青島大學課程設計——三極管β值測量儀

1、電子技術課程設計報告 設計名稱：半導體三極管值測量儀 學校名稱： 青島大學 學院名稱： 自動化工程學院 專業(yè)班級： 13級通信工程1班 學 號： 201340604008 姓 名： 冀兵 指導老師： 2015年9月22日目 錄一、課題名稱3二、內容摘要3三、設計內容及要求33.1基礎部分33.2發(fā)揮部分4四、比較和選定設計的系統(tǒng)方案，畫出系統(tǒng)框圖44.1基礎部分44.1.1 設計方案44.1.2模塊結構與流程圖44.1.3 基本設計原理54.2發(fā)揮部分54.2.1設計方案54.2.2系統(tǒng)框圖64.2.3基本設計原理6五、 單元電路設計、參數和元器件選擇說明7基礎部分75.1微電流源75.2共射

2、放大電路85.3采樣電路85.4采樣電路、比較電路、基準電壓105.5優(yōu)先編碼、顯示譯碼、顯示電路125.5.1編碼電路125.5.2顯示譯碼電路125.5.3顯示電路135.6單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器145.7流控振蕩器165.8計數電路、顯示電路18六、畫出完整電路圖，并說明電路的工作原理216.1基礎部分216.1.1基礎部分Multisim仿真圖216.1.2基礎部分電路的工作原理216.2發(fā)揮部分236.2.1發(fā)揮部分完整電路圖236.2.2發(fā)揮部分的基本原理236.3總電路圖24七、仿真結果24八、電路優(yōu)缺點及改進方向25九、器件清單25十、實驗心得26十一、參考文獻27 一、課題名稱半導體三

3、極管值測量儀二、內容摘要本次課程設計制作一個測量NPN型半導體三極管值的顯示測試儀，分為基礎部分和發(fā)揮部分?；A部分：通過-U的轉換電路，將變化的值轉化成與之成正比例的電壓即取樣電壓，對其進行比較、分檔。然后將取樣信號同時加到四個具有不同基準電壓的電壓比較器中進行比較，對于某一定值，每個電壓比較器輸出端輸出相應的高電平或者低電平，從而驅動優(yōu)先編碼器對高位進行二進制編碼，再經過顯示譯碼器驅動數碼管顯示出相應的檔位。發(fā)揮部分：將半導體三極管發(fā)射極輸出的電流轉化為相應的頻率。其中，單穩(wěn)態(tài)電路控制計數時間，流控振蕩器電路控制計數值，二者波形相與后是方波，再用計數器對方波進行計數，并用數碼管顯示計數值。

4、三、設計內容及要求3.1基礎部分1.對被測NPN型半導體三極管分為四擋2. 值的范圍分別是0-80、81-120、121-160、161-200和201及以上對應的檔次分別為0、1、2、3和43.用數碼管顯示的檔次3.2發(fā)揮部分1 用三個數碼管顯示值的大小，分別顯示個位、十位和百位，顯示范圍為0-1992 響應時間不超過2秒，顯示器顯示讀數清晰四、比較和選定設計的系統(tǒng)方案，畫出系統(tǒng)框圖4.1基礎部分4.1.1 設計方案根據設計內容和要求可采取以下方案：由半導體三極管的特性集電極電流和基極電流關系滿足：，且，從而將值轉化成與其成正比例變化的；即為取樣電壓，通過采樣電路將取樣電壓量同時加到具有不同

5、基準電壓的比較電路輸入端進行比較，對應某一定值，每個電壓比較器輸出相應的高電平或者是低電平；對電壓比較器輸出的高電平中的高位通過優(yōu)先編碼器進行二進制編碼；經顯示譯碼器譯碼；驅動數碼管顯示相應的檔位。4.1.2模塊結構與流程圖 基準電壓編碼電路比較電路微電流源采樣電路數碼管顯示電路顯示譯碼電路4.1.3 基本設計原理由于值無法直接測量，所以我們需要將其轉化為電壓或者電流才能間接測量其大小。根據半導體三極管的特性得知：集電極電流和基極電流關系滿足：，可以看出，當為定值時，反應了值的變化規(guī)律，又因為集電極電阻上電壓計算公公式為：，從而將值轉化成與其成正比例變化的。再將取樣并且同時連接到具有不同基準電

