晶體管伏安特性圖示儀設(shè)計(jì)報(bào)告

./作品設(shè)計(jì)報(bào)告作品題目晶體管伏安特性圖示儀設(shè)計(jì)組長(zhǎng)濤〔電氣碩62班組員何海龍〔電氣碩62班組員東亮〔電氣碩62班2009-07-24交通大學(xué)電氣工程學(xué)院電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽培訓(xùn)組作品簡(jiǎn)介作品題目晶體管伏安特性圖示儀設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師建國(guó)、周旺學(xué)生濤何海龍東亮作品狀態(tài)設(shè)計(jì)完成、焊接調(diào)試完成、完整作品作品設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一套電路,能夠顯示一個(gè)待測(cè)晶體管的輸出伏安特性曲線。1一組正負(fù)12V電源供電,其余電源自行實(shí)現(xiàn)。2設(shè)計(jì)一套電路,能夠針對(duì)一個(gè)給定的NPN管,利用示波器的X軸和Y軸偏轉(zhuǎn)輸入,在示波器上顯示其標(biāo)準(zhǔn)的輸出伏安特性曲線。3通過(guò)開(kāi)關(guān)或者電位器設(shè)置,選擇不同的增量。4通過(guò)開(kāi)關(guān)或者電位器設(shè)置,選擇不同的Rc。5擴(kuò)展容一：能夠測(cè)試并顯示β。6擴(kuò)展容二：能夠?qū)NP管進(jìn)行類似的測(cè)量。7擴(kuò)展容三：能自動(dòng)識(shí)別時(shí)NPN還是PNP,能顯示類型,并自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。作品完成情況簡(jiǎn)述本作品能夠由外界提供的正負(fù)12V電源提供所需要的電源。本作品能夠測(cè)試給定的NPN管的伏安特性曲線。本作品能夠由電位器來(lái)選擇不同的增量以及不同的Rc值。本作品能夠測(cè)試并顯示晶體管的β值。本作品能夠自動(dòng)識(shí)別NPN還是PNP,能顯示類型,并自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。目錄TOC\o"1-3"\h\u30005目錄 34992晶體管伏安特性圖示儀設(shè)計(jì) 44992摘要 ………426167正文 490221、設(shè)計(jì)任務(wù) 4212052、方案論證與選擇 4157383、理論分析和計(jì)算 8186854、硬件軟件設(shè)計(jì) 11238245、測(cè)試方法與結(jié)果 14292376、結(jié)論 217965參考文獻(xiàn) 2129198附錄 22晶體管伏安特性圖示儀設(shè)計(jì)摘要：本作品實(shí)現(xiàn)了一個(gè)晶體管伏安特性圖示儀的功能,能夠自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)中的晶體管的類型并將其顯示出來(lái),能夠結(jié)合示波器掃描出晶體管的伏安特性曲線,能夠測(cè)量晶體管的放大倍數(shù)并顯示出來(lái)。作品用555振蕩器實(shí)現(xiàn)了方波和類三角波的發(fā)生,利用計(jì)數(shù)器74161和DAC0832實(shí)現(xiàn)了梯形波的發(fā)生,再用比較器LM311識(shí)別晶體管類型,用繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種不同類型晶體管測(cè)試時(shí)的測(cè)試通道的切換,最后用51單片機(jī)、ADC0809和數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體管類型以及晶體管放大倍數(shù)的測(cè)量和顯示。正文1、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一套電路,能夠顯示一個(gè)待測(cè)晶體管的輸出伏安特性曲線。1一組正負(fù)12V電源供電,其余電源自行實(shí)現(xiàn)。2設(shè)計(jì)一套電路,能夠針對(duì)一個(gè)給定的NPN管,利用示波器的X軸和Y軸偏轉(zhuǎn)輸入,在示波器上顯示其標(biāo)準(zhǔn)的輸出伏安特性曲線。3通過(guò)開(kāi)關(guān)或者電位器設(shè)置,選擇不同的Ib增量。