电子课程设计报告.docx
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电子课程设计报告
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电子课程设计
简易数字三极管
值的显示仪
课程名称:
电子课程设计
指导教师:
学院:
通信工程学院
专业班级:
微电子学
学生姓名:
时间
简易数字三极管
值的显示仪
摘要
该简易数字三极管
值显示仪是利用A/D转换芯片ICL7107作为数据处理芯片,将前端采集到的电压进行处理,再利用3位数码管显示被测三极管
值。
实现了NPN和PNP三极管
值的测量,
值在50—300之间,误差控制在10%以内,电源采用±5V供电。
关键词:
晶体三极管数码管A/D转换芯片ICL7107
一、系统设计要求:
1、能够对NPN和PNP三极管进行
值测量。
2、被测三极管
值范围:
50—300。
3.测试误差<10%;
4.β值至少用三位数码管显示;
5.电源采用±5V供电。
二、方案的比较论证和选择:
1、电源部分:
方案一:
使用220V电压,再经过降压整流、滤波、稳压得到5V电压。
方案二:
直接使用实验室提供的多路直流稳压电源提供5V左右的电压。
方案比较与选择:
方案一需要很多步骤才能得到5V电压,既影响显示仪美观、又增加了成本。
方案二成本低廉又能很好的满足系统的要求,且电路比方案一要简单。
因此,选择方案二。
2、数据处理部分:
方案一:
使用一个STC89C52系列单片机来处理数据,不过必须要先将电压进行放大,还要经过模数转换芯片ADC0804转换为数字信号,输送给单片机进行处理,再显示。
方案二:
使用A/D转换芯片ICL7107进行数据处理,再由3位LED显示。
方案比较与选择:
方案二只需ICL7107和少量的外围电路就可以实现系统设计的要求。
而方案一则需要单片机、模数转换两个芯片,并且还需要一些运放和编程,成本高,电路繁琐复杂。
因此,选择方案二。
3、恒流源部分:
方案一:
使用专用的恒流源给被测三极管的基极提供稳定的电流,再利用三极管的发射极(集电极)电阻压降来进行采集被测三极管信号。
方案二:
NPN测试电路使用一对性能完全相同的PNP型三极管和两个电阻组成一个恒流源,PNP测试电路使用一对性能完全相同的NPN型三极管和两个电阻组成一个恒流源,产生几十微安恒定的电流作为PNP三极管的基极电流。
用一个开关选择其中的一个通路。
方案比较与选择:
方案一得恒流源提供的电流很稳定,但成本很高。
方案二中只需使用一些便宜的三极管和电阻便可以构建恒流源电路,电路不复杂,成本也很低。
因此,选择方案二。
4、显示部分:
方案一:
使用LCD来进行显示。
方案二:
使用数码管进行显示。
方案比较与选择:
由于被测量仪只需要显示一些简单的数字既可,不需要LCD来进行显示。
方案二中数码管操作简单、成本低。
ICL7107外接数码管是共阳的。
因此,选择共阳数码管。
5、总体设计框图:
NPN电压采集电路
PNP电压采集电路
开关
三位
数码管
ICL7107处理电路
图1:
总体设计框图
3、单元模块的设计:
1、各单元模块功能介绍及电路设计:
:
:
104
:
1K
(1)电源模块:
电源模块主要是为整个显示仪系统供电,我们有实验室的直流稳压电源提供的5V电压,再并联两个电容(
虑高频、
稳低频)便可以为整个系统。
图2:
电源模块
(2)恒流源模块:
恒流源电路分为NPN型恒流源和PNP型恒流源,分别提供测NPN型的三极管和PNP型的三极管参数的稳恒电流|IB|。
PNP测试:
恒流源用两只型号完全相同的NPN三极管和电阻R1、R2构成,最终检测三极管Q3集电极的电压值的变化。
与NPN检测电路不同的地方是:
NPN电路检测的是三极管发射极的电压值,即电位器R33上的电压;而PNP检测电路上检测的是三极管集电极上的电压值,即电位器R34上的电压,调试时将它们调到一个比较合适的值,可以最大程度的减小系统误差,测PNP时的电路图如图3所示。
图3:
测PNP型微电流源
NPN测试:
用一对性能完全相同的PNP三极管Q4、Q5和电阻R5、R6构成一个微电流源,调节R5的值三极管Q6的基极可以得到几十微安比较稳定的电流。
Q6发射极的电流值随着β参数的不同而作线性变换,电位器R33上的电压值也唯一的随着β参数二进行变化,测NPN时的电路图如图4所示。
图4:
