晶體管伏安特性圖示儀設計報告

./作品設計報告作品題目晶體管伏安特性圖示儀設計組長濤〔電氣碩62班組員何海龍〔電氣碩62班組員東亮〔電氣碩62班2009-07-24交通大學電氣工程學院電子設計競賽培訓組作品簡介作品題目晶體管伏安特性圖示儀設計指導教師建國、周旺學生濤何海龍東亮作品狀態(tài)設計完成、焊接調(diào)試完成、完整作品作品設計要求設計一套電路,能夠顯示一個待測晶體管的輸出伏安特性曲線。1一組正負12V電源供電,其余電源自行實現(xiàn)。2設計一套電路,能夠針對一個給定的NPN管,利用示波器的X軸和Y軸偏轉(zhuǎn)輸入,在示波器上顯示其標準的輸出伏安特性曲線。3通過開關或者電位器設置,選擇不同的增量。4通過開關或者電位器設置,選擇不同的Rc。5擴展容一：能夠測試并顯示β。6擴展容二：能夠?qū)NP管進行類似的測量。7擴展容三：能自動識別時NPN還是PNP,能顯示類型,并自動進行測量。作品完成情況簡述本作品能夠由外界提供的正負12V電源提供所需要的電源。本作品能夠測試給定的NPN管的伏安特性曲線。本作品能夠由電位器來選擇不同的增量以及不同的Rc值。本作品能夠測試并顯示晶體管的β值。本作品能夠自動識別NPN還是PNP,能顯示類型,并自動進行測量。目錄TOC\o"1-3"\h\u30005目錄 34992晶體管伏安特性圖示儀設計 44992摘要 ………426167正文 490221、設計任務 4212052、方案論證與選擇 4157383、理論分析和計算 8186854、硬件軟件設計 11238245、測試方法與結(jié)果 14292376、結(jié)論 217965參考文獻 2129198附錄 22晶體管伏安特性圖示儀設計摘要：本作品實現(xiàn)了一個晶體管伏安特性圖示儀的功能,能夠自動識別系統(tǒng)中的晶體管的類型并將其顯示出來,能夠結(jié)合示波器掃描出晶體管的伏安特性曲線,能夠測量晶體管的放大倍數(shù)并顯示出來。作品用555振蕩器實現(xiàn)了方波和類三角波的發(fā)生,利用計數(shù)器74161和DAC0832實現(xiàn)了梯形波的發(fā)生,再用比較器LM311識別晶體管類型,用繼電器實現(xiàn)對兩種不同類型晶體管測試時的測試通道的切換,最后用51單片機、ADC0809和數(shù)碼管實現(xiàn)對晶體管類型以及晶體管放大倍數(shù)的測量和顯示。正文1、設計任務設計一套電路,能夠顯示一個待測晶體管的輸出伏安特性曲線。1一組正負12V電源供電,其余電源自行實現(xiàn)。2設計一套電路,能夠針對一個給定的NPN管,利用示波器的X軸和Y軸偏轉(zhuǎn)輸入,在示波器上顯示其標準的輸出伏安特性曲線。3通過開關或者電位器設置,選擇不同的Ib增量。4通過開關或者電位器設置,選擇不同的Rc。5擴展容一：能夠測試并顯示β。6擴展容二：能夠?qū)NP管進行類似的測量。7擴展容三：能自動識別時NPN還是PNP,能顯示類型,并自動進行測量。2、方案論證與選擇總體方案論證電源模塊本次作品的任務中已經(jīng)提供了直流電源,而我們要用到的電源只有和正負5V,而且考慮到穩(wěn)壓芯片的驅(qū)動功率問題,本次作品中選用兩片LM317來對+12V實現(xiàn)兩級降壓,最終降到+5V；-5V則是直接用一片LM337將-12V轉(zhuǎn)換到-5V,從而完成了所需電源的設計。晶體管伏安特性曲線測試模塊所設計的電路要能夠完成對晶體管伏安特性曲線的"繪制",即必須為晶體管的基極提供階梯波,為集電極提供三角波〔或者鋸齒波,這兩種波形可以用單片機結(jié)合DAC的方式產(chǎn)生,也可以用模擬電路產(chǎn)生,前一種方案會使得單片機程序負擔太重,本組成員目前又只會用51單片機,考慮到51單片機硬件資源上的局限性和軟件上的編寫、調(diào)試時間,我們采用后一種方案來產(chǎn)生所需要的波形,對三極管的基極和集電極進行掃描,就可以得到晶體管的伏安特性曲線。晶體管放大倍數(shù)的測量和顯示以及晶體管類型的顯示模塊利用單片機通過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。另外,單片機也能夠根據(jù)測試不同類型晶體管時的不同,來判斷晶體管類型,并能夠動態(tài)顯示出來,整個過程一直在循環(huán)進行。