晶體三極管特性曲線測試儀設(shè)計

PAGEPAGEIII晶體三極管特性曲線測試儀設(shè)計摘要晶體管特性曲線測試儀廣泛用于科研，實驗教學(xué)和工業(yè)中，論文選題具有實際意義。本文在學(xué)習(xí)和查閱相關(guān)文件的基礎(chǔ)上，介紹了實現(xiàn)一個簡易晶體管伏安特性曲線測試儀基本原理和實現(xiàn)方案。在系統(tǒng)硬件設(shè)計中，以MCS-51單片機(jī)最小系統(tǒng)為核心，擴(kuò)展了人機(jī)對話接口、A/D轉(zhuǎn)換接口；采用555振蕩器實現(xiàn)了方波和三角波的輸出信號，利用計數(shù)器74161和DAC0832產(chǎn)生梯形波，通過比較器LM311構(gòu)成識別晶體管類型的判斷。系統(tǒng)的軟件設(shè)計是在Keil51的平臺上，使用C語言與匯編語言混合編程編寫了系統(tǒng)應(yīng)用軟件；包括主程序模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。關(guān)鍵詞：晶體管圖示儀；伏安特性；單片機(jī)ABSTRACT：Transistorcurvetracersusedinresearch,teachingandindustrialexperiments,thepracticalsignificanceoftopics.Inthispaper,learningandaccesstorelevantdocuments,basedontherealizationofasimpletransistorintroducedvoltammetriccurvetracersbasictheoryandprograms.InthesystemhardwaredesigntoMCS-51microcomputerasthecore,extendingtheman-machinedialogueinterfaces,A/Dconversioninterface;Achievedby555squarewaveoscillatorandtrianglewaveoutputsignal,generatedusingcounters74161andDAC0832trapezoidalwave,ConstituterecognitionbythecomparatorLM311transistortypejudgments.ThesoftwaredesignistheplatformKeil51usingClanguageandassemblylanguageprogrammingpreparedhybridsystemapplicationsoftware;Includingthemainprogrammodule,displaymodule,dataacquisitionmoduleanddataprocessingmoduleKEYWORDS:TransistorTracer,Volt-amperecharacteristics,Singlesliceofmachine目錄第1章前言 11.1設(shè)計的背景及意義 11.2晶體管及晶體管特性曲線測試儀歷史及研究現(xiàn)狀 1第2章晶體管特性曲線測試儀的系統(tǒng)設(shè)計 32.1晶體三極管原理及工作狀態(tài)分析 32.2系統(tǒng)整體框圖設(shè)計 42.3各模塊方案設(shè)計與選擇 52.3.1555振蕩器方波和階梯波發(fā)生模塊 52.3.2晶體管放大倍數(shù)的顯示模塊 52.3.3電源供電模塊 6第3章系統(tǒng)的硬件設(shè)計 73.1MCS-51單片機(jī)最小系統(tǒng) 73.2電源電路的設(shè)計 83.3AD采樣電路設(shè)計 93.3.1ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) 93.3.2ADC0809引腳結(jié)構(gòu) 93.3.3ADC0809應(yīng)用說明 103.3.4A/D電路的設(shè)計原理 113.4波形電路的設(shè)計 113.4.1階梯波與三角波產(chǎn)生電路 113.4.2555振蕩器的管腳功能 123.5顯示電路設(shè)計 13第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計 174.1系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖 174.2數(shù)據(jù)采集電路的軟件設(shè)計 174.3顯示電路的軟件設(shè)計 19第5章系統(tǒng)的調(diào)試與測試 215.1調(diào)試和測試儀器 215.2系統(tǒng)的調(diào)試 215.3測試結(jié)果與分析 23結(jié)論 27致謝 28參考文獻(xiàn) 29附錄 30本科畢業(yè)設(shè)計（論文）PAGE32第1章前言1.1設(shè)計的背景及意義晶體三極管，是半導(dǎo)體基本元器件之一，具有電流放大作用，是電子電路的核心元件。