半导体三极管β值测量仪课程设计.docx

目 录

第一部分 设计任务
1.1 设计题目及要求 ………………………………………………………… 4
1.2 备选方案设计与比较 ……………………………………………………4
1.2.1 方案一 …………………………………………………………… 4
1.2.2 方案二 …………………………………………………………… 5
1.2.4 各方案分析比较…………………………………………………… 5
第二部分 设计方案
2.1 总体设计方案说明 ……………………………………………………… 8
2.2 模块结构与方框图 ……………………………………………………… 8
第三部分 电路设计与器件选择
3.1 转换电路……………………………………………………………………9
3.1.1 模块电路及参数计算 ……………………………………………… 9
3.1.2 工作原理和功能说明 …………………………………………… 10
3.1.3 器件说明（含结构图、管脚图、功能表等） ………………………10
3.2 基准电压产生电压比较电路 …………………………………………10
3.2.1 模块电路及参数计算 ………………………………………………10
3.2.2 工作原理和功能说明 …………………………………………… 11
3.2.3 器件说明（含结构图、管脚图、功能表等）……………………… 11
3.3 编码电路……………………………………………………………………12
33.1 模块电路及参数计算 ………………………………………………12
3.3.2 工作原理和功能说明 ………………………………………………13
3.3.3 器件说明（含结构图、管脚图、功能表等）……………………… 13
3.4 译码及显示电路………………………………………………………………14
3.4.1 模块电路及参数计算 ………………………………………………14
3.4.2 工作原理和功能说明 ………………………………………………14
3.4.3 器件说明（含结构图、管脚图、功能表等）……………………… 14

第四部分 整机电路
4.1 整机电路图（非仿真图）………………………………………………… 17
4.2 元件清单 ……………………………………………………………………18
第五部分 电路仿真
5.1 仿真软件简介 ………………………………………………………………19
5.2 仿真电路图 …………………………………………………………………19
5.3 仿真结果（附图）………………………………………………………… 19
第六部分 安装调试与性能测量
6.1 电路安装 ……………………………………………………………………22
（推荐附整机数码照片）
6.2 电路调试 ……………………………………………………………………22
6.2.1 调试步骤及测量数据 ……………………………………………… 22
6.2.2 故障分析及处理 ………………………………………………………22
6.3 整机性能指标测量（附数据、波形等） ………………………………… 22

课程设计总结 ……………………………………………………………………… 25

第一部分 设计任务

1.1设计任务和要求

设计制作一个自动测量三极管直流放大系数β值范围的装置。
1、对被测NPN型三极管值分三档；
2、β值的范围分别为80～120及120～160，160～200对应的分档编号分别是1、2、3；待测三极管为空时显示0，超过200显示4。
3、用数码管显示β值的档次；
4、电路采用5V或正负5V电源供电。

1.2、备选方案设计与比较

1.2.1、方案一：
（1）根据三极管电流IC=βIB的关系，当IB为固定值时，IC反映了β的变化，所以我们可以将变化的β值转化为与之成正比变化的电流量；
（2）电阻RC上的电压VRC又反映了IC的变化，故得到了取样电压VRC；
（3）将取样电压量同时加到具有不同基准电压的比较电路输入端进行比较，对应某一定值，只有相应的一个比较电路输出为高电平，则其余比较器输出为低电平；
（4）对比较器输出的高电平进行二进制编码；
（5）经显示译码器译码；
（6）驱动数码管显示出相应的档次代号。

1.2.2、方案二：
（1）根据电压＝βIB R3 的关系，当IB为固定值时，反映了β的变化，所以我们可以将变化的β值转化为与之成正比变化的电压量；
（2）即为取样电压；
（3）将取样电压量同时加到具有不同基准电压的比较电路输入端进行比较，对应某一定值，只有相应的一个比较电路输出为高电平，则其余比较器输出为低电平；
（4）对比较器输出的高电平进行二进制编码；
（5）经显示译码器译码；
（6）驱动数码管显示出相应的档次代号。
1.2.3、各方案分析比较
1、根据方案一：
（1）根据电压＝βIB R3 的关系，当IB为固定值时，反映了β的变化，所以我们可以将变化的β值转化为与之成正比变化的电压量；
（2）即为取样电压；
（3）将取样电压量同时加到具有不同基准电压的比较电路输入端进行比较，对应某一定值，只有相应的一个比较电路输出为高电平，则其余比较器输出为低电平；
（4）对比较器输出的高电平进行二进制编码；
（5）经显示译码器译码；
（6）驱动数码管显示出相应的档次代号。
我们可得该方案转换过程的电路图：

图中：T1是被测三极管，其基极电流可由R1、R2限定，运算放大器的输出＝βIB R3。
2、根据方案二：
（1）根据三极管电流IC=βIB的关系，当IB为固定值时，IC反映了β的变化，所以我们可以将变化的β值转化为与之成正比变化的电流量；
（2）电阻RC上的电压VRC又反映了IC的变化，故得到了取样电压VRC；
（3）将取样电压量同时加到具有不同基准电压的比较电路输入端进行比较，对应某一定值，只有相应的一个比较电路输出为高电平，则其余比较器输出为低电平；
（4）对比较器输出的高电平进行二进制编码；
（5）经显示译码器译码；
（6）驱动数码管显示出相应的档次代号。
我们可得该方案转换过程的电路图：

