三极管β值测量.doc

报告批改老师三极管值测量仪设计与制作摘要：在电子产品设计、制作与维修中，经常需要测量三极管的放大系数，而万用表自带的简易测试装置准确性很差，为此本项目设计一个高精度值测量仪。关键词：恒流源，伏频转换，AT89C511设计要求1.1基本要求（1）被测三极管为NPN型，值范围为300。（2）用三个数码管显示的大小，分别显示个位、十位和百位。显示范围为0-299。（3）响应时间不超过2秒，显示器显示读数清晰，注意避免出现“叠加现象”。（4）值超过测量范围时声光报警。（5）电源采用5V或5V供电。1.2扩充要求（1）可以测量任意极性（NPN、PNP）的三极管。（2）三极管内部断路或短路时能发出警报声。1.3设计提示将三极管值转换为其他可用仪器测量的物理量来进行测量，如电压，根据三极管电流IC=IB的关系，当IB为固定值时，IC反映了的变化，电阻RC上的电压VRC又反映了IC的变化，对VRC进行A/D转换或伏频转换，转换后的值就反映了值的大小。系统总体方框如下图1-1所示。图1-1 系统总体方案框图2方案设计2.1 值转换方案方案一：如下图2-1所示。图2-1 方案一如图3-1，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。根据三极管电流IC=IB的关系，当IB为固定值时，IC随着的变化而变化，电阻RC上的电压VRC正好反映了IC的变化，所以，我们对VRC取样加入后级，进行分档比较。从而实现目的。该电路用微电流源为基极取样电阻提供稳恒的电流，这样便于测量值。方案二：电路如下图3-2所示.图2-2 方案二如图3-2所示，T1是被测三极管，其基极电流可由R1、RW限定，运算放大器的输出：VR2IB R2方案分析比较：两个方案得原理都是要将变化得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。方案一和方案二都是按这个思路设计的，比较和分档的电路一样。两个方案的区别在于，方案一用电流源电路为被测三极管提供Ib，这样能比较精确地把Ib控制在想要的值附近，其缺点是电路较方案二复杂；方案二是利用电阻分压把Vbe控制在想要的值附近，从而获得一个较稳定的Ib值，电路较简单，但Ib的控制不如方案一精确。为了能取到比较精确的比较电压，进行下一步的比较、分档，以获得较精确的显示结果，方案一是首选。2.2模数变换方案值变换成电压后,需要再把电压变换为数字信号,有两种方法，一种是A/D转换，另一种是V/F转换。方案一，A/D转换电路A/D转换电路， 亦称“模拟数字转换器”，简称“模数转换器”。将模拟量或连续变化的量进行量化（离散化），转换为相应的数字量的电路。最常用的A/D转换芯片是ADC0809，该芯片是一个逐次逼近型的A/D 转换器，外部供给基准电压；单通道转换时间116us；分辨率为8 位，带有三态输出锁存器，转换结束时可由CPU 打开三态门，读出8 位的转换结果；有8 个模拟量的输入端，可引入8 路待转换的模拟量。A/D转换电路的连接如下图2-3所示。图2-3 A/D转换在电路中的连接方案二，V/F变换V/F变换器的原理是将输入的模拟电压信号线性地变换成频率值正比于所测模拟电压的数字脉冲信号。这种V/F变换器的输出脉冲对其输入信号直接跟踪，不需要采样时钟脉冲信号、转换命令信号或任何形式的外部逻辑电路，只需要微机在一定时间内直接对其输出脉冲进行计数处理即获得二进制或十进制数据，该数据即表示计数期间内输入信号的平均值。因此，V/F变换器相对于-变换器在电路设计上简单很多。V/F变换的简易方案如下图2-4所示。图2-4V/F变换方案综合上述，采用方案一能够满足设计要求。2.3计算电路方案方案一计算电路可用数字电路实现，简单容易实现，但存在精度不高、布线复杂、扩展能力并有等问题。方案二计算电路采用单片实现，精度高，可扩展性高，容易实现智能化，缺点是要编写程序，对没有编程经验的同学有一定难度。综合上述选择方案二。3单元电路设计与器件选择3.1 -V转换电路-V转换电路的原理如下图3-1所示。包括微电流源（提供恒定电流）和 差动放大电路（电压取样及隔离放大作用）。恒流源加在被测三极管的基极，再在基极和集电极上分别加一采样电阻。根据三极管电流IC3=IB3的关系，当IB3为固定值时，IC3反映了的变化，电阻R3上的电压VR3又反映了IC3的变化，在集电极电阻上加一差动放大电路求出该采样电阻两端的电压，输出为V1，这样使三极管的放大倍数转化为电压V1，关系为V1=IB3 R3，这样实现了-V转换。图3-1 差分转换电路的原理3.1.1恒流源电路参数计算由于被测三极管基极电流比较小，为了取得固定IB3，通常采用微电流源电路提供恒定电流，其电路上图所示。根据电路原理分析得： 由此可知：只要确定IC2和R2就能确定IR，由此可以确定电阻R1的值。依题意有：T1与T2性能匹配，为PNP三极管。被测晶体管IB3的选择应在30A40 A之间为宜。因为：（1） 值与Ic3有关；（2）小功率管的值在Ic324mA时，工作在放大区，测量较准确。Ic3较大时工作在饱和区，Ic3较小时工作在截止区，结果是测量不准确。因此，取输出电流IC230uA取参考电流IR约为1.3mA左右，则，由，得，=8703.7612=3272，取村称值为3.3K。3.1.2 差分转换电路根据三极管电流IC3=IB3的关系，被测物理量转换成集电极电流IC3 ，而集电极电阻不变，利用差动放大电路对被测三极管集电极上的电压进行采样。