测NPN型微电流源
(3)选择电路模块:
图5:
测NPN型微电流源
该部分使用一个二选一开关作为NPN检测电路和PNP检测电路的电压选择。
如图5所示:
当开关拨到PNP时,采集PNP电路上的电压;当开关拨到NPN时,采集NPN电路上的电压,采集的电压通过电位器H2有何在芯片的信号
输入端(31脚)。
(4)信号处理模块:
该模块使用三位半LED显示A/D转换芯片ICL7107及其若干外围电路构成主处理电路,电路如下:
电位器R19滑动端和电阻R18采集到的电压值分别输入到ICL7107的IN+端和IN-端,ICL7107对其进行处理。
其中:
R1和C1接到7107的38、39、40管脚,构成了一个多谐振荡器,为芯片提供定时脉冲;电位器R3和R4接到芯片的36管脚,为芯片提供一个基准电压;电容C2接到芯片的33、34管脚,不能使用瓷片电容;C4、C5、R6接到芯片的27、28、29管脚,是芯片工作的积分网络,不能使用磁片电容;26管脚接-5V的电压;30、32、35管脚接地;31脚为信号输入端IN+,30脚为信号接地端IN-,中间接一个电容C3退偶;1脚接+5V电压,加电容C8退偶。
电阻R2和按钮开关S1构成测试电路连接到7107的37号管脚(TEST)。
正常情况下,当键按下,数码管全亮。
若有数码管没亮,则说明电路连接有问题或是数码管有坏的。
其他管脚接数码管。
图6:
7107外围电路
(5)显示模块:
该模块使用三个共阳数码管来显示三极管的放大倍数,如下图4-5所示:
三位数码管分别显示放大倍数β参数的个位、十位、和百位,这里的电阻R21为保护电阻,起到降压的作用,减小加在数码管上的电压。
数码管
的驱动由ICL7107完成。
图7:
显示部分电路
2、电路参数计算及特殊元器件介绍:
1)电路参数计算:
(1)电源部分:
电阻R1起到分压的作用,取1K;电容C1取100u,作用是滤除高频,电容C2取瓷片电容0.1u(104),作用是稳低频。
(2)恒流源部分:
在测量NPN三极管放大倍数时,由于我们需要一个非常小的基极电流值,大概10uA,因此电阻R7为47K,由于我们需要测量三极管
之间的
值,电位器H1为10K。
在测量PNP三极管时,我们也需要一个非常小的基极电流值,大概10uA,因此电阻R2为10K,电位器H3为100K。
三极管Q1、Q2、Q3、Q4取的放大倍数应该尽量大,因此我们选的NPN三极管Q3、Q4为9014,PNP三极管Q1、Q2为9015。
由于ICL7107的最大量程为200mV,而
的范围为
,于是我们还需要
电位器H2,将采集的电压进行分压,再送进A/D转换芯片7107中。
(3)信号处理部分:
经查阅资料可知,R3需较大,选100K,C4需较大,选100P(101)的瓷片电容。
电阻R4选择10K;因为36脚需要100mV的基准电压,于是电位器H4选择1K,R5选择18K;C5的值要求比较精确,因此选择0.1uF(104)的胆电容;R9选择
的电阻;C8选择一个较小的瓷片电容,值为0.01uF(103);C6选择0.47uF(474)的胆电容,C7选择0.22uF(224)的胆电容,R8选择47K的电阻。
(4)显示部分:
电阻R6为数码管保护电阻,取220Ω的普通电阻即可。
2)特殊元器件介绍——ICL7107器件。
A、1.31/2位双积分型A/D转换器ICL7107的基本特点:
(1).ICL7107是31/2位双积分型A/D转换器,属于CMoS大规模集成电路,它的最大显示值为士1999,最小分辨率为100uV,转换精度为0.05士1个字。
(2).能直接驱动共阳极LED数码管,不需要另加驱动器件,使整机线路简化,采用士5V两组电源供电,并将第21脚的GND接第30脚的IN。
(3).在芯片内部从V+与COM之间有一个稳定性很高的2.8V基准电源,通过电阻分压器可获得所需的基准电压VREF。
(4).能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动极性显示功能。
(5).输入阻抗高,对输入信号无衰减作用。
(6)..整机组装方便,无需外加有源器件,配上电阻、电容和LED共阳极数码管,就能构成一只直流数字电压表头。
(7).噪音低,温漂小,具有良好的可靠性,寿命长。
(8).芯片本身功耗小于15mw(不包括LED)。
(9).不设有一专门的小数点驱动信号。
使用时可将LED共阳极数数码管公共阳极接V+.
