模電課程設(shè)計極管β值測量

1、目錄目錄 2第一部分系統(tǒng)設(shè)計 31.1 設(shè)計題目及要求 31.2 設(shè)計思路分析 31.2.1 設(shè)計思路 31.2.2 設(shè)計方案 41.2.3 方案論證與比較 6 第二部分單元電路設(shè)計 72.1 被測三極管電路工作原理和功能說明 72.2 3 -v轉(zhuǎn)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(diào)試 164.1 電路調(diào)試 164.1.1 調(diào)試使用的儀器 164.1.2 指標測試步驟及測

2、量數(shù)據(jù) 164.1.3 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(shè)計總結(jié) 19 附件一整機電路圖 22附件二 IC 資料 23第一部分 系統(tǒng)設(shè)計1.1 設(shè)計題目及要求設(shè)計題目：半導(dǎo)體三極管 3值測量儀設(shè)計任務(wù)：設(shè)計一個可測量 NPN型硅三極管的3值的顯示測量電路<3 <200) 任務(wù)要求：1 用三個數(shù)碼管顯示 3的大小，分別顯示個位、十位和百位。顯示 范圍為 0-199 。2 響應(yīng)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或土 5V供電。1.2 設(shè)計思路分析設(shè)計思路將變化的B值轉(zhuǎn)化為與之成正比變化的電壓或

3、電流量，再將得到的電壓或 者電流量轉(zhuǎn)換為頻率，然后計數(shù)、譯碼顯示。上述轉(zhuǎn)換過程可由以下方案實現(xiàn)： 根據(jù)三極管電流Ic=BIb的關(guān)系，當(dāng)IB為固定值時，IC反映了 B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 B -V轉(zhuǎn)換 電路把三極管的B值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓，然后再通過壓控振蕩器把電壓轉(zhuǎn)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(nèi)通過的脈沖個數(shù)即為被 測三極管的B值。因為B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 譯碼管即可示可以設(shè)計方案萬案一方案一

4、說明：積分器+滯測三極管器：:理論上能夠轉(zhuǎn)換B 轉(zhuǎn)換模塊的輸出申壓轉(zhuǎn)換為f輸出。555多積分器+諧振蕩電路：產(chǎn)生VJ1s的高電平與vI 丿-f(V#換電路的J#起輸入&門后得到<- J萬案一 方案二冷 (被33三是定時器型電荷平轉(zhuǎn)翁出信號頻率和輸出信號頻率的變化范圍約為 01001LM331:范圍內(nèi)輸輸入,555多諧振蕩申路331計數(shù)器331在輸入電壓的正常變化電壓之間保持良好的線性關(guān)系，轉(zhuǎn)換誤差可咸小到0.01%。方案三方案三說明:555單穩(wěn)khz。譯碼器 *f態(tài)申三極輸出脈沖的寬度轉(zhuǎn)扌貿(mào)等, 時間取決于外接電阻R和電容C的大小。方案論證與比較B-v轉(zhuǎn)換=1.1RC* >

5、1” 555多諧振寸間，而暫穩(wěn)態(tài)>顯示示模塊人方案一：V-f模塊是由積分器+滯回比較器搭建而成，電路:555單穩(wěn)態(tài)面包板空間較多，同時工作電路難以調(diào)試，不穩(wěn)定。計時脈沖模塊因為是多諧計數(shù)器振蕩電路，計數(shù)器會對f多次計數(shù)，考慮到能夠選用脈沖計數(shù)芯片平清零的，這會占用計數(shù)時間，而且搭建電路比較復(fù)雜。"走線復(fù)CD4518是咼電 J丿度高示但模塊、比與譯碼器方案二：選用了 LM331芯片搭接v-f轉(zhuǎn)換電路，電路簡單，穩(wěn)定因為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，同時相顯示模塊555單穩(wěn)態(tài)電路來說，電路復(fù)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

6、單穩(wěn)態(tài)模塊，因為沒有多次計數(shù)，使得清零信號可以由手動清零，顯示電路采用了 CD4511-CMOS B鎖存/7段譯碼/驅(qū)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(fù)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(shè)計。第二部分單元電路設(shè)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VCCQ1R23.3kPN4121Q3PN2222APN4121R3R13k10k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

7、電流IC2(即T3管的基極電流IB>,可以將比例電流源中 ReO的阻值減小到零，便得到如上 圖所示的微電流源。當(dāng)B >>1時，Q2管集電極電流I C2=l b=(Ube&Ubep/R2式中(Ube&Ubei>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I B。圖中的Q1和Q2管子特性完全相同，Ic2=(Ut/R2>In(l r/I C2>。式中基準電流 I f=(VCC-UBeo>/Ri0 VCC=5v UBeo=O.7v，LT=26mV我們?nèi)?Ri=3k，得到 I R=1.43mA 同時因為Ib的選擇應(yīng)在30卩A4

8、0卩A之間為宜，我們?nèi)b=32卩A代入上面的 式子得到 Rz=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出IbFC，將各數(shù)值代入，這里我們B取最大值為200,算出Rd< 625歐，考慮到使用常用電阻，這里選擇RC=390?。2.2 B -v轉(zhuǎn)換電路工作原理和功能說明根據(jù)三極管電流IC=B IB的關(guān)系，當(dāng)IB為固定值時，Ic反映了 B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R7電壓跟隨器的輸出UO=Ui?？紤]到選用常用阻值的電阻，所以這里Rz 和 F5選用了 20

9、0k和100k大小的電阻。即uo=B IbRc,所以uo=O.O2496 B。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%圖11.3. 17LM331的電料堵構(gòu)拒團按照圖接上外圍的電阻、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(dǎo)通，Vo=0o同時鏡像電流源輸出端開關(guān) S接到引腳1 一邊，電流Io向CL開始充電。而Q端的低電平

