三极管测试仪.docx
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三极管测试仪
光电信息科学技术学院
H甲2705
成长的力量
山东省大学生电子设计大
简易半导体三极管
参数测试仪(H)
赛
参赛成员:
蒋洪涛张国营马子龙
指导老师:
电子设计指导小组
目录
摘要
一、方案比较、设计与论证…………………………………………………………
(2)
二、理论分析与计算……………………………………………………………………(4)
三、电路图及有关设计文件…………………………………………………………(6)
3.1、系统原理框图
3.2、系统电路图详细分析及其实现
3.3、系统软件流程图
四、测试仪器与方法……………………………………………………………………(11)
4.1、测试仪器
4.2、测试过程及方法
五、测试数据及测试结果分析……………………………………………………(12)
5.1、测试数据
5.2、结果分析
六、总结……………………………………………………………………………………(13)
参考文献
附录
简易半导体三极管参数测试仪设计报告(H)
蒋洪涛张国营马子龙
摘要
本系统是利用C51,辅以必要的外围电路,用C语言编写程序,并进行模块化设计而成的简易半导体三极管参数测试仪。
它具有功能稳定,精确度高,传输数据快的特点。
本系统实现了题目的基本要求功能和发挥部分的功能,还有创新。
关键字:
单片机三极管放大系数
Abstract
Thissystemisasimplesemi-conductortriodetransistorparametertestapparatustomakeuseoftheC51ascontrolcerter,assistwiththenecessaryoutercircleelectriccircuit,writetheprocedurewiththeClanguage,anddesignedinmodel.Ithasthestablefunctionandthehighaccuracy.Itdeliverthedatawithhighspeed.Thissystemrealizesthebasicfunctionrequestedanddeveloppartoffunctions,stillhavesomecreative.
Keyword:
singlechipaudionmagnifycoefficient
·1·
一、方案比较、设计与论证
控制
部分
模块
针对题目要求,经过分析,我们认为主要由四个大的模块来实现系统设计(如图一所示):
◆控制模块;
◆模拟处理模块;
◆数字处理模块;
◆显示模块
1.控制部分方案论证
【方案一】采用高性能的专用单片机芯片实现系统,可以很好的解决同时采样和控制显示的功能,且由于该芯片本身带有D/A和A/D转换,不用另外设计,但是专用芯片的通用性差,使用起来比较麻烦,且市场价格高,购买时不方便。
【方案二】针对题设要求,我们也可以采用C51两片通用芯片来实现系统设计,一片用来实现控制显示、数据运算等功能;另一片用来产生扫描电压信号和调控恒流源。
该方案克服了专用芯片通用性差的缺点,学习起来容易熟悉掌握,而且市场价格低,购买、使用方便。
可见,两个方案都可以较好的实现系统功能,但考虑到专用芯片通用差,市场价格高,学习较麻烦等缺点,所以在此,我们采用第二种方案。
2.模拟部分方案论证
模拟处理部分,主要在于恒流源IB的设计,它是该系统设计的重点之一。
在整个系统的工作过程中,都需要提供一个相对恒定的基极电流IB,因为IB的精确程度直接影响到测量参数的精确与否,决定了测试的成败。
【方案一】采用专用恒流源,它的性能稳定,简化了电路设计。
但是市场购买的恒流源所能提供的恒流值一般是固定的,不能根据需要进行调节,市场价格也不低,使用不便。
·2·
【方案二】自己制作可调恒流源,这样可以根据设计需要提供多种恒流IB值,且成低,易于实现。
由于专用恒流源的数值不能调节,价格贵、使用不便,而自制恒流源更符合设计要求,所以我们选择了方案二。
3.数字部分方案论证
该模块主要包括模数转化电路,数模转化电路,产生扫描电压电路。
其中用C51扫描电压的产生电路是重点之一,其波形的选择至关重要。
【方案一】用锯齿波作扫描电压,因为锯齿波是线性渐变的,其线性和周期性效果好;
【方案二】用三角波作扫描电压,但是由于它的变化是从小到大再到小,这样显示输出特征曲线的效果如图二所示,效果有所影响;