三極管是在一塊半導(dǎo)體基片上制作兩個相距很近的PN結(jié)，兩個PN結(jié)把正塊半導(dǎo)體分成三部分，中間部分是基區(qū)，兩側(cè)部分是發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，排列方式有PNP和NPN兩種，從三個區(qū)引出相應(yīng)的電極，分別為基極b發(fā)射極e和集電極c。發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)叫發(fā)射結(jié)，集電區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)叫集電結(jié)?；鶇^(qū)很薄，而發(fā)射區(qū)較厚，雜質(zhì)濃度大，PNP型三極管發(fā)射區(qū)"發(fā)射"的是空穴，其移動方向與電流方向一致，故發(fā)射極箭頭向里；NPN型三極管發(fā)射區(qū)"發(fā)射"的是自由電子，其移動方向與電流方向相反，故發(fā)射極箭頭向外。發(fā)射極箭頭向外。發(fā)射極箭頭指向也是PN結(jié)在正向電壓下的導(dǎo)通方向。硅晶體三極管和鍺晶體三極管都有PNP型和NPN型兩種類型。晶體三極管具有電流放大作用，其實質(zhì)是三極管能以基極電流微小的變化量來控制集電極電流較大的變化量。這是三極管最基本的和最重要的特性。我們將ΔIc/ΔIb的比值稱為晶體三極管的電流放大倍數(shù)，用符號“β”表示。電流放大倍數(shù)對于某一只三極管來說是一個定值，但隨著三極管工作時基極電流的變化也會有一定的改變。晶體管特性圖示儀它是一種能對晶體管的特性參數(shù)進(jìn)行測試的儀器，是用來測量晶體管輸入、輸出特性曲線的儀器。在實驗、教學(xué)和工程中通過使用圖示儀，可以獲得晶體管的實際特性，能更好的發(fā)揮晶體管的作用。1.2晶體管及晶體管特性曲線測試儀歷史及研究現(xiàn)狀晶體管是半導(dǎo)體做的固體電子元件。導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，就叫半導(dǎo)體。晶體管就是用半導(dǎo)體材料制成的。最常見的是鍺和硅兩種。半導(dǎo)體是19世紀(jì)末才發(fā)現(xiàn)的一種材料。許多科學(xué)家都投入到半導(dǎo)體的深入研究中。經(jīng)過緊張的研究工作，美國物理學(xué)家肖克利、巴丁和布拉頓三人合作發(fā)明了晶體管——一種三個支點的半導(dǎo)體固體元件。晶體管被人們稱為“三條腿的魔術(shù)師”。他們?nèi)艘惨蜓芯堪雽?dǎo)體及發(fā)現(xiàn)晶體管效應(yīng)而共同獲得1956年最高科學(xué)獎——諾貝爾物理獎。巴丁和布拉頓實驗成功的這種晶體管，是金屬觸絲和半導(dǎo)體的某一點接觸，故稱點接觸晶體管。這種晶體管對電流、電壓都有放大作用。晶體管圖示儀是用來測量晶體管輸入、輸出特性曲線的儀器。在實驗、教學(xué)和工程中通過使用圖示儀，可以獲得晶體管的實際特性，能更好的發(fā)揮晶體管的作用。晶體管的輸出特性是指在一定的基極電流Ib時，晶體管集電極與發(fā)射極之間的電壓Uce同集電極電流Ic之間的關(guān)系。每個Ib對應(yīng)一條輸出特性曲線。將多個Ib對應(yīng)的曲線同時顯示在示波器上，就可以得到一簇輸出特性曲線。晶體管的輸入特性是指在一定的Uce下，晶體管基極與發(fā)射極之間的電壓Ube同基極電流Ib之間的關(guān)系。每個Uce對應(yīng)一條輸入特性曲線。將多個Uce對應(yīng)的曲線同時顯示在示波器上，就可以得到一簇輸入特性曲線。第2章晶體管特性曲線測試儀的系統(tǒng)設(shè)計2.1晶體三極管原理及工作狀態(tài)分析晶體三極管由集電結(jié)和發(fā)射結(jié)兩個PN結(jié)構(gòu)成。根據(jù)兩個PN結(jié)的偏置極性，三極管有截止、放大、飽和3種工作狀態(tài)。此處以NPN三極管共射極連接為例（如圖a、圖b所示），簡要分析三極管的工作原理及各組態(tài)：圖2-1三極管共射極連接圖截止?fàn)顟B(tài)：當(dāng)加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓小于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓，基極電流為零，集電極電流和發(fā)射極電流都為零，三極管這時失去了電流放大作用，集電極和發(fā)射極之間相當(dāng)于開關(guān)的斷開狀態(tài)，稱三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。此時，uB＜0，兩個PN結(jié)均為反偏，iB≈0,iC≈0,uCE≈UCC。三極管呈現(xiàn)高阻抗，類似于開關(guān)斷開。