10、使T3截止，所以Ct也同時開 始充電。當(dāng)Ct上的電壓Vct上上升到2/3VCC時，則鎖存器被置成 Q=Q T2截止，Vo=1 同時開光S轉(zhuǎn)接到地，CL開始向FL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0o當(dāng)CL放電到Vcl<Vi時，比較器Ci輸出為1,重新將鎖存器置成Q=1,于 是V0又跳變成低電平，CL和CT開始充電，重復(fù)上面的過程。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FL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

11、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=RrCln3=1.1RTCTCl在充電期間獲得的電荷為 Q=<i0-I rl) T1=v|0-Vi/Rl) T1式中的i rl為流過電 阻RL上的電流。若震蕩周期為T,放電時間為T2，則T2=T-Ti。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 Q=IrlT2=Vi（T-Ti>/Rl。根據(jù) Q與C2相當(dāng)?shù)玫絭Io-Vi/Rl） Ti= Vi（T-Ti>/Rl。故電路的震

12、蕩周期為 f=1/T= Vi/I 0FIT1將I o=Vef/Rs，Ti=1.1RtCT，代入上式而且知道 Vfef=1.9v，故得至Uf=Rs/2.09R tCtFLVi?？梢姡琭與Vi成正比關(guān)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=FS/2.09R tCTFL。以下是電路圖vccR93 9k12aU2vccCMINFOLFTR-CREFITHRIOUT750GNDR100 01 uF150kR11510因為我們需要讓CL和FL的值足夠大，我們讓CL=0.1uF，F(xiàn)L=150K,考慮到 前面Uo=O.O2496 B，為了能夠讓 B和f之間的比例為 1:1，我們選用了

13、Rs=510?，Rr=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*Uo=1.O4115 B ,接近1：1。（Ct的取值采用了在網(wǎng)上查閱到 的經(jīng)典值O.OluF，而FS的取值，根據(jù)LM331電路結(jié)構(gòu)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FS的值>2.4555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)整信號的脈沖寬度Tw）:將脈寬不一致的信號輸入單

14、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(diào) 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(diào)節(jié)輸出信號的脈沖 寬度Tw。在圖8.6a）的電路中，Vi接555定時器的TR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(dǎo)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TR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(jīng)vR+Rw）充電，Vc逐漸升高。電

15、路進入暫穩(wěn)態(tài)。在暫穩(wěn)態(tài)中，如 果Vi恢復(fù)為高電平Vtr=1 ），但Vc充電尚未達到3Vcc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?fù)穩(wěn)態(tài)：經(jīng)過一定時間后，電容器充電至 Vc略大于臼Vcc，因Vth 23 Vcc使555定時器 高觸發(fā)” V。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，Vtr=1, Vth=0, 555定時器恢復(fù) 保持”態(tài)。 高電平脈沖的脈寬Tw:當(dāng)V。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，V。一直是高電平。因此，脈沖寬度即是由電容器 C開始充電至V+5VR-T-1

16、I<匚JT3K 844dVCCRCCVTH55506RW100KC103 Vi H 方波輸入R10K、仝Vo尖脈沖ViTRDNDIS GVCVo103圖8.5微分電路（a）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路C21032 c= -3 Vcc的這段暫穩(wěn)態(tài)時間。脈沖寬度計算公式：Tw" 1.1(R+Rw>C其電路圖如下VCCR13R13RU3DCC34700 01uF2TRQo THNE5559 1uF當(dāng)tw的寬度為1s時，555的輸出和LM331的輸出經(jīng)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(jié)合這次實驗室提供的原

17、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U4pi ru l 臼0 O CT 0S98WA40 出 rnU4B*5iaVQC U7 BTflLSWQ l- ，U & *7 AVr15廠、U7AT4LSDAU8A*5Wft* iu 呈 s dL2 Lu LU O CJ SJ - fi n n ini n rs n因為CD4518本身并不能進位輸出，結(jié)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。同時也為了避免個位的計數(shù)器在1001跳變到0000的時候和

18、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elk端接高電平，十位的計數(shù)器elk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elk端也接地。關(guān)于更多計數(shù)和譯碼顯示模塊的內(nèi)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R310k1個R43901個R5、R6100k2個R

19、7、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(diào)試4.1 電路調(diào)試4.1.1 調(diào)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(diào)試步驟整個電路分為以下幾個模塊調(diào)試：電源模塊 -LM324(電壓跟隨器-LM331( 3-f轉(zhuǎn)換模塊-555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器-計數(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)器工作時只輸出一個1s的高電平，所以調(diào)試的時候 ，為了能夠容易判斷555是否正確的工作，在555的輸出端接了個LED燈

20、串聯(lián)個4 70?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。2LM331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 L ED。測量數(shù)據(jù)本次測量總共測量了 4個模塊：電源模塊、LM324模塊、LM331模塊、譯碼輸

21、出模塊。R42.11V2.14V電源模塊一指標R3第一次測量321.41mV第二次測量311.89mV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Vout（V>LM331模塊周期（ms>譯碼輸出模塊第一次測量9013175故障分析及處理1>LM324的輸出為0第一次測量4.01第一次測量5.71第二次測量第三次測量177178第二次測量4.02第二次測量5.64第四次測量第五次測量176177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。仔細檢查的過程中測了R

22、C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(jié)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(jié)果，LM324應(yīng)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(dǎo) 致了 LM324未能正常的工作。接上電源

23、和地的管腳后，測試得到 4.01V的電壓， 與理論相差比較小。2555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(fù)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