4通過(guò)開(kāi)關(guān)或者電位器設(shè)置,選擇不同的Rc。5擴(kuò)展容一：能夠測(cè)試并顯示β。6擴(kuò)展容二：能夠?qū)NP管進(jìn)行類似的測(cè)量。7擴(kuò)展容三：能自動(dòng)識(shí)別時(shí)NPN還是PNP,能顯示類型,并自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。2、方案論證與選擇總體方案論證電源模塊本次作品的任務(wù)中已經(jīng)提供了直流電源,而我們要用到的電源只有和正負(fù)5V,而且考慮到穩(wěn)壓芯片的驅(qū)動(dòng)功率問(wèn)題,本次作品中選用兩片LM317來(lái)對(duì)+12V實(shí)現(xiàn)兩級(jí)降壓,最終降到+5V；-5V則是直接用一片LM337將-12V轉(zhuǎn)換到-5V,從而完成了所需電源的設(shè)計(jì)。晶體管伏安特性曲線測(cè)試模塊所設(shè)計(jì)的電路要能夠完成對(duì)晶體管伏安特性曲線的"繪制",即必須為晶體管的基極提供階梯波,為集電極提供三角波〔或者鋸齒波,這兩種波形可以用單片機(jī)結(jié)合DAC的方式產(chǎn)生,也可以用模擬電路產(chǎn)生,前一種方案會(huì)使得單片機(jī)程序負(fù)擔(dān)太重,本組成員目前又只會(huì)用51單片機(jī),考慮到51單片機(jī)硬件資源上的局限性和軟件上的編寫(xiě)、調(diào)試時(shí)間,我們采用后一種方案來(lái)產(chǎn)生所需要的波形,對(duì)三極管的基極和集電極進(jìn)行掃描,就可以得到晶體管的伏安特性曲線。晶體管放大倍數(shù)的測(cè)量和顯示以及晶體管類型的顯示模塊利用單片機(jī)通過(guò)ADC0809來(lái)采集晶體管集電極電阻Rb和基極電阻Rc的電壓,計(jì)算放大倍數(shù)并顯示出來(lái)。另外,單片機(jī)也能夠根據(jù)測(cè)試不同類型晶體管時(shí)的不同,來(lái)判斷晶體管類型,并能夠動(dòng)態(tài)顯示出來(lái),整個(gè)過(guò)程一直在循環(huán)進(jìn)行。具體方案電源模塊的制作：整個(gè)系統(tǒng)由外界提供電源,用LM317、LM337來(lái)降壓得到正負(fù)5V。其電路如下圖1：+12V-12V+12V-12V-5V+5V+10V5k50k50k5k2k10kLM317LM317LM337ININOUTOUTGNDGNDGNDINOUT1uF1uF0.1uF0.1uFLM337圖1電源電路圖1電源電路階梯波與三角波產(chǎn)生電路：在本設(shè)計(jì)中需要的是階梯波和類三角波形,我們首先想到了搭建一個(gè)方波發(fā)生電路,再利用積分電路產(chǎn)生三角波,或者先搭建三角波發(fā)生電路,再通過(guò)比較器產(chǎn)生方波信號(hào)。關(guān)于梯形波的產(chǎn)生,我們這里利用計(jì)數(shù)器和DAC0832來(lái)產(chǎn)生,具體做法是讓產(chǎn)生的方波經(jīng)過(guò)處理后作為脈沖信號(hào)送入計(jì)數(shù)器的CLK端,使計(jì)數(shù)器能夠循環(huán)計(jì)數(shù),并把計(jì)數(shù)值送入DAC0832,即可輸出循環(huán)的階梯波。但是上面這個(gè)方法對(duì)輸入計(jì)數(shù)器的CLK信號(hào)品質(zhì)要求較高,用一般運(yùn)放搭建的方波發(fā)生電路輸出的信號(hào)送入計(jì)數(shù)器會(huì)使得輸出階梯波形不穩(wěn)定,究其原因,是因?yàn)橛?jì)數(shù)器對(duì)CLK信號(hào)要求很嚴(yán),而用一般運(yùn)放搭建的方波發(fā)生電路產(chǎn)生的方波有一定的毛刺。后面我們另外用555觸發(fā)器搭建了方波信號(hào)發(fā)生電路,所產(chǎn)生的方波很標(biāo)準(zhǔn),作為CLK信號(hào)可以使計(jì)數(shù)器正常工作。