半導體三極管β值測量儀

1、目錄目錄2第一部分系統(tǒng)設計31.1設計題目及要求31.2設計思路分析3設計思路3設計方案4方案論證與比較6第二部分單元電路設計72.1被測三極管電路工作原理和功能說明72.2 -v轉換電路工作原理和功能說明92.3 LM331電路工作原理和功能說明92.4 555單穩(wěn)態(tài)電路工作原理和功能說明122.5 計數(shù)、譯碼、顯示電路及其原理和功能說明13第三部分整機電路圖153.1 整機電路圖153.2 元件清單15第四部分性能調試164.1 電路調試164.1.1 調試使用的儀器164.1.2 指標測試步驟及測量數(shù)據(jù)16故障分析及處理174.2 電路實現(xiàn)的功能和系統(tǒng)使用說明19第五部分課程設計總結19

2、附件一整機電路圖22附件二 IC資料23第一部分 系統(tǒng)設計1.1設計題目及要求設計題目：半導體三極管值測量儀設計任務：設計一個可測量NPN型硅三極管的值的顯示測量電路（<200）任務要求：1用三個數(shù)碼管顯示的大小，分別顯示個位、十位和百位。顯示范圍為0-199。2響應時間不超過2秒,顯示器顯示讀數(shù)清晰，注意避免出現(xiàn)“疊加現(xiàn)象”。3電源采用5V或±5V供電。1.2設計思路分析1.2.1設計思路將變化的值轉化為與之成正比變化的電壓或電流量，再將得到的電壓或者電流量轉換為頻率，然后計數(shù)、譯碼顯示。上述轉換過程可由以下方案實現(xiàn)： 根據(jù)三極管電流IC=IB的關系，當IB為固定值時，IC反

3、映了的變化，電阻RC上的電壓VRC又反映了IC的變化，這樣，被測三極管就可以通過-V轉換電路把三極管的值轉換成對應的電壓，然后再通過壓控振蕩器把電壓轉換成頻率，若計數(shù)時間及電路參數(shù)選擇合適，在計數(shù)時間內通過的脈沖個數(shù)即為被測三極管的值。由于值范圍為0-199，因此百位數(shù)只有0和1兩種情況，因此百位顯示可以考慮不用譯碼管直接輸出顯示（0時無顯示，1時顯示1），總共只用兩個譯碼管即可示可以 1.2.2設計方案譯碼器計數(shù)器555多諧振蕩電路(計時脈沖)積分器+滯回比較器(v-f轉換)-v轉換被測三極管顯示模塊方案一方案一說明：積分器+滯回比較器：理論上能夠使-v轉換模塊的輸出電壓轉換為f輸出。555

4、多諧振蕩電路：產生1s的高電平與v-f轉換電路的f一起輸入門后得到f。被測三極管顯示模塊譯碼器計數(shù)器555多諧振蕩電路(計時脈沖)LM331(v-f轉換)-v轉換方案二方案二說明：LM331：LM331是定時器型電荷平衡v-f轉換器。LM331在輸入電壓的正常變化范圍內輸出信號頻率和輸入電壓之間保持良好的線性關系，轉換誤差可減小到0.01%。輸出信號頻率的變化范圍約為0100khz。譯碼器計數(shù)器555單穩(wěn)態(tài)電路(計時脈沖)LM331(v-f轉換)-v轉換被測三極管顯示模塊方案三方案三說明：555單穩(wěn)態(tài)電路：輸出脈沖的寬度tw等于暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間，而暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間取決于外接電阻R和電容C的大小

5、。tw=1.1RC1.2.3方案論證與比較方案一：v-f模塊是由積分器+滯回比較器搭建而成，電路走線復雜，占用面包板空間較多，同時工作電路難以調試，不穩(wěn)定。計時脈沖模塊由于是多諧振蕩電路，計數(shù)器會對f多次計數(shù)，考慮到能夠選用的計數(shù)芯片CD4518是高電平清零的，這會占用計數(shù)時間，而且搭建電路比較復雜。方案二：選用了LM331芯片搭接v-f轉換電路，電路簡單，穩(wěn)定度高，但由于計時模塊還是采用了多諧振蕩電路，所以清零電路搭接麻煩，同時相比與555單穩(wěn)態(tài)電路來說，電路復雜。方案三：集合了方案一和方案二的優(yōu)點，采用了LM331模塊和555單穩(wěn)態(tài)模塊，由于沒有多次計數(shù)，使得清零信號可以由手動清零，顯示電

