課程設(shè)計(jì)——半導(dǎo)體三極管β值測量儀

1、<p><b>　　電子設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p><b>　　學(xué)校名稱： </b></p><p>　　學(xué)院名稱： 自動(dòng)化工程學(xué)院</p><p><b>　　專業(yè)班級(jí)： </b></p><p><b>　　學(xué) 號(hào)： </b&

2、gt;</p><p><b>　　姓 名： </b></p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　設(shè)計(jì)項(xiàng)目：半導(dǎo)體三極管β值測量儀</p><p>　　設(shè)計(jì)任務(wù)書……………………………………………………………………3</p><p>　　儀器與器件

3、……………………………………………………………………4</p><p>　　電路模塊方案設(shè)計(jì) …………………………………………………………5</p><p>　　系統(tǒng)安裝調(diào)試方法與步驟 …………………………………………………15</p><p>　　實(shí)驗(yàn)心得 ……………………………………………………………………16</p><p>　　參考

4、文獻(xiàn) ……………………………………………………………………17</p><p>　　附錄 …………………………………………………………………………18</p><p><b>　　設(shè)計(jì)任務(wù)書：</b></p><p>　　設(shè)計(jì)制作一個(gè)自動(dòng)測量NPN型硅三極管β值測量儀</p><p><b>　　基本要求：&

5、lt;/b></p><p>　　對(duì)被測NPN型三極管β值分三檔；</p><p>　　β值的范圍分別為80～120及120～160，160～200對(duì)應(yīng)的分檔編號(hào)分別是1、

6、 2、3；待測三極管為空時(shí)顯示0，超過200顯示4。</p><p>　　用數(shù)碼管顯示β值的檔次；&

7、lt;/p><p>　　設(shè)計(jì)一個(gè)半導(dǎo)體三極管β值測量儀，將待測三極管按照共射的方式接入電路，給基極一個(gè)恒定的電流。利用三極管將電流放大，再利用運(yùn)放將放大的電流進(jìn)行采樣輸出電壓值，在經(jīng)過比較電路分檔，經(jīng)過數(shù)碼管顯示β值檔次。</p><p>　　二、發(fā)揮部分： </p><p>　　1、用三個(gè)數(shù)碼管顯示β的大小，分別顯示個(gè)位、十位和百位。顯示范圍為0-199。

8、</p><p>　　響應(yīng)時(shí)間不超過2秒，顯示器顯示讀數(shù)清晰。</p><p>　　設(shè)計(jì)壓控振蕩器將采集的電壓量轉(zhuǎn)化成與之成比例的頻率，合理設(shè)定參數(shù)使再一定時(shí)間內(nèi)通過的脈沖個(gè)數(shù)極為被測三極管的β值。計(jì)數(shù)器由555定時(shí)器設(shè)計(jì)；74LS90構(gòu)成十進(jìn)制加法器，用于技術(shù)脈沖個(gè)數(shù)；由74LS194構(gòu)成鎖存電路；最后通過CD4511譯碼，用共陰極數(shù)碼管顯示β數(shù)值。</p><p&g

9、t;<b>　　儀器與器件</b></p><p><b>　　儀器</b></p><p>　　1）直流穩(wěn)壓電源 1臺(tái)</p><p>　　2）示波器 1臺(tái)</p><p>　　3）萬用表

10、 1臺(tái)</p><p>　　4）模擬實(shí)驗(yàn)裝置 1臺(tái)</p><p>　　5）數(shù)字實(shí)驗(yàn)箱 1臺(tái)</p><p><b>　　器件</b></p><p>　　LM324、LM311、NE555、μA741、CD4532、74LS74、74LS47

11、、74LS90、74LS14、 CD4511，74LS138等；</p><p>　　NPN、PNP三極管9013、9014、9015；5V穩(wěn)壓管；二極管；</p><p>　　常用多圈電位器；常用定值電阻；常用電容；共銀七段數(shù)碼顯示管。</p>

