毕业设计 半导体三极管值测量仪设计Word文档下载推荐.docx
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1.1设计题目及要求2
1.2备选方案设计与比较2
1.2.1方案一2
1.2.2方案二3
1.2.3各方案分析比较3
二、设计方案4
2.1总体设计方案说明4
2.2模块结构与方框图4
三、电路设计与器件选择6
3.1功能模块一(转换电路)6
3.1.1模块电路及参数计算6
3.1.2工作原理和功能说明7
3.1.3器件说明9
3.2功能模块二(伏频转换电路)9
3.2.1模块电路及参数计算9
3.2.2工作原理和功能说明10
3.2.3器件说明10
3.3功能模块三(控制计时电路)10
3.3.1工作原理和功能说明10
3.3.2器件说明10
3.3.3参数计算10
3.4功能模块四(计数电路)11
3.4.1模块电路及参数计算11
3.4.2工作原理和功能说明11
3.4.3器件说明11
3.5功能模块五(译码与显示电路)12
3.5.1模块电路及参数计算12
3.5.2工作原理和功能说明13
3.5.3器件说明14
四、元件清单15
五、安装调试与性能测量16
5.1电路安装16
5.2电路调试16
5.2.1调试步骤及测量数据16
5.2.2故障分析及处理16
5.3整机性能指标测量20
课程设计总结21
一、设计任务
1.1设计题目及要求
半导体三极管β值测量仪(b)
设计任务和要求
设计一个可测量NPN型硅三极管的β值的显示测量
电路(β<
200),要求:
1、用三个数码管显示β的大小,分别显示个位、十位和百位。
显示范围为0-199。
2、响应时间不超过2秒,显示器显示读数清晰,注意避免出现“叠加现象”。
3、电源采用5V或±
5V供电。
注:
以上为选做提高部分,选做此题的分值系数为1.2。
1.2设计方案
1.2.1方案一
图
(1)方案一设计电路图
如图
(1),T1、T2、R1、R3构成微电流源电路,R2是被测管T3的基极电流取样电阻,R4是集电极电流取样电阻。
由运放构成的差动放大电路,实现电压取样及隔离放大作用。
根据三极管电流IC=βIB的关系,当IB为固定值时,IC随着β的变化而变化,电阻RC上的电压VRC正好反映了IC的变化,所以,我们对VRC取样加入后级,进行分档比较。
从而实现目的。
该电路用微电流源为基极取样电阻提供稳恒的电流,这样便于测量β值。
1.2.2方案二
图
(2)方案二设计电路图
如图
(2),T1是被测三极管,其基极电流可由R1、RW限定,运算放大器的输出:
VR2=βIBR2
1.2.3各方案分析比较
两个方案得原理都是要将变化得β值转化为与之成正比变化的电压或电流量,再取样进行比较、分档。
方案一和方案二都是按这个思路设计的,比较和分档的电路一样。
两个方案的区别在于,方案一用电流源电路为被测三极管提供Ib,这样能比较精确地把Ib控制在想要的值附近,其缺点是电路较方案二复杂;
方案二是利用电阻分压把Vbe控制在想要的值附近,从而获得一个较稳定的Ib值,电路较简单,但Ib的控制不如方案一精确。
为了能取到比较精确的比较电压,进行下一步的比较、分档,以获得较精确的显示结果,方案一是首选。
二、设计方案
·
2.1总体设计方案说明
设计电路测量三极管的β值,将三极管β值转换为其他可用仪器测量的物理量来进行测量,如电压,根据三极管电流IC=βIB的关系,当IB为固定值时,IC反映了β的变化,电阻RC上的电压VRC又反映了IC的变化,对VRC进行伏频转换,转换后的频率f就反映了β值的大小,然后再用计数器对f的信号进行一定时间的计数,最后通过计数器的保持输出经译码电路就可以显示β值。
2.2模块结构与方框图
图(3)模块结构与方块图
2.3基本工作原理
2.3.1差分转换电路
通过一恒流源,加在被测三极管的基极,再在基极和集电极上分别加一采样电阻,在集电极电阻上加一差动放大电路求出该采样电阻两端的电压,输出为V1,这样使三极管的放大倍数转化为电压V1,关系为V1=IBR4,这样实现了-V转换。
2.3.2伏频转化电路
V1通过压控振荡器LM331,使电压信号转变为频率信号,记输出信号为V0。
选择适当的参数可以使使该频率与三极管放大倍数与发出的频率f相等。
该频率为f=K*V1=KIBR4,令=f,则可以算出KIBR4=1。
其中,K与Rs、RL、CT、RT有关。
设置适当的标称值就可以实现要求。
接下来是控制计数电路。
2.3.3控制计时电路
用NE555组成的单稳态电路,当有高电平时,可产生一个持续时间为1S的高电平V2。
2.3.4计数电路
V2加在第一片计数器CD4518的CP1A’端上,V0加在CP0A上,故当1S的高电平V2来临时,实现的是计数器在BCD模式下十进制计数,当1S的低电平V2变为高电平时,此时为保持模式,用于显示。
由于CD4518是双的BCD码假发计数器,故可将其中一个计数器的最高位不妨假定为1Q4接在另一个计数器的脉冲输入端CP0B端,CP1B’接CP1A’这样一片CD4518就可以实现一个BCD码的百位计数器!