放大狀態(tài)：當(dāng)加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓大于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓，并處于某一恰當(dāng)?shù)闹禃r，三極管的發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置，這時基極電流對集電極電流起著控制作用，使三極管具有電流放大作用，其電流放大倍數(shù)β＝ΔIc/ΔIb，這時三極管處放大狀態(tài)。此時，uB＞0，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，iC=βiB。飽和導(dǎo)通狀態(tài)：當(dāng)加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓大于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓，并當(dāng)基極電流增大到一定程度時，集電極電流不再隨著基極電流的增大而增大，而是處于某一定值附近不怎么變化，這時三極管失去電流放大作用，集電極與發(fā)射極之間的電壓很小，集電極和發(fā)射極之間相當(dāng)于開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)。三極管的這種狀態(tài)稱之為飽和導(dǎo)通狀態(tài)。此時，uB＞0，兩個PN結(jié)均為正偏，iB≥IBS(基極臨界飽和電流)≈UCC/βRc,此時iC=ICS(集電極飽和電流)≈UCC/Rc。三極管呈現(xiàn)低阻抗，類似于開關(guān)接通。根據(jù)警惕三極管工作時各個電極的電位高低，就能判別三極管的工作于何種狀態(tài)。2.2系統(tǒng)整體框圖設(shè)計根據(jù)任務(wù)要求及電路的實際情況，考慮到單片機(jī)具有物美價廉、功能強(qiáng)、使用方便靈活、可靠性高等特點，擬采用MCS-51系列的單片機(jī)為核心來實現(xiàn)。該系統(tǒng)原理設(shè)計如圖2-1所示。圖2-2系統(tǒng)整體原理框圖該系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成：(1)555振蕩器產(chǎn)波形產(chǎn)生模塊(2)DA階梯波產(chǎn)生模塊(3)AD采樣模塊(4)AT89S52單片機(jī)核心最小系統(tǒng)(5)LED顯示模塊(6)電源供電模塊。2.3各模塊方案設(shè)計與選擇2.3.1555振蕩器方波和階梯波發(fā)生模塊要對晶體三極管進(jìn)行輸出特性曲線繪制，則需要將ib作為參變量，一個變化的Vce，采樣ic通過示波器進(jìn)行繪制，即需要在三極管基極加個階梯波，在集電極加一個鋸齒波或者三角波。方案一：采用運算放大器產(chǎn)生一個方波發(fā)生電路，此種波形產(chǎn)生電路雖然簡單，成本低廉，但是電路復(fù)雜并且精度不高。方案二：利用軟件編程，通過單片機(jī)發(fā)出所需要的階梯波和三角波形，具體做法是在程序中設(shè)兩個循環(huán)，使送入DAC的數(shù)字信號依次增大，當(dāng)增大到一定值是使其循環(huán)至最小值再送入DAC并循環(huán)輸出，這樣通過DAC輸出的即為階梯波和三角波，波形的幅度可以通過數(shù)字量來進(jìn)行調(diào)節(jié)，波形的頻率可以通過發(fā)送數(shù)字量的頻率來進(jìn)行調(diào)節(jié)，即可添加一定的延時來改變輸出波形的頻率。方案三：利用硬件搭建信號發(fā)生電路。在本設(shè)計中需要的是階梯波和三角波形，首先想到了搭建一個方波發(fā)生電路，再利用積分電路使得產(chǎn)生三角波；或者先搭建三角波發(fā)生電路，再通過一路比較器電路使其能夠產(chǎn)生方波信號。關(guān)于階梯波的產(chǎn)生，利用計數(shù)器74161和DAC0832來產(chǎn)生，具體做法是讓產(chǎn)生的方波作為脈沖信號送入計數(shù)器的CLk端，使得計數(shù)器能夠循環(huán)計數(shù)，并把所得的數(shù)字量送入DAC0832，當(dāng)輸入達(dá)到一定的數(shù)字量時，數(shù)字量第四位出現(xiàn)“1”，即記數(shù)到“8”時，能夠通過邏輯門接入自動清零。故通過DAC0832輸出的信號為循環(huán)的階梯波。方案一會使得單片機(jī)程序負(fù)擔(dān)太重，考慮到51單片機(jī)硬件資源上的局限性和軟件上的編寫、調(diào)試時間，方案二來產(chǎn)生所需要的波形，對三極管的基極和集電極進(jìn)行掃描，就可以得到晶體管的伏安特性曲線。2.3.2晶體管放大倍數(shù)的顯示模塊利用單片機(jī)通過ADC0809來采集晶體管集電極電阻Rb和基極電阻Rc的電壓，計算放大倍數(shù)并顯示出來。方案一：采用八位共陰極數(shù)碼管動態(tài)顯示。方案二：采用LCD液晶顯示。