青岛大学课程设计——三极管β值测量仪解读

1、电子技术课程设计报告设计名称：半导体三极管值测量仪学校名称：青岛大学学院名称：自动化工程学院专业班级：13 级通信工程 1 班学号：2013406040081姓名：冀兵指导老师：2015年 9 月 22日目录一、课题名称4二、内容摘要4三、设计内容及要求43.1 基础部分43.2 发挥部分5四、比较和选定设计的系统方案，画出系统框图54.1 基础部分5设计方案5模块结构与流程图6基本设计原理64.2 发挥部分6设计方案6系统框图7基本设计原理8五、 单元电路设计、参数和元器件选择说明8基础部分825.1微电流源 .85.2共射放大电路 .95.3采样电路 .105.4采样电路、比较电路、基准电

2、压 .115.5优先编码、显示译码、显示电路 .145.5.1编码电路 .145.5.2显示译码电路 .155.5.3显示电路 .155.6单稳态触发器 .175.7流控振荡器 .195.8计数电路、显示电路 .21六、画出完整电路图，并说明电路的工作原理 .256.1基础部分 .256.1.1基础部分 Multisim 仿真图 .256.1.2基础部分电路的工作原理 .256.2发挥部分 .276.2.1发挥部分完整电路图 .276.2.2发挥部分的基本原理 .276.3总电路图 .28七、仿真结果 .28八、电路优缺点及改进方向 .29九、器件清单 .29十、实验心得 .30十一、参考文献

3、 .323一、课题名称半导体三极管值测量仪二、内容摘要本次课程设计制作一个测量 NPN型半导体三极管 值的显示测试仪，分为基础部分和发挥部分。基础部分：通过 -U 的转换电路，将变化的值转化成与之成正比例的电压即取样电压， 对其进行比较、 分档。然后将取样信号同时加到四个具有不同基准电压的电压比较器中进行比较， 对于某一定值， 每个电压比较器输出端输出相应的高电平或者低电平， 从而驱动优先编码器对高位进行二进制编码， 再经过显示译码器驱动数码管显示出相应的档位。发挥部分：将半导体三极管发射极输出的电流转化为相应的频率。 其中，单稳态电路控制计数时间，流控振荡器电路控制计数值，二者波形相与后是方

4、波，再用计数器对方波进行计数，并用数码管显示计数值。三、设计内容及要求3.1 基础部分1. 对被测 NPN型半导体三极管分为四挡2. 值的范围分别是 0-80 、81-120 、 121-160 、161-200 和 201 及以上对应的档次分别为 0、 1、 2、 3 和 443. 用数码管显示的档次3.2 发挥部分1用三个数码管显示值的大小，分别显示个位、十位和百位，显示范围为 0-1992响应时间不超过2 秒，显示器显示读数清晰四、比较和选定设计的系统方案，画出系统框图4.1 基础部分设计方案根据设计内容和要求可采取以下方案：由半导体三极管的特性集电极电流和基极电流关系满足：I CI b

5、 ，且 URI CRI bR，从而将值转化成与其成正比例变化的UR；UR即为取样电压，通过采样电路将取样电压量同时加到具有不同基准电压的比较电路输入端进行比较，对应某一定值 UR，每个电压比较器输出相应的高电平或者是低电平；对电压比较器输出的高电平中的高位通过优先编码器进行二进制编码；经显示译码器译码；驱动数码管显示相应的档位。5模块结构与流程图基准电压微电流源采样电路比较电路编码电路显示译数码管码电路显示电路基本设计原理由于值无法直接测量，所以我们需要将其转化为电压或者电流才能间接测量其大小。根据半导体三极管的特性得知：集电极电流和基极电流关系满足：I CI b ，可以看出，当 I b 为定