具體方案電源模塊的制作：整個系統(tǒng)由外界提供電源,用LM317、LM337來降壓得到正負5V。其電路如下圖1：+12V-12V+12V-12V-5V+5V+10V5k50k50k5k2k10kLM317LM317LM337ININOUTOUTGNDGNDGNDINOUT1uF1uF0.1uF0.1uFLM337圖1電源電路圖1電源電路階梯波與三角波產(chǎn)生電路：在本設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。關于梯形波的產(chǎn)生,我們這里利用計數(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,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。后面我們另外用555觸發(fā)器搭建了方波信號發(fā)生電路,所產(chǎn)生的方波很標準,作為CLK信號可以使計數(shù)器正常工作。波形發(fā)生電路原理圖如下圖2所示：圖2階梯波和三角波產(chǎn)生電路圖2階梯波和三角波產(chǎn)生電路0-2.2V階梯波-11—0V三角波555振蕩電路加法比例電路計數(shù)器芯片74161DAC0832同相比例電路反相比例電路1.6-3.2V類三角波0-5V標準方波0-2.2V階梯波-6.6—0V階梯波四位數(shù)字信號0-11V三角波0-6.6V階梯波反相比例電路0-11V三角波0-6.6V階梯波-11—0V三角波-6.6—0V階梯波繼電器三角波階梯波晶體管類型檢測電路和放大倍數(shù)測量環(huán)節(jié)：晶體管類型檢測：在測NPN的電路中接入NPN型晶體管時,當集電極的電壓超過一定值時,晶體管處于放大區(qū),發(fā)射結(jié)正偏,加在發(fā)射結(jié)上〔即基極與射極之間的電壓不會超過0.7V,此時可以判斷所接入的晶體管為NPN型；當將晶體管換為PNP型晶體管時,由于當集電極的電壓增加到一定值后,其發(fā)射結(jié)上的電壓可能超過0.7V,甚至更大,其直接受基極電壓的影響,因此,只要能夠檢測發(fā)射結(jié)的電壓即可判斷接入的是NPN型還是PNP型的晶體管。同理,在測PNP的電路中接入了PNP型晶體管時,加在發(fā)射結(jié)的電壓不會低于-0.7V,如果換為了NPN型晶體管,其發(fā)射結(jié)上的電壓可能低于-0.7V,甚至更低。放大倍數(shù)的測量：通過實時測量接在集電極的電阻上的電壓和基極的電阻上的電壓,就能夠通過ADC0809將其作為數(shù)字量送入單片機,這兩個電壓和能夠反映基極電流和集電極電流的關系,利用單片機計算就能夠算出β,這里注意的一點是：在基極電流增加到最大值的一半時測量出來的β能夠比較好的反映晶體管的伏安特性,所以在階梯波的中間階段測量β。下圖3為晶體管類型測量與放大倍數(shù)測量電路：儀表放大AD620〔減法電路儀表放大AD620〔減法電路絕對值電路絕對值電路儀表放大AD620〔減法電路比較器LM311比較器LM311UbUcRcRb+3V基準電壓-3V基準電壓中斷1中斷0U〔RbU〔Rc圖3晶體管類型檢測與放大倍數(shù)測量環(huán)節(jié)|U〔Rc||U〔Rc||U〔Rb||U〔Rb|④單片機測量與顯示模塊：單片機通過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系,能夠計算出兩個電流的關系,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),順便在第四個數(shù)碼管上顯示出此時接入電路中的晶體管類型,NPN則顯示"n",PNP型則顯示"P",加以區(qū)分。本方案中選用四位共陰極數(shù)碼管,通過74HC573進行驅(qū)動。ADC0809ADC0809STC89C5474HC573百十個n|U〔Rb||U〔Rc|中斷0中斷1圖4單片機測量與顯示環(huán)節(jié)性價比分析我們設計的電路所用的器件列表如下：由表中所知,本作品中選用的器件都是常見而且比較廉價的,所以本次作品設計方案的性價比是比較高的。理論分析和計算1555振蕩器：頻率：f=占空比：幅值：2類三角波電壓放大電路：偏置電壓：輸出電壓：儀表放大電路：輸出電壓：階梯波電壓放大電路：輸出電壓：5>反相比例電路：輸出電壓：4硬件軟件設計本作品設計分為硬件設計和軟件設計兩個部分。