半導(dǎo)體三極管β值測(cè)量?jī)x

1、目錄目錄2第一部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)31.1設(shè)計(jì)題目及要求31.2設(shè)計(jì)思路分析3設(shè)計(jì)思路3設(shè)計(jì)方案4方案論證與比較6第二部分單元電路設(shè)計(jì)72.1被測(cè)三極管電路工作原理和功能說(shuō)明72.2 -v轉(zhuǎn)換電路工作原理和功能說(shuō)明92.3 LM331電路工作原理和功能說(shuō)明92.4 555單穩(wěn)態(tài)電路工作原理和功能說(shuō)明122.5 計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路及其原理和功能說(shuō)明13第三部分整機(jī)電路圖153.1 整機(jī)電路圖153.2 元件清單15第四部分性能調(diào)試164.1 電路調(diào)試164.1.1 調(diào)試使用的儀器164.1.2 指標(biāo)測(cè)試步驟及測(cè)量數(shù)據(jù)16故障分析及處理174.2 電路實(shí)現(xiàn)的功能和系統(tǒng)使用說(shuō)明19第五部分課程設(shè)計(jì)總結(jié)19

2、附件一整機(jī)電路圖22附件二 IC資料23第一部分 系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)題目及要求設(shè)計(jì)題目：半導(dǎo)體三極管值測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一個(gè)可測(cè)量NPN型硅三極管的值的顯示測(cè)量電路（<200）任務(wù)要求：1用三個(gè)數(shù)碼管顯示的大小，分別顯示個(gè)位、十位和百位。顯示范圍為0-199。2響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)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(shè)計(jì)思路分析1.2.1設(shè)計(jì)思路將變化的值轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為頻率，然后計(jì)數(shù)、譯碼顯示。上述轉(zhuǎn)換過(guò)程可由以下方案實(shí)現(xiàn)： 根據(jù)三極管電流IC=IB的關(guān)系，當(dāng)IB為固定值時(shí)，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(cè)三極管就可以通過(guò)-V轉(zhuǎn)換電路把三極管的值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電壓，然后再通過(guò)壓控振蕩器把電壓轉(zhuǎn)換成頻率，若計(jì)數(shù)時(shí)間及電路參數(shù)選擇合適，在計(jì)數(shù)時(shí)間內(nèi)通過(guò)的脈沖個(gè)數(shù)即為被測(cè)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(shí)無(wú)顯示，1時(shí)顯示1），總共只用兩個(gè)譯碼管即可示可以 1.2.2設(shè)計(jì)方案譯碼器計(jì)數(shù)器555多諧振蕩電路(計(jì)時(shí)脈沖)積分器+滯回比較器(v-f轉(zhuǎn)換)-v轉(zhuǎn)換被測(cè)三極管顯示模塊方案一方案一說(shuō)明：積分器+滯回比較器：理論上能夠使-v轉(zhuǎn)換模塊的輸出電壓轉(zhuǎn)換為f輸出。555

4、多諧振蕩電路：產(chǎn)生1s的高電平與v-f轉(zhuǎn)換電路的f一起輸入門(mén)后得到f。被測(cè)三極管顯示模塊譯碼器計(jì)數(shù)器555多諧振蕩電路(計(jì)時(shí)脈沖)LM331(v-f轉(zhuǎn)換)-v轉(zhuǎn)換方案二方案二說(shuō)明：LM331：LM331是定時(shí)器型電荷平衡v-f轉(zhuǎn)換器。LM331在輸入電壓的正常變化范圍內(nèi)輸出信號(hào)頻率和輸入電壓之間保持良好的線(xiàn)性關(guān)系，轉(zhuǎn)換誤差可減小到0.01%。輸出信號(hào)頻率的變化范圍約為0100khz。譯碼器計(jì)數(shù)器555單穩(wěn)態(tài)電路(計(jì)時(shí)脈沖)LM331(v-f轉(zhuǎn)換)-v轉(zhuǎn)換被測(cè)三極管顯示模塊方案三方案三說(shuō)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(shí)間，而暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)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(xiàn)復(fù)雜，占用面包板空間較多，同時(shí)工作電路難以調(diào)試，不穩(wěn)定。計(jì)時(shí)脈沖模塊由于是多諧振蕩電路，計(jì)數(shù)器會(huì)對(duì)f多次計(jì)數(shù)，考慮到能夠選用的計(jì)數(shù)芯片CD4518是高電平清零的，這會(huì)占用計(jì)數(shù)時(shí)間，而且搭建電路比較復(fù)雜。方案二：選用了LM331芯片搭接v-f轉(zhuǎn)換電路，電路簡(jiǎn)單，穩(wěn)定度高，但由于計(jì)時(shí)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(shí)相比與555單穩(wěn)態(tài)電路來(lái)說(shuō)，電路復(fù)雜。方案三：集合了方案一和方案二的優(yōu)點(diǎn)，采用了LM331模塊和555單穩(wěn)態(tài)模塊，由于沒(méi)有多次計(jì)數(shù)，使得清零信號(hào)可以由手動(dòng)清零，顯示電