(10).可以方便的进行功能检查。
B、ICL7107引脚功能:
V+和V-分别为电源的正极和负极,au-gu,aT-gT,aH-gH:
分别为个位、十位、百位笔画的驱动信号,依次接个位、十位、百位LED显示器的相应笔画电极。
Bck:
千位笔画驱动信号。
接千位LEO显示器的相应的笔画电极。
PM:
液晶显示器背面公共电极的驱动端,简称背电极。
Oscl-OSc3:
时钟振荡器的引出端,外接阻容或石英晶体组成的振荡器。
第38脚至第40脚电容量的选择是根据下列公式来决定:
Fosl=0.45/RC。
COM:
模拟信号公共端,简称“模拟地”,使用时一般与输入信号的负端以及基准电压的负极相连。
TEST:
测试端,该端经过500欧姆电阻接至逻辑电路的公共地,故也称“逻辑地”或“数字地”。
VREF+VREF-:
基准电压正负端。
CREF:
外接基准电容端。
INT:
27是一个积分电容器,必须选择温度系数小不致使积分器的输入电压产生漂移现象的元件IN+和IN-:
模拟量输入端,分别接输入信号的正端和负端。
AZ:
积分器和比较器的反向输入端,接自动调零电容CAz。
如果应用在200mV满刻度的场合是使用0.47μF,而2V满刻度是0.047μF。
BUF:
缓冲放大器输出端,接积分电阻Rint。
其输出级的无功电流(idlingcurrent)是100μA,而缓冲器与积分器能够供给20μA的驱动电流,从此脚接一个Rint至积分电容器,其值在满刻度200mV时选用47K,而2V满刻度则使用470K。
C、ICL7107的工作原理
双积分型A/D转换器ICL7107是一种间接A/D转换器。
它通过对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分,将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔,然后利用脉冲时间间隔,进而得出相应的数字性输出。
838电子它的原理性框图如图4-7所示,它包括积分器、比较器、计数器,控制逻辑和时钟信号源。
积分器是A/D转换器的心脏,在一个测量周期内,积分器先后对输入信号电压和基准电压进行两次积分。
比较器将积分器的输出信号与零电平进行比较,比较的结果作为数字电路的控制信一号。
时钟信号源的标准周期Tc作为测量时间间隔的标准时间。
它是由内部的两个反向器以及外部的RC组成的。
其振荡周期Tc=2RCIn1.5=2.2RC。
图8:
ICL7106A/D转换器原理
四、系统电路图和PCB图:
1、系统电路图及工作原理:
图9:
系统原理图
工作原理:
是三极管共射电流放大系数,不是一个能够直接测量的物理量。
在被测三极管工作在放大区时,有Ic=
Ib、Ie=(1+
)Ib
Ib。
给被测三极管基极加一个由恒流源产生的恒定的电流,检测此时三极管发射极/集电极上的电压信号,这个信号只随着三极管放大倍数
变化,调整好这个电压信号的强度后将其加到ICL7107的信号输入端,经7107进行数据处理之后利用三位半数码管进行显示。
2、PCB图:
我们先将各个元件按照原理图的大致位置排列好后,利用电脑自动布线,再手动做一些修改,效果较好。
线宽设置为40mil,焊盘为80mil,过孔为45mil。
最终成品PCB大小为
,如图10。
图10:
PCB图
5、系统调试以及测试结果:
1、电路的安装
按整机电路图连接电路,按以上介绍的电路模块顺序连接。
由于电路元件比较多,故此步要小心谨慎。
2、系统调试:
1)调试所用仪器:
直流稳压电源(资产编号20052173)
万用表(资产编号100201203)
2)调试过程:
(1)A/D芯片的调试:
将硬件电路连接完成后用示波器在ICL7107的6脚测试,看有无数据序列输出,即看有无高低电平的变化,要是有证明A/D可以正常工作,要是没有则检查程序看是否程序有问题,要是程序没有问题则检查芯片,看芯片是否损坏。
(2)模拟部分的调试:
用万用表对运放的输入电压和输出电压进行测量,放大倍数为设计的放大倍数,证明运放芯片是好的。