6、值时， I c 反应了值的变化规律，又因为集电极电阻 R 上电压计算公公式为： UR I C R I b R，从而将 值转化成与其成正比例变化的 UR。再将 UR 取样并且同时连接到具有不同基准电压的电压比较器中进行分档比较，对应某一个确定的值，有相应的一个或几个输出端输出为高电平， 这就需要用优先编码器选择高位进行二进制编码， 并通过显示译码器驱动数码管显示相应的档位。4.2 发挥部分设计方案若实现定时和产生波形的功能，必须用到555 定时器由 555 定时器连接成的单稳态电路， 只有稳态和暂稳态两个状态， 从而可6以用单稳态电路去控制计数时间。由 555 定时器构成的流控振荡器可以把无法计

7、数的电流转化可以计数的方波频率，合理控制参数， 使电路在单稳态电路的高电平期间，流控振荡器产生方波的个数等于半导体三极管的值。用大二上学期数字电子技术基础实验中学过的 74LS160、74LS192等芯片实现对方波的计数，并且用数码管显示出来计数值系统框图微电流源取样电路流控振荡器单稳态电路7计数器编码电路数码管显示电路基本设计原理将 NPN半导体三极管的发射极电流经过由 555 定时器接成的单稳态触发器和流控振荡器产生方波， 若参数选择合适， 则产生方波的频率恰好等于待测半导体三极管的 值。其中，单稳态电路控制计数时间， 流控振荡器电路控制计数值，若没有单稳态电路， 方波是没有时间限制的，

8、则相应的计数值不确定。 然后将产生的方波接入计数器中进行计数， 并用三个数码管分别显示个位、 十位和百位的数值即为要测量的 值。五、单元电路设计、参数和元器件选择说明基础部分5.1 微电流源由 PNP半导体三极管构成比例电流源。 Q1、Q2、R1、R2 构成微电流源电路，R3是被测管 Q3的基极电流取样电阻， R4是集电极电流取样电阻。其中 Q1和 Q2 是两个相同的 PNP半导体三极管， 为了使半导体三极管工作在放大状态， 我们让8半导体三极管 Q1的发射极电流为 1mA，因为必须使用 5V 电源，并且半导体三极管的导通压降为 0.7V。所以选择发射极的电阻为：1VCC UBES5 0.74

9、. 3。为了让半导体三极管 Q2 工作在放大状RI1mAk态， 其基极 电流 在 30uA 到 40uA 为宜 ，我们选 择 30uA。根 据计算 公式I CUTIInR2IR3C。其中， UT =26mA。把已知量代入公式可以求出R2的阻值在 3k左右，我们 R2=3k。这时通过电流表测量出Q2的集电极电流为0.03mA。该电路的目的是：用微电流源为基极取样电阻提供稳恒的电流方便于测量值。5.2 共射放大电路通过三极管 Q3 的基极电流恒为0.03mA.为了使三极管工作在放大状态，则要求VCC IR4VCCI bR40. 7，最好在 2.5V 左右，我们取 R4 的阻 值为500，此时UCE

10、的最小 值大概为 ：UVCC IR VCCIbR52000. 030. 5V，即半CES442导体三极管的值增加到 200时半导体三极管仍然工作在放大状态，不会进入9饱和区和夹断区从而影响值的测量精度。同样可以算出使半导体三极管工作在放大状态的值的最大值为：VCCUBES50. 7。即maxI bR40. 032870. 5值增加到 287 以上时，半导体三极管不再工作在放大区， 而是进入饱和区， 此时的测量值便会失去意义。该电 路的 目 的是 ：使 三极 管的放大 倍数 转 化为 电压 U R ，关 系为URICRIbR，以此实现 -U 的转换。5.3 采样电路先来介绍运算放大器的功能集成运