由于LCD液晶顯示的驅(qū)動程序復(fù)雜，且成本相對較高，因此采用了八位共陰極數(shù)碼管顯示測得的晶體管放大倍數(shù)。2.3.3電源供電模塊本次作品的任務(wù)中已經(jīng)提供了直流電源，而要用到的電源只有。方案一：采用以LM323為主的電源調(diào)節(jié)模塊將15V電源電壓調(diào)節(jié)至5V。方案二：采用LM317為主的模塊，實現(xiàn)電壓可調(diào)。方案三：采用以LM7805的恒壓輸出。方案四：采用9V電池經(jīng)7805得到+5V電源。考慮到本次設(shè)計對電源沒有正負(fù)要求，故使用方案四即可。第3章系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1MCS-51單片機(jī)最小系統(tǒng)在本設(shè)計中，考慮到單片機(jī)構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)有較大的可靠性，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)，且應(yīng)用系統(tǒng)有較高的軟、硬件利用系數(shù)。還具有可編程性，硬件的功能描述可完全在軟件上實現(xiàn)。本設(shè)計還需要利用單片機(jī)的定時計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等等。所以，選擇以單片機(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計具有極大的必要性。MCS-51單片機(jī)包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元，以及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線，現(xiàn)在分別加以說明：·中央處理器：中央處理器(CPU)是整個單片機(jī)的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作?！?shù)據(jù)存儲器(RAM)內(nèi)部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的RAM只有128個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。 ·程序存儲器(ROM)：共有4096個8位掩膜ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。·定時/計數(shù)器(ROM)：有兩個16位的可編程定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向?！げ⑿休斎胼敵?I/O)口：共有4組8位I/O口(P0、P1、P2或P3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸?！とp工串行口：內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當(dāng)同步移位器使用?！ぶ袛嘞到y(tǒng)：具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數(shù)器中斷和一個串口中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇?！r鐘電路：內(nèi)置最高頻率達(dá)12MHz的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機(jī)運行的脈沖時序。圖3-1單片機(jī)最小系統(tǒng)本電路使用單片機(jī)內(nèi)部振蕩器，12MHz的晶體諧振器直接接在單片機(jī)的時鐘端口X1和X2，電路中C2、C3為振蕩器的匹配電容。該電路簡單，工作可靠。3.2電源電路的設(shè)計整個系統(tǒng)由外界提供電源，擬采用9V電源經(jīng)7805得到5V電源。電源電路如圖3-2。圖3-2電源供電電路3.3AD采樣電路設(shè)計3.3.1ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)ADC0809由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。其結(jié)構(gòu)圖如圖3-3所示：圖3-3ADC0809的結(jié)構(gòu)圖3.3.2ADC0809引腳結(jié)構(gòu)在運用A\D時，采用了ADC0809通用模數(shù)轉(zhuǎn)換器，取其8路輸出的一路。由于其參考電壓取5V，直接將其輸出接單片機(jī)P0口。在連接端口時注意ADC0809為逐次比較，需要將其2.1腳接P0口高位。ADC0809的引腳圖如下圖3-4所示圖3-4ADC0809的管腳排列圖ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0－IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如表3-1所示。