半导体三极管β值测量仪.doc

2012课程设计论文题 目：半导体三极管值测量仪年级专业：_学号：_姓名：_摘要本设计以集成运放LM324为核心器件并加以555定时器、编码、译码等器件搭接而成。在基本部分，首先自制微电流源产生恒定电流，作为待测三极管的基极电流，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，集电极电阻上的电压又反映了IC，用差分电路从待测三极管的集电极采集电压，即将变化的值转化为与之成正比变化的电压量，再进行电压比较、分档，将连续变化的模拟量转化成高低电平0和1，再用CD4532编码、CD4511译码，显示部分采用共阴七段数码显示管。在发挥部分，设计压控振荡器将采集的电压量转化成与之成正比变化的频率，合理设定参数使在一定时间内通过的脉冲个数即为被测三极管的值；计数时间控制信号是基于555定时器设计而成的多谐振荡器产生；74LS90构成十进制计加法计数器，用于计数脉冲的个数，计数时间结束时将计数值送74LS194锁存，并在计数时间信号的控制下将锁存数值送至CD4511译码，最后由共阴七段数码显示管显示计数值。纵观整体，本设计集所学电子技术大部分知识，其中前半部分的微电流源、采样电路、电压比较电路以及压控振荡电路均属于模拟部分，而后半部分的编码、译码、定时及显示部分则属于数电部分。设计完成后首先在计算机上用multisim仿真优化设计方案，仿真正确后在面包板身上安装、调试。关键词：三极管值、微电流源、压控振荡器目录一、设计任务 - -3-二、设计要求 - -3-三、电路设计 - -3-3.1 设计思路 - -3- 3.1.1 基础部分 - -3- 3.1.2 发挥部分 - -6-3.2 参数计算及部分元器件说明- -9- 3.1.1 基础部分 - -9- 3.1.2 发挥部分 - -14-四、完整电路图 - -17-五、组装调试- -18-5.1 使用的主要仪器和仪表- -18-5.2 调试电路的方法和技巧- -18-5.3 测试的数据和波形并与计算结果比较分析- -18-5.4 调试中出现的故障、原因及排除方法- -18-六、总结- -19-七、系统元器件列表- -19-八、收获、体会- -19-九、参考文献- -20-一、设计任务设计制作一个可自动测量NPN型硅三极管值的显示测量仪。二、设计要求1基本部分（1）对被测三极管的值分三档；（2）值的范围分别为80120及120160，160200；其对应的分档编号分别是1、2、3；待测三极管为空时显示0，超过200显示4。（3）用数码管显示值的档次；2发挥部分（1）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0-199。（2）响应时间不超过2秒，显示读数清晰，注意避免出现“叠加现象”。（3）自制所需直流稳压电源。（4）其它。三、电路设计1、设计思路基本部分首先，基本部分分为电流源电路、采样电路、分压电路、比较器、编码电路、译码及显示电路六个模块组成。设计框图如下：基本部分方案方框图1） 电流源电路方案一：镜像电流源。采用镜像电流源作为微电流源电路部分，有一定的温度补偿作用。方案二：比例电流源。采用比例电流源作为微电流源电路部分。方案三：威尔逊电流源。采用威尔逊电流源作为微电流源电路部分。方案一当Ic较小时，需要较大的R,集成电路难以集成较大的电阻，而方案二当较小时，误差较大，而方案三可使Ic高度稳定，受基极电流影响较小，综上电流源部分选择方案三。如下图：2） 采样电路此模块由差分放大电路组成，把与三极管值成比例的集电极电压取出来，再把电压采样放大，为下一级电压比较电路提供采样电压，同时起隔离作用，防止对前面的电路造成影响。合理设定参数，使放大倍数为1，运放采用+5V单电源供电。如下图：3）比较电路被测值须分为三档（即值分别为80120、120160及160200，对应档的编号分别是1、2、3，同时规定80或空测时显示为0，值超过200时显示为4）所以必须考虑到少于80和大于200的情况，于是比较电路需要把结果分成五个层次，故需要四个基准电压。