6、壓的電壓比較器中進行分檔比較，對應某一個確定的值，有相應的一個或幾個輸出端輸出為高電平，這就需要用優(yōu)先編碼器選擇高位進行二進制編碼，并通過顯示譯碼器驅動數碼管顯示相應的檔位。4.2發(fā)揮部分4.2.1設計方案若實現定時和產生波形的功能，必須用到555定時器由555定時器連接成的單穩(wěn)態(tài)電路，只有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩個狀態(tài)，從而可以用單穩(wěn)態(tài)電路去控制計數時間。由555定時器構成的流控振蕩器可以把無法計數的電流轉化可以計數的方波頻率，合理控制參數，使電路在單穩(wěn)態(tài)電路的高電平期間，流控振蕩器產生方波的個數等于半導體三極管的值。用大二上學期數字電子技術基礎實驗中學過的74LS160、74LS192等芯片實現對方

7、波的計數，并且用數碼管顯示出來計數值4.2.2系統(tǒng)框圖微電流源取樣電路流控振蕩器單穩(wěn)態(tài)電路計數器編碼電路數碼管顯示電路4.2.3基本設計原理將NPN半導體三極管的發(fā)射極電流經過由555定時器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和流控振蕩器產生方波，若參數選擇合適，則產生方波的頻率恰好等于待測半導體三極管的值。其中，單穩(wěn)態(tài)電路控制計數時間，流控振蕩器電路控制計數值，若沒有單穩(wěn)態(tài)電路，方波是沒有時間限制的，則相應的計數值不確定。然后將產生的方波接入計數器中進行計數，并用三個數碼管分別顯示個位、十位和百位的數值即為要測量的值。5、 單元電路設計、參數和元器件選擇說明 基礎部分5.1微電流源由PNP半導體三極管構成比例

8、電流源。Q1、Q2、R1、R2構成微電流源電路，R3是被測管Q3的基極電流取樣電阻，R4是集電極電流取樣電阻。其中Q1和Q2是兩個相同的PNP半導體三極管，為了使半導體三極管工作在放大狀態(tài)，我們讓半導體三極管Q1的發(fā)射極電流為1mA，因為必須使用5V電源，并且半導體三極管的導通壓降為0.7V。所以選擇發(fā)射極的電阻為：。為了讓半導體三極管Q2工作在放大狀態(tài)，其基極電流在30uA到40uA為宜，我們選擇30uA。根據計算公式。其中，=26mA。把已知量代入公式可以求出R2的阻值在3k左右，我們R2=3k。這時通過電流表測量出Q2的集電極電流為0.03mA。該電路的目的是：用微電流源為基極取樣電阻提

9、供穩(wěn)恒的電流方便于測量值。5.2共射放大電路通過三極管Q3的基極電流恒為0.03mA.為了使三極管工作在放大狀態(tài)，則要求 ，最好在2.5V左右，我們取的阻值為500，此時的最小值大概為：，即半導體三極管的值增加到200時半導體三極管仍然工作在放大狀態(tài)，不會進入飽和區(qū)和夾斷區(qū)從而影響值的測量精度。同樣可以算出使半導體三極管工作在放大狀態(tài)的值的最大值為：。即值增加到287以上時，半導體三極管不再工作在放大區(qū)，而是進入飽和區(qū)，此時的測量值便會失去意義。該電路的目的是：使三極管的放大倍數轉化為電壓，關系為，以此實現-U的轉換。5.3采樣電路先來介紹運算放大器的功能集成運算放大器有同相輸入端和反相輸入端

10、，這里的“同相”“反相”是指運算放大器的輸入電壓和輸出電壓的相位關系，從外觀上看，可以認為集成運算放大器是一個雙端輸入、單端輸出、具有高差模放大倍數、高輸入電阻、低輸出電阻、能較好地抑制溫漂的查分放大電路。集成運算放大器的輸出電壓與輸入電壓（即同相輸入端和反相輸入端之間的電位差）（）之間的關系可以表示為：,在集成運算放大器的電壓傳輸特性曲線上我們可以看出集成運算放大器具有線性放大區(qū)域和飽和區(qū)域兩部分。在線性區(qū)域，曲線的斜率即為電壓放大倍數；在非線性區(qū)域，輸出電壓只有兩種情況： 和。根據運算放大器構成的減法級電路的計算公式，我們可以得出減法器輸出端的電壓計算公式為：。其中，為運算放大器正端輸入電

11、壓值，為運算放大器負端輸入電壓值，當時，。恰好運算放大器的輸出電壓為兩端的電壓。我們這里取=50。5.4采樣電路、比較電路、基準電壓采樣電路、比較電路、基準電壓由一個LM324（含有四個電壓比較器）和五個電阻構成。比較器正端輸入電壓采樣電路，負端輸入基準電壓，若正端輸入電壓大于負端輸入電壓，則電壓比較器輸出端產生高電平，相應的燈泡就會被點亮，反之輸出低電平，燈泡不亮。我們讓總電阻阻值為100，即。采樣電壓的值。當=80時，=0.1580=1.2V=120時，=0.15120=1.8V=160時，=0.15160=2.4V=200時，=0.15200=3V則： 測量幾組數值如表5.4-1所示：表

