数字电子课程设计三极管参数电路.docx
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数字电子课程设计三极管参数电路
数字电子
课
程
设
计
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
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、心得体会………………………………………………………………………………(13)
参考文献
三极管参数测试仪电路设计
摘要
本系统电路是利用C51,辅以必要的外围电路,并进行模块化设计而成的三极管参数测试仪。
它具有功能稳定,精确度高,传输数据快的特点。
本系统电路实现了本次课程设计的基本要求,而且我认为它的设计很具有一定的创造性。
·1·
一、方案比较、设计与论证
针对题目要求,经过分析,我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,市场价格高的缺点,所以在此,我采用第二种方案。
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,决定了测试电路设计的成败。
【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。
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【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,我选择了方案二。
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综上所述,我的总体方案是:
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。
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。
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)。
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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:
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系统的整体电路如图十二所示:
3.2.2、恒流电源电路
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:
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测PNP时的恒流源电路如图十四所示:
3.2.3、测反响击穿电压电路(如图十五):
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):
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。
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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。
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、心得与体会
为期一周的课程设计终于结束了,一刚开始,同学们都觉得忐忑不安。
因为我们以前没有做过电子课程设计,不知道怎么去做。
然尔再做过之后,觉得真的是很好玩。
觉得真是没有虚度这一周的时间。
虽然这一次时间比较紧张。
但经过认真学习,真的积累了经验和知识。
感觉电子设计真的是很有趣。
这一次最重要的收获就是激发了自己对设计的兴趣。
我认为课程设计,其实是对课本知识的一次实践,是对我们所学知识的一次检验和应用。
通过这次实检活动,我明白了学以致用的道理,书本与实际的差别。
在这次课程设计实习中,学会了一些基本的画图技能,能够设计较为简单的一些电路。
这次课程设计主要是对以前电子技术理论课程的应用。
在这次课程设计过程中,结合实际的应用来理解以前学了而没有学会的知识,这给我对理论课的学习提供了很大的帮助。
也使我意识到理论和实际相结合的重要性。
在这次数字电子设计中,谢谢给我辅导和帮助的老师和同学,我能取得这次设计的完成离不开你们的帮助,非常感谢!
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
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