表3-1通道選擇表CBA選擇的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7CLK為時鐘輸入信號線。因ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ。3.3.3ADC0809應(yīng)用說明（1）ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與AT89S51單片機(jī)直接相連。（2）初始化時，使ST和OE信號全為低電平。（3）送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到A，B，C端口上。（4）在ST端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號。（5）是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC信號來判斷。（6）當(dāng)EOC變?yōu)楦唠娖綍r，這時給OE為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機(jī)了。3.3.4A/D電路的設(shè)計原理ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是0－5V，若信號太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。原理圖如圖3-5所示：圖3-5ADC0809原理圖3.4波形電路的設(shè)計3.4.1階梯波與三角波產(chǎn)生電路在本設(shè)計中需要的是階梯波和類三角波形，我們首先想到了搭建一個方波發(fā)生電路，再利用積分電路產(chǎn)生三角波,或者先搭建三角波發(fā)生電路，再通過比較器產(chǎn)生方波信號。關(guān)于梯形波的產(chǎn)生，我這里利用計數(shù)器和DAC0832來產(chǎn)生，具體做法是讓產(chǎn)生的方波經(jīng)過處理后作為脈沖信號送入計數(shù)器的CLK端，使計數(shù)器能夠循環(huán)計數(shù)，并把計數(shù)值送入DAC0832，即可輸出循環(huán)的階梯波。但是上面這個方法對輸入計數(shù)器的CLK信號品質(zhì)要求較高，用一般運放搭建的方波發(fā)生電路輸出的信號送入計數(shù)器會使得輸出階梯波形不穩(wěn)定，究其原因，是因為計數(shù)器對CLK信號要求很嚴(yán)，而用一般運放搭建的方波發(fā)生電路產(chǎn)生的方波有一定的毛刺。用555觸發(fā)器搭建方波信號發(fā)生電路，所產(chǎn)生的方波相對標(biāo)準(zhǔn)，作為CLK信號可以使計數(shù)器正常工作。波形發(fā)生電路原理框圖如下圖3-6所示：圖3-6波形產(chǎn)生電路框圖3.4.2555振蕩器的管腳功能555電路由電阻分壓器、電壓比較器、基本RS觸發(fā)器、放電管和輸出緩沖器5個部分組成。它的各個引腳功能如下：1腳：GND(或Vss)外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。8腳：VCC(或VDD)外接電源VCC，雙極型時基電路VCC的范圍是4.5～16V，CMOS型時基電路VCC的范圍為3～18V。一般用5V。3腳：OUT（或Vo）輸出端。2腳：TR低觸發(fā)端。6腳：TH高觸發(fā)端。4腳：R是直接清零端。當(dāng)R端接低電平，則時基電路不工作，此時不論TR、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應(yīng)接高電平。5腳：CO(或VC)為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時，應(yīng)將該端串入一只0.01μF電容接地，以防引入干擾。7腳：D放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時器時電容的放電。電阻分壓器由三個5kΩ的等值電阻串聯(lián)而成。電阻分壓器為比較器C1、C2提供參考電壓，比較器C1的參考電壓為2/3Vcc，加在同相輸入端，比較器C2的參考電壓為1/3Vcc，加在反相輸入端。比較器由兩個結(jié)構(gòu)相同的集成運放C1、C2組成。高電平觸發(fā)信號加在C1的反相輸入端，與同相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本RS觸發(fā)器R端的輸入信號；低電平觸發(fā)信號加在C2的同相輸入端，與反相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本RS觸發(fā)器S端的輸入信號?；綬S觸發(fā)器的輸出狀態(tài)受比較器C1、C2的輸出端控制。