6、路采用了CD4511-CMOS BCD鎖存/7 段譯碼/驅動器，可以維持顯示保持，避免出現(xiàn)疊加現(xiàn)象。綜上所述從電路的復雜性，穩(wěn)定性，和占用面包板的面積和成本等各個方面考慮，選擇了方案三來實現(xiàn)這次課程設計。第二部分 單元電路設計2.1被測三極管電路工作原理和功能說明為了讓電流IB保持不變，電流源部分采用了微電流源，其電路圖如下微電流源集成運放輸入級放大管的集電極(發(fā)射極)靜態(tài)電流很小，往往只有幾十微安，甚至更小。為了只采用阻值較小的電阻，而又獲得較小的輸出電流IC2(即T3管的基極電流IB)，可以將比例電流源中Re0的阻值減小到零，便得到如上圖所示的微電流源。當>>1時，Q2管集電極

7、電流IC2=IB=(UBE0-UBE1)/R2式中(UBE0-UBE1)只有幾十毫伏，甚至更小，因此只要幾千歐的Re就可以得到幾十微安的IB。圖中的Q1和Q2管子特性完全相同，IC2=(UT/R2)ln(IR/IC2)。式中基準電流IR=(VCC-UBE0)/R1。VCC=5v，UBE0=0.7v，UT=26mV我們取R1=3k，得到IR=1.43mA，同時由于IB的選擇應在30A40A之間為宜，我們取IB=32A代入上面的式子得到R2=3.3k。VCE的選擇應不小于1V,以使三極管工作在合適的狀態(tài)。VCE=VCC-IBRC，將各數(shù)值代入，這里我們取最大值為200，算出RC625歐，考慮到使用

8、常用電阻，這里選擇RC=390。2.2 -v轉換電路工作原理和功能說明根據(jù)三極管電流IC=IB的關系，當IB為固定值時，IC反映了的變化，電阻RC上的電壓VRC又反映了IC的變化。同時為了避免后級電路對前級電路的影響，采用跟隨器作為隔離級，其電路圖如下電壓跟隨器的輸出u0=ui?？紤]到選用常用阻值的電阻，所以這里R7和R5選用了200k和100k大小的電阻。即u0=IBRC。所以u0=0.02496。2.3 LM331電路工作原理和功能說明為了能夠更清晰的說明LM331的工作原理，下面是引用課本的資料按照圖11.3.17接上外圍的電阻、電容元件，就可以構成精度相當高的壓控振蕩器。下面具體分析一

9、下它的工作過程。剛接通電源時CL和CT兩個電容上沒有電源，若輸入控制電壓vi為大于零的某個數(shù)值，則比較器C1的輸出為1而比較器C2的輸出為0，鎖存器被置成Q=1狀態(tài)。Q端的高電平使T2導通，vo=0。同時鏡像電流源輸出端開關S接到引腳1一邊，電流I0向CL開始充電。而Q、端的低電平使T3截止，所以CT也同時開始充電。當CT上的電壓vCT上上升到2/3VCC時，則鎖存器被置成Q=0，T2截止，v0=1。同時開光S轉接到地，CL開始向RL放電。而Q、變成高電平后使T3導通，CT通T3迅速放電至vCT=0，并使比較器C2的輸出為0。當CL放電到vCLvi時，比較器C1輸出為1，重新將鎖存器置成Q=1

10、，于是v0又跳變成低電平，CL和CT開始充電，重復上面的過程。如此反復，便在v0端得到矩形輸出脈沖。在電路處于震蕩狀態(tài)下，當CL和RL的數(shù)值足夠大時，vCL必然在vI附近做微小的波動，可以認為vCL=vI。而且在每個震蕩周期中CL的充電電荷與放電電荷必然相等（假定在此期間vI數(shù)值未變）。據(jù)此就可以計算震蕩頻率了。首先計算CL的充電時間T1。它等于Q=1的持續(xù)時間，也就是電容CT上的電壓從0充電到2/3VCC的時間，故得T1=RTCTln3=1.1RTCTCL在充電期間獲得的電荷為Q1=（I0-IRL）T1=（I0-vI/RL）T1式中的IRL為流過電阻RL上的電流。若震蕩周期為T，放電時間為T

11、2，則T2=T-T1。又知CL的放電電流為IRL=vI/RL,因而放電期間CL釋放的電荷為Q2=IRLT2=vI(T-T1)/RL。根據(jù)Q1與Q2相當?shù)玫剑↖0-vI/RL）T1= vI(T-T1)/RL。故電路的震蕩周期為f=1/T=vI/I0RLT1將I0=VREF/RS ，T1=1.1RTCT，代入上式而且知道VREF=1.9v，故得到f=RS/2.09RTCTRLvI?？梢?，f與vI成正比關系。我們將它們之間的比例系數(shù)稱為電壓-頻率變換系數(shù)KV即KV=RS/2.09RTCTRL。以下是電路圖由于我們需要讓CL和RL的值足夠大，我們讓CL=0.1uF，RL=150K，考慮到前面u0=0.

