半导体三极管β值测量仪

1、目录目录2第一部分系统设计31.1设计题目及要求31.2设计思路分析3设计思路3设计方案4方案论证与比较6第二部分单元电路设计72.1被测三极管电路工作原理和功能说明72.2 -v转换电路工作原理和功能说明92.3 LM331电路工作原理和功能说明92.4 555单稳态电路工作原理和功能说明122.5 计数、译码、显示电路及其原理和功能说明13第三部分整机电路图153.1 整机电路图153.2 元件清单15第四部分性能调试164.1 电路调试164.1.1 调试使用的仪器164.1.2 指标测试步骤及测量数据16故障分析及处理174.2 电路实现的功能和系统使用说明19第五部分课程设计总结19

2、附件一整机电路图22附件二 IC资料23第一部分 系统设计1.1设计题目及要求设计题目：半导体三极管值测量仪设计任务：设计一个可测量NPN型硅三极管的值的显示测量电路（<200）任务要求：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,显示器显示读数清晰，注意避免出现“叠加现象”。3电源采用5V或±5V供电。1.2设计思路分析1.2.1设计思路将变化的值转化为与之成正比变化的电压或电流量，再将得到的电压或者电流量转换为频率，然后计数、译码显示。上述转换过程可由以下方案实现： 根据三极管电流IC=IB的关系，当IB为固定值时，IC反

3、映了的变化，电阻RC上的电压VRC又反映了IC的变化，这样，被测三极管就可以通过-V转换电路把三极管的值转换成对应的电压，然后再通过压控振荡器把电压转换成频率，若计数时间及电路参数选择合适，在计数时间内通过的脉冲个数即为被测三极管的值。由于值范围为0-199，因此百位数只有0和1两种情况，因此百位显示可以考虑不用译码管直接输出显示（0时无显示，1时显示1），总共只用两个译码管即可示可以 1.2.2设计方案译码器计数器555多谐振荡电路(计时脉冲)积分器+滞回比较器(v-f转换)-v转换被测三极管显示模块方案一方案一说明：积分器+滞回比较器：理论上能够使-v转换模块的输出电压转换为f输出。555

4、多谐振荡电路：产生1s的高电平与v-f转换电路的f一起输入门后得到f。被测三极管显示模块译码器计数器555多谐振荡电路(计时脉冲)LM331(v-f转换)-v转换方案二方案二说明：LM331：LM331是定时器型电荷平衡v-f转换器。LM331在输入电压的正常变化范围内输出信号频率和输入电压之间保持良好的线性关系，转换误差可减小到0.01%。输出信号频率的变化范围约为0100khz。译码器计数器555单稳态电路(计时脉冲)LM331(v-f转换)-v转换被测三极管显示模块方案三方案三说明：555单稳态电路：输出脉冲的宽度tw等于暂稳态的持续时间，而暂稳态的持续时间取决于外接电阻R和电容C的大小

5、。tw=1.1RC1.2.3方案论证与比较方案一：v-f模块是由积分器+滞回比较器搭建而成，电路走线复杂，占用面包板空间较多，同时工作电路难以调试，不稳定。计时脉冲模块由于是多谐振荡电路，计数器会对f多次计数，考虑到能够选用的计数芯片CD4518是高电平清零的，这会占用计数时间，而且搭建电路比较复杂。方案二：选用了LM331芯片搭接v-f转换电路，电路简单，稳定度高，但由于计时模块还是采用了多谐振荡电路，所以清零电路搭接麻烦，同时相比与555单稳态电路来说，电路复杂。方案三：集合了方案一和方案二的优点，采用了LM331模块和555单稳态模块，由于没有多次计数，使得清零信号可以由手动清零，显示电

