晶体管β值数显测量电路.doc

课题五 晶体管值数显测量电路一、 设计任务与要求1、 设计任务 设计一个低频小功率NPN型硅三极管共射极电流放大倍数值测量电路。2、基本要求（1） 值的测量范围为50 250。（2） 接入晶体管后自动显示被测晶体管的值，当没有接入晶体管时数码管显示为零。（3） 当接入晶体管的值不在测量范围时，用发光二极管指示。（4） 测量精度为5%。（5） 测量响应时间t1S。3、 扩展要求（1） 分档指示功能，当值为50100，100180，180250时，分别用发光二极管指示。（2） 能测量PNP管的值。二、 基本工作原理由设计要求可知只要将被测晶体管的值转换为对应的电压值，对值的测量转变为对电压的测量。将此电压进行比例调整后，进行A/D转换，然后进行译码显示即可。其原理框图如图2-5-1所示。三、 单元电路设计参考1、 /V转换电路基本思路为：对被测晶体管输入一固定值的基极电流，则其集电极电流Ic=Ib，然后将集电极电流转换为电压即可。基极电流的设置可以采用如下两种方式。其一、如图2-5-2所示，选择恰当的基极偏置电阻Rb实现基极电流设置。其二，利用恒流源实现基极电流的设置，如图2-5-3所示。这种方式的优点是可以对锗管设置基极电流而不需要改变电路结构或元件参数。由于要提供很小的基极电流，恒流源可以用如图2-5-4所示的微电流源实现。微电流源的参考电流与输出电流之间的函数关系为： 其中参考电流的大小可以表示为：在设计中一般先确定IR和IC的值再去确定Re的值。注意基极电流的大小应保证使所有被测晶体管都工作在放大区。一般可设基极电流为10uA。电流电压的转换可以这样进行：其一、直接将Rc两端的电压取出这时有，当Ib=10uA，=100，Rc=1K 时有Uo=1V。其二、利用集成运放构成的电流电压转换电路将集电极电流转换为电压如图2-5-5所示。输出电压与电流之间的关系为：2、 比例调整电路比例调整电路的主要作用是将/V转换电路的输出电压作适当的调整提供给A/D转换电路，以期得到一个合适的二进制数值，便于译码显示出对应的值。常用的比例调整电路有：反相比例电路，同相比例电路，差动放大电路等。在此介绍一下常用的三运放差动放大电路，电压如图2-5-6所示。该电路具有高输入阻抗、高共模抑制比的特点，其输出电压可表示为：通过调整Rp电阻的大小可以调整输出电压与输入差模电压的比例关系。3、 A/D转换电路A/D转换电路将模拟量转换为数字量。实际应用中A/D转换芯片的种类有很多；根据转换速度分为高速、低速，根据转换精度分为8位、10位、12位，根据转换的工作原理分为计数型、双积分型、逐次逼近型、并行转换型等，实际设计电路时应根据具体系统的要求选择恰当的A/D转换芯片。ADC0809是一种8位的逐次逼近型的转换芯片，速度较高，价格适中在实际中使用较广。现在以ADC0809为核心给出一个A/D转换电路的参考设计。（1） 主要技术指标和特性分辨率：8位；总的不可调误差：LSB；转换时间：取决于芯片时钟频率，当CLK=500KHz时，转换时间为128us；单一电源：5V；模拟输入范围：单极性0-5V，双极性5V，10V；时钟频率范围：10 KHz-1280 KHz；具有可控三态输出缓冲器；启动转换控制为脉冲式（正脉冲），上升沿使所有内部寄存器清零，下降沿使A/D转换开始；使用时不需要进行零点和满刻度调节。（2） 内部结构ADC0809内部结构如图2-5-7所示。各引脚的定义如下： 地 地 址选中通道CBA000IN0 001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7IN0-IN7：8路模拟输入，通过ADDA、ADDB、ADDC3根地址线来选通一路。D7-D0：A/D转换后的数据输出端，为三态可控，其中D7为最高位，D0为最低位。