波形發(fā)生電路原理圖如下圖2所示：圖2階梯波和三角波產(chǎn)生電路圖2階梯波和三角波產(chǎn)生電路0-2.2V階梯波-11—0V三角波555振蕩電路加法比例電路計(jì)數(shù)器芯片74161DAC0832同相比例電路反相比例電路1.6-3.2V類三角波0-5V標(biāo)準(zhǔn)方波0-2.2V階梯波-6.6—0V階梯波四位數(shù)字信號(hào)0-11V三角波0-6.6V階梯波反相比例電路0-11V三角波0-6.6V階梯波-11—0V三角波-6.6—0V階梯波繼電器三角波階梯波晶體管類型檢測(cè)電路和放大倍數(shù)測(cè)量環(huán)節(jié)：晶體管類型檢測(cè)：在測(cè)NPN的電路中接入NPN型晶體管時(shí),當(dāng)集電極的電壓超過(guò)一定值時(shí),晶體管處于放大區(qū),發(fā)射結(jié)正偏,加在發(fā)射結(jié)上〔即基極與射極之間的電壓不會(huì)超過(guò)0.7V,此時(shí)可以判斷所接入的晶體管為NPN型；當(dāng)將晶體管換為PNP型晶體管時(shí),由于當(dāng)集電極的電壓增加到一定值后,其發(fā)射結(jié)上的電壓可能超過(guò)0.7V,甚至更大,其直接受基極電壓的影響,因此,只要能夠檢測(cè)發(fā)射結(jié)的電壓即可判斷接入的是NPN型還是PNP型的晶體管。同理,在測(cè)PNP的電路中接入了PNP型晶體管時(shí),加在發(fā)射結(jié)的電壓不會(huì)低于-0.7V,如果換為了NPN型晶體管,其發(fā)射結(jié)上的電壓可能低于-0.7V,甚至更低。放大倍數(shù)的測(cè)量：通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量接在集電極的電阻上的電壓和基極的電阻上的電壓,就能夠通過(guò)ADC0809將其作為數(shù)字量送入單片機(jī),這兩個(gè)電壓和能夠反映基極電流和集電極電流的關(guān)系,利用單片機(jī)計(jì)算就能夠算出β,這里注意的一點(diǎn)是：在基極電流增加到最大值的一半時(shí)測(cè)量出來(lái)的β能夠比較好的反映晶體管的伏安特性,所以在階梯波的中間階段測(cè)量β。下圖3為晶體管類型測(cè)量與放大倍數(shù)測(cè)量電路：儀表放大AD620〔減法電路儀表放大AD620〔減法電路絕對(duì)值電路絕對(duì)值電路儀表放大AD620〔減法電路比較器LM311比較器LM311UbUcRcRb+3V基準(zhǔn)電壓-3V基準(zhǔn)電壓中斷1中斷0U〔RbU〔Rc圖3晶體管類型檢測(cè)與放大倍數(shù)測(cè)量環(huán)節(jié)|U〔Rc||U〔Rc||U〔Rb||U〔Rb|④單片機(jī)測(cè)量與顯示模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)通過(guò)ADC0809來(lái)測(cè)量晶體管基極與集電極的電壓,通過(guò)各自的采樣電阻及其伏安關(guān)系,能夠計(jì)算出兩個(gè)電流的關(guān)系,即可得到晶體管的放大倍數(shù),只要在程序中能夠?qū)⒎糯蟊稊?shù)各位逐個(gè)的分離出來(lái),并逐位動(dòng)態(tài)顯示,即可在數(shù)碼管上顯示出放大倍數(shù),順便在第四個(gè)數(shù)碼管上顯示出此時(shí)接入電路中的晶體管類型,NPN則顯示"n",PNP型則顯示"P",加以區(qū)分。本方案中選用四位共陰極數(shù)碼管,通過(guò)74HC573進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。ADC0809ADC0809STC89C5474HC573百十個(gè)n|U〔Rb||U〔Rc|中斷0中斷1圖4單片機(jī)測(cè)量與顯示環(huán)節(jié)性價(jià)比分析我們?cè)O(shè)計(jì)的電路所用的器件列表如下：由表中所知,本作品中選用的器件都是常見(jiàn)而且比較廉價(jià)的,所以本次作品設(shè)計(jì)方案的性價(jià)比是比較高的。理論分析和計(jì)算1555振蕩器：頻率：f=占空比：幅值：2類三角波電壓放大電路：偏置電壓：輸出電壓：儀表放大電路：輸出電壓：階梯波電壓放大電路：輸出電壓：5>反相比例電路：輸出電壓：4硬件軟件設(shè)計(jì)本作品設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。