简易晶体管图示仪实验报告

简易晶体管图示仪实验报告专业：光电信息科学与工程班级：20132112姓名：学号：20132111指导老师：黄少玲实验名称：简易晶体管图示仪一、摘要：本报告主要介绍简易晶体管的设计实现方法，以及实验中会出现的问题及解决方法。给出了其中给出了各个分块电路的电路图和设计说明，功能说明，还有总电路的框图，电路图，给出实验中示波器上的波形和其他一些重要的数据。在最后提到了在实际操作过程中遇到的困难和解决方法，还有本次实验的结论总结与反思。二、关键词：方波、锯齿波、阶梯波、特征曲线。三、设计任务要求：1.基本要求：⑴设计一个阶梯波发生器，f≥500Hz,𝑈𝑜𝑝𝑝≥3𝑉,阶数N=6;⑵设计一个三角波发生器，三角波𝑉𝑜𝑝𝑝≥2𝑉;⑶设计保护电路，实现对三极管输出特性的测试。2.提高要求⑴可以识别NPN,PNP管，并正确测试不同性质三极管;⑵设计阶数可调的阶梯波发生器。四、设计思路：本试验要求用示波器稳定显示晶体管输入输出特性曲线。我的设计思路是先用NE555时基振荡器产生的方波和带直流的锯齿波。然后将产生的方波作为16进制计数器74LS169的时钟信号，74LS169是模16的同步二进制计数器，可以通过四位二进制输出来计时钟沿的个数，实验中利用它的三位输出为多路开关CD4051提供地址。CD4051是一个数据选择器，根据16进制计数器74LS169给出的地址进行选择性的输出，来输出阶梯波，接入基极。由双运放LF353对NE555产生的锯齿波进行处理，产生符合要求的锯齿波作为集电极输入到三极管集电极。最后扫描得到NPN的输出特性曲线。总体结构框图：三角波阶梯波图1.总体结构框图五、分块电路和总体电路的设计：⑴用NE555产生方波及三角波，电路连接如下。产生方波和带直流锯齿波电路放大和减法电路阶梯波电路示波器YX方波RcRbRe图2.方波产生电路图2.Multisim仿真结果图这个设计中555定时器3口产生方波。方波的震荡周期为T=0.693(𝑅1+𝑅2)C1，占空比D=(𝑅1+𝑅2)/(𝑅1+2𝑅2),为使阶梯波频率足够大，选Cf=0.01uF，同时要产生三角波波，方波的占空接近于50%，当𝑅1小于𝑅2时，占空比接近50%，选𝑅1为18kΩ，𝑅2为510kΩ。⑵阶梯波电路：用NE555时基振荡器产生的方波作为16进制计数器74LS169的时钟信号，74LS169是模16的同步二进制计数器，可以通过四位二进制输出来计时钟沿得个数，实验中利用它的三位输出为多路开关CD4051的输入Qa、Qb、Qc提供地址。直流通路是由6个100Ω的电阻组成的电阻分压网络以产生6个不同的电压值，根据16进制计数器74LS169给出的地址进行选择性的输出，而它的管脚按照一定的顺序接入5个等值电阻然后在第一个电阻接入5V的电压，原本是管脚接7个电阻可以产生8阶阶梯波，将三个管脚短接，即可产生6阶，这里选择了4，2，5接地，使输出为6阶阶梯波，以满足基本要求中的阶梯波幅度大于3V的要求。另一路信号通道的输入则接被显示的信号；通过地址信号Qa、Qb、Qc对两回路信号同步进行选通。这样，用示波器观察便可得到有6阶的阶梯波。仿真时在Multisim上没有现成元件CD4051，这里选择了与它功能相近的8通道模拟多路复用器ADG528F代替。它是根据A1、A2、A3口的输入来选择输出S1-S8中各路电压值。图3.阶梯波产生电路图4.Multisim仿真结果图⑶三角波电路：将NE555中产生的方波输入双运算放大器FM353中，利用其第一个运放作为积分器产生三角波，利用第二级运放作为放大器，产生符合要求的三角波。图5.LF353作为积分和放大器的电路图图5.三角波产生电路图6.Multisim仿真结果图六、实现功能说明：（1）基本功能NPN输出特性曲线功能说明：输出特性曲线是指在基极电流不变的情况下，输出电压𝑈𝑐𝑒和输出电流𝐼𝑐的关系曲线，用Y轴表示测得的电压U𝑒可以表示𝐼𝑐的大小，用X轴测得的电压𝑈𝑐可以表示𝑈𝑐𝑒的大小。当电压𝑈𝑐𝑒反复扫描时，示波器显示𝑈𝑐𝑒和𝐼𝑐的关系，就会呈现一条稳定不动的输出特性曲线。改变基极电流𝐼𝑏值，再重复扫描一个周期，就可以得到另一条输出特性曲线。因为要求能够同时显示出一簇输出特性曲线，所以用一个阶梯电压作为基极电压的输入。每扫描阶梯波的一阶，得到一条输出特性曲线。每扫描一次完整的阶梯波，得到一组稳定的输出特性曲线。图7.NPN输出特性曲线测量电路图图8.Multisim仿真NPN输出特性曲线（2）扩展功能PNP输出特性曲线功能说明：原理与NPN的一致，不同之处在与用锯齿波和阶梯波扫描PNP的集电极和基极时，所用的锯齿波和阶梯波必须是负值，具体的调整方法是把阶梯波产生电路中几个分压的电阻所接的+5V的电压接为-5V，这样可使阶梯波的电压为负值，然后重新调节LF353所接的滑动变阻器，使锯齿波为负值，以保证PNP可以正常工作。