本設(shè)計中振蕩電路的設(shè)計電路如下圖3-7所示：圖3-7振蕩電路本設(shè)計555振蕩器用來生成三角波和方波。D1、D2用來決定電容充、放電電流流經(jīng)電阻的途徑（充電時D1導(dǎo)通，D2截止；放電時D2導(dǎo)通，D1截止）。其中：頻率：(3-1)占空比：(3-2)幅值：3.5顯示電路設(shè)計設(shè)計采用數(shù)碼管顯示晶體管的放大倍數(shù)，單片機(jī)通過ADC0809來測量晶體管基極與集電極的電壓，通過各自的采樣電阻及其伏安關(guān)系，能夠計算出兩個電流的關(guān)系，即可得到晶體管的放大倍數(shù)，只要在程序中能夠?qū)⒎糯蟊稊?shù)各位逐個的分離出來，并逐位動態(tài)顯示，即可在數(shù)碼管上顯示出放大倍數(shù)。本方案中選用共陰極數(shù)碼管，通過74HC573進(jìn)行驅(qū)動。顯示電路原理框圖如下圖3-8所示：圖3-8顯示電路原理框圖數(shù)碼管要能夠正常顯示，就需要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。靜態(tài)顯示驅(qū)動：靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機(jī)的I/O端口進(jìn)行驅(qū)動，或者使用如BCD二-十進(jìn)制譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用I/O端口多，實際應(yīng)用時必須增加譯碼驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動，增加了硬件電路的復(fù)雜性。動態(tài)顯示驅(qū)動：數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機(jī)對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮?xí)r間為1~2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。經(jīng)過對兩種顯示方式的比較分析：靜態(tài)方式需要大量I/O，而動態(tài)掃描顯示方式能夠節(jié)省大量的I/O口，且電路結(jié)構(gòu)也比較簡單，顯示效果良好，因此最終采用動態(tài)掃描顯示方式。原理如3-9所示：圖3-9數(shù)碼管顯示電路電路由3個共陰極數(shù)碼管、一片74HC573構(gòu)成。數(shù)碼管字形編碼表如表3-2所示：表3-2共陰極數(shù)碼管字型編碼表顯示字型段位編碼對應(yīng)十六進(jìn)制編碼gfedcba001111110x3f100001100x06210110110x5b310011110x4f411001100x66511011010x6d611111000x7d700001110x07811111110x7f911001110x6f第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖軟件設(shè)計部分就是圍繞51單片機(jī)來完成相應(yīng)部分的匯編程序，與硬件設(shè)計部分共同完成整個設(shè)計，從而達(dá)到自己設(shè)計所要達(dá)到的一起效果。本設(shè)計在測量晶體管放大倍數(shù)時，需對采集到的數(shù)據(jù)通過軟件編程處理，最后將放大倍數(shù)輸出顯示。啟動ADC0809等到鋸齒波上升到合適的位置采集通道0的信號Rc兩端電壓，并送入單片機(jī)，以8位數(shù)據(jù)存儲，再采集通道1的信號Rb兩端電壓，并送入單片機(jī)，以8位數(shù)據(jù)存儲，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)1存入累加器A，再通過分解出累加器A中的數(shù)據(jù)，并在數(shù)碼管各個位上顯示，從而得出晶體管放大倍數(shù)。軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖4-1所示：圖4-1軟件流程圖根據(jù)總的流程圖來具體書寫各個部分的匯編程序。軟件編程是以51單片機(jī)為核心進(jìn)行外圍設(shè)備的擴(kuò)展。4.2數(shù)據(jù)采集電路的軟件設(shè)計在數(shù)據(jù)采集中，通過匯編語言編寫相應(yīng)的程序，首先初始化子程序，再通過啟動ADC0809采集通道0的信號Rc兩端電壓，并送入單片機(jī)，以8位數(shù)據(jù)存儲，再采集通道1的信號Rb兩端電壓，并送入單片機(jī)，以8位數(shù)據(jù)存儲，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)框圖如4-2所示：圖4-2數(shù)據(jù)采集流程圖經(jīng)過軟件編程采集到的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并存入累加器，在由顯示部分輸出顯示。