硬件設(shè)計(jì)放大倍數(shù)X軸放大倍數(shù)X軸晶體管圖示儀裝置STC89C54晶體管圖示儀裝置STC89C54Y軸Y軸n/pn/p圖5硬件總體設(shè)計(jì)框圖圖5硬件總體設(shè)計(jì)框圖+Vcc555+Vcc555VccRdOUTC-UGNDDISTHTR15k15k0-5V標(biāo)準(zhǔn)方波〔500HZ0-5V標(biāo)準(zhǔn)方波〔500HZD1D115k15k0.01uF0.01uFD2D20.01uF0.01uF1.6-3.2V三角波1.6-3.2V三角波圖6初始三角波與方波發(fā)生電路圖6初始三角波與方波發(fā)生電路7416174161CLKCLRQAQBQCQD+5VVccDAC0832DI0DI1DI2DI3DI4DI5DI6DI7Iout1Iout2Rfb0-2.2V階梯波圖7方波轉(zhuǎn)換階梯波電路+5V+5V10k10k1.6-3.2V三角波0-11V三角波6.7K6.7K1K1K0-6.6V階梯波1K0-6.6V階梯波1K1K0-2.2V階梯波1K0-2.2V階梯波2M1K2M1K6.7K6.7K圖9同相比例電路圖8加法比例電路圖9同相比例電路圖8加法比例電路3V3V+5V輸入LM311圖11比較器電路〔用于檢測(cè)AD620AD620模擬通道圖10儀表放大器構(gòu)成的減法電路〔用于測(cè)量電壓RefU〔Rc圖12繼電器控制晶體管基極、集電極波形切換電路圖12繼電器控制晶體管基極、集電極波形切換電路A1A21k1k1k1k1k2k2kVD1VD2Uin~Uout圖13絕對(duì)值電路0-11V三角波0-6.6V階梯波-11—0V三角波-6.6—0V階梯波軟件流程圖：設(shè)置中斷起始地址,初始化寄存器。等待,SJMP$設(shè)置中斷起始地址,初始化寄存器。等待,SJMP$啟動(dòng)ADC0809,采集通道0的信號(hào)U〔Rc送入單片機(jī),以8位數(shù)據(jù)存入。采集通道1數(shù)據(jù)U〔Rb送入單片機(jī),并除以2。將數(shù)據(jù)1除以數(shù)據(jù)2,存入累加器A。分解出累加器R0中數(shù)據(jù)的百位,十位,各位,動(dòng)態(tài)顯示中斷INT0,若NPN晶體管換為了PNP,則進(jìn)入中斷0,CLRP2.4,MOVRO,#37H,中斷返回中斷INT1,若PNP晶體管換為了NPN,則進(jìn)入中斷1,CLRP2.4,MOVRO,#73H,中斷返回定時(shí)器中斷T0,開(kāi)始采集adc0809兩個(gè)通道的信號(hào),處理得到晶體管放大倍數(shù),類型放入寄存器R0,并一同顯示圖14軟件程序流程圖5、測(cè)試方法與結(jié)果1測(cè)試目的：檢驗(yàn)作品各項(xiàng)指標(biāo)是否達(dá)到題目的要求。2測(cè)試方法：①波形可以利用模擬示波器的耦合功能來(lái)測(cè)試。用通道1測(cè)試晶體管的集電極電壓,用通道2測(cè)試集電極電阻兩端的電壓,然后將示波器置于X-Y耦合工作方式,即可觀察出晶體管的伏安特性曲線。晶體管圖示儀裝置晶體管圖示儀裝置STC89C54放大倍數(shù)n/p圖15測(cè)試示意圖X軸Y軸。②放大倍數(shù)及晶體管類型直接觀察數(shù)碼管顯示結(jié)果即可。測(cè)試結(jié)果：①第一階段：波形發(fā)生及調(diào)理：圖16555振蕩器的方波輸出圖17555振蕩器的類三角波輸出圖18方波經(jīng)電壓放大電路的輸出圖19類三角波經(jīng)電壓放大電路的輸出圖20階梯波②輸出波形及掃描結(jié)果〔以NPN型晶體管為代表：圖21集電極電壓圖22Rc兩端電壓圖23掃描出的波形圖24測(cè)試結(jié)果圖25調(diào)節(jié)Rc后的波形圖26調(diào)節(jié)Ib增量后的波形4結(jié)果分析：指標(biāo)完成情況達(dá)標(biāo)程度電源用一組正負(fù)12V的電源得到了一組正負(fù)5V的電源達(dá)標(biāo)波形掃描可以在示波器上清晰的觀察到8條NPN晶體管的伏安特性曲線達(dá)標(biāo)Rc可以通過(guò)電位器調(diào)節(jié)達(dá)標(biāo)Ib可以通過(guò)調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)階梯波的幅度,進(jìn)而調(diào)節(jié)Ib增量達(dá)標(biāo)放大倍數(shù)β可以完成對(duì)β的測(cè)量并將其顯示出來(lái),但與萬(wàn)用表的測(cè)量值存在10-20的偏差基本達(dá)標(biāo)晶體管類型可以完成對(duì)NPN型晶體管和PNP晶體管的自動(dòng)識(shí)別,并將其類型通過(guò)一個(gè)數(shù)碼管顯示出來(lái),同時(shí)可以自動(dòng)改變通道測(cè)量伏安特性曲線達(dá)標(biāo)6、結(jié)論實(shí)測(cè)結(jié)果表明,本作品