6、路采用了CD4511-CMOS BCD锁存/7 段译码/驱动器，可以维持显示保持，避免出现叠加现象。综上所述从电路的复杂性，稳定性，和占用面包板的面积和成本等各个方面考虑，选择了方案三来实现这次课程设计。第二部分 单元电路设计2.1被测三极管电路工作原理和功能说明为了让电流IB保持不变，电流源部分采用了微电流源，其电路图如下微电流源集成运放输入级放大管的集电极(发射极)静态电流很小，往往只有几十微安，甚至更小。为了只采用阻值较小的电阻，而又获得较小的输出电流IC2(即T3管的基极电流IB)，可以将比例电流源中Re0的阻值减小到零，便得到如上图所示的微电流源。当>>1时，Q2管集电极

7、电流IC2=IB=(UBE0-UBE1)/R2式中(UBE0-UBE1)只有几十毫伏，甚至更小，因此只要几千欧的Re就可以得到几十微安的IB。图中的Q1和Q2管子特性完全相同，IC2=(UT/R2)ln(IR/IC2)。式中基准电流IR=(VCC-UBE0)/R1。VCC=5v，UBE0=0.7v，UT=26mV我们取R1=3k，得到IR=1.43mA，同时由于IB的选择应在30A40A之间为宜，我们取IB=32A代入上面的式子得到R2=3.3k。VCE的选择应不小于1V,以使三极管工作在合适的状态。VCE=VCC-IBRC，将各数值代入，这里我们取最大值为200，算出RC625欧，考虑到使用

8、常用电阻，这里选择RC=390。2.2 -v转换电路工作原理和功能说明根据三极管电流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。同时为了避免后级电路对前级电路的影响，采用跟随器作为隔离级，其电路图如下电压跟随器的输出u0=ui。考虑到选用常用阻值的电阻，所以这里R7和R5选用了200k和100k大小的电阻。即u0=IBRC。所以u0=0.02496。2.3 LM331电路工作原理和功能说明为了能够更清晰的说明LM331的工作原理，下面是引用课本的资料按照图11.3.17接上外围的电阻、电容元件，就可以构成精度相当高的压控振荡器。下面具体分析一

9、下它的工作过程。刚接通电源时CL和CT两个电容上没有电源，若输入控制电压vi为大于零的某个数值，则比较器C1的输出为1而比较器C2的输出为0，锁存器被置成Q=1状态。Q端的高电平使T2导通，vo=0。同时镜像电流源输出端开关S接到引脚1一边，电流I0向CL开始充电。而Q、端的低电平使T3截止，所以CT也同时开始充电。当CT上的电压vCT上上升到2/3VCC时，则锁存器被置成Q=0，T2截止，v0=1。同时开光S转接到地，CL开始向RL放电。而Q、变成高电平后使T3导通，CT通T3迅速放电至vCT=0，并使比较器C2的输出为0。当CL放电到vCLvi时，比较器C1输出为1，重新将锁存器置成Q=1

10、，于是v0又跳变成低电平，CL和CT开始充电，重复上面的过程。如此反复，便在v0端得到矩形输出脉冲。在电路处于震荡状态下，当CL和RL的数值足够大时，vCL必然在vI附近做微小的波动，可以认为vCL=vI。而且在每个震荡周期中CL的充电电荷与放电电荷必然相等（假定在此期间vI数值未变）。据此就可以计算震荡频率了。首先计算CL的充电时间T1。它等于Q=1的持续时间，也就是电容CT上的电压从0充电到2/3VCC的时间，故得T1=RTCTln3=1.1RTCTCL在充电期间获得的电荷为Q1=（I0-IRL）T1=（I0-vI/RL）T1式中的IRL为流过电阻RL上的电流。若震荡周期为T，放电时间为T

11、2，则T2=T-T1。又知CL的放电电流为IRL=vI/RL,因而放电期间CL释放的电荷为Q2=IRLT2=vI(T-T1)/RL。根据Q1与Q2相当得到（I0-vI/RL）T1= vI(T-T1)/RL。故电路的震荡周期为f=1/T=vI/I0RLT1将I0=VREF/RS ，T1=1.1RTCT，代入上式而且知道VREF=1.9v，故得到f=RS/2.09RTCTRLvI。可见，f与vI成正比关系。我们将它们之间的比例系数称为电压-频率变换系数KV即KV=RS/2.09RTCTRL。以下是电路图由于我们需要让CL和RL的值足够大，我们让CL=0.1uF，RL=150K，考虑到前面u0=0.