可用一个串联电阻网络产生四个不同的基准电压，再用四个运算放大器组成的比较电路，基准电压不同基准值分别接入运放的反相输入端，取样电压同时加到具有不同基准电压的比较电路的同相输入端进行比较，对应某一采样电压V1，高于相应基准值的比较电路输出为高电平，低于基准值的比较器输出为低电平。如下图：4） 编码电路该电路将电压比较电路的比较结果（高低电平）进行二进制编码，使之转化成二进制数。该编码功能主要由集成芯片8位优先编码器CD4532完成。如下图： 5） 译码电路该电路把编码电路编成的二进制数译码成十进制数，以便于人机交流（即要显示的数为人类易懂的十进制数1、2、3）和数码管显示。该电路功能主要由集成芯片芯片CD4511完成。如下图：6）显示电路该电路功能是用共阴七段数码管显示被测量的NPN型三极管值的档次，注意接保护电阻，防止因电流过大而烧坏数码管。如下图：发挥部分此部分的输入信号来自基本部分中采样电路的输出电压，包括压控振荡器、定时控制电路、计数器、锁存器、译码及显示电路六个模块。1） 压控振荡器压控振荡电路分电荷平衡式和复位式两种，本设计采用复位式结构，实现将电压转化成频率，电路图如下所示：如上图所示，集成运放U7A、C1、R17、R18等组成积分电路，U8B、R22、R23得组成滞回比较器，VCC通过分压为滞回比较器提供参考电压，通过计算合理设定参数从而实现了将与值成比例的电压转化成与值成比例的频率，以便为设定定时时间提供依据。2） 定时控制电路此电路基于555定时器与电阻、电容组成的多谐振荡器作为定时控制电路，根据值与频率的比例关系合理设定R、C的值，使在有效定时时间内通过的脉冲数等于待测三极管的值，电路原理图如下：多谐振荡器的电路图 多谐振荡器的输出波形图3） 计数电路该部分由二五十进制计数器74LS90构成，首先将芯片连成十进制（即将74LS90的1号引脚clk1与12号引脚Q0相连），为精确显示计数共需用三片，分别显示各位、十位和百位，低位计数器的11号引脚Q3作为进位信号接到高位计数器的时钟信号端（即高位的14号引脚clk0）。部分电路图如下：时钟信号控制信号进位信号计数器电路图4） 锁存电路用3个74LS194构成三位锁存器分别对计数器个位、十位和百位上的数进行锁存，在定时控制控制信号的作用下定时结束时将锁存的数值送至译码器，一驱动数码管显示。部分电路图如下：定时控制信号定时控制信号锁存器电路图5） 译码、显示电路该部分由3片译码器CD4511和3个共阴七段数码显示管组成，其连接方式与基本部分中的译码、显示电路相同，功能是将计数值转化成十进制并通过数码管显示出来。电路图如下所示：译码、显示电路图 共阴七段数码显示管引脚图2、参数计算及部分元器件说明基本部分1） 微电流源 采用威尔逊电流源作为微电流源，其电路原理图如图4-1所示， 图4-1其相关参数的计算如下：另输出电流Ic2=25uA, 由所以R1选取105电位器滑到144K即可。2） 采样电路R2是基极取样电阻，由于基极电流Io30uA，所以为了便于测量，R2应尽量取大一点，这此取R2=20K。R4为集电极取样电阻，则取样电压可根据公式：又因为值的范围为80到200，同时为使VCE的选择应不小于1V，三极管工作在合适的状态，VCE的选择应不小于1V。当值为200时，取样电压最大，集电极与发射极之间的电压最小，为使，即R4617，为方便计算及选择电阻，取R4的值为510。根据三极管电流IC=IB的关系，被测物理量转换成集电极电流IC 而集电极电阻不变，利用差分放大电路对被测三极管集电极上的电压进行采样，。差分放大电路原理如下所示：差分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当R1=R2=R3=Rf, vo=vi2-vi1，作减法运算。此外电路中差分放大电路还起隔离和放大的作用，故运放的同相和反相输入端的输入电阻应尽量取的大一些，计算可得：取样电压最低为1.224V，最高为3.06V，均为可准确测量值，无需放大，故在此可取R5=R6=R7=R8=30k。