ADDA、ADDB、ADDC：模拟通道选择地址信号，ADDA为低位，ADDC为高位；地址信号与选中通道的对应关系如表所示。VR（+）、VR（-）：正、负参考电压输入端，用于提供片内DAC电阻网络的基准电压。在单极性输入时，VR（+）=5V、VR（-）=0V；双极性输入时VR（+）、VR（-）分别接正、负极性的参考电压。CLK：时钟信号输入端，时钟频率范围：10 KHz-1280 KHz；典型值为640 KHz。ALE：地址锁存允许信号，高电平有效。当此信号有效时，ADDA、ADDB、ADDC三位地址信号被锁存、译码选通对应的模拟通道。在使用时，该信号通常和START信号连在一起，以便同时锁存通道地址和启动A/D转换。START：A/D转换启动信号，正脉冲有效，上升沿使所有内部寄存器清零，下降沿使A/D转换开始；如正在进行A/D转换时，又接到新的转换启动信号，则原来的转换进程被中断，重新从头开始转换。EOC：转换结束信号，高电平有效。在A/D转换进程中为低电平，其余时间为高电平。OE：输出允许信号，高电平有效。（3） 工作时序与使用说明ADC0809的工作时序如图2-5-8所示。当通道选择地址有效时，ALE信号一出现，地址马上被锁存，这时启动信号START紧随ALE之后（或与ALE信号同时）出现。START信号的上升沿使所有内部寄存器清零，在上升沿之后的2us加8个时钟周期内（不定）EOC信号变低，以指示转换操作正在进行中，直至转换完成后EOC信号再变高。模拟输入通道的选择，可以相对于转换开始独立进行（当然，不能在转换中进行），然而通常是将通道选择和启动转换结合起来完成。 (4)AD转换控制电路设计实现A/D转换控制的方式可以有多种。其一、直接利用转换结束信号去启动转换。这种方式需要在电路上电后给出一个初始的启动信号，在一定的时钟频率下属于全速转换电路，可以达到该时钟频率作用下的最高转换频率。其二、由外部控制器给出控制信号。在很多应用场合，一般都由微控制器实现对A/D转换的控制。对于小型的简单的应用系统，可以由中小规模集成电路实现控制器。根据ADC0809的转换时序，可以作出控制转换的MDS图，然后设计控制器。针对本课题，是一个简单的低速测量显示电路，不需要进行数据的存储；因此可以将输出使能信号OE接高电平，然后定时地给出一个单脉冲的启动信号即可。此单脉冲的启动信号可以由单稳态电路实现，也可以由一个计数器的进位信号实现。（5）时钟信号的实现时钟信号可以由各种方波发生电路实现，实际应用中有很多种方波发生器，这里介绍以CD4060为核心的方波发生器，其电路如图2-5-9所示。CD4060是14位的二进制计数器。内部有14级的二分频器，和两个反相器。CP1、CP0分别为时钟的输入、输出端，既内部反相器G1的输入和输出。图中R为反馈电阻（10M-100 M），目的为反相器提供偏置，使其工作在放大状态。C1是频率微调电容，取5-30pF，C2是温度特性校正电容，一般取20-50 pF。内部反相器G2起整形作用，且提高带负载能力。石英晶体采用32768Hz晶振，此时Q13输出信号频率为2Hz。4、 译码显示电路译码器的作用是将BCD码译成与LED数码管相适应的形式。因电路非常简单此处不作介绍。二进制-BCD码的转换。由于所采用的是输出为二进制数的A/D转换芯片，其输出不能直接用于译码显示电路，因此必须将二进制数转换为BCD码。可以采用的方式为：一、采用专用集成电路实现，但此种集成电路很难购买。二、利用查表方式实现。用存储芯片，将二进制数作为存储器的地址信号，在对应的字节存入BCD码即可。在设计时要先根据实际的转换关系将BCD码存入存储器。四、可供选择的器件型号名称型号名称9011、9013NPN硅三极管CC40106六施密特触发器9012、9015PNP硅三极管CC4013双D触发器LM342通用集成运放CC4098双单稳态触