12、;<p><b>　　電路模塊的設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　關(guān)鍵一：</b></p><p>　　將變化的β值轉(zhuǎn)化為與之成正比變化的電壓或電流量，再取樣進(jìn)行比較、分檔。上述轉(zhuǎn)換過程可由以下方案實(shí)現(xiàn)：</p><p>　　根據(jù)三極管電流IC=βIB的關(guān)系，當(dāng)IB為固定值時(shí)，IC反映了β的變化，電阻

13、RC上的電壓VRC又反映了IC的變化，對(duì)VRC取樣加入后級(jí)進(jìn)行分檔比較。</p><p><b>　　關(guān)鍵二：</b></p><p>　　將取樣信號(hào)同時(shí)加到具有不同基準(zhǔn)電壓的比較電路輸入端進(jìn)行比較，對(duì)應(yīng)某一定值，只有相應(yīng)的一個(gè)比較電路輸出為高電平，則其余比較器輸出為低電平。對(duì)比較器輸出的高電平進(jìn)行二進(jìn)制編碼，再經(jīng)顯示譯碼器譯碼，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示出相應(yīng)的檔次代號(hào)。<

14、;/p><p><b>　　單位元電路設(shè)計(jì)：</b></p><p>　　電源模塊電路設(shè)計(jì)方案：</p><p>　　方案一：制作使用開關(guān)電源。開關(guān)電源具有體積小，重量輕，功耗小，效率高，有較穩(wěn)的輸出電壓等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　方案二：制作線性電源。采用大容量電容濾波后用穩(wěn)壓管穩(wěn)壓輸出要求的+5V。</p>

15、<p>　　因?yàn)槿绻约褐谱鏖_關(guān)電源制作工藝復(fù)雜，所以我們選擇方案二來制作電源模塊。</p><p>　　信號(hào)源電路設(shè)計(jì)方案：</p><p>　　方案一：利用三極管構(gòu)成共射電路，通過放大，在三極管的集電極端產(chǎn)生放大的電流。</p><p>　　方案二：利用三極管構(gòu)成微電流源，產(chǎn)生恒定的電流，然后經(jīng)過三極管放大產(chǎn)生電流。</p><

16、p>　　如上圖Q1、Q2、R1、R2構(gòu)成電流元R2為待測三極管基極的取樣電阻，R4為待測三極管集電極的取樣電阻。</p><p>　　方案二中能更精確地將信號(hào)電流穩(wěn)定再一定范圍，能更好地減少誤差，此實(shí)驗(yàn)對(duì)電流的穩(wěn)定性要求較高，所以選擇方案二。</p><p><b>　　信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)：</b></p><p>　　此模塊由差分放大電路

17、組成吧與三極管β值成比例的集電極電壓取出來再把電壓采樣放大，為下一級(jí)電壓比較電路提供采樣電壓，同時(shí)起隔離作用，防止對(duì)前面的電路造成影響。合理設(shè)置參數(shù)使放大倍數(shù)為1，運(yùn)放采用+5V單電源供電。</p><p>　　由于基極電流Ii約為30μA，因此選擇采樣電阻Rc=330Ω，這樣，若三級(jí)管放大倍數(shù)為β，則采樣獲得的電壓</p><p>　　Uo=30*10-6β*330=β/100</

18、p><p><b>　　比較電路：</b></p><p>　　被測β值須分為三檔(即β值分為80—120,120—160及160—200。對(duì)應(yīng)檔的編號(hào)分別為1、2、3，同時(shí)規(guī)定β<80或空載是顯示為0，β>200時(shí)顯示為4）?？捎靡粋€(gè)串聯(lián)電阻網(wǎng)略產(chǎn)生四個(gè)不同的基準(zhǔn)電壓，再用四個(gè)運(yùn)算放大器組成的比較電路，基準(zhǔn)電壓不同基準(zhǔn)值分別接入運(yùn)放的反相輸入端，取樣電壓同時(shí)