【方案三】用其他线性的波形作扫描电压也可实现,但涉及的电路较繁杂;
比较三种方案,我们选择方案一。
(图二)
4.显示部分方案论证
基本部分的测试数据显示,我们采用液晶显示,这样可以清晰明了。
而发挥部分的输入、输出特性曲线的显示,有两种方案:
【方案一】液晶显示有着轻便的优点,但是液晶显示器的效果好坏依赖与液晶的点阵密度,同时当数据采样时,就需要采集足够的样本点,增加了存储容量,实现起来比较麻烦。
【方案二】采用100MHZ的模拟示波器来显示三极管共射极接法的输入和输出特性曲线,显示的效果非常好,清晰明了。
由此,我们选择了方案二。
·3·
综上所述,我们的总体方案是:
控制部分采用通用的C51芯片,模拟部分采取自己制作恒流源,数字部分的扫描波形采用锯齿波。
特性曲线显示部分我们采用示波器显示,而所测的参数用液晶来显示。
二、理论分析与计算
2.1、共发射极直流电流放大系数
β=(IC-ICEO)/IB≈IC/IBVCE=const
在放大区基本不变。
在共发射极输出特性曲线上,通过垂直于X轴的直线(VCE=const)来求取IC/IB,如图三所示。
在IC较小时和IC较大时,会有所减小,这一关系见图四。
(图三)(图四)
2.2、反向饱和电流
集电极—发射极间的反向饱和电流ICEO,集电极基极间反向饱和电流ICBO,ICBO的下标CB代表集电极和基极,O是Open的字头,代表第三个电极E开路。
它相当于集电结的反向饱和电流。
ICEO和ICBO有如下关系:
ICEO=(1+β)ICBO
相当基极开路时,集电极和发射极间的反向饱和电流,即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值。
如图五所示。
·4·
2.3、共发射极交流电流放大系数
=IC/IBVCE=const
在放大区值基本不变,可在共射接法输出特性曲线上,通过垂直于X轴的直线求取IC/IB。
具体方法如图六所示。
(图六)
2.4、V(BR)CEO(如图七)——基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。
对于V(BR)CER表示BE间接有电阻,V(BR)CES表示BE间是短路的。
V(BR)CBO(如图八)——发射极开路时的集电结击穿电压。
下标BR代表击穿之意,是Breakdown的字头,CB代表集电极和基极,O代表第三个电极E开路。
V(BR)EBO——集电极开路时发射结的击穿电压。
几个击穿电压在大小上有如下关系:
V(BR)CBO≈V(BR)CES>V(BR)CER>V(BR)CEO>V(BR)EBO
(图七)(图八)
2.5、考虑到误差要求,根据β的公式:
·5·
β=IC/IB,而IE=IC+IB,所以IE/IB=β+1,我们取UE电压量为IC的相应量(如图九),送示波器的Y信道。
而要求的测量误差的绝对值小于5N/100+1,其中N是直流放大倍数β的显示数值。
可见,要求的误差绝对值就是相应于小于5%。
(图九)
三、电路图及有关设计文件
3.1、系统原理框图
整个系统由控制模块、模拟处理模块、数字处理模块和显示模块四个模块组成,各个模块又由几个相应的功能模块电路构成(如图十所示)。
并口通信
·6·
由AT89C2051芯片
(2)编程产生数字信号,经D/A转换后分别变产生锯齿波信号和恒流调控信号。
锯齿波信号经过锯齿波放大电路进行放大,恒流调控信号对恒流电源产生电路进行调控,产生各种所需的恒流电源值。
AT89C2051芯片
(1)通过键盘输入信号调控选择对几种参数进行测量。
选定要测的参数由测量电路完成,并通过A/D转换成数字信号送芯片
(1)处理,处理完后,液晶进行显示测定的参数值。
通过输入、输出特性曲线电路,在恒流源和扫描的锯齿波电压下,可以把信号送示波器显示。
显示输入曲线时,X信道为VBE信号,Y信道为IB信号,显示输出特性曲线时X信道的信号为VCC,Y信道的信号为定值IB下相应的IC等效电压信号。
这样在示波器上显示的就是以VCC为横坐标,相应的IC等效电压信号为纵坐标的特性曲线图。
这样便可在示波器上显示出输入、输出特性曲线。
3.2、系统电路图详细分析及其实现
3.2.1、系统总体电路
电路设计时所用的单片机AT89C2051的管脚排列如图十一所示:
(图十一)
·7·
系统的整体电路如图十二所示:
(图十二)
3.2.2、恒流电源电路
(图十三)
恒流源电路分为NPN型恒流源和PNP型恒流源,分别提供测NPN极型的三极管和PNP极型的三极管参数的稳恒电流|IB|,其中测NPN时的电路图如图十三所示:
