认识到,作为一名工科的学生,特别是电子专业的学生,掌握几门仿真软件的运用是十分必需的,因为它们是我们从事更加深层次的科学研究的基础。在课程设计前期我在查资料的过程中,运用到了大量的网络资源。这是我认识到科学研究网络的重要性。在电路的安装过程中,我深刻的体会到了什么叫作理论联系实际。因为即使你的理论再正确,如果不能将其运用到实际中去都是空谈。就拿布线来说,在仿真软件中的连线是十分美观的,但是要在一块小小的面包板上合理的布线也是要花上一定功夫的。虽然我的电路功能实现得比较好,但是由于在布线的开始,在芯片的布局上有一些欠考虑以及在布线过程中出现了元件的漏装,导致我最后的布线不够美观,还出现了少量的飞线。这说明在科学面前来不得半点马虎,你只有按照规程一步一步地去做,才能得到自己想要的理想的结果。由于我在布线的过程中,每装配好一个模块就进行测试排错,并不断地对电路进行调整,导致我的调试过程异常的顺利。但是我的安装过程中就包含了大量的调试步骤。一个电路设计好了,对其进行一定量的调试时必需的,因为也只有在我们的调试数据基本符合理论计算值才能说明我们的设计和制作是成功的。我认为,调试过程有两个很重要的作用,一是帮助我们验证我们设计或假定的正确性;二是将调试结果与理论结果相比较,得出其中的差异,然后对其中的差异进行分析,并从中提出对于原来的设计的改进的措施。这一点在工程运用中是相当重要的。在调试过程中,我还帮助其他的同学排除一些故障,我从中也学到了一些电路布线应该注意的东西。阶段二(2天):一个完整的课程设计或者科研项目,在完成设计制作后都必须要有一份总结性的报告

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