硬件設計放大倍數(shù)X軸放大倍數(shù)X軸晶體管圖示儀裝置STC89C54晶體管圖示儀裝置STC89C54Y軸Y軸n/pn/p圖5硬件總體設計框圖圖5硬件總體設計框圖+Vcc555+Vcc555VccRdOUTC-UGNDDISTHTR15k15k0-5V標準方波〔500HZ0-5V標準方波〔500HZD1D115k15k0.01uF0.01uFD2D20.01uF0.01uF1.6-3.2V三角波1.6-3.2V三角波圖6初始三角波與方波發(fā)生電路圖6初始三角波與方波發(fā)生電路7416174161CLKCLRQAQBQCQD+5VVccDAC0832DI0DI1DI2DI3DI4DI5DI6DI7Iout1Iout2Rfb0-2.2V階梯波圖7方波轉(zhuǎn)換階梯波電路+5V+5V10k10k1.6-3.2V三角波0-11V三角波6.7K6.7K1K1K0-6.6V階梯波1K0-6.6V階梯波1K1K0-2.2V階梯波1K0-2.2V階梯波2M1K2M1K6.7K6.7K圖9同相比例電路圖8加法比例電路圖9同相比例電路圖8加法比例電路3V3V+5V輸入LM311圖11比較器電路〔用于檢測AD620AD620模擬通道圖10儀表放大器構(gòu)成的減法電路〔用于測量電壓RefU〔Rc圖12繼電器控制晶體管基極、集電極波形切換電路圖12繼電器控制晶體管基極、集電極波形切換電路A1A21k1k1k1k1k2k2kVD1VD2Uin~Uout圖13絕對值電路0-11V三角波0-6.6V階梯波-11—0V三角波-6.6—0V階梯波軟件流程圖：設置中斷起始地址,初始化寄存器。等待,SJMP$設置中斷起始地址,初始化寄存器。等待,SJMP$啟動ADC0809,采集通道0的信號U〔Rc送入單片機,以8位數(shù)據(jù)存入。采集通道1數(shù)據(jù)U〔Rb送入單片機,并除以2。將數(shù)據(jù)1除以數(shù)據(jù)2,存入累加器A。分解出累加器R0中數(shù)據(jù)的百位,十位,各位,動態(tài)顯示中斷INT0,若NPN晶體管換為了PNP,則進入中斷0,CLRP2.4,MOVRO,#37H,中斷返回中斷INT1,若PNP晶體管換為了NPN,則進入中斷1,CLRP2.4,MOVRO,#73H,中斷返回定時器中斷T0,開始采集adc0809兩個通道的信號,處理得到晶體管放大倍數(shù),類型放入寄存器R0,并一同顯示圖14軟件程序流程圖5、測試方法與結(jié)果1測試目的：檢驗作品各項指標是否達到題目的要求。2測試方法：①波形可以利用模擬示波器的耦合功能來測試。用通道1測試晶體管的集電極電壓,用通道2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。晶體管圖示儀裝置晶體管圖示儀裝置STC89C54放大倍數(shù)n/p圖15測試示意圖X軸Y軸。②放大倍數(shù)及晶體管類型直接觀察數(shù)碼管顯示結(jié)果即可。測試結(jié)果：①第一階段：波形發(fā)生及調(diào)理：圖16555振蕩器的方波輸出圖17555振蕩器的類三角波輸出圖18方波經(jīng)電壓放大電路的輸出圖19類三角波經(jīng)電壓放大電路的輸出圖20階梯波②輸出波形及掃描結(jié)果〔以NPN型晶體管為代表：圖21集電極電壓圖22Rc兩端電壓圖23掃描出的波形圖24測試結(jié)果圖25調(diào)節(jié)Rc后的波形圖26調(diào)節(jié)Ib增量后的波形4結(jié)果分析：指標完成情況達標程度電源用一組正負12V的電源得到了一組正負5V的電源達標波形掃描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達標Rc可以通過電位器調(diào)節(jié)達標Ib可以通過調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)階梯波的幅度,進而調(diào)節(jié)Ib增量達標放大倍數(shù)β可以完成對β的測量并將其顯示出來,但與萬用表的測量值存在10-20的偏差基本達標晶體管類型可以完成對NPN型晶體管和PNP晶體管的自動識別,并將其類型通過一個數(shù)碼管顯示出來,同時可以自動改變通道測量伏安特性曲線達標6、結(jié)論實測結(jié)果表明,本作品