晶体管伏安特性图示仪设计报告文档格式.docx
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2)设计一套电路,能够针对一个给定的NPN管,利用示波器的X轴和Y轴偏转输入,在示波器上显示其标准的输出伏安特性曲线。
3)通过开关或者电位器设置,选择不同的
增量。
4)通过开关或者电位器设置,选择不同的Rc。
5)扩展容一:
能够测试并显示β。
6)扩展容二:
能够对PNP管进行类似的测量。
7)扩展容三:
能自动识别时NPN还是PNP,能显示类型,并自动进行测量。
作品完成情况简述
1)本作品能够由外界提供的正负12V电源提供所需要的电源。
2)本作品能够测试给定的NPN管的伏安特性曲线。
3)本作品能够由电位器来选择不同的
增量以及不同的Rc值。
4)本作品能够测试并显示晶体管的β值。
5)本作品能够自动识别NPN还是PNP,能显示类型,并自动进行测量。
摘要:
本作品实现了一个晶体管伏安特性图示仪的功能,能够自动识别系统中的晶体管的类型并将其显示出来,能够结合示波器扫描出晶体管的伏安特性曲线,能够测量晶体管的放大倍数并显示出来。
作品用555振荡器实现了方波和类三角波的发生,利用计数器74161和DAC0832实现了梯形波的发生,再用比较器LM311识别晶体管类型,用继电器实现对两种不同类型晶体管测试时的测试通道的切换,最后用51单片机、ADC0809和数码管实现对晶体管类型以及晶体管放大倍数的测量和显示。
正文
1、设计任务
1)一组正负12V电源供电,其余电源自行实现。
3)通过开关或者电位器设置,选择不同的Ib增量。
2、方案论证与选择
1)总体方案论证
电源模块
本次作品的任务中已经提供了
直流电源,而我们要用到的电源只有和正负5V,而且考虑到
稳压芯片的驱动功率问题,本次作品中选用两片LM317来对+12V实现两级降压,最终降到+5V;
-5V则是直接用一片LM337将-12V转换到-5V,从而完成了所需电源的设计。
晶体管伏安特性曲线测试模块
所设计的电路要能够完成对晶体管伏安特性曲线的“绘制”,即必须为晶体管的基极提供阶梯波,为集电极提供三角波(或者锯齿波),这两种波形可以用单片机结合DAC的方式产生,也可以用模拟电路产生,前一种方案会使得单片机程序负担太重,本组成员目前又只会用51单片机,考虑到51单片机硬件资源上的局限性和软件上的编写、调试时间,我们采用后一种方案来产生所需要的波形,对三极管的基极和集电极进行扫描,就可以得到晶体管的伏安特性曲线。
晶体管放大倍数的测量和显示以及晶体管类型的显示模块
利用单片机通过ADC0809来采集晶体管集电极电阻Rb和基极电阻Rc的电压,计算放大倍数并显示出来。
另外,单片机也能够根据测试不同类型晶体管时
的不同,来判断晶体管类型,并能够动态显示出来,整个过程一直在循环进行。
2)具体方案
电源模块的制作:
整个系统由外界提供
电源,用LM317、LM337来降压得到正负5V。
其电路如下图1:
+12V
-12V
-5V
+5V
+10V
5k
50k
2k
10k
LM317
LM337
IN
OUT
GND
1uF
0.1uF
图1电源电路
LM317LM317
LM337
阶梯波与三角波产生电路:
在本设计中需要的是阶梯波和类三角波形,我们首先想到了搭建一个方波发生电路,再利用积分电路产生三角波,或者先搭建三角波发生电路,再通过比较器产生方波信号。
关于梯形波的产生,我们这里利用计数器和DAC0832来产生,具体做法是让产生的方波经过处理后作为脉冲信号送入计数器的CLK端,使计数器能够循环计数,并把计数值送入DAC0832,即可输出循环的阶梯波。
但是上面这个方法对输入计数器的CLK信号品质要求较高,用一般运放搭建的方波发生电路输出的信号送入计数器会使得输出阶梯波形不稳定,究其原因,是因为计数器对CLK信号要求很严,而用一般运放搭建的方波发生电路产生的方波有一定的毛刺。
后面我们另外用555触发器搭建了方波信号发生电路,所产生的方波很标准,作为CLK信号可以使计数器正常工作。
波形发生电路原理图如下图2所示:
图2阶梯波和三角波产生电路
0-2.2V阶梯波
-11—0V三角波
555振荡电路
加法比例电路
计数器芯片74161
DAC0832
同相比例电路
反相比例电路
1.6-3.2V类三角波
0-5V标准方波
-6.6—0V阶梯波
四位数字信号
0-11V三角波
0-6.6V阶梯波
继电器
三角波
阶梯波
晶体管类型检测电路和放大倍数测量环节:
晶体管类型检测:
在测NPN的电路中接入NPN型晶体管时,当集电极的电压超过一定值时,晶体管处于放大区,发射结正偏,加在发射结上(即基极与射极)之间的电压不会超过0.7V,此时可以判断所接入的晶体管为NPN型;
当将晶体管换为PNP型晶体管时,由于当集电极的电压增加到一定值后,其发射结上的电压可能超过0.7V,甚至更大,其直接受基极电压的影响,因此,只要能够检测发射结的电压即可判断接入的是NPN型还是PNP型的晶体管。
同理,在测PNP的电路中接入了PNP型晶体管时,加在发射结的电压不会低于-0.7V,如果换为了NPN型晶体管,其发射结上的电压可能低于-0.7V,甚至更低。
放大倍数的测量:
通过实时测量接在集电极的电阻上的电压和基极的电阻上的电压,就能够通过ADC0809将其作为数字量送入单片机,这两个电压
和
能够反映基极电流和集电极电流的关系,利用单片机计算就能够算出β,这里注意的一点是:
在基极电流增加到最大值的一半时测量出来的β能够比较好的反映晶体管的伏安特性,所以在阶梯波的中间阶段测量β。
