晶体管伏安特性图示仪设计方案报告.doc

作品设计报告

作品题目

晶体管伏安特性图示仪设计
组长

张涛（电气硕62班）
成员

何海龙（电气硕62班）
成员

杨东亮（电气硕62班）

-07-24
西安交通大学电气工程学院
电子设计竞赛培训组
作品简介
作品题目
晶体管伏安特性图示仪设计
指引教师
杨建国、周旺
学生姓名
张涛
何海龙
杨东亮
作品状态
设计完毕、焊接调试完毕、完整作品

作品设计规定

设计一套电路，可以显示一种待测晶体管输出伏安特性曲线。
1）一组正负12V电源供电，别的电源自行实现。
2）设计一套电路，可以针对一种给定NPN管，运用示波器X轴和Y轴偏转输入，在示波器上显示其原则输出伏安特性曲线。
3）通过开关或者电位器设立，选取不同增量。
4）通过开关或者电位器设立，选取 不同Rc。
5）扩展内容一：可以测试并显示β。
6）扩展内容二：可以对PNP管进行类似测量。
7）扩展内容三：能自动辨认时NPN还是PNP，能显示类型，并自动进行测量。

作品完毕状况简述

1） 本作品可以由外界提供正负12V电源提供所需要电源。
2） 本作品可以测试给定NPN管伏安特性曲线。
3） 本作品可以由电位器来选取不同 增量以及不同Rc值。
4） 本作品可以测试并显示晶体管β值。
5） 本作品可以自动辨认NPN还是PNP，能显示类型，并自动进行测量。
目 录
目 录 3
晶体管伏安特性图示仪设计 4
摘要 ……………………………………………………… 4
正文 4
1、设计任务 4
2、方案论证与选取 4
3、理论分析和计算 8
4、硬件软件设计 11
5、测试办法与成果 14
6、结论 21
参照文献 21
附录 22

晶体管伏安特性图示仪设计

摘 要：本作品实现了一种晶体管伏安特性图示仪功能，可以自动辨认系统中晶体管类型并将其显示出来，可以结合示波器扫描出晶体管伏安特性曲线，可以测量晶体管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发生，运用计数器74161和DAC0832实现了梯形波发生，再用比较器LM311辨认晶体管类型，用继电器实现对两种不同类型晶体管测试时测试通道切换，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测量和显示。
正文
1、设计任务
设计一套电路，可以显示一种待测晶体管输出伏安特性曲线。
1）一组正负12V电源供电，别的电源自行实现。
2）设计一套电路，可以针对一种给定NPN管，运用示波器X轴和Y轴偏转输入，在示波器上显示其原则输出伏安特性曲线。
3）通过开关或者电位器设立，选取不同Ib增量。
4）通过开关或者电位器设立，选取 不同Rc。
5）扩展内容一：可以测试并显示β。
6）扩展内容二：可以对PNP管进行类似测量。
7）扩展内容三：能自动辨认时NPN还是PNP，能显示类型，并自动进行测量。
2、方案论证与选取
1） 总体方案论证
电源模块
本次作品任务中已经提供了直流电源，而咱们要用到电源只有和正负5V，并且考虑到稳压芯片驱动功率问题，本次作品中选用两片 LM317来对+12V实现两级降压，最后降到+5V；-5V则是直接用一片LM337将-12V转换到-5V，从而完毕了所需电源设计。
‚晶体管伏安特性曲线测试模块
所设计电路要可以完毕对晶体管伏安特性曲线“绘制”，即必要为晶体管基极提供阶梯波，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方式产生，也可以用模仿电路产生，前一种方案会使得单片机程序承担太重，本构成员当前又只会用51单片机，考虑到51单片机硬件资源上局限性和软件上编写、调试时间，咱们采用后一种方案来产生所需要波形，对三极管基极和集电极进行扫描，就可以得到晶体管伏安特性曲线。
ƒ晶体管放大倍数测量和显示以及晶体管类型显示模块
运用单片机通过ADC0809来采集晶体管集电极电阻Rb和基极电阻Rc电压，计算放大倍数并显示出来。此外，单片机也可以依照测试不同类型晶体管时不同，来判断晶体管类型，并可以动态显示出来，整个过程始终在循环进行。
2） 详细方案
电源模块制作：
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
50k
5k
2k
10k
LM317
LM317
LM337
IN
IN
OUT
OUT
GND
GND
GND
IN
OUT
1uF
1uF
0.1uF
0.1uF
LM317 LM317

