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电信03级（4）班颜小虎编号：422006年3月2日星期四第一部分：设计任务一、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值范围的装置。1、对被测NPN型三极管值分三档；2、值的范围分别为50～80、80～120及120～180，对应的分档编号分别是1、2、3；3、用数码管显示值的档次；4、电路采用5V或正负5V电源供电。二：设计思路指南1．将变化的β值转化为与之成正比变化的电压或电流量，再取样进行比较、分档。上述转换过程可由以下方案实现：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，电阻RC上的电压VRC又反映了IC的变化，对VRC取样加入后级进行分档比较。以下给出采用上述方案的参考电路如图1、图2所示。oU图1T1、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。oU图2T1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oU＝βIBR3。2．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oU，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。对比较器输出的高电平进行二进制编码，再经显示译码器译码，驱动数码管显示出相应的档次代号。3、参考方案：图3第二部分：设计方案一：设计方案分析论证：设计电路测量三极管的β值，将三极管β值转换为其他可用仪器测量的物理量来进行测量（如电压，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，电阻RC上的电压VRC又反映了IC的变化）。1、β值与电流电压的转换（方案一）转换电路比较电路基准电压编码译码显示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。根据三极管电流IC=βIB的关系，当IB为固定值时，IC随着β的变化而变化，电阻RC上的电压VRC正好反映了IC的变化，所以，我们对VRC取样加入后级，进行分档比较。从而实现目的。该电路用微电流源为基极取样电阻提供稳恒的电流，这样便于测量β值。2、β值与电流电压的转换（方案二）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oU＝βIBR3。3、方案比较结果：通过两个方案的比较：可以看出，由于微电流源具有较好的稳定性，而且能够减小电路的直流功率损耗，它的输出具有更好的恒流特性，能够输出具有uA量级的电流，所以选择方案一，采用微电流源提供取样电阻的恒定电流。4、其余部分方案论证：因为题目要求分三档显示三极管的β值（即值的范围分别为50～80、80～120及120～180，对应的分档编号分别是1、2、3），所以对转换后的物理量进行采样,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，相应的一个比较电路输出高电平，其余比较器输出为低电平，实现AD转换。比较后再进行分档显示。要实现分档显示，则必须对比较器输出的高电平进行二进制编码和显示译码器译码，驱动数码管显示出相应的β值档次代号，从而实现该档次代号的显示。（1）转换电路部分：提供一个稳定的电流源，使β值的变化不会影响到电流源，而导致误差的产生。因此，我采用上图所示的微电流源电路，供给待测NPN三极管基极稳恒的电流。因为β值与Ic有关，而且小功率管的β值在Ic＝2～3mA时较大，而在截止与饱和区较小，测量不准确。根据IICB，这里，IB的选择在30μA～40μA之间。（2）比较部分，将从前级采样－比较电路中，得出的电压，与各个基准电压进行比较，通过LM324比较器，得出4个高低电平数据，提供给编码电路。因此，实现A/D转换的功能是转换电路的根本作用。（3）在编码电路部分中，我使用优先编码器，将从转换电路中得出的高低电平进行编码，并输出结果，提供给译码器。编码对应的β值的范围如下：β值各级比较电平1级比较2级比较3级比较4级比较50以下000050-80000180-1200011120-1800111180以上1111在电压比较电路实现了A/D转换，其后再经过编码电路将四位比较电平转为BCD码形式，其输入输出如下:输入优先编码器的输出电平00010001001100100111001111110100（4）译码以及显示部分将从优先编码器得出的结果，进行译码，提供给7段LED显示管进行显示。优先编码器及7段显示译码输出的真值表如下：输入编码器输出BCD—7段显示译码输出字形YaYbYcYdYeYfYg00000000111111000001000101100001001100101101101201110011111100131111010001100114二、总方框图如图：三：各部分电路功能的简单说明1、转换电路：它是用与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，再把这个电压采样放大，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。2、电压比较电路：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）还要考虑到少于50，和大于180的，于是比较电路需要把结果分成五个层次。则至少需要四个基准电压，该电路就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oU，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、编码电路：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。