11、算放大器有同相输入端和反相输入端，这里的“同相”“反相”是指运算放大器的输入电压和输出电压的相位关系，从外观上看，可以认为集成运算10放大器是一个双端输入、单端输出、具有高差模放大倍数、高输入电阻、低输出电阻、能较好地抑制温漂的查分放大电路。集成运算放大器的输出电压UO与输入电压（即同相输入端和反相输入端之间的电位差）（ UPUN ）之间的关系可以表示为：UOf UPUN , 在集成运算放大器的电压传输特性曲线上我们可以看出集成运算放大器具有线性放大区域和饱和区域两部分。 在线性区域， 曲线的斜率即为电压放大倍数；在非线性区域，输出电压只有两种情况：UOM 和 - UOM。根据运算放大器构成的

12、减法级电路的计算公式，我们可以得出减法器输出端的电压计算公式为： V01R8R7UR8 U 。其中， U 为运算放大R6R7R5R5器正端输入电压值， U 为运算放大器负端输入电压值， 当 R5 R6 R7R8 时，V0UU。恰好运算放大器的输出电压为4R 两端的电压。我们这里取R5R6R7 R8 =50k。5.4 采样电路、比较电路、基准电压采样电路、比较电路、基准电压由一个LM324（含有四个电压比较器）和五个电阻构成。 比较器正端输入电压采样电路，负端输入基准电压， 若正端输入电压大于负端输入电压，则电压比较器输出端产生高电平， 相应的灯泡就会被点亮，反 之 输 出 低 电 平 ， 灯

13、泡 不 亮 。 我 们 让 总 电 阻 阻 值 为100 k， 即11RRRRR100k采样电压的值910111213。V0IR40. 03mA5000. 15。当=80 时，V0 =0.1580=1.2V=120 时， V0 =0.15120=1.8V=160 时， V0 =0.15160=2.4V=200 时， V0 =0.15200=3V则： R131. 224k0. 05R121 . 82412 k0. 05R112 . 4241212 k0. 05R10324121212 k0. 05R91002412121240k测量几组数值如表5.4-1 所示：表 5.4-1值测量值理论值值测量

14、值理论值7500159228000161238111200331212220134从表中可以看出在临界值附近的数存在偏差。说明采样电压和理论电压存在12一定的偏差，为了使测量值更准确，我们用电压表测量当值分别为 80、120、160、 200 时的采样电压分别为1.201V、1.79V 、2.379V、2.969V。则：R131. 201k24. 020. 05R121. 7911 . 78 k24. 020. 05R112. 37911. 7811 . 78 k24. 020. 05R102. 96911. 7811. 7811 . 8k24. 020. 05R910024. 0211. 7

15、811. 7811. 840. 62k由于是仿真，电阻可以取成小数形式。电路图如下：但是该电路图存在缺点：当 =200 时，档位从 3 档改成 4 档时，所有的电阻值都需要变化， 从而造成电路的适用范围狭窄， 为此我们可以考虑把电阻改成电位器，并且使各个电位器相互独立。电路图如下：135.5 优先编码、显示译码、显示电路编码电路编码电路将电压比较器的比较结果进行二进制编码，该功能有优先编码器4532BD_5V完成。其真值表( 此处 I7 、 I6 、I5 、I4 均接低电平 ) 如 5.5-1 所示：表 5.5-1I7I6I5I4I3I2I1I0O2O1O000001X X X10000000

16、1X X0110000001X0100000000100100000000000由于本次课程设计要求用器件优先编码器 4532BD_5V完成，只需要对四个档位进行编码，所以高位四个管脚 I7 、I6 、I5 和 I4 均接低电平，势必造成管脚的浪费，因此如果没有特殊要求，我们可以 4-2 线编码器实现二进制的编码。14显示译码电路显示译码电路是把编成的二进制码转化成十进制，以便数码管显示出人类易懂的十进制数。该功能由芯片4511BD 5V 完成。当然我们也可以连接可以直接连接二进制编码的数码管， 因为此数码管自身携带译码器，不需要再接显示译码器。显示电路先介绍 LED数码管的结构和功能如图所示

