毕业论文简易晶体管图示仪的设计.docx

简易晶体管图示仪的设计与实现

实
验
报
告

专业：通信工程
班级：2014211108
姓名：冯才贤
学号：2014210216
指导老师：张晓磊

课题名称：简易晶体管图示仪的设计与实现
一． 摘要：
本报告主要介绍简易晶体管图示仪的设计实现方法，以及实验中会出现的问题及解决方法。给出了其中给出了各个分块电路的电路图和设计说明，功能说明，还有总电路的框图，仿真电路图，给出实验中示波器上的波形和其他一些重要的数据。在最后提到了在实际操作过程中遇到的困难和解决方法，还有本次实验的结论与总结。
二．关键词：方波，三角波，阶梯波，输出特性曲线
三．设计任务要求：
1．基本要求：
1）设计一个阶梯波发生器， f≥500Hz ，Uopp≥3V ，阶数 N=6；
2）设计一个三角波发生器，三角波Vopp≥2V；
3）设计保护电路，实现对三极管输出特性的测试；
2．提高要求：
1）可以识别NPN，PNP管，并正确测试不同性质三极管；
2）设计阶数可调的阶梯波发生器。
四．设计思路、总体结构框图：
1．设计思路：
本试验要求用示波器稳定显示晶体管输入输出特性曲线。我的设计思路是先用NE555时基振荡器产生的方波和带直流的三角波。然后将产生的方波作为16进制计数器74LS169的时钟信号，74LS169是模16的同步二进制计数器，可以通过四位二进制输出来计时钟沿的个数，实验中利用它的三位输出为多路开关CD4051提供地址。CD4051是一个数据选择器，根据16进制计数器74LS169给出的地址进行选择性的输出，来输出阶梯波，输入基极。由运放LF353对NE555产生的三角波进行处理，产生符合要求的三角波作为集电极输入到三极管集电极。通过示波器如图连接即可观察到输出特性曲线。
2．总体结构框图：

五． 分块电路和总体电路的设计
1．方波电路：
用NE555产生方波及三角波，所需电压为5V，可知3脚产生方波，2脚产生三角波。方波占空比D=R1+R2 /(R1+2R2)，为使阶梯波频率足够大，选C1=0.01uF，C2=0.01uF。同时要产生三角波，R2应远大于R1，方波的占空比应接近0.5，选R1为1kΩ，R2为22KΩ仿真电路图及波形图如下。

2． 阶梯波电路：
先用NE555时基振荡器产生的方波作为16进制计数器74LS169的时钟信号，74LS169是模16的同步二进制计数器，可以通过四位二进制输出来计时钟沿得个数，实验中利用它的三位输出为CD4051的输入Qa、Qb、Qc提供地址。CD4051作为地址译码器产生8阶阶梯波。原本是管脚接7个同值电阻可以产生8阶阶梯波，将三个管脚短接，即可产生6阶，这里选择了4，2，5接地，使输出为6阶阶梯波，电阻值为100Ω，以满足基本要求中的阶梯波幅度大于等于3V的要求。另一路信号通道的输入则接被显示的信号，通过地址信号Qa、Qb、Qc对两回路信号同步进行选通。这样，用示波器观察便可得到有6阶的阶梯波。仿真时在Multisim上没有现成元件CD4051，于是选择了与它功能相近的8通道模拟多路复用器ADG528F代替。它是根据A1、A2、A3口的输入来选择输出S1-S8中各路电压值。在实验中发现，可以在R9与电源之间加入一个电位器R3，从而实现对阶梯波电路最大电压值的调节。电路图及阶梯波形图如下。 

3．三角波电路：
NE555时基振荡器的管脚2产生的即为三角波，但是该三角波的幅度不满足要求，并且有直流分量，所以利用运放LM353构造一个同相放大电路且同时为一个反向加法器，通过加直流+5V的电压，通过电位器R5对加法器中的直流电压幅度进行调节，以满足三角波的Vopp大于等于2V且最低值为0V。经过调节后的三角波波形图如下，此时三角波的最低点电压值约为0V，这样扫描出的NPN输出特性曲线0点部分才会清晰，同时应注意当锯齿波的幅度不够大时，可能会影响到输出特性曲线的条数。

4．总体电路：
将LM353输出的三角波输入到NPN管8050的集电极用作扫描，将74LS169输出的阶梯波输入到三极管的基极。在三角波输入三级管前，串联一个定值电阻R14，通过测量R14两端的电压大小间接测量流入集电极的电流大小。示波器的两路一路测量R14两端的电压，另一路在晶体管的发射极测量Ve大小，并选择X-Y模式得到晶体管的转移特性曲线。总体电路的仿真电路图以及晶体管输出特性曲线如下图。