12、5.4-1值測量值理論值值測量值理論值7500159228000161238111200331212220134從表中可以看出在臨界值附近的數存在偏差。說明采樣電壓和理論電壓存在一定的偏差，為了使測量值更準確，我們用電壓表測量當值分別為80、120、160、200時的采樣電壓分別為1.201V、1.79V、2.379V、2.969V。則：由于是仿真，電阻可以取成小數形式。電路圖如下：但是該電路圖存在缺點：當=200時，檔位從3檔改成4檔時，所有的電阻值都需要變化，從而造成電路的適用范圍狹窄，為此我們可以考慮把電阻改成電位器，并且使各個電位器相互獨立。電路圖如下：5.5優(yōu)先編碼、顯示譯碼、顯示電

13、路5.5.1編碼電路編碼電路將電壓比較器的比較結果進行二進制編碼，該功能有優(yōu)先編碼器4532BD_5V完成。其真值表 (此處I7、I6、I5、I4均接低電平)如5.5-1所示：表5.5-1I7 I6 I5 I4 I3 I2 I1 I0O2 O1 O00 0 0 0 1 X X X1 0 00 0 0 0 0 1 X X0 1 10 0 0 0 0 0 1 X 0 1 00 0 0 0 0 0 0 10 0 10 0 0 0 0 0 0 00 0 0由于本次課程設計要求用器件優(yōu)先編碼器4532BD_5V完成，只需要對四個檔位進行編碼，所以高位四個管腳I7、I6、I5和I4均接低電平，勢必造成管腳

14、的浪費，因此如果沒有特殊要求，我們可以4-2線編碼器實現二進制的編碼。5.5.2顯示譯碼電路顯示譯碼電路是把編成的二進制碼轉化成十進制，以便數碼管顯示出人類易懂的十進制數。該功能由芯片4511BD5V完成。當然我們也可以連接可以直接連接二進制編碼的數碼管，因為此數碼管自身攜帶譯碼器，不需要再接顯示譯碼器。5.5.3顯示電路先介紹LED數碼管的結構和功能如圖5.5.3.1所示：LED數碼管由多個發(fā)光二極管組成的“8”字形器件，引線已在內部連接完成，只需引出它的各個筆劃、公共電極，數碼管實際上是由七個發(fā)光管組成8字形構成的，加上小數點就是8個，這些段分別由字母a、b、c、d、e、f、g、dp來表示

15、。根據結構的不同，分為共陰極（高電平發(fā)光）和共陽極（低電平發(fā)光）兩種。 圖5.5.3.1其真值表如表5.5.3-1所示：表5.5.3-1顯示每段符號16進制代碼dpgfedcba共陰極共陽極0001111113FHC0H10000011006HF9H2010110115BHA4H3010011114FHB0H40110011066H99H5011011016DH92H6011111017DH82H70000011107HF8H8011111117FH80H9011011116FH90H需要注意的是，數碼管要接保護電阻，防止因電流過大而燒壞數碼管。5.6單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器先來介紹555定時器結構及功能

16、：555定時器是一種多功能中規(guī)模集成電路。利用它能極方便地構成施密特觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，多諧振蕩器。在脈沖波形的產生、整形、波形變換、定時等方面應用極廣。圖5.6.1 555定時器555定時器外部結構如圖5.6.1。各個管腳的功能如表5.6-1所示。表 5.6-11腳電源負端Vss或接地，一般情況下接地2腳觸發(fā)端3腳輸出端Vo4腳直接清零端。該端不用時應接高電平5腳控制電壓端。該端不用時，應串入一只0.01uF的電容接地，以防引入干擾6腳閾值端7腳放電端。用作電容的放電8腳電源Vcc，雙極型電路Vcc的范圍是4.5V-16V,CMOS型電路Vcc的范圍為3-18V。一般用5V單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中“

17、單穩(wěn)態(tài)”，是指電路只有穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)兩個狀態(tài)，在觸發(fā)信號作用下，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉到暫穩(wěn)態(tài)，在暫穩(wěn)態(tài)維持一段時間后，會自動返回穩(wěn)態(tài)。此單穩(wěn)態(tài)電路由555定時器與電阻、電容組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器作為定時控制電路，利用觸發(fā)后產生的持續(xù)高電平來控制時間，如圖5.6.2所示，脈沖寬度Tw等于電容電壓在充電過程中從0上升到所需要的時間，從而得出脈沖寬度.其中是為了防止外界環(huán)境的干擾而加的電容，起到隔離保護作用。圖5.6.25.7流控振蕩器接通電源后，電容經過進行充電，當充電到時，輸出電壓由高電平變?yōu)榈碗娖剑藭r電容經過進行放電，當放電到時，輸出電壓又由低電平轉換為高電平，并重新開始經過電阻進行充電，如此周而復始，電