12、02496，为了能够让和f之间的比例为1:1，我们选用了RS=510，RT=3.9k，CT=0.01uF。代入各数值计算得到Kv=41.71267Hz/v。代入f的式子得到f=Kv*u0=1.04115，接近1:1。(CT的取值采用了在网上查阅到的经典值0.01uF，而RS的取值，根据LM331电路结构来看，RS的取值是越小越好，同时也考虑到电阻阻值的常规性，所以就采用了510，然后根据前面的计算出来的比例代入式子进行不断的尝试和修改参数，使得最后确定RT和RS的值)2.4 555单稳态电路工作原理和功能说明图8.6所示为单稳态触发器的电路和波形图。单稳态触发器在数字电路中常用于规整信号的脉冲

13、宽度（TW）：将脉宽不一致的信号输入单稳态触发器后，可输出脉宽一致的脉冲信号。另外，单稳态触发器也常用于定时器电路中，调整RC的值可以得到不同的定时值。单稳态触发器采用电阻、电容组成RC定时电路，用于调节输出信号的脉冲宽度TW。在图8.6（a）的电路中，Vi接555定时器的端，其工作原理如下：稳态（触发前）：Vi为高电平时，VTR=1，输出VO为低电平，放电管T导通，定时电容器C上的电压（6、7脚电压）VC = VTH = 0 ，555定时器工作在“保持”态。触发：在Vi端输入低电平信号，555定时器的端为低电平，电路被“低触发”，Q端输出高电平信号，同时，放电管T截止，定时电容器C经（R+R

14、W）充电，VC逐渐升高。电路进入暂稳态。在暂稳态中，如果Vi恢复为高电平（VTR=1），但VC充电尚未达到VCC时（VTH=0），555定时器工作在保持状态，VO为高电平，T截止，电容器继续充电。恢复稳态：经过一定时间后，电容器充电至VC略大于VCC ，因VTH>VCC使555定时器“高触发”，VO跳转为低电平，放电管T导通，电容器经T放电，VC迅速降为0V，这时，VTR=1，VTH=0，555定时器恢复“保持”态。图8.5 微分电路图8.6 单稳态触发器电路与波形图高电平脉冲的脉宽TW：当VO输出高电平时，放电管T截止，电容器开始充电，在电容器上的电压<VCC这段时间，VO一直是

15、高电平。因此，脉冲宽度即是由电容器C开始充电至VC=VCC的这段暂稳态时间。脉冲宽度计算公式：Tw1.1(R+RW)C。其电路图如下当tw的宽度为1s时，555的输出和LM331的输出经过与门后得到的频率就为f。这里我们选用了R13=91k，C2=10uF。2.5 计数、译码、显示电路及其原理和功能说明结合这次试验室提供的原件和电路的需要，我们选用了CD4518和CD4511来完成计数和译码模块的电路。其电路图如下由于CD4518本身并不能进位输出，结合8421码本身特点，所以电路中我们采用了与门连接了Q1Q4使得在1001的时候，能够通过与门输出高电平到下一个计数器的使能端。同时也为了避免个

16、位的计数器在1001跳变到0000的时候和十位的计数器也同时跳变，所以我们让个位的计数器的clk端接高电平，十位的计数器clk端接地，使得个位的计数器在时钟信号的上升沿触发，十位的计数器在时钟信号的下降沿触发，这样就可以有效的避免前面说到的现象，使得计数器能够真正的以十进制计数，同样的道理百位的计数器的clk端也接地。关于更多计数和译码显示模块的内容见后面的附件。第三部分 整机电路图3.1 整机电路图见附件一3.2 元件清单型号数量LM3241片LM3311片NE5551片CD45182片CD45112片74LS081片Q1、Q290122个Q390131个R13k1个R23.3k1个R310