六．实现功能说明
1．基本功能
1）阶梯波的实现：
f=665.55Hz，Uopp=4.8V，阶数为6，波形如下图。

2）三角波的实现：
f=5.3472kHz，Vopp=2.5V，波形如下图。

3）输出特性曲线：
输出特性曲线是指在基极电流不变的情况下，输出电压Uce和输出电流Ic的关系曲线，用Y轴表示测得的电压Ue可以表示Ic的大小，用X轴测得的电压Uc可以表示Uce的大小。当电压Uce反复扫描时，示波器显示Uce和Ic的关系，就会呈现一条稳定不动的输出特性曲线。改变基极电流Ib值，再重复扫描一个周期，就可以得到另一条输出特性曲线。因为要求能够同时显示出一簇输出特性曲线，所以用一个阶梯电压作为基极电压的输入。每扫描阶梯波的一阶，得到一条输出特性曲线。每扫描一次完整的阶梯波，得到一组稳定的输出特性曲线。实际测得晶体管特性曲线如下图。

2．测试方法
需要说明的是，当调整电位器R5时，会改变三角波的幅度，同时也会调整三角波的直流分量，而调整电位器R3可以改变特性曲线的间距。三角波的最低点电压值最好为0V，这样扫描出的NPN输出特性曲线0点部分才会清晰，同时锯齿波的幅度不够大时，可能会影响到输出特性曲线的条数。最后得到的特性曲线可能会不太理想，此时应把集电极的R14换较小的电阻，把发射极的R15换成较大的电阻。
七．故障及问题分析
1．实验中出现的故障和问题：
1)出现过元件被烧的现象；
2)设计的参数值不能得到正确的波形，如三角波仍存在直流分量等；
3)电源短路；
4)得到的输出特性曲线条数过少。
2．问题分析：
1)元件被烧最主要的原因是过载或管脚接错，将较大阻值电阻换成较小的之后，便解决了元件被烧的问题；
2).出现不能得到正确波形的问题时，我会根据设计值选取适当的电位器，通过改变阻值以找出正确的波形和符合实际要求的阻值；
3)因为实验室仪器有限，每个人只能得到两路电源，当电路搭接不恰当时，就容易发生电源短路现象。后经试验发现原因是我们正负级界的位置不同，经改正电路避免了这一问题；
4).得到的输出特性曲线条数过少，这是由于CD4051的直流电压过大，使晶体管进入截止区部分过多。在CD4051的13接口与VCC之间接电位计，通过调节电位计电阻，从而得到了阶数为6的特性曲线并且实现了阶梯波阶数的连续可调。
八．总结和结论
1．总结：
输出特性曲线：描述以基极电流Ib为参量，集电极电流Ic与三极管C、E极之间的管压降Uce之间的关系。对于每一个确定的Ib都有一条曲线；对于某一条曲线，当Uce从零逐渐增大时，Ic逐渐增大，当Uce增大到一定数值时，Ic基本不变,表现为曲线几乎平行与横轴,即Ic大小几乎仅仅取决于Ib。
2．结论：
本实验与上学期的模电实验不同，是综合型较强的设计型实验。我觉得本实验的重点在于三角波电路和阶梯波电路的设计，使频率和电压幅值符合实验要求；难点在于计算出大致电阻值以后，通过不断微调各电阻值，以得到线性较好的三角波和阶梯波。测试电路很容易搭建，但是如果三角波或阶梯波线性不好就很难得到完整的晶体管特性曲线。为本实验我去了实验室不下5次，从一开始的毫无头绪，到通过查阅资料后，慢慢熟悉了实验所需的各个元器件的功能和接线方法，设计出了电路。按照仿真成功的设计电路，我搭建了一个电路，但在实际操作中更改数次之后仍旧无法出现阶梯波波形，后来经过与组里的其他同学讨论，又重新搭建了新的电路。虽然实验之中很难说一帆风顺，但我都努力地去想解决办法，也庆幸最终都把问题给解决了。这次实验不仅让我对实验室的仪器设备的操作更为熟悉，提高增强了动手能力，巩固了软件Multisim的使用方法，更让我在研究探索中增加了对电子电路的兴趣。此外，我觉得最大的收获是提高了自我独立完成实验的能力，以及在实际中的问题解决能力，还有与他人的协作沟通交流能力，并且意识到了自己独立思考、解决问题的重要性，为我日后的实践奠定了一定的基础。教训是实验中应戒骄戒躁，因为实验调试过程失败是很正常的事，插电路板时一定要仔细认真，必要时可请别人检查电路。电路仿真跟实际电路搭建有区别，所以直接用仿真的参数搭建实际电路时不一定能出正确的结果，得耐心调试。对一个大电路的调试，可以分块调试，然后合起来调试，增强系统概念。
九．Multisim仿真原理图、波形图
参见第五部分“分块电路与总体电路的设计”及第六部分“实现功能说明”
十．所用元器件及测试仪表清单
元器件、测试仪
数量
元器件、测试仪
数量
NE555
1
电阻11KΩ
2
74LS169D
1
电阻21KΩ
1
CD4051
1
电阻22KΩ
1
LF353
1
电阻33KΩ
1
电容0.01uF
2
电位器
2
电阻100Ω
6
示波器
1
电阻1KΩ
2
2路直流稳压源
1
三极管8050
1

十一．参考文献
《电子电路基础》高等教育出版社 
《电子电路测量与设计实验》北京邮电大学出版社