17、： LED 数码管由多个发光二极管组成的“ 8”字形器件，引线已在内部连接完成， 只需引出它的各个笔划、 公共电极，数码管实际上是由七个发光管组成 8 字形构成的，加上小数点就是 8 个，这些段分别由字母 a、b、c、d、e、f 、g、dp 来表示。根据结构的不同，分为共阴极（高电平发光）和共阳极（低电平发光）两种。图其真值表如表所示：表每段符号16 进制代码显示共阴共阳dpgfedcba极极150001111113FHC0H10000011006HF9H2010110115BHA4H3010011114FHB0H40110011066H99H5011011016DH92H6011111017

18、DH82H70000011107HF8H8011111117FH80H9011011116FH90H需要注意的是，数码管要接保护电阻，防止因电流过大而烧坏数码管。165.6 单稳态触发器先来介绍 555 定时器结构及功能：555 定时器是一种多功能中规模集成电路。利用它能极方便地构成施密特触发器，单稳态触发器，多谐振荡器。在脉冲波形的产生、整形、波形变换、定时等方面应用极广。图定时器17555 定时器外部结构如图。各个管脚的功能如表5.6-1 所示。表 5.6-11 脚电源负端 Vss 或接地，一般情况下接地2 脚触发端3 脚输出端 Vo4 脚直接清零端。该端不用时应接高电平5 脚控制电压端。

19、该端不用时，应串入一只0.01uF 的电容接地，以防引入干扰6 脚阈值端7 脚放电端。用作电容的放电8 脚电源 Vcc，双极型电路 Vcc 的范围是 4.5V-16V,CMOS型电路 Vcc的范围为 3-18V。一般用 5V单稳态触发器中“单稳态” ，是指电路只有稳态和暂态两个状态，在触发信号作用下，电路由稳态翻转到暂稳态， 在暂稳态维持一段时间后，会自动返回稳态。此单稳态电路由 555 定时器与电阻、 电容组成的单稳态触发器作为定时控制电路，利用触发后产生的持续高电平来控制时间，如图所示，脉冲宽度Tw等于电容电压在充电过程中从0 上升到 2VCC 所需要的时间，从而得出脉冲宽3度 TRCIn

20、 VCC 0RCIn3 1. 1RCC是为了防止外界环境的干扰w2VCC. 其中403而加的电容，起到隔离保护作用。18图5.7 流控振荡器接通电源后，电容 C1 经过 R4 进行充电，当充电到 2VCC 时，输出电压由高电3平变为低电平，此时电容C1 经过 R4 进行放电，当放电到 VCC时，输出电压又由3低电平转换为高电平，并重新开始经过电阻R4 进行充电，如此周而复始，电路不断震荡，如下图所示。19vC2 3VCCvO13VtCCT1 T2图t如图 5.7.1所示：脉冲宽度 TwT1 T2 , 其中， T1 为电容 C1 经过 R4 充电到2VCC 所用的时间，T2为电容C1经过R4放电

21、到VCC所用的时间。并且33VCVC 0VCCVCC3T1In VV TR4C1VCCR4C1In 2CC 1VCC232VCCVCVC00T23R4C1In 2InR4C1VCVC T1VCC03所以脉冲宽度： TWT1 T22R4C1In21. 38R4C120经过单稳态电路和流控振荡器整合后的波形如图所示图5.8 计数电路、显示电路我们先来熟悉 74LS160的功能：21图其外观如图所示。其管脚说明如表5.8-1 ：表 5.8-1RCO进位输出端（高电平有效）ENP计数控制端QA-QD输出端ENT计数控制端（高电平有效）CLK时钟输入端CLR异步清零端（低电平有效）22LOAD同步并行置

22、入端（低电平有效）若要组成三位数计数器，必须使用三个74LS160芯片， 74LS160本身是十进制计数器，个位和十位均满足逢十进一， 但是三个芯片的时钟输入端不能连接同一脉冲波。个位进位输出信号作为十位的时钟输入信号，十位的进位输出信号作为百位的时钟输入信号，即是异步的。并且使计数使能端ENT和 ENP接高电平，芯片才能工作。并把由单稳态触发器产生的信号和流控振荡器产生的信号相与作为个位的时钟信号。在发挥部分中要求计数值范围是0-199 ，所以用到异步清零端，当计数值是 200 时要求异步清零端有效使数码管全部显示为0，因为异步清零端低电平有效，所以把百位的 OB端通过非门接入到三个芯片的异