18、路不斷震蕩，如下圖所示。vCtvOtT1 T2圖5.7.1如圖5.7.1所示：脈沖寬度,其中，為電容經過充電到所用的時間，為電容經過放電到所用的時間。并且所以脈沖寬度：經過單穩(wěn)態(tài)電路和流控振蕩器整合后的波形如圖5.7.2所示圖5.7.25.8計數電路、顯示電路我們先來熟悉74LS160的功能：圖5.8.1其外觀如圖5.8.1所示。其管腳說明如表5.8-1：表5.8-1RCO進位輸出端（高電平有效）ENP計數控制端QA-QD輸出端ENT計數控制端（高電平有效）CLK時鐘輸入端CLR異步清零端（低電平有效）LOAD同步并行置入端（低電平有效）若要組成三位數計數器，必須使用三個74LS160芯片，7

19、4LS160本身是十進制計數器，個位和十位均滿足逢十進一，但是三個芯片的時鐘輸入端不能連接同一脈沖波。個位進位輸出信號作為十位的時鐘輸入信號，十位的進位輸出信號作為百位的時鐘輸入信號，即是異步的。并且使計數使能端ENT和ENP接高電平，芯片才能工作。并把由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產生的信號和流控振蕩器產生的信號相與作為個位的時鐘信號。在發(fā)揮部分中要求計數值范圍是0-199，所以用到異步清零端，當計數值是200時要求異步清零端有效使數碼管全部顯示為0，因為異步清零端低電平有效，所以把百位的OB端通過非門接入到三個芯片的異步清零端從而使計數器在指定范圍內計數。芯片74LS160的輸出端從QD到QA依次是從高位

20、到低位，數碼管管腳從左到右依次是從高位到低位，只需把相應的管腳連接起來，便可以顯示出相應的數值從而實現顯示計數值的功能。此數碼管是二進制共陰極數碼管，二進制編碼和數碼管顯示數字的關系如表5.8-2所示。表5.8-2QD QC QB QA數碼管顯示0 0 0 0 00 0 0 110 0 1 020 0 1 130 1 0 040 1 0 150 1 1 060 1 1 171 0 0 081 0 0 19 六、畫出完整電路圖，并說明電路的工作原理6.1基礎部分6.1.1基礎部分Multisim仿真圖6.1.2基礎部分電路的工作原理微電流源部分：Q1、Q2、R1、R2構成微電流源電路，R3是被測

21、管Q3的基極電流取樣電阻，R4是集電極電流取樣電阻，由運放構成的差動放大電路，實現電壓取樣及隔離放大作用，由半導體三極管的特性得知：集電極電流和基極電流關系滿足：，可以看出，當為定值時，反應了值的變化規(guī)律，又因為集電極電阻上電壓計算公公式為：，從而將值轉化成與其成正比例變化的。該電路用微電流源為基極取樣電阻提供穩(wěn)恒的電流方便于測量值。共射集放大電路：通過一恒流源，加在被測三極管的基極，再在基極和集電極上分別加一采樣電阻，在集電極電阻上加一差動放大電路求出該采樣電阻兩端的電壓，輸出為，這樣使三極管的放大倍數轉化為電壓，關系為，以此實現-U的轉換。集成運算放大器的輸出電壓與輸入電壓（即同相輸入端和

22、反相輸入端之間的電位差）（）之間的關系可以表示為：,在集成運算放大器的電壓傳輸特性曲線上我們可以看出集成運算放大器具有線性放大區(qū)域和飽和區(qū)域兩部分。在線性區(qū)域，曲線的斜率即為電壓放大倍數；在非線性區(qū)域，輸出電壓只有兩種情況： 和。采樣電路、比較電路、基準電壓：由一個LM324（含有四個電壓比較器）和五個電阻構成。比較器正端輸入電壓采樣電路，負端輸入基準電壓，若正端輸入電壓大于負端輸入電壓，則電壓比較器輸出端產生高電平，相應的燈泡就會被點亮，反之輸出低電平，燈泡不亮。編碼電路，顯示譯碼電路：編碼電路將電壓比較器的比較結果進行二進制編碼，該功能有優(yōu)先編碼器4532BD_5V完成。顯示譯碼電路是把編