LM337

图1 电源电路

‚阶梯波与三角波产生电路：
在本设计中需要是阶梯波和类三角波形，咱们一方面想到了搭建一种方波发生电路，再运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。关于梯形波产生，咱们这里运用计数器和DAC0832来产生，详细做法是让产生方波通过解决后作为脉冲信号送入计数器CLK端，使计数器可以循环计数，并把计数值送入DAC0832，即可输出循环阶梯波。
但是上面这个办法对输入计数器CLK信号品质规定较高，用普通运放搭建方波发生电路输出信号送入计数器会使得输出阶梯波形不稳定，究其因素，是由于计数器对CLK信号规定很严，而用普通运放搭建方波发生电路产生方波有一定毛刺。背面咱们此外用555触发器搭建了方波信号发生电路，所产生方波很原则，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原则方波
0-2.2V阶梯波
-6.6—0V阶梯波
四位数字信号
0-11V 三角波
0-6.6V阶梯波
反相比例电路
0-11V 三角波
0-6.6V阶梯波
-11—0V 三角波
-6.6—0V阶梯波

继电器
三角波

阶梯波

ƒ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电路中接入NPN型晶体管时，当集电极电压超过一定值时，晶体管处在放大区，发射结正偏，加在发射结上（即基极与射极）之间电压不会超过0.7V，此时可以判断所接入晶体管为NPN型；当将晶体管换为PNP型晶体管时，由于当集电极电压增长到一定值后，其发射结上电压也许超过0.7V，甚至更大，其直接受基极电压影响，因而，只要可以检测发射结电压即可判断接入是NPN型还是PNP型晶体管。
同理，在测PNP电路中接入了PNP型晶体管时，加在发射结电压不会低于-0.7V，如果换为了NPN型晶体管，其发射结上电压也许低于-0.7V,甚至更低。
放大倍数测量：通过实时测量接在集电极电阻上电压和基极电阻上电压，就可以通过ADC0809将其作为数字量送入单片机，这两个电压 和 可以反映基极电流和集电极电流关系，运用单片机计算就可以算出β，这里注意一点是：在基极电流增长到最大值一半时测量出来β可以比较好反映晶体管伏安特性，因此在阶梯波中间阶段测量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
绝对值电路
仪表放大AD620（减法电路）
比较器LM311
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（Rc）|

|U（Rb）|

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电压，通过各自采样电阻及其伏安关系，可以计算出两个电流关系，即可得到晶体管放大倍数，只要在程序中可以将放大倍数各位逐个分离出来，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晶体管类型，NPN则显示“n”，PNP型则显示“P”，加以区别。本方案中选用四位共阴极数码管，通过74HC573进行驱动。

ADC0809

STC89C54

74HC573
百
十
个
n
|U（Rb）|
|U（Rc）|
中断0
中断1
图4 单片机测量与显示环节

3） 性价比分析
咱们设计电路所用器件列表如下：

由表中所知，本作品中选用器件都是常用并且比较便宜，因此本次作品设计方案性价比是比较高。

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：

输出电压：

4） 阶梯波电压放大电路：

输出电压：
5)反相比例电路：

输出电压：

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某些。
硬件设计

放大倍数
X轴

晶体管图示仪装置

STC89C54

Y轴

n/p

图5 硬件总体设计框图

+Vcc

555
Vcc
Rd
OUT
C-U
GND
DIS
TH
TR

15k

0-5V原则方波（500HZ）

D1

15k

0.01uF

D2

0.01uF

1.6-3.2V三角波

图6 初始三角波与方波发生电路

74161
CLK
CLR
QA
QB
QC
QD
+5V
Vcc
DAC0832
DI0
DI1
DI2
DI3
DI4
DI5
DI6
DI7
Iout1
Iout2
Rfb
0-2.2V阶梯波
图7 方波转换阶梯波电路

+5V
10k
10k
1.6-3.2V三角波
0-11V三角波

6.7K

1K

0-6.6V阶梯波
1K

1K
0-2.2V阶梯波

2M
1K

6.7K

图9 同相比例电路
图8 加法比例电路

3V
+5V
输入
LM311
图11 比较器电路（用于检测）

AD620
模仿通道
图10 仪表放大器构成减法电路（用于测量电压）
Ref
U（Rc）

图12 继电器控制晶体管基极、集电极波形切换电路
A1
A2
1k
1k
1k
1k
1k
2k
2k
VD1
VD2
Uin~
Uout
图13 绝对值电路
0-11V 三角波
0-6.6V阶梯波
-11—0V 三角波
-6.6—0V阶梯波

