信息一级项目

1、信息与电气工程学院电子信息工程CDIO一级项目（2014/2015学年第一学期）题 目 ： 电子应用系统设计 专业班级 ： 电子信息工程 学生姓名 ： 阿三三 学 号： 指导教师 ： 马永强 设计周数 ： 2周 设计成绩 ： 年 1 月 4 日1、CDIO项目设计目的(1)熟悉常用的电子元件（如电阻、电容、二极管、三极管）以及特殊元器件（光敏管、晶体管、集成电路IC等）的种类及各自的结构原理。（2）掌握这些常用电子器件的测试方法。（3）掌握利用EWB或multisim电路仿真操作的方法。2、CDIO设计正文2.1几种基本器件认识2.1.1电阻(1)电阻的概念：电阻表示导体对电流阻碍作用的大小,

2、导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大。不同的导体电阻一般不同，电阻是导体本身的一种性质。电阻元件是对电流呈现阻碍作用的耗能元件。（2）电阻的种类：薄膜类：金属膜电阻、金属氧化膜电阻、碳膜电阻合金类：线绕电阻、精密合金箔电阻合成类：金属玻璃釉电阻、实芯电阻、合成膜电阻厚膜电阻网络敏感类：光敏电阻，热敏电阻等 （3）电阻的结构原理：薄膜类：在玻璃或陶瓷基体上沉积一层碳膜、金属膜、金属氧化膜等形成电阻薄膜，膜的厚度一般在几微米以下。合金类：用块状电阻合金拉制成合金线或碾压成合金箔制成电阻合成类：将导电材料与非导电材料按一定比例混合成不同电阻率的材料后制成的电阻。敏感类：使用不同材料和工艺制造

3、的半导体电阻，具有对温度、光照度、湿度、压力、磁通量、气体浓度等非电物理量敏感的性质，这类电阻叫敏感电阻。（4）电阻的测试方法：a. 万用表测量法把万用表转换开关拨至电阻挡（×1，×10，×100，×1K），选择适当的量程，两表笔短接后旋转调零旋钮使指针指在零刻线上，然后两表笔分别接触待测电阻的两端，从万用表指针所指的数值即可知道电阻值。（注：电阻值等于指示数值乘以所选量程的倍数）b. 伏安法器材：电流表、电压表、滑动变阻器、开关、电源、待测电阻和导线。测量方法：电路如图1所示，用电压表测出待测电阻Rx两端的电压U，用电流表测出通过Rx的电流I，则Rx=

4、U/I。伏安法测电阻有内接法和外接法两种，如图1（a）和（b）所示。当待测电阻Rx的阻值远远小于电压表的内阻时，用图1（a）方法测量，误差较小；当Rx的阻值远远大于电流表的内阻时，用图1（b）的方法测量，误差较小。2.1.2电容（1）电容的概念：电容是表征电容器容纳电荷本领的物理量我们把电容器两极板间电势差增加一伏所需的电量叫做电容器的电容。（2）电容的种类：常用的电容有固定电容电解电容。（3）电容的工作原理：最简单的电容器是由两端的极板和中间的绝缘电介质（包括空气）构成的。通电后，极板带电，形成电压（电势差），但是由于中间的绝缘物质，所以整个电容器是不导电的。不过，这样的情况是在没有超过电容

5、器的临界电压（击穿电压）的前提条件下的。我们知道，任何物质都是相对绝缘的，当物质两端的电压加大到一定程度后，物质是都可以导电的，我们称这个电压叫击穿电压。电容也不例外，电容被击穿后，就不是绝缘体了。不过在中学阶段，这样的电压在电路中是见不到的，所以都是在击穿电压以下工作的，可以被当做绝缘体看。 但是，在交流电路中，因为电流的方向是随时间成一定的函数关系变化的。而电容器充放电的过程是有时间的，这个时候，在极板间形成变化的电场，而这个电场也是随时间变化的函数。实际上，电流是通过场的形式在电容器间通过的。（4）电容的测试方法：a.电容表法 利用电容表直接读取电容量。机械式电容表需外接工频电