图中：T1、T2、R1、R3构成微电流源电路，R2是被测管T3的基极电流取样电阻，，R4是集电极电流取样电阻。由运放构成的差动放大电路，实现电压取样及隔离放大作用。
3比较方案一与方案二：
方案一与方案二比较，两者步骤（3）、（4）、（5）、（6）均相同，不同之处在于它们电路的转换过程部分。由上面的两幅电路图可见，方案一电路的转换过程部分结构较简单，所需元器件也较少。但是，方案一中，当β变化时，即被测三极管变换，三极管不同，内阻不同，导致IB不稳定，故不仅随着β变化而变化，也与IB变化有关。所以该方案测量结果不准确，该方案不足采纳。因此，本次课程设计我采用了方案二。

第二部分 设计方案

2.1、总体设计方案说明：

（1）根据三极管电流IC=βIB的关系，当IB为固定值时，IC反映了β的变化，所以我们可以将变化的β值转化为与之成正比变化的电流量；
（2）电阻RC上的电压VRC又反映了IC的变化，故得到了取样电压VRC；
（3）将取样电压量同时加到具有不同基准电压的比较电路输入端进行比较，对应某一定值，只有相应的一个比较电路输出为高电平，则其余比较器输出为低电平；
（4）对比较器输出的高电平进行二进制编码；
（5）经显示译码器译码；
（6）驱动数码管显示出相应的档次代号。

2.2、模块结构与方框图

显示
译码
编码
比较电路

转换电路

基准电压

第三部分 电路设计与器件选择

3.1、转换电路：

3.1.1模块电路及参数计算：
依题意有：
〈1〉.T1与T2性能匹配，皆为PNP三极管
〈2〉.T3的基级电流的选择应在30μA～40 μA之间为宜,因为：
此时β值较大，因此，取输出电流Io＝30uA
〈3〉.因为R1的电流约为1mA左右,则，由

已知 VBE1=0.7V 得： R1=4.3K
〈4〉.再由：

由：VT=26mV Io＝30uA 得 R3=3.0K
〈5〉.R2是基极取样电阻，由于基极电流Io＝30uA，所以为了便于测量，R2应取大一点，这里取R2=20K
〈6〉.R4是集电极取样电阻，考虑到VR4〈 5-0.7=4.3V，VR4=Io**R4
的范围为0—180，即R4〈800，为了便于计算，这里取R4=510（计算时可约为500）
〈7〉. 为了使差动放大电路起到隔离放大的作用， R5—R8应尽量取大一点，这里取R5=R6=R7=R8=30K。

<8>此时电压输出电压为即为R4两端的电压。

综合上述转换电路的电阻值为：
R1=4.3K R2=20K R3=3.0K R4=510 R5=R6=R7=R8=30K
3.1.2、工作原理和功能说明：
用于把不能直接用仪器测量的NPN型三极管值转换成可以直接被测量的集电极电压，再把电压采样放大，为下一级电压比较电路提供采样电压，其中包括提供恒定电流的微电流源电路和起放大隔离的差动放大电路。
3.1.3、器件说明：

3.2、基准电压产生电压比较电路
3.2.1、模块电路及参数计算
Vi

因为V0＝βIB R4 ，IB =30uA, R4 =500
所以β＝80， Vi＝1.2V
β＝120， Vi＝1.8V
β＝160， Vi＝2.4V
β＝200， Vi＝3V
根据串联电路的计算可得：
R13:R12:R11:R10:R9=1.2:0.6:0.6:0.6:2;
=6:3:3:3:10

故取R13＝6KΩ R12＝R11= R10=3KΩ R9＝56KΩ
3.2.2、工作原理和功能说明：
由于被测量的物理量要分三档（即值分别为50～80、80～120及120～180，对应的分档编号分别是1、2、3）所以还要考虑到少于50，和大于180的状况，于是比较电路需要把结果分成五个层次。需要四个基准电压，于是有一个串联电阻网络产生四个不同的基准电压，再用四个运算放大器组成的比较电路，将取样信号同时加到具有不同基准电压的比较电路输入端进行比较，对应某一定值，相应的一个比较电路输出为高电平，其余比较器输出为低电平。
3.2.3、器件说明：
用到芯片：LM324

2、6、9、13为反相输入，3、5、10、12为同相输入，1、7、8、14为输出，4接＋5V，11接-5V。

LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图（10）所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，如图（11）所示。除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；
Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信端的相同。