6、路采用了CD4511-CMOS BCD鎖存/7 段譯碼/驅(qū)動(dòng)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(fù)雜性，穩(wěn)定性，和占用面包板的面積和成本等各個(gè)方面考慮，選擇了方案三來(lái)實(shí)現(xiàn)這次課程設(shè)計(jì)。第二部分 單元電路設(shè)計(jì)2.1被測(cè)三極管電路工作原理和功能說(shuō)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(yùn)放輸入級(jí)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(dāng)>>1時(shí)，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(zhǔn)電流IR=(VCC-UBE0)/R1。VCC=5v，UBE0=0.7v，UT=26mV我們?nèi)1=3k，得到IR=1.43mA，同時(shí)由于IB的選擇應(yīng)在30A40A之間為宜，我們?nèi)B=32A代入上面的式子得到R2=3.3k。VCE的選擇應(yīng)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?nèi)∽畲笾禐?00，算出RC625歐，考慮到使用

8、常用電阻，這里選擇RC=390。2.2 -v轉(zhuǎn)換電路工作原理和功能說(shuō)明根據(jù)三極管電流IC=IB的關(guān)系，當(dāng)IB為固定值時(shí)，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(shí)為了避免后級(jí)電路對(duì)前級(jí)電路的影響，采用跟隨器作為隔離級(jí)，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u(píng)0=0.02496。2.3 LM331電路工作原理和功能說(shuō)明為了能夠更清晰的說(shuō)明LM331的工作原理，下面是引用課本的資料按照?qǐng)D11.3.17接上外圍的電阻、電容元件，就可以構(gòu)成精度相當(dāng)高的壓控振蕩器。下面具體分析一

9、下它的工作過(guò)程。剛接通電源時(shí)CL和CT兩個(gè)電容上沒(méi)有電源，若輸入控制電壓vi為大于零的某個(gè)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(dǎo)通，vo=0。同時(shí)鏡像電流源輸出端開(kāi)關(guān)S接到引腳1一邊，電流I0向CL開(kāi)始充電。而Q、端的低電平使T3截止，所以CT也同時(shí)開(kāi)始充電。當(dāng)CT上的電壓vCT上上升到2/3VCC時(shí)，則鎖存器被置成Q=0，T2截止，v0=1。同時(shí)開(kāi)光S轉(zhuǎn)接到地，CL開(kāi)始向RL放電。而Q、變成高電平后使T3導(dǎo)通，CT通T3迅速放電至vCT=0，并使比較器C2的輸出為0。當(dāng)CL放電到vCLvi時(shí)，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(kāi)始充電，重復(fù)上面的過(guò)程。如此反復(fù)，便在v0端得到矩形輸出脈沖。在電路處于震蕩狀態(tài)下，當(dāng)CL和RL的數(shù)值足夠大時(shí)，vCL必然在vI附近做微小的波動(dòng)，可以認(rèn)為vCL=vI。而且在每個(gè)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(jì)算震蕩頻率了。首先計(jì)算CL的充電時(shí)間T1。它等于Q=1的持續(xù)時(shí)間，也就是電容CT上的電壓從0充電到2/3VCC的時(shí)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(guò)電阻RL上的電流。若震蕩周期為T(mén)，放電時(shí)間為T(mén)

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(dāng)?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?jiàn)，f與vI成正比關(guān)系。我們將它們之間的比例系數(shù)稱(chēng)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(jì)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(wǎng)上查閱到的經(jīng)典值0.01uF，而RS的取值，根據(jù)LM331電路結(jié)構(gòu)來(lái)看，RS的取值是越小越好，同時(shí)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(jì)算出來(lái)的比例代入式子進(jìn)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(shuō)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(hào)的脈沖

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

14、W）充電，VC逐漸升高。電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。在暫穩(wěn)態(tài)中，如果Vi恢復(fù)為高電平（VTR=1），但VC充電尚未達(dá)到VCC時(shí)（VTH=0），555定時(shí)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?fù)穩(wěn)態(tài)：經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，電容器充電至VC略大于VCC ，因VTH>VCC使555定時(shí)器“高觸發(fā)”，VO跳轉(zhuǎn)為低電平，放電管T導(dǎo)通，電容器經(jīng)T放電，VC迅速降為0V，這時(shí)，VTR=1，VTH=0，555定時(shí)器恢復(fù)“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(dāng)VO輸出高電平時(shí)，放電管T截止，電容器開(kāi)始充電，在電容器上的電壓<VCC這段時(shí)間，VO一直是

15、高電平。因此，脈沖寬度即是由電容器C開(kāi)始充電至VC=VCC的這段暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間。脈沖寬度計(jì)算公式：Tw1.1(R+RW)C。其電路圖如下當(dāng)tw的寬度為1s時(shí)，555的輸出和LM331的輸出經(jīng)過(guò)與門(mén)后得到的頻率就為f。這里我們選用了R13=91k，C2=10uF。2.5 計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路及其原理和功能說(shuō)明結(jié)合這次試驗(yàn)室提供的原件和電路的需要，我們選用了CD4518和CD4511來(lái)完成計(jì)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(jìn)位輸出，結(jié)合8421碼本身特點(diǎn)，所以電路中我們采用了與門(mén)連接了Q1Q4使得在1001的時(shí)候，能夠通過(guò)與門(mén)輸出高電平到下一個(gè)計(jì)數(shù)器的使能端。同時(shí)也為了避免個(gè)