6、源,准确度较低，一般在2.5级以下。数字电容表由电池供电,测试频率为数百赫,测量范围从数皮法到数千微法,误差为满刻度的±(0.51.0)±1字。可作为准确度要求不太高时的电容测量仪表。 b.三表法使用电压表、电流表和功率表测量电容量。由三表的读数U、I、P 以及电源的角频率 ,根据公式得到电容量。若损耗可忽略,P0, ,此时只用电压表、电流表的读数由CI/(U)即可计算出电容量。c.谐振法 将标准电感Ls和待测电容C 组成串联或并联回路，由高频信号发生器供电。调节发生器输出信号的频率，使回路谐振。由谐振频率f0可根据公式得到

7、电容量。2.1.3二极管（1）二极管的概念：二极管又称晶体二极管，也叫半导体二极管，用半导体单晶材料（主要是硅和锗）制成，是半导体器件中最基本的一种器件，是一种具有单方向导电性的无源半导体器件。（2）二极管的种类：按材料分：锗二极管、硅二极管按结构分：点接触二极管、面结构二极管按工作原理分：肖特基二极管、隧道二极管、雪崩二极管、齐纳二极管、变容二极管按用途分：功率二极管、检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、光电二极管、阻尼二极管、双基二极管（3）二极管的结构原理：晶体二极管为一个由P型半导体和N型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存

8、在外加电压时，由于P-N 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。当外加的反向电压高到一定程度时，P-N结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象（4）二极管的测试方法：判断二极管的极性：根据二极管的正向电阻小，反向电阻大的特点可判断二极管的极性。将万用表拨到欧姆挡

9、（般用R×100或R×1k挡、不要用R×1挡或R×10k挡。因为R×1挡使用电流太大，容易烧毁管子；而R×10k挡使用的电压太高，可能击穿管子）。用表笔分别与二极管的两极性相连，测出两阻值，在所测得阻值较小的一次，与黑表笔相连的一端即为二极管的正极。同理，在所测得阻值较大的一次，与黑表笔相接的一端为二极管的负极。如果测得的反向电阻很小，说明二极管内部短路；若正向电阻很大，则说明管子内部断路。在这两种情况下二极管就需报废。判断二极管的材料：硅二极管一般正向压降为0.6V0.7V，正向压降为0.IV0.3V，所以测量一下二极管的正向导通电

10、压，便可判断被测二极管是硅管还是锗管。方法是在干电池的端串一个电阻（lk），同时按极性与二极管相接，使二极管正向导通，这时用万用表测量二极管两端的管压降，如果是0，6V0.7V即为硅管浊口为0，IV0，3V即为锗管。2.1.4三极管（1） 三极管的概念：半导体三极管也称双极型晶体管,晶体三极管,简称三极管,是一种电流控制电流的半导体器件. （2） 三极管的分类：按结构分：PNP型三极管、NPN型三极管按材料分：硅三极管、锗三极管按三极管工作频率分：有低频管、高频管按三极管允许耗散的功率分：有小功率管、中功率管和大功率管。（3） 三极管的判别方法：三极管基极的判别：根据三极管的结构示意

11、图，我们知道三极管的基极是三极管中两个PN结的公共极，因此，在判别三极管的基极时，只要找出两个PN结的公共极，即为三极管的基极。具体方法是将多用电表调至电阻挡的R×1k挡，先用红表笔放在三极管的一只脚上，用黑表笔去碰三极管的另两只脚，如果两次全通，则红表笔所放的脚就是三极管的基极。如果一次没找到，则红表笔换到三极管的另一个脚，再测两次；如还没找到，则红表笔再换一下，再测两次。如果还没找到，则改用黑表笔放在三极管的一个脚上，用红表笔去测两次看是否全通，若一次没成功再换。这样最多没量12次，总可以找到基极。 三极管类型的判别： 三极管只有两种类型，即PNP型和NPN型。判别时只