23、成的二進制碼轉化成十進制，以便數碼管顯示出人類易懂的十進制數。該功能由芯片4511BD5V完成。當然我們也可以連接可以直接連接二進制編碼的數碼管，因為此數碼管自身攜帶譯碼器，不需要再接顯示譯碼器。6.2發(fā)揮部分6.2.1發(fā)揮部分完整電路圖6.2.2發(fā)揮部分的基本原理微電流源部分與基礎部分相同，該電路用微電流源為基極取樣電阻提供穩(wěn)恒的電流方便于測量值。共射放大器，目的是由公式：，以此實現-U的轉換。（與基礎部分完全相同）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器：此單穩(wěn)態(tài)電路由555定時器與電阻、電容組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器作為定時控制電路，利用觸發(fā)后產生的持續(xù)高電平來控制時間，脈沖寬度Tw等于電容電壓在充電過程中從0上升到所需要

24、的時間，從而得出脈沖寬度.其中是為了防止外界環(huán)境的干擾而加的電容，起到隔離保護作用。流控振蕩器：接通電源后，電容經過進行充電，當充電到時，輸出電壓由高電平變?yōu)榈碗娖?，此時電容經過進行放電，當放電到時，輸出電壓又由低電平轉換為高電平，并重新開始經過電阻進行充電，如此周而復始，電路不斷震蕩。計數電路與顯示電路：使用三個74LS160芯片，74LS160本身是十進制計數器，個位和十位均滿足逢十進一，但是三個芯片的時鐘輸入端不能連接同一脈沖波。位進位輸出信號作為十位的時鐘輸入信號，十位的進位輸出信號作為百位的時鐘輸入信號，即是異步的。并且使計數使能端ENT和ENP接高電平，芯片才能工作。并把由單穩(wěn)態(tài)觸

25、發(fā)器產生的信號和流控振蕩器產生的信號相與作為個位的時鐘信號。6.3總電路圖七、仿真結果部分仿真結果如表7-1所示表7-1值顯示檔位誤差計數顯示值誤差1000122300033381107651001010331212012211613014711從表中可以看出：檔位判斷完全正確，但是數碼管顯示值有偏差，所以基本上滿足要求。八、電路優(yōu)缺點及改進方向優(yōu)點：基本部分電路原理簡單易懂，均在所學知識范圍內，器件常見。缺點：在發(fā)揮部分中Multisim仿真電路圖復雜，而且所使用的流控振蕩器電路原理較為復雜，不易理解，而且電路圖中參數不夠準確，以至于數碼管顯示值與實際值有偏差。改進方向：該課程設計涵蓋了數字

26、電子技術基礎和模擬電子技術基礎的知識，并且用到Multisim仿真軟件，綜合性比較強，但是只是基于所學知識完成，所以部分電路圖設計有欠精準簡潔。應該多查閱資料，設計出更加精美簡潔的電路原理圖九、器件清單PNP半導體三極管 2個NPN半導體三極管 1個運算放大器 5個芯片4532BD_5V 1個芯片4511BD_5V 1個LED燈 4個數碼管 4個芯片555定時器 2個芯片7408N 2個芯片74LS04N 1個電容 4個電源若干電阻 若干導線 若干十、實驗心得在剛得知課程設計內容時，稍微思考了些方案，但是由于要忙數學建模比賽，只能先放下課程設計，安心比賽。以至于周一在選題的時候顯得比較猶豫，交

27、通燈是上學期和學習伙伴花費一周時間，并且在數字電子計數基礎老師王正彥老師的指導幫助下完成的，如今加上模擬電路部分，用電壓表示車流量，總體來說思路還是有的，而且相比于半導體三極管值測量這個課題來說挑戰(zhàn)性小得多，自認為大二下學期模擬電子技術基礎這門學科學得不錯的我在同學的勸說下選擇了半導體三極管值測量這個課題，并且選擇硬件調試。但是由于計算機三級考試已經將近，必須把看過的知識點整理一遍才對得起暑假所作出的努力，因為時間緊張又改為了軟件調試，那么只有一天的設計時間來完成課題。熬了三天夜剛剛參加完數學建模比賽，只休息了一下午，晚上便去自習室考慮基礎部分電路圖的設計，雖然有的班級已經測試完，但是不喜歡不勞而獲，便一點點查閱網上資料聯系自身思想完成了基本電路的構建，但是在測試數據的時候發(fā)現在臨界值附近的數據存在偏差，不得不找方法避免這種誤差，把思路捋了一遍一遍又一遍，數據算了一遍一遍又一遍，查閱了多份資料，均發(fā)現網上的數據是錯的