23、步清零端从而使计数器在指定范围内计数。 芯片 74LS160的输出端从 QD到 QA依次是从高位到低位，数码管管脚从左到右依次是从高位到低位， 只需把相应的管脚连接起来，便可以显示出相应的数值从而实现显示计数值的功能 。此数码管是二进制共阴极数码管， 二进制编码和数码管显示数字的关系如表5.8-2 所示。表 5.8-223QD QC QB QA数码管显示0000000011001020011301004010150110601117100081001924六、画出完整电路图，并说明电路的工作原理6.1 基础部分基础部分 Multisim 仿真图基础部分电路的工作原理微电流源部分： Q1、Q2、

24、R1、R2构成微电流源电路， R3是被测管 Q3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， 由半导体三极管的特性得知： 集电极电流和基极电流关系满足： I CI b ，可以看出，当 I b 为定值时， I c 反应了值的变化规律，又因为集电极电阻 R 上电压计算公公式为： URICRIbR，从而将值转化成与其成正比例变化的UR。该电路用微电流源为基极取样电阻提供稳恒的电流方便于测量 值。共射集放大电路： 通过一恒流源， 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， 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

25、压，输出为U R ，这样使三极管的放大倍数 转化为电压U R ，关系为25URICRIbR，以此实现 -U 的转换。集成运算放大器的输出电压UO与输入电压（即同相输入端和反相输入端之间的电位差）（UPUN ）之间的关系可以表示为：UOf UPUN , 在集成运算放大器的电压传输特性曲线上我们可以看出集成运算放大器具有线性放大区域和饱和区域两部分。 在线性区域， 曲线的斜率即为电压放大倍数；在非线性区域，输出电压只有两种情况：U和-U。OMOM采样电路、比较电路、基准电压：由一个 LM324（含有四个电压比较器）和五个电阻构成。 比较器正端输入电压采样电路， 负端输入基准电压， 若正端输入电压大

26、于负端输入电压， 则电压比较器输出端产生高电平， 相应的灯泡就会被点亮，反之输出低电平，灯泡不亮。编码电路，显示译码电路：编码电路将电压比较器的比较结果进行二进制编码，该功能有优先编码器 4532BD_5V完成。显示译码电路是把编成的二进制码转化成十进制，以便数码管显示出人类易懂的十进制数。该功能由芯片4511BD 5V 完成。当然我们也可以连接可以直接连接二进制编码的数码管，因为此数码管自身携带译码器，不需要再接显示译码器。266.2 发挥部分发挥部分完整电路图发挥部分的基本原理微电流源部分与基础部分相同， 该电路用微电流源为基极取样电阻提供稳恒的电流方便于测量 值。共射放大器，目的是由公式

27、： UR IC R Ib R，以此实现 -U 的转换。（与基础部分完全相同）单稳态触发器：此单稳态电路由555 定时器与电阻、电容组成的单稳态触发器作为定时控制电路，利用触发后产生的持续高电平来控制时间，脉冲宽2VCC度 Tw等于电容电压在充电过程中从0 上升到3所需要的时间， 从而得出脉冲宽度 TwVCC 031. 1RCInRCInRC. 其中是为了防止外界环境的干扰2VCC0327而加的电容，起到隔离保护作用。流控振荡器：接通电源后，电容经过进行充电，当充电到时，输出电压由高电平变为低电平， 此时电容经过进行放电， 当放电到时， 输出电压又由低电平转换为高电平，并重新开始经过电阻进行充电