12、要知道基极是P型材料还N型材料即可。当用多用电表R×1k挡时，黑表笔代表电源正极，如果黑表笔接基极时导通，则说明三极管的基极为P型材料，三极管即为NPN型。如果红表笔接基极导通，则说明三极管基极为N型材料，三极管即为PNP型。 2.1.5光敏管（1）光敏二极管的概念：光敏二极管是一种PN结单向导电性的结型光电器件.与一般半导体二极管类似，其PN结装在管的顶部，以便接受光照，上面有一个透镜制成的窗口，可使光线集中在敏感面上。光敏二极管在电路中通常工作在反向偏压状态。（2）光敏管的种类：光敏二极管、光敏三极管（3）光敏二极管的结构及工作原理：a.光敏二极管的工作原理如图7-9所

13、示，在无光照时.处于反偏的光敏二极管，工作在截止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越限挡层，形成微小的反向电流即暗电流。  当光敏二极管受到光照时,PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反偏电压和内电场的作用下，P区少数载流子渡越阻挡层进人N区，N区的少数载流子渡越阻挡层进人P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。b.光敏三极管的结构及工作原理光敏三极管与普通半导体三极管一样，是采用半导体制作工艺制成的具有NPN 或PNP 结构的半导体管。它在结构上与半导体三极管相似，它的引出电

14、极通常只有两个，也有三个的。光敏三极管的结构如图所示。为适应光电转换的要求，它的基区面积做得较大，发射区面积做得较小，入射光主要被基区吸收。和光敏二极管一样，管子的芯片被装在带有玻璃透镜金属管壳内，当光照射时，光线通过透镜集中照射在芯片上。 将光敏三极管接在图所示的电路中，光敏三极管的集电极接正电位，其发射极接负电位。当无光照射时，流过光敏三极管的电流，就是正常情况下光敏三极管集电极与发射极之间的穿透电流Iceo 它也是光敏三极管的暗电流，其大小为Iceo =(1 + hFE) I式中: Icbo-集电极与基极间的饱和电流;hFE -共发射极直流放大系数。 当有光

15、照射在基区时，激发产生的电子-空穴对增加了少数载流子的浓度，使集电结反向饱和电流大大增加，这就是光敏三极管集电结的光生电流。该电流注入发射结进行放大，成为光敏三极管集电极与发射极间电流，它就是光敏三极管的光电流。可以看出，光敏三极管利用普通半导体三极管的放大作用，将光敏二极管的光电流放大了( I + hFE) 倍。所以，光敏三极管比光敏二极管具有更高的灵敏度。当基极开路时，基极-集电极处于反偏.当光照射到PN结附近时，使PN结附近产生电子一空穴对，它们在内电场作用下，定向运动形成增大了的反向电流即光电流，由于光照射集电结产生的光电流相当于一般三极竹的基极电流，因此集电极电流被放大了(f3+1)

16、倍，从而使光敏三极管具有比光敏二极管更高的灵敏度。 锗光敏三极竹山于其暗电流较大，为使光电流与暗电流之比增大，常在发射极一基极之间接一电阻(5 kn左右)。对应硅平面光敏三极管，由于暗电流很小(小于10-9A)。一般不备有基极外接引线，仅有发射极、集电极两根引线。 2.2multisim仿真软件2.2.1multisim仿真软件的功能及特色Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。multisim提供了全面集成化的设计环境，完成从原理图设计输入、电路仿真分析到电路功能测试等工作。当改变电路连接或改变元件参数，对电路进行仿真时，可以清楚地观察到各种变化对电路的影响。该软件有以下特点：a.所见即所得的设计环境； b.互动式的仿真界面c.动态显示元件（如LED，七段显示器等）d.具有3D效果的仿真电路e.虚拟仪表f.分析功能与图形显示窗口2