數(shù)據(jù)采集的具體程序?qū)崿F(xiàn)如下所示：ORG0000HMAIN:SETBP2.4;寄存器初始化，開中斷MOVR0,#37HCLRP3.5;采集通道0數(shù)據(jù)，放入R2SETBP2.7CLRP2.7LCALLDELAYSETBP2.6MOVA,P0MOVR2,ASETBP3.5;采集通道1數(shù)據(jù)，放入R3SETBP2.7CLRP2.7LCALLDELAYSETBP2.6MOVA,P0MOVR3,A4.3顯示電路的軟件設(shè)計在本設(shè)計的模塊中，每個模塊都是以單片機(jī)為核心，在測量放大倍數(shù)的設(shè)計中，便于直觀性，通過數(shù)碼管顯示測得的晶體管放大倍數(shù)。單片機(jī)通過ADC0809來測量晶體管基極與集電極的電壓，通過各自的采樣電阻及其伏安關(guān)系，能夠計算出兩個電流的關(guān)系，即可得到晶體管的放大倍數(shù)，只要在程序中能夠?qū)⒎糯蟊稊?shù)各位逐個的分離出來，并逐位動態(tài)顯示，即可在數(shù)碼管上顯示出放大倍數(shù)。具體程序如下所示：ORG0000HMAIN:MOVR0,#37HMOVR2,#1MOVA,R2;顯示放大倍數(shù)的百位MOVDPTR,#KMOVCA,@A+DPTRMOVP1,AMOVA,P2ANLA,#0FEHORLA,#08HMOVP2,AACALLDELAYINCR2MOVA,R2;顯示放大倍數(shù)的十位MOVDPTR,#KMOVCA,@A+DPTRMOVP1,AMOVA,P2ANLA,#0FDHORLA,#01HMOVP2,AACALLDELAYINCR2MOVA,R2;顯示放大倍數(shù)的個位MOVDPTR,#KMOVCA,@A+DPTRMOVP1,AMOVA,P2ANLA,#0FBHORLA,#02HMOVP2,AACALLDELAYDELAY:MOVR1,#200;200us延時DL1:NOPNOPNOPDJNZR1,DL1RETK:DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH;共陰極數(shù)碼管七段碼表END第5章系統(tǒng)的調(diào)試與測試5.1調(diào)試和測試儀器1.數(shù)字示波器：2.模擬示波器：帶寬20M，雙蹤模擬示波器。3.萬用表：四位半。5.2系統(tǒng)的調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試的目的是通過控制程序和硬件電路的配合工作，進(jìn)行一些操作，以驗證系統(tǒng)的軟、硬件是否能夠完成設(shè)計的功能。調(diào)試的過程是按照系統(tǒng)的設(shè)計功能來劃分的。硬件電路系統(tǒng)調(diào)試首先是保證各個元件之間以及各個模塊之間的連接正確并且接觸良好，這是整個硬件電路系統(tǒng)正常工作的前提。接著分別測試各個硬件模塊的性能。按照測試性質(zhì)的不同可分為電壓測試和信號測試兩種。1.電源模塊主要是電壓調(diào)試。調(diào)試結(jié)果為：將給定的9V電壓降至5V，電壓調(diào)試的結(jié)果與預(yù)期目的一致，從而確保了提供給其它模塊電壓的穩(wěn)定性。2.單片機(jī)輸入輸出接口主要是信號調(diào)試試。根據(jù)理論計算和軟件仿真的預(yù)期結(jié)果，再通過對響應(yīng)的信號進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試結(jié)果與預(yù)期結(jié)果基本一致，保證了系統(tǒng)按照設(shè)計的思路正常運行。3.硬件電路的調(diào)試首先是測試所產(chǎn)生的基礎(chǔ)波形，方波和三角波。方波是由555組成的振蕩器產(chǎn)生的，經(jīng)過放大后測試波形如圖5-1所示。三角波產(chǎn)生后其放大的輸出波形如圖5-2所示。圖5-1方波波形圖圖5-2三角波波形圖階梯波的產(chǎn)生是通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器將產(chǎn)生的方波作為脈沖信號送入計數(shù)端，使計數(shù)器能夠循環(huán)計數(shù)，并把計數(shù)值送入DA轉(zhuǎn)換器，從而輸出階梯波，其波形顯示如圖5-3所示。圖5-3階梯波波形圖5.3測試結(jié)果與分析波形可以利用模擬示波器的耦合功能來測試。用通道0測試晶體管的集電極電壓，用通道1測試集電極電阻兩端的電壓，然后將示波器置于X-Y耦合工作方式，即可觀察出晶體管的伏安特性曲線。放大倍數(shù)測試以單片機(jī)為核心通過ADC0809來測量晶體管基極與集電極的電壓，通過各自的采樣電阻及其伏安關(guān)系，能夠計算出兩個電流的關(guān)系，即可得到晶體管的放大倍數(shù)，只要在程序中能夠?qū)⒎糯蟊稊?shù)各位逐個的分離出來，并逐位動態(tài)顯示，即可在數(shù)碼管上顯示出放大倍數(shù)。