19、加到具有不同基準(zhǔn)電壓的比較電路的同相輸入端進(jìn)行比較，對(duì)應(yīng)某一采樣電壓U1，高于相應(yīng)基準(zhǔn)的比較電路輸出為高電平，低于基準(zhǔn)值的比較器輸出為低電平。</p><p><b>　　編碼電路：</b></p><p>　　該電路將電壓比較電路的比較結(jié)果（高低電平）進(jìn)行二進(jìn)制編碼，使之轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)。編碼功能主要由集成芯片8位優(yōu)先編碼器CD4532完成。</p>&

20、lt;p><b>　　譯碼電路：</b></p><p>　　該電路把編碼電路編成的二進(jìn)制數(shù)譯碼成十進(jìn)制數(shù)，以便于人機(jī)交流（即要顯示的樹為人來易懂的十進(jìn)制數(shù)1、2、3）和數(shù)碼管顯示。該電路功能主要由繼承芯片CD4511完成。</p><p><b>　　7、顯示電路：</b></p><p>　　該電路功能是用共陰七

21、段數(shù)碼顯示被測量的NPN型三極管β值的檔次，注意 接保護(hù)電阻，防止因電流過大而燒壞數(shù)碼管。</p><p><b>　　發(fā)揮部分</b></p><p>　　此部分的輸入信號(hào)來自基本部分中采樣電路的輸出電壓，包括壓控振蕩器、定時(shí)控制電路、計(jì)數(shù)器、鎖存器、譯碼及顯示電路六個(gè)模塊。</p><p><b>　　原理方框圖如下：</b

22、></p><p><b>　　1、壓控振蕩電路：</b></p><p>　　如上圖所示，集成運(yùn)放U7A、C1、R17、R18等組成積分電路，U88、R22、R23組成滯回比較器，VCC通過分壓為滯回比較器提供參考電壓，通過計(jì)算合理設(shè)定參數(shù)從而實(shí)現(xiàn)了將與β值成比例的電壓轉(zhuǎn)化成與β值成比例的頻率，以便為設(shè)定時(shí)間提供依據(jù)。</p><p>

23、<b>　　定時(shí)控制電路：</b></p><p>　　此電路基于555定時(shí)器與電阻、電容組成的多謝振蕩器作為定時(shí)控制電路，根據(jù)β值與頻率的比例關(guān)系合理設(shè)定R、C的值，是在有效定時(shí)時(shí)間內(nèi)通過的脈沖數(shù)等于待測三極管的β值，電路原理圖如下：</p><p><b>　　計(jì)數(shù)電路： </b></p><p>　　該部分有二—

24、五—十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS90構(gòu)成，首先將芯片連成十進(jìn)制，為精確顯示技術(shù)共需用三片，分別顯示個(gè)位、十位和百位，低位計(jì)數(shù)器的11號(hào)引腳Q3作為進(jìn)位信號(hào)接到高位計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)端，部分電路圖如下：</p><p><b>　　鎖存電路：</b></p><p>　　用3個(gè)74LS194構(gòu)成三位鎖存器分別對(duì)計(jì)數(shù)器個(gè)位、十位和百位上的數(shù)進(jìn)行鎖存，再定時(shí)控制信號(hào)的作用下定時(shí)結(jié)束時(shí)

25、將鎖存的數(shù)值送至譯碼器，一驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示，部分電路如下：</p><p><b>　　譯碼、顯示電路：</b></p><p>　　該部分由3片譯碼器CD4511和3個(gè)共陰七段數(shù)碼管組成，其連接方式與基本部分中的譯碼顯示電路相同，功能是將計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制并通過數(shù)碼管顯示出來。電路圖如下：</p><p><b>　　參數(shù)計(jì)算<

26、/b></p><p><b>　　基本部分：</b></p><p><b>　　微電流源</b></p><p>　　如上圖所示，再該部分中兩個(gè)三極管Q1、Q2均為PNP型且性能參數(shù)等都完全相同，采用+5V供電，由題意知，待測三極管的基極輸入電流在30uA—40uA之間為宜，可固定其其輸入電流恒定為30uA，即電

