毕业设计（论文）-三极管特性参数测试系统.doc

毕业论文毕业论文(设计设计)题题目目基于51单片机的三极管特性参数测试系统学生姓名李青学号20081305071院系电子与信息工程学院专业电子信息工程指导教师张宏群二二一二一二年年五五月月三十三十日日1目录引言.31.本测试系统的实现功能和设计要求.31.1系统功能.312设计要求.42.系统设计框图及原理.42.1系统框图.42.2本测试系统的工作原理.43.设计方案的选择.53.1电压采样电路设计方案的选择.53.2反向击穿电压测量电路.53.3反向饱和电流测量电路.63.4三极管共发射极输入、输出特性曲线测量的方案.63.4.1测量输入特性曲线：.63.4.2测量输出特性曲线：.73.5测量结果显示放案.84.各功能模块的硬件电路的工作原理及相关参数选取.84.1单片机最小系统.84.2电压采样电路的设计及放大系数的计算.104.2.1基极、集电极采样电路.1024.2.2测三极管的的放大系数.124.3AD转换输出电路：.134.3.1ADC0809在实验系统中的电路.134.3.2与ADC0809相连的电路.164.4设计中使用的倍压电路.174.5DA双极性电压输出电路.194.6液晶显示.215结束语.23参考文献：.23附录1：元件清单.26附录2：源程序.263基于基于5151单片机的三极管特性参数测试系统的设计单片机的三极管特性参数测试系统的设计李青南京信息工程大学电子信息工程系，南京210044摘要：摘要：本文介绍一种三极管特性参数测试系统的简单方法，该系统是基于51单片机的，该测试系统能测试几种数据，整个系统采用模块化设计，能较精确的对晶体管交直流放大特性参数、输入输出特性曲线、反向击穿电压和反向饱和电流进行测量。由于应用本系统可以较精确的测量出晶体管（三极管）的特性，所以对于三极管的特性参数的研究有一定的理论支持和实际意义。本系统具有许多优点，它在抗干扰能力、性价比和功耗等方面相比于其他一些系统有一定的优势。关键字关键字：三极管；单片机；模块化；优点引言三极管是一种很常见的电子元器件，它虽然体积较小，结构简单，但是往往在电子线路中起到很大的作用，三极管的好坏和特性参数能对电路产生很大的影响，甚至直接影响电路的功能。目前有很多方法测试晶体三极管，同时用于测量晶体三极管的各种图示仪有很多，它们大多用于测量或者观察三极管的各种输入、输出等特性，这些图示仪有良好的性能和较高的精度，但是这些仪器的性价比和实用性不强，主要原因是因为这些仪器的电路制作比较麻烦，性价比不高。而另外一些采用数字电路制作晶体管特性图示仪，由于测量精度较低，且一般只能测量输出特性，所以其应用也不是很广。本课题设计的三极管特性参数测试系统制作相对比较简单方便且实用，主要用一些集成芯片组成，本测试系统的设计以AT89S52单片机为整个设计模块的基础，同时还使用了ADC0809和其他的一些重要集成芯片组成各功能模块这些模块是本系统设计的必要组成部分，它们结合在一起构成的系统能对三极管的各项特性参数进行较为准确的测量，能基本满足设计要求。本系统对三极管的特性参数数据的显示是通过LCD显示出来的，这些参数是由单片机最小系统、AD转换电路、DA转换电路和采样电路等模块综合实现得来的，然后由单片机处理后送到显示电路显示。1.本测试系统的实现功能和设计要求1.1系统功能本系统能测试出小功率晶体三极管（BJT）的一些特性参数，包括输入输出特性曲线、交直流放大系数、反向击穿电压和反向饱和电流。412设计要求（1）在IB0，10A，20A，30A，UCE=012V条件下，显示出三极管共射极接法输出特性曲线。（2）在|IB|10A|UCE|10V条件下，能测出三极管的直流电流放大系数，并用数字显示。测量范围50300；当|IB|由10A变化到20A，|UCE|保持不变，能测出三极管的交流放大系数，并用数字显示。（3）在|UCE|=10V的条件下，测量三极管的集电极发射极反向饱和电流ICEO=1mA，用数字显示，测量范围0.1A100A，测量误差10%。（4）测量三极管的集电极发射极间的反向击穿电压，并用数字显示；测试条件IC=1mA，测量CEOBRV)(范围20V60V，测量误差5%。（5）具有三极管管脚插错、损坏指示报警功能。2.