自动化工程学院课程设计半导体三极管值测量仪

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1、电子设计报告学校名称： 青岛大学 学院名称： 自动化工程学院专业班级： 学 号： 姓 名： 目录设计项目：半导体三极管值测量仪1、 设计任务书32、 仪器与器件43、 电路模块方案设计 54、 系统安装调试方法与步骤 155、 实验心得 166、 参考文献 177、 附录 181、 设计任务书：设计制作一个自动测量NPN型硅三极管值测量仪1、 基本要求：1、 对被测NPN型三极管值分三档；2、 值的范围分别为80120及120160，160200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；设计一个半导体三极管值测量仪，将待测三极管按照

2、共射的方式接入电路，给基极一个恒定的电流。利用三极管将电流放大，再利用运放将放大的电流进行采样输出电压值，在经过比较电路分档，经过数码管显示值档次。二、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，显示器显示读数清晰。 设计压控振荡器将采集的电压量转化成与之成比例的频率，合理设定参数使再一定时间内通过的脉冲个数极为被测三极管的值。计数器由555定时器设计；74LS90构成十进制加法器，用于技术脉冲个数；由74LS194构成锁存电路；最后通过CD4511译码，用共阴极数码管显示数值。2、 仪器与器件1、 仪器 1）直流稳压电源

3、1台2）示波器 1台3）万用表 1台4）模拟实验装置 1台5）数字实验箱 1台2、 器件 LM324、LM311、NE555、A741、CD4532、74LS74、74LS47、74LS90、74LS14、 CD4511，74LS138等； NPN、PNP三极管9013、9014、9015；5V稳压管；二极管；常用多圈电位器；常用定值电阻；常用电容；共银七段数码显示管。三、 电路模块的设计基本要求部分的系统框图关键一：将变化的值转化为与之成正比变化的电压或电流量，再取样进行比较、分档。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反映了的变化，电阻RC上

4、的电压VRC又反映了IC的变化，对VRC取样加入后级进行分档比较。关键二：将取样信号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，只有相应的一个比较电路输出为高电平，则其余比较器输出为低电平。对比较器输出的高电平进行二进制编码，再经显示译码器译码，驱动数码管显示出相应的档次代号。单位元电路设计：1、 电源模块电路设计方案：方案一：制作使用开关电源。开关电源具有体积小，重量轻，功耗小，效率高，有较稳的输出电压等优点。方案二：制作线性电源。采用大容量电容滤波后用稳压管稳压输出要求的+5V。因为如果自己制作开关电源制作工艺复杂，所以我们选择方案二来制作电源模块。2、 信号源电路设计

5、方案： 方案一：利用三极管构成共射电路，通过放大，在三极管的集电极端产生放大的电流。方案二：利用三极管构成微电流源，产生恒定的电流，然后经过三极管放大产生电流。如上图Q1、Q2、R1、R2构成电流元R2为待测三极管基极的取样电阻，R4为待测三极管集电极的取样电阻。方案二中能更精确地将信号电流稳定再一定范围，能更好地减少误差，此实验对电流的稳定性要求较高，所以选择方案二。3、 信号采集电路设计： 此模块由差分放大电路组成吧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。合理设置参数使放大倍数为1，运放采用+5V单电源

6、供电。由于基极电流Ii约为30A，因此选择采样电阻Rc=330，这样，若三级管放大倍数为，则采样获得的电压Uo=30*10-6*330=/1004、 比较电路： 被测值须分为三档(即值分为80120,120160及160200。对应档的编号分别为1、2、3，同时规定200时显示为4）。可用一个串联电阻网略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U1，高于相应基准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。5、 编码电路：该电路将电压比较电路的

7、比较结果（高低电平）进行二进制编码，使之转化为二进制数。编码功能主要由集成芯片8位优先编码器CD4532完成。6、 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（即要显示的树为人来易懂的十进制数1、2、3）和数码管显示。该电路功能主要由继承芯片CD4511完成。7、显示电路：该电路功能是用共阴七段数码显示被测量的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。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。原理方框图如下：1、压控振荡电路： 如上图所示，集成运放U7

8、A、C1、R17、R18等组成积分电路，U88、R22、R23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、电容组成的多谢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，是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：3、 计数电路： 该部分有二五十进制计数器74LS90构成，首先将芯片连成十进制，为精确显示技术共需用三片，分别显示个位、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

9、时钟信号端，部分电路图如下：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，再定时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，部分电路如下：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：参数计算基本部分：1） 微电流源 如上图所示，再该部分中两个三极管Q1、Q2均为PNP型且性能参数等都完全相同，采用+5V供电，由题意知，待测三极管的基极输入电流在30uA40uA之间为宜，可固定其其输入电流