27、流源的輸出為30uA。設(shè)電流源的參考電流為1mA，根據(jù)公式</p><p><b>　　可得：</b></p><p>　　已知VBE1=0.7v，VCC=5v 得：R1=4.3k</p><p>　　已知Vr=26mV，Io=30uA,IR=1mA,可解得：</p><p>　　Re2=3kΩ，即電路中的R3

28、=3kΩ</p><p><b>　　采樣電路：</b></p><p>　　R2是基極取樣電阻，由于基極電流Io=30uA，所以便于測量，R2應(yīng)盡量去大一點(diǎn)，這就取R2=20K。R4為集電極取樣電阻，取樣電壓可根據(jù)公式：</p><p>　　又因?yàn)橹档姆秶鸀?0到200，同時(shí)為使VCE的選擇不小于1v，三極管工作在合適的狀態(tài)，VCE的選擇應(yīng)不

29、小于1v，當(dāng)β值為200時(shí)，去演電壓最大，集電極與發(fā)射集之間的殿宇Uce最小，為使Uce=Vcc-0.7-Ur4>1v,可取R5=R6=R7=8=50k,差分放大電路的輸出電壓為βIBR4。</p><p><b>　　分壓比較電路</b></p><p>　　比較電路由集成運(yùn)放LM324組成，采用單電源供電，再?zèng)]有負(fù)反饋的情況下，運(yùn)放工作在非線性區(qū)，當(dāng)同相輸

30、入高于反相輸入端電壓時(shí)輸出為高電平，反之為低電平，從而實(shí)現(xiàn)了電壓比較的目的。采樣掉路的輸出電壓V0通過LM324分別與積極電壓U0、U1、U2、U3、U4進(jìn)行比較，并輸出相應(yīng)的高電平或低電平。比較器的同相輸入端和采樣電路的輸出電壓V0相接，而反相輸入端則分別接分壓電路的基準(zhǔn)電壓，將這兩個(gè)電壓進(jìn)行比較，從而在輸出端得到高低電平，進(jìn)而將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。</p><p><b>　　編碼電路</b&

31、gt;</p><p>　　為將電壓比較得到的高低電平轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制代碼以便顯示，須對(duì)結(jié)果進(jìn)行編碼以譯碼，在此采用集成芯片8位優(yōu)先編碼器CD4532，其引腳和電路圖：</p><p><b>　　譯碼顯示電路：</b></p><p>　　譯碼器選用4片CD4511，直接驅(qū)動(dòng)4個(gè)共陰極數(shù)碼管。CD4511是一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)共陰極 LED （數(shù)碼管）顯

32、示器的 BCD 碼—七段碼譯碼器。CD4511引腳圖及各引腳功能如下圖：</p><p>　　共陰極數(shù)碼管管腳如圖：</p><p>　　模塊仿真電路如圖2-14所示：</p><p><b>　　鎖存電路：</b></p><p>　　用74LS90接成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。74LS90為中規(guī)模TTL集成計(jì)數(shù)器，可實(shí)現(xiàn)二分頻、

33、五分頻和十分頻等功能，最高計(jì)數(shù)頻率為40MHz，它由一個(gè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一個(gè)五進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成。其引腳排列圖如下所示：</p><p>　　計(jì)數(shù)器74LS90功能表</p><p>　　計(jì)數(shù)器74LS90管腳圖</p><p>　　在基準(zhǔn)信號(hào)的控制下，對(duì)待測信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，不過若將計(jì)數(shù)器輸出直接接譯碼顯示，則顯示器上的數(shù)字就會(huì)隨計(jì)數(shù)器的狀態(tài)不停的變化，只有在計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)

34、時(shí)，顯示器上的顯示數(shù)字才能穩(wěn)定顯示最終測量結(jié)果，所以需要在計(jì)數(shù)和譯碼電路之間設(shè)置鎖存電路。鎖存器選用4片4位鎖存器74LS194，其工作狀態(tài)也由基準(zhǔn)信號(hào)控制。74LS194管腳圖如下圖所示：</p><p>　　74LS194管腳圖</p><p>　　模塊仿真電路如圖所示：</p><p>　　計(jì)數(shù)鎖存模塊仿真電路</p><p>　　四、