·8·
测PNP时的恒流源电路如图十四所示:
(图十四)
3.2.3、测反响击穿电压电路(如图十五):
图十五
3.3.4、模数、数模电路
·9·
3.2.4、采样、放大电压电路(如图十六):
(图十六)
3.3、
控制流程图
系统软件流程图
·10·
任务6
四、测试仪器与方法
4.1、测试仪器
在测试过程中,需要用到的仪器主要有:
100MHZ的模拟示波器、数字万用表、EDA系统开发工具、仿真器和PC机等。
4.2、测试过程及方法
(1)、控制模块测试
控制模块的调试就是下载编译好的程序,运行测试,看所得结果是否为要控制结果。
若不是所要结果,则分析、查找原因,修改相关电路与程序,完成调试。
(2)、模拟处理模块测试
模拟模块需要调制的主要是恒流源的调试,其方法是:
仿真器中仿真调试;当改变负载时,测试电流是否改变。
若变化很大,则说明自行设计恒流源的方法可以实现。
仿真调试通过后,再进行硬件调试。
搭硬件恒流源电路进行调试时,改变负载的电阻值,然后用数字万用表在电路中测试电流,看是否有变化,若没有,则调试通过。
(3)、数字处理模块测试
数字处理模块涉及D/A,A/D的调试。
·11·
①在调试D/A时,用单片机芯片编程产生周期数字信号,由于芯片是8位的,所以产生0-255个数,把D/A的输出端接入示波器,看示波器的波形是否符合预定要求。
符合,则调试通过。
②调试A/D时,输入模拟数据,看是否为模数转化后的数据。
不是,则分析、调整电路和程序;若是,则通过调试。
(4)、显示模块测试
对于显示模块的调试,就液晶显示而言,具体的是下载液晶显示程序,看是否能正常显示。
对于示波器,显示输入曲线时,X信道为VBE信号,Y信道为IB的相应电压信号,显示输出特性曲线时X信道的信号为VCC,Y信道的信号为定值IB下相应的IC等效电压信号。
这样在示波器上显示的就是以VCC为横坐标,相应的IC等效电压信号为纵坐标的特性曲线图。
这样便可在示波器上显示出输入、输出特性曲线。
(5)、软件测试
软件的测试是通过编译—分析—调整—再编译等过程不断的调试,直到运行结果是所要的就调试通过。
(6)、整机测试
系统组装完成后,调整转换程序中的参数,从总体上对整个系统进行统调,看实现的功能效果如何,检验算法及校正数值,以消除基本固定误差,使系统达到稳定。
再把几个半导体三极管插入电路中进行测试,并纪录下相关数值,调节整机,使其到达最佳状态。
五、测试数据及测试结果分析
5.1、测试数据
我们在整机测试中,对几个类型的三极管进行了测试,得到参数列于下表,并和理论值进行了比较:
型号
直流β
交流β
ICEO(uA)
V(BR)CEO(V)
理论值
测定值
理论值
测定值
理论值
测定值
理论值
测定值
C1573B
150
148
180
172
1.95
1.88
22.5
22.1
E8550
200
204
250
244
0.90
0.93
20
23.5
·12·
S8550
170
172
150
154
0.20
0.19
16
16
5.2、结果分析
由测试的参数数据表,可知理论值与测定值在误差范围内是吻合的,也就是说,我们的这个简易半导体三极管参数测量仪是成功的,它很好地完成了题目地基本要求部分。
至于发挥部分地输入输出特性曲线的显示,也在示波器上很好的显示出了。
六、总结
感谢山东省大学生电子设计大赛组委会给了我们这样一次难得的锻炼机会,同时也深深地感谢几位辛勤指导我们工作、学习的老师!
通过这次大学生电子设计竞赛让我们感受了实践出成果的喜悦,也深深的体会到理论联系实际的重要性。
这次设计竞赛不仅锻炼了我们的动手能力,增强了我们的实践意识,还激发了我们的创新思维;不仅提高了我们的团队合作精神,还培养了我们克服困难和吃苦耐劳的精神;所有这些都无不激发着我们去不断追求、不断创新。
最后再次感谢大赛组委会和我们辛勤的老师!
【参考文献】
[1]清华大学电子学教研组编,杨素行主编.模拟电子技术基础简明教程.第二版.北京:
高等教育出版社,1998
[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]余锡存、曹国华编着.单片机原理及接口技术.西安:
电子科技大学出版社,2000
[4]王振红编.数字电路设计与应用实践教程.北京:
机械工业出版社,2003
[5]王福瑞等编著.单片微机测控系统设计大全.北京:
航空航天大学出版社,1999
·13·
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