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

17、k1個(gè)R43901個(gè)R5、R6100k2個(gè)R7、R8200k2個(gè)R93.9k1個(gè)R10150k1個(gè)R115101個(gè)R121k1個(gè)R1391k1個(gè)R14-R3147018個(gè)C1、C30.01uF1個(gè)C20.1uF1個(gè)C410uF1個(gè)第四部分 性能調(diào)試4.1 電路調(diào)試4.1.1 調(diào)試使用的儀器萬(wàn)用表、直流穩(wěn)壓電源、示波器4.1.2 指標(biāo)測(cè)試步驟及測(cè)量數(shù)據(jù)調(diào)試步驟整個(gè)電路分為以下幾個(gè)模塊調(diào)試：電源模塊-LM324(電壓跟隨器)-LM331(-f轉(zhuǎn)換模塊)-555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器-計(jì)數(shù)譯碼顯示模塊調(diào)試技巧1 考慮到555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作時(shí)只輸出一個(gè)1s的高電平，所以調(diào)試的時(shí)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(gè)LED燈串聯(lián)個(gè)470的電阻到地，通過(guò)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(huì)超過(guò)200hz，考慮到實(shí)驗(yàn)室示波器的工作頻率，所以沒(méi)有采用示波器來(lái)觀察波形，而是通過(guò)萬(wàn)用表來(lái)檢測(cè)LM331的輸出管腳有無(wú)輸出。3 整個(gè)電路功能模塊還是分的比較清楚的，所以一開(kāi)始搭接電路的時(shí)候，可以搭接完一個(gè)模塊就測(cè)試一個(gè)模塊，這樣集中檢查容易找出錯(cuò)誤，也可以避免前面的錯(cuò)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(cè)量數(shù)據(jù)本次測(cè)量總共測(cè)量了4個(gè)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(biāo)R3R4第一次測(cè)量321.41mV2.11V第二次測(cè)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(cè)量第二次測(cè)量VOUT(V)4.014.02LM331模塊第一次測(cè)量第二次測(cè)量周期(ms)5.715.64譯碼輸出模塊第一次測(cè)量第二次測(cè)量第三次測(cè)量第四次測(cè)量第五次測(cè)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(jiǎn)單，就先往前級(jí)檢查，看問(wèn)題是出現(xiàn)在電源的模塊還是在電壓跟隨器的模塊。仔細(xì)檢查

20、的過(guò)程中測(cè)了RC電阻兩端為5v，考慮到故障可能是電源沒(méi)有接好，仔細(xì)檢查電源模塊發(fā)現(xiàn)Q1b,c這2個(gè)管腳沒(méi)有按照電路圖中連接上。連接上b,c2個(gè)管腳后測(cè)了RC電阻兩端的電壓為2.09v，再測(cè)LM324的輸出，結(jié)果發(fā)現(xiàn)輸出為2.88v這個(gè)跟理論上相差了很多，按照計(jì)算得出的結(jié)果，LM324應(yīng)該輸出4.18v左右的電壓。使用再次仔細(xì)的檢查了LM324模塊，仔細(xì)對(duì)照電路圖后并沒(méi)有接錯(cuò)的地方，于是猜測(cè)是不是管腳的順序給自己記反了，對(duì)照LM324的管腳圖后發(fā)現(xiàn)，原來(lái)在電路圖中因?yàn)槭÷粤水?huà)電源的管腳，所以在接電路圖的時(shí)候也沒(méi)有考慮到要給LM324供電，所以導(dǎo)致了LM324未能正常的工作。接上電源和地的管腳后，

21、測(cè)試得到4.01v的電壓，與理論相差比較小。2) 555輸出為0單獨(dú)測(cè)試555模塊的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)接在輸出的LED燈都沒(méi)有亮過(guò)，仔細(xì)檢查管腳和電源，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)接錯(cuò)的地方，考慮到555有些是重復(fù)使用過(guò)的，有可能是被燒壞過(guò)的，所以重新拿了一個(gè)新的555，換上后LED還是未能正常工作，考慮會(huì)不會(huì)管腳記錯(cuò)之類(lèi)的，重新看了課本，校對(duì)后沒(méi)有發(fā)現(xiàn)錯(cuò)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(méi)有接任何東西，于是重新接了一個(gè)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(gè)位的數(shù)碼管完全不亮整機(jī)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(gè)位的數(shù)碼管完全是暗的，因?yàn)樵诖罱与娐分坝邢扔萌f(wàn)用表測(cè)試了數(shù)碼管的好壞，所以就考慮可能是有開(kāi)路的地方，用萬(wàn)用表的電壓檔去測(cè)接個(gè)位的CD4511的QA