下图3为晶体管类型测量与放大倍数测量电路:
仪表放大AD620(减法电路)
绝对值电路
比较器LM311
Ub
Uc
Rc
Rb
+3V基准电压
-3V基准电压
中断1
中断0
U(Rb)
U(Rc)
图3晶体管类型检测与放大倍数测量环节
|U(Rb)|
|U(Rc)|
④单片机测量与显示模块:
单片机通过ADC0809来测量晶体管基极与集电极的电压,通过各自的采样电阻及其伏安关系,能够计算出两个电流的关系,即可得到晶体管的放大倍数,只要在程序中能够将放大倍数各位逐个的分离出来,并逐位动态显示,即可在数码管上显示出放大倍数,顺便在第四个数码管上显示出此时接入电路中的晶体管类型,NPN则显示“n”,PNP型则显示“P”,加以区分。
本方案中选用四位共阴极数码管,通过74HC573进行驱动。
3)性价比分析
我们设计的电路所用的器件列表如下:
由表中所知,本作品中选用的器件都是常见而且比较廉价的,所以本次作品设计方案的性价比是比较高的。
3、理论分析和计算
1)555振荡器:
频率:
f=
占空比:
幅值:
2)类三角波电压放大电路:
偏置电压:
输出电压:
3)仪表放大电路:
4)阶梯波电压放大电路:
5)反相比例电路:
4硬件软件设计
本作品设计分为硬件设计和软件设计两个部分。
硬件设计
晶体管图示仪装置
STC89C54
放大倍数
n/p
X轴
Y轴
3V
输入
LM311
图11比较器电路(用于检测)
AD620
模拟通道
图10仪表放大器构成的减法电路(用于测量电压)
Ref
图12继电器控制晶体管基极、集电极波形切换电路
A1
A2
1k
VD1
VD2
Uin~
Uout
图13绝对值电路
软件流程图:
设置中断起始地址,初始化寄存器。
等待,SJMP$
启动ADC0809,采集通道0的信号U(Rc)送入单片机,以8位数据存入。
采集通道1数据U(Rb)送入单片机,并除以2。
将数据1除以数据2,存入累加器A。
分解出累加器R0中数据的百位,十位,各位,动态显示
中断INT0,若NPN晶体管换为了PNP,则进入中断0,CLRP2.4,MOVRO,#37H,中断返回
中断INT1,若PNP晶体管换为了NPN,则进入中断1,CLRP2.4,MOVRO,#73H,中断返回
定时器中断T0,开始采集adc0809两个通道的信号,处理得到晶体管放大倍数,类型放入寄存器R0,并一同显示
图14软件程序流程图
5、测试方法与结果
1)测试目的:
检验作品各项指标是否达到题目的要求。
2)测试方法:
①波形可以利用模拟示波器的耦合功能来测试。
用通道1测试晶体管的集电极电压,用通道2测试集电极电阻两端的电压,然后将示波器置于X-Y耦合工作方式,即可观察出晶体管的伏安特性曲线。
。
②放大倍数及晶体管类型直接观察数码管显示结果即可。
1)测试结果:
①第一阶段:
波形发生及调理:
图16555振荡器的方波输出
图17555振荡器的类三角波输出
图18方波经电压放大电路的输出
图19类三角波经电压放大电路的输出
图20阶梯波
②输出波形及扫描结果(以NPN型晶体管为代表):
图21集电极电压
图22Rc两端电压
图23扫描出的波形
图24测试结果
图25调节Rc后的波形
图26调节Ib增量后的波形
4)结果分析:
指标
完成情况
达标程度
电源
用一组正负12V的电源得到了一组正负5V的电源
达标
波形扫描
可以在示波器上清晰的观察到8条NPN晶体管的伏安特性曲线
可以通过电位器调节
Ib
可以通过调节电位器调节阶梯波的幅度,进而调节Ib增量
放大倍数β
可以完成对β的测量并将其显示出来,但与万用表的测量值存在10-20的偏差
基本达标
晶体管类型
可以完成对NPN型晶体管和PNP晶体管的自动识别,并将其类型通过一个数码管显示出来,同时可以自动改变通道测量伏安特性曲线
6、结论
实测结果表明,本作品达到了设计要求。
1)在电源部分,设计要求由外界提供的正负12V来设计所需要的电源,本方案中用到了正负12V和正负5V电源,作品实测达到要求。
2)在晶体管伏安特性曲线测试部分,设计要求能够针对一个给定的NPN管,利用示波器的X轴和Y轴偏转输入,在示波器上显示其标准的输出伏安特性曲线,并且可以通过电位器或者开关调节Ib和Rc,作品实测达到要求。
3)在晶体管放大倍数的测量和显示部分,设计要求能够测试并显示β值,作品实测中,测得的β有一定的误差,而且β值越大时误差越大。
4)在晶体管类型的测量和显示部分,设计要求能自动识别时NPN还PNP,能显示类型,并自动进行测量,作品实测达到要求。
5)在测试PNP晶体管部分,设计要求对PNP晶体管进行类似NPN晶体管的测量,作品实测达到要求。
6)总述,除开β值测量存在误差以外,其它各项指标均符合设计要求。
Β值的误差则是来源于ADC0809取样时的误差和单片机程序上的误差,本作品中的误差尚在可以接受的围之。
参考文献
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清华大学2005
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电子科技大学,2006
[6]畅生,臧明相等.新型集成放大器工程应用手册;
人民,2008
附录
作品电路图
作品实物图
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- 关 键 词:
- 晶体管 伏安 特性 图示 设计 报告
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