差动放大电路原理如下图3-2所示。图3-2差动放大电路图根据理想运放线性工作状态的特性，利用叠加原理可求得取电路参数：R1=R2=R3=Rf,vo=vi2-vi1可见，输出电压值等于两输入电压值相减之差，实现相减功能。为了使差动放大电路起到隔离放大的作用， R3-R7应尽量取大一点，这里取R4=R5=R6=R7=100K。运放采用LF351单运放。其中运算放大器采用集成电路LM311。3.2伏频（V-F）转换电路3.2.1 LM331简介LM331 是美国NS 公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器、A/D 转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。供电电压为+5V。LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V 电源电压下都有极高的精度。LM331 的动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大非线性失真小于0.01，工作频率低到0.1Hz 时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12 位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F 或F/V 等变换电路，并且容易保证转换精度。LM331为双列直插式8脚芯片，其引脚如图4-4所示。图3-3LM331 内部有（1）输入比较电路、 （2）定时比较电路、 （3）R-S触发电路、 （4）复零晶体管、 （5）输出驱动管、 （6）能隙基准电路、 （7）精密电流源电路、 （8）电流开关、 （9）输出保护点路等部分。输出管采用集电极开路形式，因此可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，从而适应TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。此外，LM331可采用单/双电源供电，电压范围为 440V，输出也高达 40V。I（PIN1）为电流源输出端，在f（PIN3）输出逻辑低电平时，电流源输出对电容充电。引脚 2（PIN2）为增益调整，改变的值可调节电路转换增益的大小。f（PIN3）为频率输出端，为逻辑低电平，脉冲宽度由t和t决定。引脚 4（PIN4）为电源地。引脚 5（PIN5）为定时比较器正相输入端。引脚 6（PIN6）为输入比较器反相输入端。引脚 7（PIN7）为输入比较器正相输入端。引脚 8（PIN8）为电源正端。3.2.2 V-F转换电路 图3-4是由 LM331 组成的电压频率变换电路，LM331 内部由输入比较器、定时比较器、R-S 触发器、输出驱动、复零晶体管、能隙基准电路和电流开关等部分组成。输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配 TTL、DTL 和CMOS 等不同的逻辑电路。图3-4当输入端 V1输入一正电压时，输入比较器输出高电平，使 R-S 触发器置位，输出高电平，输出驱动管导通，输出端 f0逻辑低电平，同时电源 Vcc 也通过电阻 RT 对电容CT 充电。当电容 CT 两端充电电压大于 Vcc 的2/3时，定时比较器输出一高电平，使 R-S 触发器复位，输出低电平，输出驱动管截止，输出端 f0为逻辑高电平，同时，复零晶体管导通，电容 CT 通过复零晶体管迅速放电；电子开关使电容 CL 对电阻 RL 放电。当电容 CL放电电压等于输入电压 V1时，输入比较器再次输出高电平，使 RS 触发器置位，如此反复循环，构成自激振荡。输出脉冲频率 f0 与输入电压 V1成正比，从而实现了电压频率变换。其输入电压和输出频率的关系为：fo=V1RS/(2.09RLRTCT)由式知电阻 RT、RL、RS、和 CT 直接影响转换结果 f0，因此对元件的精度要有一定的要求，可根据转换精度适当选择。 电阻 R1 （100K）和电容C1（0.1u） 组成低通滤波器， 可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。由于V1=IBR3，可以令f0=，则计数器恰好在1s内记下所有脉冲数。通过计算、拼凑可以得出：Rs=13.6K，RT= 6.8K， RL=100K，CT=0.1uF，CL=1uF。3.3 值计算电路3.3.1单片机芯片选择单片机选择我们熟悉的 AT89C51。AT89C51 是一个低电压 高性能的 CMOS8 位单片机，片内含 2k bytes 的可反复擦写的制度程序存储器和128 bytes 的随机存取数据存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS -51 指令系统， 片内置通过8 位中央处理器和 Flash 存储单元，可为客户提供许多高性价比的应用场合 同时 AT89C51 还具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有 RAM 定时/计数器 串行口和外中端口， 系统唤醒后即进入继续工作状态 在省电模式中，片内 RAM 将被冻结，时钟停止震荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。