4、译码电路：主要是把编码电路编成的二进制编码译码成十进制数，以便于人机交流（即要显示的数为人类易懂的十进制数1、2、3）。该电路功能主要由芯片CD4511完成。5、显示：该电路功能是用共阴数码管显示被测量的NPN型三极管值的档次。第三部分电路设计一、根据设计方案的方框图进行模块化设计：转换电路比较电路基准电压编码译码显示1、转换电路其中包括微电流源（提供恒定电流）和差动放大电路（电压取样及隔离放大作用）。将变化的三极管β值转化为与之成正比变化的电压量，再取样进行比较、分档。上述转换过程可由以下方案实现：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，电阻RC上的电压VRC又反映了IC的变化，对VRC取样加入后级进行分档比较。为了取得固定IB，采用微电流源电路提供恒定电流。微电流源电路：有些情况下，要求得到极其微小的输出电流（如三极管基极电流比较小），这时可令比例电流源中的Re1=0，便成了微电流源电路其电路图如下：微电流源电路根据电路原理分析得：由此可知：只要确定IO和Re2就能确定IR，由此可以确定电阻R的值。差动放大电路：根据三极管电流IC=βIB的关系，被测物理量β转换成集电极电流IC而集电极电阻不变，利用差动放大电路对被测三极管集电极上的电压进行采样，。差动放大电路原理如下：当它在静态平衡时，要求必须满足：1、静态的含义：无外信号输入。2、左图：被测管不工作，取样电阻上无压降的条件对运放即为静态。3、为保证静态平衡（V+=V-=2.5V)，同、反相输入端需设计分压网络以平衡满足条件。根据理想运放线性工作状态的特性，利用叠加原理可求得1i1f2i3231fo1vvvRRRRRRR取电路参数：R1=R2=R3=Rf,vo=vi2-vi1可见，输出电压值等于两输入电压值相减之差，实现相减功能。其中运算放大器采用集成电路LM311。LM311采用单电源供电，其内部只由一个运算放大器构成，其封装及内部结构如下所示：综合上述得出转换电路的电路图如下：电路说明：T1、T2、R1、R3构成微电流源电路提供恒定电流，R2是被测管T3的基极电流取样电阻，用于检测基极电流的大小，R4是集电极电流取样电阻，用于检测集电极电流的大小同时检测出被测三极管β值的大小，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，为电压比较电路提供采样电压。2．电压比较电路其中的运算放大器采用集成电路LM324。它是由四个相同的运算放大器构成的，其封装及内部结构如下所示：基准电压：由于题目要求将值的档次分为50～80、80～120及120～180，对应的分档编号分别是1、2、3，则需要多个不同的基准电压，基准电压是采用一个串联的电阻网络对一个固定的电压进行分压得到的。综合上述得出电压比较电路的电路图如下：3.编码电路要把测试结果显示出来必须对结果进行编码译码，所以要设计编码电路对比较结果进行二进制编码，这里我们采用集成芯片8位优先编码器CD4532，其封装图如下：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。将180编码为二进制数4，将180120编码为二进制数3，将12080编码为二进制数2，将8050编码为二进制数1，将50编码为二进制数。CD4532真值表：输入输出EID7D6D5D4D3D2D1D0GSQ2Q1Q0EO01XXXXXXXX000000000000000001111111111XXXXXXX01XXXXXX001XXXXX0001XXXX00001XXX000001XX0000001X000000011111011100110101100010110101001001010000根据CD4532的真值表，要使编码电路正常工作，EI、GS应接高电平，VDD接高电平，VSS接低电平，输入端D4——D1分别接比较电路的四个运放输出端，D0接高电平，D7——D5则接低电平。4.译码电路设计方案中译码电路由芯片CD4511完成。其封装图如下：其中：A、B、C、D为数据输入端，LT、BL、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。CD4511真值表：根据CD4511的真值表，要使译码电路正常工作，LE接低电平，LT、BL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。5.显示显示用共阴数码管：共阴数码管的管脚图如下所示，a～g端可直接与CD4511的Qa～Qg端相连。LED数码显示管有两种形式：第一种是8个发光二极管的阳极连在一起的，为共阳极LED显示器，另一种是8个发光二极管的阴极连在一起的，为共阴极LED显示器，其示意图如下：在本实验中经过测量，我所用的是共阴极LED显示器，为上图中的下者。经过测量，八段LED显示管上下五个引脚的功能如上图所示，其中，3脚和7脚为同一脚——共阴脚，只要其中一脚接地即可。由于LED显示器有共阳极和共阴极两种结构，故所对应的显示译码器也不同，使用共阳数码管时，公共阳极接电源电压，七个阴极a~g由相应的BCD-七段译码器的输出来驱动。对共阴极数码管来说，则为共阴极接地，相应的BCD-七段译码器的输出驱动a~g各阳极。若数码管为共阴，则选用输出为高电平有效的显示译码器。若数码管为共阳，则选用输出为低电平有效的显示译码器。因此，八段LED显示管与BCD—八段LED数码显示管的连接方式如下：CD4511的13脚（A）接数码显示管的7脚；CD4511的12脚（B）接数码显示管的6脚；CD4511的11脚（C）接数码显示管的4脚；CD4511的10脚（D）接数码显示管的2脚；CD4511的9脚（E）接数码显示管的1脚；CD4511的15脚（F）接数码显示管的9脚；CD4511的14脚（G）接数码显示管的10脚。综合3、4、5，得出编码译码显示这三部分的总电路如下：二、各部分电路具体参数的设定：1.转换电路图示：依题意有：〈1〉.T1与T2性能匹配，为PNP三极管〈2〉.IB的选择应在30μA～40μA之间为宜因为：（1）β值