10、恒定为30uA，即电流源的输出为30uA。设电流源的参考电流为1mA，根据公式 可得：已知VBE1=0.7v，VCC=5v 得：R1=4.3k已知Vr=26mV，Io=30uA,IR=1mA,可解得： Re2=3k，即电路中的R3=3k2） 采样电路： R2是基极取样电阻，由于基极电流Io=30uA，所以便于测量，R2应尽量去大一点，这就取R2=20K。R4为集电极取样电阻，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，去演电压最大，集电极与发射集之间的殿宇Uce最小，为使Uce=Vcc-0

11、.7-Ur41v,可取R5=R6=R7=8=50k,差分放大电路的输出电压为IBR4。3） 分压比较电路比较电路由集成运放LM324组成，采用单电源供电，再没有负反馈的情况下，运放工作在非线性区，当同相输入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。采样掉路的输出电压V0通过LM324分别与积极电压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，进而将模拟量转化为数字量。4） 编码电路 为将电压比较得到的高低电平

12、转化为二进制代码以便显示，须对结果进行编码以译码，在此采用集成芯片8位优先编码器CD4532，其引脚和电路图：5） 译码显示电路：译码器选用4片CD4511，直接驱动4个共阴极数码管。CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码七段码译码器。CD4511引脚图及各引脚功能如下图：共阴极数码管管脚如图：模块仿真电路如图2-14所示：6） 锁存电路：用74LS90接成十进制计数器。74LS90为中规模TTL集成计数器，可实现二分频、五分频和十分频等功能，最高计数频率为40MHz，它由一个二进制计数器和一个五进制计数器构成。其引脚排列图如下所示：计数器74LS90功能表计

13、数器74LS90管脚图在基准信号的控制下，对待测信号进行计数，不过若将计数器输出直接接译码显示，则显示器上的数字就会随计数器的状态不停的变化，只有在计数器停止计数时，显示器上的显示数字才能稳定显示最终测量结果，所以需要在计数和译码电路之间设置锁存电路。锁存器选用4片4位锁存器74LS194，其工作状态也由基准信号控制。74LS194管脚图如下图所示：74LS194管脚图模块仿真电路如图所示：计数锁存模块仿真电路四、系统安装调试方法与步骤测试方法：先将自制电源接入220V交流电，然后将5V和正负12V连入面包板，将待测三极管接入电路中的测量位置，即可记录三个数码管显示的数据。测试仪器：数字存储式

14、示波器1台函数发生器1台数字式万用表1台直流稳压电源1台测试结果如下：误差分析：经测量结果和理论值在一定误差允许内相符，系统能正常工作，对结果较满意。但是试验中用的三极管管压降，还有电阻阻值不与理论值完全一致，导致出现误差，在实验中应准确测量数据，减少误差。五、实验心得1、 在面包板上搭电路时一定要仔细，注意仿真图中的连线，防止连接短路，在搭电路时一定不要把线搭的太乱，不要在器件上方过线，从而影响器件的换用。2、 搭电路时按照模块来搭，搭一个模块测一个模块，确保每一步的电路是正确的，然后在级联起来。搭完一个模块时，测试下数据输出，看是否跟理论值相符合，然后再进行下一步。3、 当电路出现错误时不

15、要着急，一步一步的测量电压值，因为有很大可能是器件坏了，测量下每个器件的输出是不是理论输出，不是的话很可能就是器件坏了，换个试试再测。显示数据时有的不对的可能是数码管坏了，因为数码管很容易被烧掉，所以很多显示的数据可能就不对。我曾经用过好几个坏的LM324，因为测量LM324前面的输出结果很正确，但输出结果经过示波器观测后不正确，所以这个LM324是坏了的。很多同学接数码管时没有接上拉电阻，所以数码管事一个很容易坏的器件。4、 这次课程设计让我知道了理论值和实测值的差距，有的电路理论上很正确但是搭成电路就不出正确结果。课本上学的知识大部分是理想状态下的，只有我们自己亲自动手做下才能知道应该注意什么，哪些地方会有误差。在面对困难时，并不是不敢去做，而是想尽方法的去解决困难，而且让我更加熟悉了Multisim仿真软件的使用。当结果在面包板上显示时，心里感受到了理论与实际相结合的成就感。六、 参考文献1） “模拟电子技术基础” 清华大学 童诗白主编2） “数字电子技术基础” 清华大学 闫石主编3） “电子技术基础” 康华光主编4） “现代电子线路和技术实验简明教程 孙肖子主编7、 附录基础部分仿真电路图：发挥部分仿真电路图电路连接实物图19