輸出波形及掃描結(jié)果（以NPN型晶體管為代表），用示波器觀察晶體管集電極的電壓，及Rc兩端的電壓。集電極波形如圖5-4所示，Rc兩端的電壓波形如圖5-5所示。圖5-4集電極電壓圖5-5Rc兩端電壓最終的晶體管伏安特性測試如圖5-6所示，調(diào)節(jié)Rc，及Ib增量后的顯示結(jié)果如圖5-7所示。圖5-6晶體管伏安特性圖圖5-7調(diào)節(jié)Rc及基極電流后的特性圖放大倍數(shù)測試，由測試結(jié)果和萬用的測試值對比可以知，測得的β值有一定的誤差，而且β值越大時誤差越大，范圍為10-20的偏差。如圖5-8所示圖5-8放大倍數(shù)顯示由此測試結(jié)果，可以看出本設(shè)計基本完成了設(shè)計要求，可以在示波器上清晰的觀察到8條NPN晶體管的伏安特性曲線，可以通過調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)階梯波的幅度，進(jìn)而調(diào)節(jié)Ib增量。能對給定的晶體管NPN的放大倍數(shù)進(jìn)行測量并顯示，但與萬用表的測量值有一定的誤差，范圍為10-20左右，該誤差可能來源于ADC0809取樣時的誤差和軟件編程處理時的誤差。但總體符合設(shè)計要求。結(jié)論以MCS-51單片機(jī)最小系統(tǒng)為核心的設(shè)計能夠滿足了整個系統(tǒng)的工作需求，系統(tǒng)擴(kuò)展的人機(jī)接口，A/D轉(zhuǎn)換接口有效的實現(xiàn)了數(shù)字量和模擬量的相互轉(zhuǎn)換。555振蕩器實現(xiàn)了三角波和方波的產(chǎn)生。計數(shù)器74161和DAC0832能夠產(chǎn)生階梯波。經(jīng)過測試，系統(tǒng)各個模塊都能正常工作，成功地達(dá)到了設(shè)計的硬件要求。系統(tǒng)的軟件部分是系統(tǒng)實現(xiàn)各種工作狀態(tài)的關(guān)鍵。通過結(jié)合硬件電路，在Keil51的平臺上，使用C語言與匯編語言混合編程編寫了系統(tǒng)應(yīng)用程序，使程序能夠正常運行，實現(xiàn)了設(shè)計的要求?？傊?，整個系統(tǒng)的工作正常，完成了設(shè)計任務(wù)的全部要求。致謝參考文獻(xiàn)[1]李玲遠(yuǎn)，田化梅，宋立新．電子技術(shù)基礎(chǔ)教程：模擬部分[M]．武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2000．[2]王琦．晶體三極管輸出特性曲線教學(xué)研究[J]．市場周刊，2008(11)：155-156．[3]高文煥，李冬梅．電子線路基礎(chǔ)[M]．2版．北京：高等教育出版社，2005．[4]張鑫，華臻，陳書謙．單片機(jī)原理及應(yīng)用．北京：電子工業(yè)出版社，2005.8．[5]胡漢才．單片機(jī)原理及其接口技術(shù)．北京：清華大學(xué)出版社，1996.7.[6]童詩白．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]．3版．北京：高等教育出版社，2002．[7]袁南、沈平子，電磁量的單位制和單位的復(fù)現(xiàn)與傳遞，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986.[8]高文煥，張尊僑，徐振英，等．電子技術(shù)試驗[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2004．[9]劉君華.現(xiàn)代檢測技術(shù)與測試系統(tǒng)設(shè)計.西安：西安交通大學(xué)出版社，1999.[10]郭戍生、古天祥、陸玉新、張世箕.電子儀器原理.北京：國防工業(yè)出版社，1989.[11]趙新民、王祁.智能儀器設(shè)計基礎(chǔ).哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1999.[12]薛鈞義，張彥斌．MCS-51/96系列單片微型計算機(jī)及其應(yīng)用．西安：西安交通大學(xué)出版社，1997.8．[13]J.C.Whitaker.ThermalDesignofElectronicEquipment,CRCPressLLC.London2001[14]A.P.Knyupfer.Dynamicerrorinanalog-digitalconversion[J].MeasurementTechniques.Volue11,Number9.1225～1229[15]MariusGrundmann.ThePhysicsofSemiconductors[M].SpringerBerlinHeidelberg.2006,577～620附錄附錄一：源程序：ORG0000HAJMPMAINORG0003HLJMPINTT0ORG0013HLJMPINTT1ORG001BHLJMPTT1MAIN:CLRP2.4