2Q4可以接在另一片CD4518上,实现百位计数。
控制端与第一片相同。
2.3.5最后是译码与显示电路
CD4518的输出端直接接在CD4511的四个端口上,注意个位对个位,十位对十位,百位不需要译码,只有两种状态‘1’或‘0’故可以直接接在数码管的b,c端,即可实现译码的功能。
最高位只有不显示以及1这个状态,故不需CD4511译码。
CD4511的控制信号要接正确,所有的控制信号都应接高电平。
三、电路设计与器件选择
3.1功能模块一(转换电路)
3.1.1模块电路及参数计算
以上电路包含了一个微电流源与一个差分放大电路。
(微电流源)
依题意有:
T1与T2性能匹配,为PNP三极管
IB的选择应在30μA~40μA之间为宜
因为:
(1)β值与Ic有关;
(2)小功率管的β值在Ic=2~3mA时较大,而在截止与饱和区较小,测量不准确。
因此,取输出电流Io=30uA
因为参考电流约为1mA左右,则,由
已知VBE1=0.7V得:
R1=4.3K,取R1=3.3K
为了使差动放大电路起到隔离放大的作用,R5—R8应尽量取大一点,这里取R5=R6=R7=R8=30K。
综合上述
R1=3.3KR2=20KR3=3.3KR4=220
R5=R6=R7=R8=30K
3.1.2工作原理和功能说明
其中包括微电流源(提供恒定电流)和差动放大电路(电压取样及隔离放大作用)。
将变化的三极管β值转化为与之成正比变化的电压量,再取样进行比较、分档。
上述转换过程可由以下方案实现:
根据三极管电流IC=βIB的关系,当IB为固定值时,IC反映了β的变化,电阻RC上的电压VRC又反映了IC的变化,对VRC取样加入后级进行分档比较。
为了取得固定IB,采用微电流源电路提供恒定电流
微电流源电路:
有些情况下,要求得到极其微小的输出电流(如三极管基极电流比较小),这时可令比例电流源中的Re1=0,便成了微电流源电路
其电路图如下:
图(5)微电流源电路图
根据电路原理分析得:
由此可知:
只要确定IO和Re2就能确定IR,由此可以确定电阻R的值。
差动放大电路:
根据三极管电流IC=βIB的关系,被测物理量β转换成集电极电流IC而集电极电阻不变,利用差动放大电路对被测三极管集电极上的电压进行采样,。
差动放大电路原理如下:
图(6)差动放大电路图
根据理想运放线性工作状态的特性,利用叠加原理可求得
取电路参数:
R1=R2=R3=Rf,
vo=vi2-vi1
可见,输出电压值等于两输入电压值相减之差,实现相减功能。
其中运算放大器采用集成电路LM311。
综合上述得出转换电路的电路图如下:
电路说明:
T1、T2、R1、R3构成微电流源电路提供恒定电流,R2是被测管T3的基极电流取样电阻,用于检测基极电流的大小,R4是集电极电流取样电阻,用于检测集电极电流的大小同时检测出被测三极管β值的大小,由运放构成的差动放大电路,实现电压取样及隔离放大作用,为电压比较电路提供采样电压。
3.1.3器件说明
LM311采用单电源供电,其内部只由一个运算放大器构成,其封装及内部结构如下所示:
LM311封装及内部结构图
3.2功能模块二(伏频转换电路)
3.2.1模块电路及参数计算
LM331实现电压与频率的转换。
f=K*V1=KIBR4,K=Rs/(2.09RTCTRL)。
可以令f=,则计数器恰好在1S内记下所有脉冲数。
通过计算拼凑可以得出:
Rs=4.7K,RT=Rv=10K,RL=150K,CT=0.01uF,CL=1uF,C2=0.01uF。
3.2.2工作原理和功能说明
采用LM331芯片实现电压与频率的转换,使电压转换为可以用计数器计数的脉冲信号。
3.2.3器件说明
LM331其封装结构如下所示:
(LM331)
输入电压信号,输出有脉冲,可以以一定的关系实现电压与频率的转换。
供电电压为+5V。
3.3功能模块三(控制计时电路)
3.3.1工作原理和功能说明
把NE555接成单稳态电路,利用触发后产生的持续高电平来控制计数器计时,根据设计的思路,要产生1S的持续高电平。
3.3.2器件说明
NE555,其封装图如下:
NE555引脚排列图
所接正电源为5V。
3.3.3参数计算:
要实现计数1S即tw=1.1R9C1=1S,故可凑得R9=90K,C1=10uF。
3.4功能模块四(计数模块)
3.4.1模块电路及参数计算
说明:
每个时钟周期计数器,计数一次。
由于是计数一秒,故根据前面的关系,计数器最终的数值就是所要测的β值。
3.4.2工作原理和功能说明
控制端与第一片相同
3.4.3器件说明
CD4518功能表与封装图如下:
(功能表)
(封装图)
3.5功能模块五(译码与显示电路)
CD4511封装图如下:
图(12)CD4511封装图
其中:
A、B、C、D为数据输入端,、、LE为控制端。
a~g为输出端,其输出电平可直接驱动共阴数码管进行0~9的显示。
CD4511真值表:
3.5.1工作原理和功能说明
显示用共阴数码管
由于LED显示器有共阳极和共阴极两种结构,故所对应的显示译码器也不同,使用共阳数码管时,公共阳极接电源电压,七个阴极a~g由相应的B
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