35、系統(tǒng)安裝調(diào)試方法與步驟</p><p><b>　　測試方法：</b></p><p>　　先將自制電源接入220V交流電，然后將5V和正負(fù)12V連入面包板，將待測三極管接入電路中的測量位置，即可記錄三個(gè)數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　測試儀器：</b></p><p>　　數(shù)字存儲(chǔ)

36、式示波器1臺(tái)</p><p>　　函數(shù)發(fā)生器1臺(tái)</p><p>　　數(shù)字式萬用表1臺(tái)</p><p>　　直流穩(wěn)壓電源1臺(tái)</p><p><b>　　測試結(jié)果如下：</b></p><p><b>　　誤差分析：</b></p>

37、<p>　　經(jīng)測量結(jié)果和理論值在一定誤差允許內(nèi)相符，系統(tǒng)能正常工作，對(duì)結(jié)果較滿意。</p><p>　　但是試驗(yàn)中用的三極管管壓降，還有電阻阻值不與理論值完全一致，導(dǎo)致出現(xiàn)誤差，在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)準(zhǔn)確測量數(shù)據(jù)，減少誤差。</p><p><b>　　五、實(shí)驗(yàn)心得</b></p><p>　　在面包板上搭電路時(shí)一定要仔細(xì)，注意仿真圖中的連線

38、，防止連接短路，在搭電路時(shí)一定不要把線搭的太亂，不要在器件上方過線，從而影響器件的換用。</p><p>　　搭電路時(shí)按照模塊來搭，搭一個(gè)模塊測一個(gè)模塊，確保每一步的電路是正確的，然后在級(jí)聯(lián)起來。搭完一個(gè)模塊時(shí)，測試下數(shù)據(jù)輸出，看是否跟理論值相符合，然后再進(jìn)行下一步。</p><p>　　當(dāng)電路出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)不要著急，一步一步的測量電壓值，因?yàn)橛泻艽罂赡苁瞧骷牧?，測量下每個(gè)器件的輸出是不是理

39、論輸出，不是的話很可能就是器件壞了，換個(gè)試試再測。顯示數(shù)據(jù)時(shí)有的不對(duì)的可能是數(shù)碼管壞了，因?yàn)閿?shù)碼管很容易被燒掉，所以很多顯示的數(shù)據(jù)可能就不對(duì)。我曾經(jīng)用過好幾個(gè)壞的LM324，因?yàn)闇y量LM324前面的輸出結(jié)果很正確，但輸出結(jié)果經(jīng)過示波器觀測后不正確，所以這個(gè)LM324是壞了的。很多同學(xué)接數(shù)碼管時(shí)沒有接上拉電阻，所以數(shù)碼管事一個(gè)很容易壞的器件。</p><p>　　這次課程設(shè)計(jì)讓我知道了理論值和實(shí)測值的差距，有的電路

40、理論上很正確但是搭成電路就不出正確結(jié)果。課本上學(xué)的知識(shí)大部分是理想狀態(tài)下的，只有我們自己親自動(dòng)手做下才能知道應(yīng)該注意什么，哪些地方會(huì)有誤差。在面對(duì)困難時(shí)，并不是不敢去做，而是想盡方法的去解決困難，而且讓我更加熟悉了Multisim仿真軟件的使用。當(dāng)結(jié)果在面包板上顯示時(shí)，心里感受到了理論與實(shí)際相結(jié)合的成就感。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>

41、;　　“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)” 清華大學(xué) 童詩白主編</p><p>　　“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)” 清華大學(xué) 閆石主編</p><p>　　“電子技術(shù)基礎(chǔ)” 康華光主編</p><p>　　“現(xiàn)代電子線路和技術(shù)實(shí)驗(yàn)簡明教程 孫肖子主編</