差分放大电路的输出电压为：。3） 分压比较电路设计要求可知，显示被测三极管值范围为80200，分三档显示为80120，120160，160200，因此，应设定5个基准电压参考点，分别为80、120、160、200。根据公式比较电压值。由R4、被测三极管值即可计算出对应的基准比较电压：当=80时， Uo1=VR4=Io*R4=0.00003*80*500=1.224V当=120时，Uo1=VR4=Io*R4=0.00003*120*500=1.836V当=160时，Uo1=VR4=Io*R4=0.00003*160*500=2.448V当=200时，Uo1=VR4=Io*R4=0.00003*200*500=3.060V基准电压可以采用一个串联的电阻网络对一个固定的电压进行分压得到，可通过计算得出电压比较电路串联网络中各个分压电阻的阻值，采用5V电源供电，设分压总电阻取R=80k，则各分压基准值处电阻为：=80时， R19.584k=120时，R29.376k =160时，R39.168k =200时，R48.960k 电压比较电路的分压电阻电阻为：R9=19.584k R10=9.783k R11=9.783k R12=9.783k R13=31.04实际电路中可近似取R9=20k R10=10k R11=10k R12=10k R13=30采样电路输出电分压比较电路图比较电路由集成运放LM324组成，采用单电源供电。在没有负反馈的情况下，运放工作在非线性区，当同相输入端电压高于反相输入端电压时输出为高电平，反之为低电平，从而实现了电压比较的目的。采样电路的输出电压V0 通过LM324分别与基准电压U0，U1，U2，U3，U4 进行比较，并输出相应的高电平或低电平。比较器的同相输入端和采样电路的输出电压V0相接，而反相输入端则分别接分压电路的基准电压，将这两个电压进行比较，从而在输出端得到高低电平，进而将模拟量转化成数字量。4） 编码电路为将电压比较得到的高低电平转换成二进制代码以便显示，须对结果进行编码译码，在此采用集成芯片8位优先编码器CD4532，其引脚图和电路图如下所示：CD4532引脚图 CD4532电路图其中：D0D7为数据输入端，EIN为控制端，Q0Q2为输出端，VDD接电源，采用+5V电源供电，VSS接地端，Gs、Eo为功能扩展端（无需连接）。CD4532的真值表如下表所示：根据CD4532的真值表可知：当控制使能端EI接高电平，VDD接高电平，VSS接低电平时，芯片工作在编码状态。输入端I4I1分别接比较电路的四个运放输出端，I0接地，其余输入端I7I5则接低电平，输出端Q0Q3分别接译码器CD4511的输入端口。5） 译码显示电路译码电路用译码器CD4511组成，将编码得到的二进制转换成十进制以便用数码管显示，CD4511的引脚图和电路图如下所示： U14511BD_5VDA7DB1DC2DD6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14EL5BI4LT3 CD4511引脚图 CD4511电路图其中：A、B、C、D为数据输入端，、LE为控制端。ag为输出端，其输出电平可直接驱动共阴数码管进行09的显示。根据CD4511的真值表，要使译码电路正常工作，LE接低电平，、接高电平，D端接地，C、B、A、分别接编码器的三个输出端Q2、Q1、Q0。而八个输出端则接共阴数码管的输入端（共阴七段数码显示管的引脚图及接法如上文所示），数码管注意接保护电阻，以免因电流过大而烧坏。发挥部分1） 压控振荡电路如图所示，压控振荡器采用复位式结构，由积分电路和滞回比较器组成，滞回比较器的输出Vo只有两种状态，即输出上限和 ，Vo经反馈回路控制三极管Q1的导通和截止，从而控制电容C1的充电时间，输出电压E1的大小决定了积分电路同相输入端的点位Vp1，由此控制积分电路的积分时间，以达到通过输入电压变化控制输出频率的目的；另外，其中的运放LM324采用V双电源供电。