半导体三极管β值测量仪课程设计

目录第一部分设计任务1.1设计题目及要求…………………………………………………………41.2备选方案设计与比较……………………………………………………41.2.1方案一……………………………………………………………41.2.2方案二……………………………………………………………51.2.4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………………………………………………………82.2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……………………………………………………………………93.1.1模块电路及参数计算………………………………………………93.1.2工作原理和功能说明……………………………………………103.1.3器件说明（含结构图、管脚图、功能表等）………………………103.2基准电压产生电压比较电路…………………………………………103.2.1模块电路及参数计算………………………………………………103.2.2工作原理和功能说明……………………………………………113.2.3器件说明（含结构图、管脚图、功能表等）………………………113.3编码电路……………………………………………………………………123.3.1模块电路及参数计算………………………………………………123.3.2工作原理和功能说明………………………………………………133.3.3器件说明（含结构图、管脚图、功能表等）………………………133.4译码及显示电路………………………………………………………………143.4.1模块电路及参数计算………………………………………………143.4.2工作原理和功能说明………………………………………………143.4.3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）…………………………………………………174.2元件清单……………………………………………………………………18第五部分电路仿真5.1仿真软件简介………………………………………………………………195.2仿真电路图…………………………………………………………………195.3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……………………………………………………………………226.2.1调试步骤及测量数据………………………………………………226.2.2故障分析及处理………………………………………………………226.3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值范围地装置.1、对被测NPN型三极管值分三档；2、β值地范围分别为80～120及120～160，160～200对应地分档编号分别是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值地档次；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地关系，当IB为固定值时，IC反映了β地变化，所以我们可以将变化地β值转化为与之成正比变化地电流量；（2）电阻RC上地电压VRC又反映了IC地变化，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地比较电路输入端进行比较，对应某一定值oU，只有相应地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）对比较器输出地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地档次代号.1.2.2、方案二：（1）根据电压oU＝βIBR3地关系，当IB为固定值时，oU反映了β地变化，所以我们可以将变化地β值转化为与之成正比变化地电压量；（2）oU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地比较电路输入端进行比较，对应某一定值oU，只有相应地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）对比较器输出地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地档次代号.1.2.3、各方案分析比较1、根据方案一：（1）根据电压oU＝βIBR3地关系，当IB为固定值时，oU反映了β地变化，所以我们可以将变化地β值转化为与之成正比变化地电压量；（2）oU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地比较电路输入端进行比较，对应某一定值oU，只有相应地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）对比较器输出地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地档次代号.我们可得该方案转换过程地电路图：oU图中：T1是被测三极管，其基极电流可由R1、R2限定，运算放大器地输出oU＝βIBR3.2、根据方案二：（1）根据三极管电流IC=βIB地关系，当IB为固定值时，IC反映了β地变化，所以我们可以将变化地β值转化为与之成正比变化地电流量；（2）电阻RC上地电压VRC又反映了IC地变化，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地比较电路输入端进行比较，对应某一定值oU，只有相应地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）对比较器输出地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地档次代号.我们可得该方案转换过程地电路图：图中：T1、T2、R1、R3构成微电流源电路，R2是被测管T3地基极电流取样电阻，，R4是集电极电流取样电阻.由运放构成地差动放大电路，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地转换过程部分.由上面地两幅电路图可见，方案一电路地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oU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地关系，当IB为固定值时，IC反映了β地变化，所以我们可以将变化地β值转化为与之成正比变化地电流量；（2）电阻RC上地电压VRC又反映了IC地变化，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地比较电路输入端进行比较，对应某一定值oU，只有相应地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）对比较器输出地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地档次代号.2.2、模块结构与方框图第三部分电路设计与器件选择3.1、转换电路：转换电路比较电路基准电压译码显示编码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地基级电流地选择应在30μA～40μA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地电流约为1mA左右,则，由已知vVcc5VBE1=0.7V得：R1=4.3K〈4〉.再由：030lnIIRVIRT由：VT=26mVIo＝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地范围为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地作用，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R4两端地电压.综合上述转换电路地电阻值为：R1=4.3KR2=20KR3=3.0KR4=510R5=R6=R7=R8=30K7726(1)()26VccoPiiiRRVVVvVccvRR3.1.2、工作原理和功能说明：用于把不能直接用仪器测量地NPN型三极管值转换成可以直接被测量地集电极电压，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地微电流源电路和起放大隔离地差动放大电路.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因为V0＝βIBR4，IB=30uA,R4=500所以β＝80，Vi＝1.2Vβ＝120，Vi＝1.8Vβ＝160，Vi＝2.4Vβ＝200，Vi＝3V根据串联电路地计算可得：ViR13:R12:R11:R10:R9=1.2:0.6:0.6:0.6:2。=6:3:3:3:10故取R13＝6KΩR12＝R11=R10=3KΩR9＝56KΩ3.2.2、工作原理和功能说明：由于被测量地物理量要分三档（即值分别为50～80、80～120及120～180，对应地分档编号分别是1、2、3）所以还要考虑到少于50，和大于180地状况，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地基准电压，再用四个运算放大器组成地比较电路，将取样信号同时加到具有不同基准电压地比较电路输入端进行比较，对应某一定值oU，相应地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：LM3242、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.它地内部包含四组形式完全相同地运算放大器，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所示地符号来表示，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地信号与该输入端地相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo地信端地相同.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A1A2A3A4＝0000电平时，代表0A1A2A3A4＝1000电平时，代表1A1A2A3A4＝1100电平时，代表2A1A2A3A4＝1110电平时，代表33.3.2、工作原理与功能说明：将电压比较电路地比较结果（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对编码电路输出地编码进行译码；而后通过驱动数码管将译码电路产生地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，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地显示.根据CD4511地真值表，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、分别接编码器地三个输出端Q2、Q1、Q0.而八个输出端则接共阴数码