经过测量和计算三极管的输出电压,输出电压的实际值和理论值相差不大,证明这部分没有问题。
(3)数字部分的调试:
数码管正常显示,且显示的三极管直流放大系数和用万用表测量的结果相差不大误差在5%之内。
(4)电源部分:
由于需要
为被测NPN型三极管和PNP型三极管、芯片、数码管以及微电流源供电,根据各模块电压需求,我们直接利用实验室的直流稳压电源提供
。
当加上电源后利用万用表测量电源管脚电压既可。
3、系统测试及结果:
选择若干个左右三极管放大倍数在
之间的NPN和PNP型三极管进行测试。
取一个三极管用万用表测出它的实际放大倍数并记录,再将它们接入测试电路测量三极管的放大倍数并记录,测完后换其他三极管测试,每种型号的测试如下表。
NPN管测试数据:
表1:
NPN管数据测试记录
类型
数据记录
实际值
203
215
230
260
272
267
252
196
测量值
203
217
228
256
268
265
253
195
注:
三极管放大倍数的测试误差都小于5%
实际总值的平均值为:
测量总值的平均值为:
系统总的误差为:
因此,NPN检测电路可以很好的满足系统要求。
PNP管测试数据:
表2:
PNP管数据测试记录
类型
数据记录
实际值
206
219
222
277
265
216
220
237
测量值
206
216
225
277
260
219
223
235
注:
三极管放大倍数的测试误差都小于5%
实际总值的平均值为:
测量总值的平均值为:
系统总的误差为:
。
因此,PNP检测电路可以很好的满足题目的要求。
由上述记录的PNP和NPN的实际与测量值,可以反映出该系统能够很好地满足系统设计的要求。
6、电子设计总结:
通过这一次的电子课程设计的学习,让我对整个电子设计的流程有了一个清晰的的认识和感知,同时对理论知识也进行了加深和巩固。
这是我第一次整体地完成了电路设计、制版和最后的调试这三个过程。
简易数字三极管β值显示仪,该电路的特点是原理简单,成本低,可较好的实现三级管放大倍数的测量,优点是电路简单,实现起来相对容易,成本低廉。
但是存在精度不高的缺点,在实际测量时,会发现三级管的放大倍数和数码管显示的值不是成线性的变化,而且该系统的抗干扰能力不强。
刚开始我们觉得有点恼火。
但是经过老师讲解后,就觉得挺简单的,只需要两个恒流源和一片7107既可。
接下来我们就画原理图,进行仿真,再在国庆期间学习PROTEL,最后就是制版和调试。
最重要的是通过这次的电子课程设计学习,让我了解到了其实做项目,做工程设计并不是困难,要大胆的尝试。
在整个过程当中让我们体会到了制作成功后的那种深深的喜悦之情。
明白了做产品的不易与艰辛,理解到每一个环节都很重要,都需要我们去耐心的,反复的检查与调试,这样才能取得成功。
7、参考资料:
【1】余小平、奚大顺主编.《电子系统设计》.基础篇北京航空航天大学出版社;
【2】李清泉、黄昌宁编着.集成运算放大器原理与应用.北京:
科学出版社,1980;
【3】王振红编著.《数字电路设计与应用实践教程》.北京:
机械工业出版社,2003;
【4】张晓平,舒华主编.《三极管的应用[J]》.汽车维护与修理.1999(8),29~31;
【5】胡宴如、耿苏燕编著《模拟电子技术基础》,高等教育出版社2004年。
附录一:
元件清单
序号
名称、型号、规格
数量
1
芯片:
ICL7107
1片
2
9013NPN型三极管
2个
3
8550PNP型三极管
2个
4
104电容
1个
5
474电容
1个
6
101电容
1个
7
223电容
1个
8
224电容
1个
9
220Ω电阻
3个
10
20k电阻
5个
11
1k电阻
2个
12
100Ω电位器
2个
13
24k电阻
1个
14
1M电阻
1个
15
1k电位器
1个
16
100k电阻
1个
17
插座
3个
18
开关
1个
19
共阳极数码管
3个
- 配套讲稿:
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