12、02496，為了能夠讓和f之間的比例為1:1，我們選用了RS=510，RT=3.9k，CT=0.01uF。代入各數(shù)值計算得到Kv=41.71267Hz/v。代入f的式子得到f=Kv*u0=1.04115，接近1:1。(CT的取值采用了在網上查閱到的經典值0.01uF，而RS的取值，根據(jù)LM331電路結構來看，RS的取值是越小越好，同時也考慮到電阻阻值的常規(guī)性，所以就采用了510，然后根據(jù)前面的計算出來的比例代入式子進行不斷的嘗試和修改參數(shù)，使得最后確定RT和RS的值)2.4 555單穩(wěn)態(tài)電路工作原理和功能說明圖8.6所示為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電路和波形圖。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在數(shù)字電路中常用于規(guī)整信號的脈沖

13、寬度（TW）：將脈寬不一致的信號輸入單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器后，可輸出脈寬一致的脈沖信號。另外，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器也常用于定時器電路中，調整RC的值可以得到不同的定時值。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器采用電阻、電容組成RC定時電路，用于調節(jié)輸出信號的脈沖寬度TW。在圖8.6（a）的電路中，Vi接555定時器的端，其工作原理如下：穩(wěn)態(tài)（觸發(fā)前）：Vi為高電平時，VTR=1，輸出VO為低電平，放電管T導通，定時電容器C上的電壓（6、7腳電壓）VC = VTH = 0 ，555定時器工作在“保持”態(tài)。觸發(fā)：在Vi端輸入低電平信號，555定時器的端為低電平，電路被“低觸發(fā)”，Q端輸出高電平信號，同時，放電管T截止，定時電容器C經（R+R

14、W）充電，VC逐漸升高。電路進入暫穩(wěn)態(tài)。在暫穩(wěn)態(tài)中，如果Vi恢復為高電平（VTR=1），但VC充電尚未達到VCC時（VTH=0），555定時器工作在保持狀態(tài)，VO為高電平，T截止，電容器繼續(xù)充電?；謴头€(wěn)態(tài)：經過一定時間后，電容器充電至VC略大于VCC ，因VTH>VCC使555定時器“高觸發(fā)”，VO跳轉為低電平，放電管T導通，電容器經T放電，VC迅速降為0V，這時，VTR=1，VTH=0，555定時器恢復“保持”態(tài)。圖8.5 微分電路圖8.6 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路與波形圖高電平脈沖的脈寬TW：當VO輸出高電平時，放電管T截止，電容器開始充電，在電容器上的電壓<VCC這段時間，VO一直是

15、高電平。因此，脈沖寬度即是由電容器C開始充電至VC=VCC的這段暫穩(wěn)態(tài)時間。脈沖寬度計算公式：Tw1.1(R+RW)C。其電路圖如下當tw的寬度為1s時，555的輸出和LM331的輸出經過與門后得到的頻率就為f。這里我們選用了R13=91k，C2=10uF。2.5 計數(shù)、譯碼、顯示電路及其原理和功能說明結合這次試驗室提供的原件和電路的需要，我們選用了CD4518和CD4511來完成計數(shù)和譯碼模塊的電路。其電路圖如下由于CD4518本身并不能進位輸出，結合8421碼本身特點，所以電路中我們采用了與門連接了Q1Q4使得在1001的時候，能夠通過與門輸出高電平到下一個計數(shù)器的使能端。同時也為了避免個

16、位的計數(shù)器在1001跳變到0000的時候和十位的計數(shù)器也同時跳變，所以我們讓個位的計數(shù)器的clk端接高電平，十位的計數(shù)器clk端接地，使得個位的計數(shù)器在時鐘信號的上升沿觸發(fā)，十位的計數(shù)器在時鐘信號的下降沿觸發(fā)，這樣就可以有效的避免前面說到的現(xiàn)象，使得計數(shù)器能夠真正的以十進制計數(shù)，同樣的道理百位的計數(shù)器的clk端也接地。關于更多計數(shù)和譯碼顯示模塊的內容見后面的附件。第三部分 整機電路圖3.1 整機電路圖見附件一3.2 元件清單型號數(shù)量LM3241片LM3311片NE5551片CD45182片CD45112片74LS081片Q1、Q290122個Q390131個R13k1個R23.3k1個R310