17、k1个R43901个R5、R6100k2个R7、R8200k2个R93.9k1个R10150k1个R115101个R121k1个R1391k1个R14-R3147018个C1、C30.01uF1个C20.1uF1个C410uF1个第四部分 性能调试4.1 电路调试4.1.1 调试使用的仪器万用表、直流稳压电源、示波器4.1.2 指标测试步骤及测量数据调试步骤整个电路分为以下几个模块调试：电源模块-LM324(电压跟随器)-LM331(-f转换模块)-555单稳态触发器-计数译码显示模块调试技巧1 考虑到555单稳态触发器工作时只输出一个1s的高电平，所以调试的时候，为了能够容易判断555是否正

18、确的工作，在555的输出端接了个LED灯串联个470的电阻到地，通过观察LED就能够迅速的判断555模块能否正常的工作。2 LM331的输出频率最多不会超过200hz，考虑到实验室示波器的工作频率，所以没有采用示波器来观察波形，而是通过万用表来检测LM331的输出管脚有无输出。3 整个电路功能模块还是分的比较清楚的，所以一开始搭接电路的时候，可以搭接完一个模块就测试一个模块，这样集中检查容易找出错误，也可以避免前面的错误累积到后面，造成意料之外的现象。4 为了看出是否超量程(200)，在接百位数码管的CD4518的Q2管脚接上了LED。测量数据本次测量总共测量了4个模块：电源模块、LM324模

19、块、LM331模块、译码输出模块。电源模块指标R3R4第一次测量321.41mV2.11V第二次测量311.89mV2.14V注：基极取样电阻R3为10k，集电极取样电阻R4为390。电源VCC为4.99VLM324模块第一次测量第二次测量VOUT(V)4.014.02LM331模块第一次测量第二次测量周期(ms)5.715.64译码输出模块第一次测量第二次测量第三次测量第四次测量第五次测量90131751771781761774.1.3故障分析及处理1) LM324的输出为0分析：考虑到LM324模块的电路本身比较简单，就先往前级检查，看问题是出现在电源的模块还是在电压跟随器的模块。仔细检查

20、的过程中测了RC电阻两端为5v，考虑到故障可能是电源没有接好，仔细检查电源模块发现Q1b,c这2个管脚没有按照电路图中连接上。连接上b,c2个管脚后测了RC电阻两端的电压为2.09v，再测LM324的输出，结果发现输出为2.88v这个跟理论上相差了很多，按照计算得出的结果，LM324应该输出4.18v左右的电压。使用再次仔细的检查了LM324模块，仔细对照电路图后并没有接错的地方，于是猜测是不是管脚的顺序给自己记反了，对照LM324的管脚图后发现，原来在电路图中因为省略了画电源的管脚，所以在接电路图的时候也没有考虑到要给LM324供电，所以导致了LM324未能正常的工作。接上电源和地的管脚后，

21、测试得到4.01v的电压，与理论相差比较小。2) 555输出为0单独测试555模块的时候，发现接在输出的LED灯都没有亮过，仔细检查管脚和电源，没有发现接错的地方，考虑到555有些是重复使用过的，有可能是被烧坏过的，所以重新拿了一个新的555，换上后LED还是未能正常工作，考虑会不会管脚记错之类的，重新看了课本，校对后没有发现错误，但是在课本上的波形图上发现，555的低电平触发的，而我在555的输入端并没有接任何东西，于是重新接了一个470的上拉电阻到电源，再次低电平触发，LED正常工作，555能够正常的输出大概1s的高电平。3) 个位的数码管完全不亮整机电路连接完毕，接上电源后发现百位和十位的数码管显示乱码，但是个位的数码管完全是暗的，因为在搭接电路之前有先用万用表测试了数码管的好坏，所以就考虑可能是有开路的地方，用万用表的电压档去测接个位的CD4511的QA