28、，如此周而复始，电路不断震荡。计数电路与显示电路：使用三个 74LS160芯片， 74LS160本身是十进制计数器，个位和十位均满足逢十进一， 但是三个芯片的时钟输入端不能连接同一脉冲波。位进位输出信号作为十位的时钟输入信号， 十位的进位输出信号作为百位的时钟输入信号， 即是异步的。 并且使计数使能端 ENT和 ENP接高电平， 芯片才能工作。并把由单稳态触发器产生的信号和流控振荡器产生的信号相与作为个位的时钟信号。6.3 总电路图七、仿真结果部分仿真结果如表7-1 所示表 7-128值显示档位误差计数显示值误差10001223000333811076510010103312120122116

29、13014711从表中可以看出： 档位判断完全正确， 但是数码管显示 值有偏差， 所以基本上满足要求 。八、电路优缺点及改进方向优点：基本部分电路原理简单易懂，均在所学知识范围内，器件常见。缺点：在发挥部分中 Multisim 仿真电路图复杂，而且所使用的流控振荡器电路原理较为复杂， 不易理解，而且电路图中参数不够准确， 以至于数码管显示 值与实际值有偏差。改进方向：该课程设计涵盖了数字电子技术基础和模拟电子技术基础的知识，并且用到 Multisim 仿真软件，综合性比较强，但是只是基于所学知识完成，所以部分电路图设计有欠精准简洁。 应该多查阅资料， 设计出更加精美简洁的电路原理图九、器件清单

30、PNP半导体三极管 2 个NPN半导体三极管 1 个29运算放大器 5 个芯片 4532BD_5V 1个芯片 4511BD_5V 1个LED灯 4 个数码管4个芯片 555 定时器 2 个芯片 7408N 2 个芯片 74LS04N 1 个电容4个电源若干电阻 若干导线 若干十、实验心得在刚得知课程设计内容时， 稍微思考了些方案，但是由于要忙数学建模比赛，只能先放下课程设计， 安心比赛。 以至于周一在选题的时候显得比较犹豫， 交通灯是上学期和学习伙伴花费一周时间， 并且在数字电子计数基础老师王正彦老师的指导帮助下完成的， 如今加上模拟电路部分， 用电压表示车流量， 总体来说思路还是有的，而且相

31、比于半导体三极管 值测量这个课题来说挑战性小得多， 自认为大二下学期模拟电子技术基础这门学科学得不错的我在同学的劝说下选择了半导体三极管 值测量这个课题， 并且选择硬件调试。 但是由于计算机三级考试已经将近，必须把看过的知识点整理一遍才对得起暑假所作出的努力， 因为时间紧张又改为了软件调试，那么只有一天的设计时间来完成课题。30熬了三天夜刚刚参加完数学建模比赛， 只休息了一下午， 晚上便去自习室考虑基础部分电路图的设计， 虽然有的班级已经测试完， 但是不喜欢不劳而获， 便一点点查阅网上资料联系自身思想完成了基本电路的构建， 但是在测试数据的时候发现在临界值附近的数据存在偏差， 不得不找方法避免

32、这种误差， 把思路捋了一遍一遍又一遍， 数据算了一遍一遍又一遍， 查阅了多份资料， 均发现网上的数据是错的，而且没有找到相关的解决办法。 晚上回到宿舍和哥哥聊天说起数据不准确的事情， 由于专业性质差别较大， 也是爱莫能助。 看来只能自己想办法解决了，突然在测运算放大器输出电压时， 惊喜得发现实际输出电压和理论值存在微小的差别，原来正是由于这个差别造成临界值附近数据存在偏差！ 经过重新计算得出的一组新的决定基准电压值的电阻值， 大小和原来数据只差二十几欧姆， 但是仿真后发现数据全部准确！此时已经凌晨一点了，但是没有觉得累，觉得困，唯有喜悦。因为对于我来说， 只有把理论成功运用于实践当中， 才是学习的意义所在。上午帮室友调调数据，讲讲设计原理，下午便满怀信心地去测试，我是第一个