17、k1個R43901個R5、R6100k2個R7、R8200k2個R93.9k1個R10150k1個R115101個R121k1個R1391k1個R14-R3147018個C1、C30.01uF1個C20.1uF1個C410uF1個第四部分 性能調試4.1 電路調試4.1.1 調試使用的儀器萬用表、直流穩(wěn)壓電源、示波器4.1.2 指標測試步驟及測量數(shù)據(jù)調試步驟整個電路分為以下幾個模塊調試：電源模塊-LM324(電壓跟隨器)-LM331(-f轉換模塊)-555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器-計數(shù)譯碼顯示模塊調試技巧1 考慮到555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作時只輸出一個1s的高電平，所以調試的時候，為了能夠容易判斷555是否正

18、確的工作，在555的輸出端接了個LED燈串聯(lián)個470的電阻到地，通過觀察LED就能夠迅速的判斷555模塊能否正常的工作。2 LM331的輸出頻率最多不會超過200hz，考慮到實驗室示波器的工作頻率，所以沒有采用示波器來觀察波形，而是通過萬用表來檢測LM331的輸出管腳有無輸出。3 整個電路功能模塊還是分的比較清楚的，所以一開始搭接電路的時候，可以搭接完一個模塊就測試一個模塊，這樣集中檢查容易找出錯誤，也可以避免前面的錯誤累積到后面，造成意料之外的現(xiàn)象。4 為了看出是否超量程(200)，在接百位數(shù)碼管的CD4518的Q2管腳接上了LED。測量數(shù)據(jù)本次測量總共測量了4個模塊：電源模塊、LM324模

19、塊、LM331模塊、譯碼輸出模塊。電源模塊指標R3R4第一次測量321.41mV2.11V第二次測量311.89mV2.14V注：基極取樣電阻R3為10k，集電極取樣電阻R4為390。電源VCC為4.99VLM324模塊第一次測量第二次測量VOUT(V)4.014.02LM331模塊第一次測量第二次測量周期(ms)5.715.64譯碼輸出模塊第一次測量第二次測量第三次測量第四次測量第五次測量90131751771781761774.1.3故障分析及處理1) LM324的輸出為0分析：考慮到LM324模塊的電路本身比較簡單，就先往前級檢查，看問題是出現(xiàn)在電源的模塊還是在電壓跟隨器的模塊。仔細檢查

20、的過程中測了RC電阻兩端為5v，考慮到故障可能是電源沒有接好，仔細檢查電源模塊發(fā)現(xiàn)Q1b,c這2個管腳沒有按照電路圖中連接上。連接上b,c2個管腳后測了RC電阻兩端的電壓為2.09v，再測LM324的輸出，結果發(fā)現(xiàn)輸出為2.88v這個跟理論上相差了很多，按照計算得出的結果，LM324應該輸出4.18v左右的電壓。使用再次仔細的檢查了LM324模塊，仔細對照電路圖后并沒有接錯的地方，于是猜測是不是管腳的順序給自己記反了，對照LM324的管腳圖后發(fā)現(xiàn)，原來在電路圖中因為省略了畫電源的管腳，所以在接電路圖的時候也沒有考慮到要給LM324供電，所以導致了LM324未能正常的工作。接上電源和地的管腳后，

21、測試得到4.01v的電壓，與理論相差比較小。2) 555輸出為0單獨測試555模塊的時候，發(fā)現(xiàn)接在輸出的LED燈都沒有亮過，仔細檢查管腳和電源，沒有發(fā)現(xiàn)接錯的地方，考慮到555有些是重復使用過的，有可能是被燒壞過的，所以重新拿了一個新的555，換上后LED還是未能正常工作，考慮會不會管腳記錯之類的，重新看了課本，校對后沒有發(fā)現(xiàn)錯誤，但是在課本上的波形圖上發(fā)現(xiàn)，555的低電平觸發(fā)的，而我在555的輸入端并沒有接任何東西，于是重新接了一個470的上拉電阻到電源，再次低電平觸發(fā)，LED正常工作，555能夠正常的輸出大概1s的高電平。3) 個位的數(shù)碼管完全不亮整機電路連接完畢，接上電源后發(fā)現(xiàn)百位和十位的數(shù)碼管顯示亂碼，但是個位的數(shù)碼管完全是暗的，因為在搭接電路之前有先用萬用表測試了數(shù)碼管的好壞，所以就考慮可能是有開路的地方，用萬用表的電壓檔去測接個位的CD4511的QA