3.3、 编码电路：
3.3.1、模块电路及参数计算：
编码电路电路图为：

O0～O2为输出，I0～I7为输入

A1 A2 A3 A4＝0000电平时，代表 0
A1 A2 A3 A4＝1000电平时，代表 1
A1 A2 A3 A4＝1100电平时，代表 2
A1 A2 A3 A4＝1110电平时，代表3
3.3.2、工作原理与功能说明：
将电压比较电路的比较结果（高低电平）进行二进制编码。该编码功能主要由集成芯片8位优先编码器CD4532完成。

3.3.3、器件说明：
为了把测试结果显示出来必须对结果进行编码译码，这里我们采用集成芯片8位优先编码器CD4532，其引脚图如图（12）所示：

其中：D0～D7为数据输入端，EI为控制端，Q0～Q2为输出端，VDD接电源VSS接地端，Gs、Eo为功能扩展端。

CD4532真值表：

3.4、 译码及显示电路：
3.4.1、模块电路及参数计算：

3.4.2、工作原理和功能说明：
先通过CD4511对编码电路输出的编码进行译码；
而后通过驱动数码管将译码电路产生的代码转换为档次代号，并显示出来。
3.4.3、器件说明：
设计方案中译码电路由芯片CD4511完成。其引脚图如图（14）所示：

图（14）CD4511引脚图
其中：A、B、C、D为数据输入端，、、LE为控制端。a～g为输出端，其输出电平可直接驱动共阴数码管进行0～9的显示。
根据CD4511的真值表，要使译码电路正常工作，LE接低电平，、接高电平，D端悬空，C、B、A、分别接编码器的三个输出端Q2、Q1、Q0。而八个输出端则接共阴数码管的输入端。

CD4511真值表为：

数码管引脚：

第四部分 整机电路

4.1、整机电路图：

4.2、元器件清单

电阻： 阻值 瓦数 误差
4.3K×1 0.125W 5％
20K×1 0.125W 5％
3.0K×1 0.125W 5％
510×1 0.125W 5％
30K×4 0.125W 5％
6.2K×1 0.125W 5％
10K×1 0.125W 5％
集成芯片：LM741×1,LM324×1,CD4511×1,CD4532×1
显示器：共阴数码显示管×1

其他：导线、面包板

第五部分 电路仿真

5.1、仿真软件简介：

这次仿真我用的是MULTISIM 2001,这个软件元件种类多，而且 分类很好，制作电路图时很是方便，就好像在一个功能齐全的电路实验室做实验一样。而且，测数据方便，给我很多的参考。

5.2、仿真电路图：

5.3、仿真结果

当BF＝70：（<80）

当BF＝100 (大于80小于120)

当BF＝130 （大于120小于160）

当BF＝170 （大于160小于200）

当BF＝240（大于200）

与要求完全符合。

第六部分 安装调试与性能测量

6.1、 电路安装：
6.2、 电路调试：
第一次插完板而且对着电路图检查一遍后，我通上电源，可是数码管显示很乱，看不出是什么数字。我拔下数码管，用万用表测了下，发现好几个管不亮，原来数码管坏掉了，吓我一跳！找老师换了个数码管，插上去，还真亮了，但是是0。难道我测的三极管放大倍数在80以下？找个万用表一测，放大倍数为139，还挺大的，按照设计，应该显示2才对。哪里出了错呢？
一步步检测，我先测R4两端电压，1.9V多，一算，很对啊。再测741输出端电压，也是2.0几伏。与设想完全一样。看来前面没问题。我接着测了LM311的基准电压分别是3.079V 2.472V 1.863V 1.258V与预测数据完全一致，再测量LM311的输出电压，都是低电平。这就不对了，因为1.9比后面两个都大，应该输出两低两高才对嘛。什么原因呢，难道是因为LM311坏掉了？换下一个，再测，还是一样。单独将LM311拿出来，不论输入电压差多大，输出仍是低电平。真不知道怎么搞的。无耐啊。最后，我只好换芯片LM324，因为听说有几个同学用这个芯片，输出很正确。换了之后，再通电源，数码管终于显示了漂亮的2，激动啊！终于成功了！

6.3、 整机性能指标测量：

当插上三极管9018时，数码显示管显示为“1”，用万用表实际测得其β值为112，在80～120范围内，结果正确。
当插上三极管9012时，数码显示管显示为“2”，用万用表实际测得其β值为139，在120～160范围内，结果正确。
当不插三极管时，数码显示管显示为“0”，结果正确。
6.3.2、当数码管显示2时其他测量结果记录：
β值为139
R4两端电压：1.903V
基准电压：V1＝3.079V
V2＝2.472V
V3＝1.863V
V4＝1.258V

LM324输出情况：
V1=-4.175V
V2=-4.139V
V3=3.729V
V4＝3.729V

CD4532编码输出电压情况：
O2＝0V
O1＝5.084V
O0＝0V

CD4511输出电压情况：
a=4.459V,b=4.459V,c=0 V,d=4.458V,e=4.458V，f=0V, g=4.46V
高 高 低 高 高 低 高
与预测数据完全符合，电路工作正常。

参考文献

吴运昌著：《模拟电子电路基础》
吕念玲著：《电工电子基础工程实践》
阎石著：《数字电子技术基础》