系统设计框图及原理2.1系统框图采样电路ADC0809单片机LCD显示三极管DAC0832数控电源IO电平控制图1本设计的系统框图2.2本测试系统的工作原理本系统在测量三极管的特性参数时需要得到的测量数据是三极管的基极、集电极上的数据（即电压电流数据），本测试系统的核心部分是单片机最小系统，它在设计中起到了中枢的作用，它连接了AD、DA转换电路等重要的功能模块，协调各功能模块的工作，有效的实现了发送数据控制电路和接受处理数据。将待测三极管连接到采样电路中，采样电路将采集到的三极管的基极、集电极数据（模拟量）5送到ADC0809中，ADC0809将收集到的模拟量转为数字量送入到单片机中处理，单片机在C程序的驱动下控制DAC0832输出的电压值，为待测三极管供电，即起到数控电压源和数控电流源的作用。单片机通过P3口的电平控制采样电路中的BJT的基极电流的产生与断开，从而控制与集电极相连的继电器，当P3口输出高电平时，由于BJT的发射极与地相连，所以有基极电流产生，继电器中也有电流通过，此时继电器由常开触点切换到常闭触点；若单片机输出的是低电平，则没有基极电流产生，继电器中没有电流，继电器保持在常开触点上。通过对继电器的工作状态的改变来改变采样电路的采集数据的工作状态。同时，采集电路中还通过开关的开合来改变采样电路的工作状态。最后，单片机将采集到的数据处理后送到LCD液晶中显示出来。3.设计方案的选择3.1电压采样电路设计方案的选择电压采样电路主要有以下三种方案：（1）在发射极串电阻，直接测量发射极电流Ice。这种方案有其优点，即由于电阻两端对地电压较低，所以便于对其进行放大检测。但这种方法也有一定的缺点和不足，即由于发射极串接的电阻导致基极电位的确定比较困难，所以很难选择合适的基极电阻，同时造成Uce的确定也会带来一定的困难。（2）直接测量基极和集电极电阻两端电压。该方法有比较简易的优点，但是该方法也有其缺点，即使用该方法的电路较为复杂，往往需要在电路中使用多个运算放大器，而且使用该方法测量的精确度不高，所以在需要得到比较精确的测量数据时不宜使用这种方法。（3）分别对三极管的基极电压和集电极电阻两端电压进行采样。所使用的电路为两路数据采集电路。若所测量的三极管为NPN型，则设计方案采用经过普通运放组成的同向比例放大电路使基极电压进行放大。然后将采集的数据送到AD转换器中处理。而对集电极电阻两端的电压进行采样时，使用INA126进行放大处理。若所测三极管为PNP型管，采样时将电压经过反向比例电路转换成正电压以满足ADC0809采样的需要。经比较发现，显然方案三的电路结构较简单，测量精度较高，故设计采用方案（3）3.2反向击穿电压测量电路反向击穿电压测量电路的关键主要是获得可调电压源，从而实现0100V电压的连续输出，该电路有两种设计思路：（1）可调电压源主要由变压器、三端稳压器等组成的电路提供，其功能是实现0100V电压的连续输出。采用这种方案输出电压虽然比较简单可操作性强，但是这种方法很难检测出产生高压的情况，所以容易使产生的大电流对电路造成损坏，考虑以上情况的存在，这种方法不宜使用。6(2)使用DA芯片DAC0832，将其输出经倍压电路（由COMS和与非门组成）后得到可调高压。通过DA控制逐步增大加在三极管集电极的电压，同时对集电极电流实时检测，当检测到电流发生突变时，记录下此时的DA输出电压值。根据加压倍数（与倍压电路有关，几倍压就放大几倍）即可得到Uceo。相比于前一种方法，这种方法更控制容易，而且便于检测电压。且采用的倍压电路具有输出电流小的特点，这样使得即使实验中出现操作不当的行为也不易对电路造成损坏。由比较可知，采用第二种思路更加安全可行。3.3反向饱和电流测量电路在测量反向饱和电流时，因为三极管的反向饱和电流很小，所以在测量时会导致较大的测量误差。在实际测量时，为了能较准确的测量出其电流值，减小测量误差，可以通过测量电压值来测量电流，所以在设计中要将阻值较大的电阻连接到集电极电路中。不妨使用阻值为1M的大电阻。在测量时电阻的切换是用继电器实现的。3.4三极管共发射极输入、输出特性曲线测量的方案3.4.1测量输入特性曲线：输入特性曲线：输入特性曲线描述的是三极管的基极电流随发射结压降变化关系的曲线。即满足函数iB=f(UBE)UCE=常数。当UCE=0时，即集电极与发射极之间的电压值为零，相当于集电极与发射极短路，等效为发射结与集电结之间处于并联状态。