首先，由集成运放U2、R5、R6等组成的滞回比较器。根据叠加原理，可知U2同相输入端电位：为方便计算，取R5=50k，R6=100k，由此可以得到比较器翻转的阈值：当Vo=+Vom时，三极管饱和，忽略三极管的饱和压降，此时有其中，整理可得取R1=100k，R2=R3=R4=50k，有 （1）同理，当Vo=Vom时，三极管截止，此时有故 （2）综合式（1）和（2），当Vo高电平时类似可得，当Vo低电平时于是，振荡频率为即振荡频率f随输入控制电压E1线性变化，又因为高低电平的时间相等，故振荡输出为方波。通过仿真观察频率，调整输出电压Vom和电容C的值，使频率与放大系数值相等。2） 定时控制电路由555定时器与电阻、电容组成的多谐振荡器作为定时控制电路，由于压控振荡器转化的频率与值相等，则1s内通过的脉冲个数就是待测三极管的直流放大系数值，通过设定R、C的值，使定时高电平持续时间为1s，定时周期为1.2s，根据多谐振荡器的周期公式：计算可得： =2140k可选R1=1304k，R2=145k，在实际电路连接时可用电位器适当调整电阻阻值，不过上升沿时间恒为1s不变。通过仿真进一步优化设计方案，使计数时间准确，然后在输出端加一反相器，利用控制信号的下降沿计数。最后将信号接到计数器74LS90和锁存器74LS194的相应控制端口，以控制其计数和锁存。3） 计数锁存及译码电路为避免出现“叠加现象”计数器和译码器同时受定时控制信号控制，在控制信号低电平时，计数器74LS90工作在计数状态而锁存器74LS194工作在保持状态，控制信号的上升沿到来时，计数结束，同时74LS194跳转到送数状态，将此时的计数值送至译码器以译码显示计数值，此时显示的数值即为待测三极管的值。另外，根据设计要求，值的范围是0199，须对定时电路的计数范围加以限制，使计数值超过199时做相应的处理，该设计中，当计数值超范围时使之自动置9。最后，译码和显示电路部分的原理与基本部分中的译码显示相同，故不多述。四、完整电路图五、组装调试1、使用的主要仪器和仪表（1） 直流稳压电源 1台（2） 示波器 1台（3） 万用表 1台（4） 函数发生器 1台2、调试电路的方法和技巧；把一个总电路按框图上的功能分成若干单元电路，按调试要求测试各单元电路的性能指标和观察相应波形。调试顺序按信号的流向进行，这样可以把前面调试过的输出信号作为后一级的输入信号，为最后的整机联调创造条件。在完成各单元电路调试的基础上，开始整机联调，此时应观察各单元电路连接后各级之间的信号关系，主要观察动态结果，检查电路的性能和参数，分析测量的数据和波形是否符合设计要求，对发现的故障和问题及时采取处理措施，最后完成整机调试。对于该系统，此方法既便于调试，又可及时发现和解决问题。3、测试的数据和波形并与计算结果比较分析将以是测好的三极管插入电路进行测试。插入值为95的三极管，显示97；插入值为160的三极管，显示158；插入值为185的三级管，显示191；插入值为210的三极管，显示205。4、调试中出现的故障、原因及排除方法。（1）压控振荡器出来的信号幅值为10V左右，原因为稳压管已烧坏。用示波器观察压控振荡器的输出波形，输出信号幅值为10V，判断为稳压管已烧坏。（2）译码显示不正常，原因为CD4511有个管教虚接。在CD4511输入侧输入BCD码，观察显示结果再判断。（3）数码管显示不全或不亮，检查数码管的连线，是否接有保护电阻，电源线和接地线是否接错，检查驱动电路是否有问题，将驱动电路所不用的引脚接地，防止干扰。（4）另外，还要注意整体布局，走线要横平竖直，以免造成交叉干扰，尽量做到接线短、接线少、测量方便；第一级的输入线与末级的输出线、高频线与低频线要远离，以免形成空间交叉耦合。六、总结（1） 优点：本系统设计工作稳定可靠，能达到所要求的性能指标；电路结构简单，成本低，功耗低；所采用元器件的品种少、体积小且货源充足；便于生产、测试和维修 。（2） 缺点：本系统采用纯硬件器件设计，电阻电容等器件参数不完全准确，致使测试结果准确度偏低。（3） 核心及实用价值：主要深化所学理论知识，培养综