这样就可以得到PNP的输出特性曲线了。具体改动见下面的电路图具体因为电压为负所以示波器上显示出的输出特性曲线倒转180度，位于第三象限。图9.PNP输出特性曲线测量电路图图10.Multisim仿真PNP输出特性曲线（3）主要测试数据三角波的幅度4V,阶梯波的频率502Hz,幅度5V。主要波形如下：图11.锯齿波波形图12.阶梯波波形图13.NPN输出特性曲图14.PNP输出特性曲线（4）阶梯波3-7阶可调将5、1管脚，1、12管脚以及12、15管脚短接就能实现3，4，5阶可调，在2，5管脚接入100Ω电阻即可实现7阶波形。七、故障及问题分析实验中出现的故障和问题：1、设计的参数值不能得到正确的波形2、电源短路3、阶梯波频率不符合实验要求4、三角波Vopp＜2V分析：1、出现设计值不能得到正确波形的问题，发现是积分放大电路的阻值不正确，后利用Multisim多次仿真之后确定了最终的电阻阻值，并在实际实验中得到了所需波形2、这个实验中涉及4个电源值，接的时候不小心将两个电压源并联，产生了电火花，后面接电源的时候格外小心，让边上的同学也帮忙看着，检查了电路。3、阶梯波频率不符合实验要求，后经过查阅资料后发现，阶梯波频率受方波产生电路中C1的影响，由周期公式T=0.693(𝑅1+𝑅2)C1知，当T变小是，频率变大。所以我们将C1换了容值更小的电容后，波形频率便达到了实验的要求。4、三角波幅度过小，经过排查仿真后发现是放大电路的放大倍数不够，后经过调整LF353中放大电路的阻值，增大了放大倍数，使三角波幅度达到实验要求。八、结论和总结反思结论：1、输入特性曲线:描述了三极管C.E极之间的管压降Uce一定的情况下，基极电流Ib和发射结压降Ube之间的关系。当Uce=0时特性曲线呈指数关系。随着Uce的增大，曲线将右移(左移)。2、输出特性曲线:描述以基极电流Ib为参量,集电极电流Ic与三极管C.E极之间的管压降Uce之间的关系.对于每一个确定的Ib都有一条曲线.对于某一条曲线,当Uce从零逐渐增大时,Ic逐渐增大,当Uce增大到一定数值时,Ic基本不变,表现为曲线几乎平行与横轴,即Uce大小几乎仅仅取决于Ib.总结：通过这次实验，对555定时器的工作原理有了一个大致的了解，基本应用得到了初步的掌握，以及对74169计数器和CD4051和运算放大器有了进一步了解。最大的收获是提高了自我独立完成实验的能力，以及在实际中的问题解决能力，还有与他人的协作沟通交流能力。本次试验通过自己对相关资料的查询，以及向其他同学的请教、相互间的讨论，基本完成了实验，能够实现简易晶体管图示仪。而且发现实验中戒骄戒躁，实验调试过程失败是很正常的事，插电路板时一定要仔细认真，必要时可请别人检查电路。电路仿真跟实际电路搭建有区别，所以直接用仿真的参数搭建实际电路时不一定能出正确的结果，得耐心调试。对一个大电路的调试，可以分块调试，然后合起来调试，增强系统概念。反思：实验最终的波形还不是非常的符合实验要求，我对此实验进行了反思，主要在于三角波电路没有加入电位器以对其进行调节，以及实验中电压不够大使其没有出现饱和区。而且在测PNP的特性曲线时，没有做到对三角波和阶梯波的负值调节，从而使PNP波形不符合要求。但我还是从此实验中学习到了更多的知识，在今后的学习中也将继续加强理论知识的学习。九、PCB原理图：（1）NPN的输出特性曲线整体电路图（2）PNP的输出特性曲线整体电路图十、所用元器件及测试仪表清单元器件/测试仪表数量作用方波电路555时基振荡器1产生时钟信号100nF电容1330pF电容11.5MΩ电阻11.8kΩ电阻1直流电压源VCC、VEE（±5V）1三角波LF3531第一级用作积分器产生三角波；第二级用作放大器使三角波大小满足要求。47kΩ电阻212kΩ电阻164kΩ电阻1电路2kΩ电阻13.3kΩ电阻134kΩ电阻1100nF电容1直流电压源VCC、VEE（±5V）1阶梯波电路74LS1691统计时钟信号上升沿个数，输出作为CD4051地址CD40511地址译码器，产生阶梯波100Ω电阻7100Ω电阻1使阶梯波阶数可调直流电压源（±5V）1特性曲线测量晶体管S80501测量器输出特性曲线20Ω电阻Rb1间接测量Ib大小11kΩ电阻Rc1保护电路1kΩ电阻Re1保护电路示波器1测量晶体管输出特性曲线十一、参考文献1、《电子电路基础》——北京邮电大学出版社2、《数字电路与逻辑设计》——北京邮电大学出版社3、百度文库