软件流程图：
设立中断起始地址，初始化寄存器。等待，SJMP $
启动ADC0809，采集通道0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，CLR P2.4，MOV RO，#37H,中断返回

中断INT1,若PNP晶体管换为了NPN，则进入中断1，CLR P2.4，MOV RO，#73H,中断返回

定期器中断T0，开始采集adc0809两个通道信号，解决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、测试办法与成果
1）测试目：检查作品各项指标与否达到题目规定。

2）测试办法：
①波形可以运用模仿示波器耦合功能来测试。用通道1测试晶体管集电极电压，用通道2测试集电极电阻两端电压，然后将示波器置于X-Y耦合工作方式，即可观测出晶体管伏安特性曲线。

晶体管图示仪装置

STC89C54
放大倍数
n/p
图15 测试示意图
X轴
Y轴

。

②放大倍数及晶体管类型直接观测数码管显示成果即可。

1） 测试成果：

①第一阶段：波形发生及调理：

图16 555振荡器方波输出

图17 555振荡器类三角波输出

图18 方波经电压放大电路输出

图19 类三角波经电压放大电路输出

图20 阶梯波

②输出波形及扫描成果（以NPN型晶体管为代表）：

图21 集电极电压

图22 Rc两端电压

图23 扫描出波形

图24 测试成果

图25 调节Rc后波形

图26 调节Ib增量后波形

4）成果分析：

指标
完毕状况
达标限度
电源
用一组正负12V电源得到了一组正负5V电源
达标
波形扫描
可以在示波器上清晰观测到8条NPN晶体管伏安特性曲线
达标
Rc
可以通过电位器调节
达标
Ib
可以通过调节电位器调节阶梯波幅度，进而调节Ib增量
达标
放大倍数β
可以完毕对β测量并将其显示出来，但与万用表测量值存在10-20偏差
基本达标
晶体管类型
可以完毕对NPN型晶体管和PNP晶体管自动辨认，并将其类型通过一种数码管显示出来，同步可以自动变化通道测量伏安特性曲线
达标

6、结论
实测成果表白，本作品达到了设计规定。
1） 在电源某些，设计规定由外界提供正负12V来设计所需要电源，本方案中用到了正负12V和正负5V电源，作品实测达到规定。
2） 在晶体管伏安特性曲线测试某些，设计规定可以针对一种给定NPN管，运用示波器X轴和Y轴偏转输入，在示波器上显示其原则输出伏安特性曲线，并且可以通过电位器或者开关调节Ib和Rc，作品实测达到规定。
3） 在晶体管放大倍数测量和显示某些，设计规定可以测试并显示β值，作品实测中，测得β有一定误差，并且β值越大时误差越大。
4） 在晶体管类型测量和显示某些，设计规定能自动辨认时NPN还PNP， 能显示类型，并自动进行测量，作品实测达到规定。
5） 在测试PNP晶体管某些，设计规定对PNP晶体管进行类似NPN晶体管测量，作品实测达到规定。
6） 总述，除开β值测量存在误差以外，其他各项指标均符合设计规定。Β值误差则是来源于ADC0809取样时误差和单片机程序上误差，本作品中误差尚在可以接受范畴之内。

参照文献

[1] 杨栓科. 模仿电子技术基本；高等教诲出版社，.
[2] 申忠如，郭福田等. 当代测试技术与系统设计；西安交通大学出版社，.
[3] 姜沫岐 ，林伟. Protel 原理图与PCB设计实例；机械工业出版社，.
[4] 毛潮土，王茂飞. Protel DXP 基本教程；清华大学出版社
[5] 王水平 等. 线性稳压器集成电路及应用；西安电子科技大学出版社，
[6] 刘畅生，臧明相等. 新型集成放大器工程应用手册；人民邮件出版社，

附录
作品电路图

作品实物图