当自变量UCE增大时，输入特性曲线向右移动。当UCE大于1V时，曲线基本不变了。设计中采用固定UCE=10V。输入特性曲线如下图所示：由图2可知，当电压UCE增大时，曲线右移了。7图2晶体管的输入特性曲线由于发射极接地，所以UCEUC，因此测量时固定UC=12V，通过数控电压源（由DAC0832作用）以一定步长增大基极电压（同理，由于发射极接地，故UBEUB），每增大一次电压后采集一次电流iB，送入内存中。单片机将采集到的各组数据处理后，将各组数据用坐标形式确定其位置，在LCD上显示出曲线的形状。3.4.2测量输出特性曲线：输出特性曲线：输出特性曲线描述基极电流IB为一常量时，集电极电流iC与管压降UCE之间的函数关系，即iC=f(UCE)IB=常数。图3输出特性曲线对于每一个确定的IB，都有一条曲线，所以输出特性是一簇曲线，如图所示。对于某一条曲线，当UCE从零逐渐增大时，集电结电场随之增强，因而iC也就逐渐增大，收集能力已不能明显提高，表现为曲线几乎平行于横轴，即iC几乎仅仅决定于IB。从输出特性曲线可以看出，晶体管有三个工作区域：ic8截止区：其特征是发射结电压小于开启电压且集电结反向偏置。对于共射电路，UBEUon且UCEUBE。此时IB=0，而iCICEO。小功率硅管的ICEO在1A以下，锗管的ICEO在小于几十微安。因此在近似分析中可以认为晶体管截止时的iC0。放大区：其特征是发射结正向偏置（UBE大于发射结开启电压Uon）且集电结反向偏置。对于共射电路，UBEUon且UCEUBE。此时，iC几乎仅仅决定于iB，而与UCE无关，表现出对的控制作用，IC=IB，iC=iB。在理想情况下，当IB按等差变化时，输出特性是一簇横轴的等距离平行线。饱和区：其特征是发射结与集电结均处于正向偏量。对于共射电路，UBEUon且UCE0.1)cc+if(cc1)ss=1cc=034for(i=0i0.1|ub1i+1-ub1i0.1)cc+if(cc1)ss=1if(ub1|ubd)ucharvd(floatv)ucharddv-=0.1dd=230(v+11)22+15return(dd)输出特性曲线voiddraw_c(void)35floatus1us2ucharijfloatucec=0floatvv=0e=0e=0for(i=0i8low=bbif(high0 xa0)(high0 xa0)(low0 xff)writed(high)writed(low)voiddisplay_string(ucharstring)写字串uchari=0while(string+i)!=0)writed(string+i)i+voiddisplay_number(uintnumber)ucharNumDisplay5ucharistringbitrtn=0NumDisplay0=number10000number-=NumDisplay010000NumDisplay1=number100049number-=NumDisplay11000NumDisplay2=number100number-=NumDisplay2100NumDisplay3=number10number-=NumDisplay310NumDisplay4=numberstring=NumDisplayfor(i=0(i5)(rtn=0)i+)if(string+i)!=0)rtn=1for(i-=1i5i+)writed(string+i)+0 x30)voiddisplay_numberf(uintnumber)ucharNumDisplay2ucharistringNumDisplay0=number10number-=NumDisplay010NumDisplay1=numberstring=NumDisplayfor(i=0i2i+)writed(string+i)+0 x30)50voiddisplay_float(floatcc)uintzhengucharxiaofloatxiif(cc0.01)cc=0zheng=(uint)ccxi=cc-(uint)ccif(xi0)xi=0 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