由单片机构成的控制电路包括AT 89C51、OSC晶振和LED显示。电路如下图3-1所示。3.3.2 OSC 晶振电路OSC 晶振起振后， 将在 XTAL2 线上输出一个3V 左右的正弦波， 以便使 MCS -51 片内的 OSC 电路按石英晶振相同频率自激振荡 通常， OSC 的输出时钟频率fOSC 为0. 5MHz 1.6MHz 电容 C01 和C02 可以帮助起振，典型值为22pf， 调节它们可以达到微调 fOSC 的目的。3.3.3 液晶显示电路显示电路可以采用LCD显示电路。LCD1602液晶，具有调节对比度的功能，能调节1602电路的对比度，同时能通过51单片机传送的数据进行编译之后显示在1602液晶上，它的15 和16脚是一个分别接VCC和GND。3脚接一个10k的滑动变阻器，然后通过控制这个引脚的电阻值，来控制其显示电容值。4程序设计4. 1 内存地址及管脚分配P2.0P2.7作为1602的显示电路的数据引脚，单片机通过P2引脚传送数据，P1.3 P1.4 P1.5 是作为1602的时能控制脚分别是RS RW En 三个引脚控制单片机的寄存器设置，和数据地址传输。单片机P3.4口作为计数器的输入引脚，将脉冲信号进行计数从而进行处理和变化，送入1602显示。4.2 程序说明首先程序通过初始化LCD1602显示屏，驱动1602.然后对单片机的T0和T1 ，然后将T0设置为计数器模式，计数过来的脉冲。将T1设置为定时器模式，设置定时时间为1s，当在1s的定时时间内，通过T0计数计数频率的值。然后将测得的1s时间内的数值进行处理转换得到1s内脉冲的个数，也就是频率。将这个频率的值送入1602进行显示，由于前面电路已经经过计算，从而测得的频率就是其b的值，从而显示在1602上。4.3 相关程序设计1602.h头文件#include #define uchar unsigned char #define uint unsigned intMian主程序#include #include 1602.h#define DataPort P2sbit RS=P13;sbit RW=P14;sbit EN=P15;uchar i=0;uchar code meun=b = 0000 ;uchar code m10=0123456789;unsigned char T0count; unsigned char timecount; bit flag; unsigned int x; void delay_ms(uchar t)unsigned char i=0;while(t-)for(i=0;i120;i+);void WriteData(uchar dat)EN=0; RS=0; /*RS寄存器选择输入端，当RS=0；当进行写模块操作，指向指令寄存器。 RW=0; /*当RS=1，无论是读操作还是写操作，都是指向数据寄存器。 RS=1; RW=0; EN=1; DataPort=dat; EN=0; RS=0; RW=0; for (i=0;i20;i+);void WriteCmd(uchar cmd)EN=0; RS=0; /*RS寄存器选择输入端，当RS=0；当进行写模块操作，指向指令寄存器。 RW=0; /*当RS=1，无论是读操作还是写操作，都是指向数据寄存器。 EN=1; DataPort=cmd; RS=0; RW=0; EN=0; for (i=0;i20;i+);void DisChar(uchar ps,uchar dat)WriteCmd(0x80+ps);WriteData(dat);void LcdInit(void)uint i;char pp=0;WriteCmd(0x38); delay_ms(5);WriteCmd(0x38); delay_ms(5);WriteCmd(0x38); delay_ms(5);WriteCmd(0x01);delay_ms(5);WriteCmd(0x06);delay_ms(5);WriteCmd(0x38);WriteCmd(0x0c); WriteCmd(0x40); for(i=0;i9;i+)DisChar(i,meuni); void Display(unsigned int x)DisChar(7,mx%10);x /= 10;DisChar(6,mx%10);x /= 10;DisChar(5,mx%10);x /= 10;DisChar(4,mx%10);x /= 10;delay_ms(200);void main(void)TMOD=0x15; TH0=0; TL0=0; TH1=(65536-49989)/256; TL1=(65536-49989)%256; TR1=1; ET0=1; ET1=1; EA=1; TR0=1;LcdInit();while(1)if(flag=1) flag=0; x=(T0count*65536+TH0*256+TL0); timecount=0; T0count=0; TH0=0; TL0=0; TR0=1;Display(x); void t0(void) interrupt 1 using 0/计脉冲个数 溢出后的情形 T0count+; void t1(void) interrupt 3 using 0 /定时1s TH1=(65536-5