晶体管伏安特性图示仪设计报告

1、作品设计报告作品题目晶体管伏安特性图示仪设计组长张涛（电气硕62班）组员 何海龙（电气硕62班）组员 杨东亮（电气硕62班）2009-07-24西安交通大学电气工程学院电子设计竞赛培训组作品简介作品题目晶体管伏安特性图示仪设计指导教师杨建国、周旺学生姓名 张涛 何海龙 杨东亮作品状态设计完成、焊接调试完成、完整作品作品设计要求设计一套电路，能够显示一个待测晶体管的输出伏安特性曲线。1）一组正负12V电源供电，其余电源自行实现。2）设计一套电路，能够针对一个给定的NPN管，利用示波器的X轴和Y轴偏转输入，在示波器上显示其标准的输出伏安特性曲线。3）通过开关或者电位器设置，选择不同的增量。4）通过

2、开关或者电位器设置，选择 不同的Rc。5）扩展内容一：能够测试并显示。6）扩展内容二：能够对PNP管进行类似的测量。7）扩展内容三：能自动识别时NPN还是PNP，能显示类型，并自动进行测量。作品完成情况简述1） 本作品能够由外界提供的正负12V电源提供所需要的电源。 2） 本作品能够测试给定的NPN管的伏安特性曲线。3） 本作品能够由电位器来选择不同的 增量以及不同的Rc值。4） 本作品能够测试并显示晶体管的值。 5） 本作品能够自动识别NPN还是PNP，能显示类型，并自动进行测量。目 录目 录3 晶体管伏安特性图示仪设计4 摘要 4 正文41、设计任务42、方案论证与选择43、理论分析和计算

3、84、硬件软件设计115、测试方法与结果146、结论21参考文献21附录22晶体管伏安特性图示仪设计摘 要：本作品实现了一个晶体管伏安特性图示仪的功能，能够自动识别系统中的晶体管的类型并将其显示出来，能够结合示波器扫描出晶体管的伏安特性曲线，能够测量晶体管的放大倍数并显示出来。作品用555振荡器实现了方波和类三角波的发生，利用计数器74161和DAC0832实现了梯形波的发生，再用比较器LM311识别晶体管类型，用继电器实现对两种不同类型晶体管测试时的测试通道的切换，最后用51单片机、ADC0809和数码管实现对晶体管类型以及晶体管放大倍数的测量和显示。正文1、设计任务设计一套电路，能够显示一

4、个待测晶体管的输出伏安特性曲线。 1）一组正负12V电源供电，其余电源自行实现。2）设计一套电路，能够针对一个给定的NPN管，利用示波器的X轴和Y轴偏转输入，在示波器上显示其标准的输出伏安特性曲线。3）通过开关或者电位器设置，选择不同的Ib增量。4）通过开关或者电位器设置，选择 不同的Rc。5）扩展内容一：能够测试并显示。6）扩展内容二：能够对PNP管进行类似的测量。7）扩展内容三：能自动识别时NPN还是PNP，能显示类型，并自动进行测量。2、方案论证与选择1） 总体方案论证 电源模块 本次作品的任务中已经提供了直流电源，而我们要用到的电源只有和正负5V，而且考虑到稳压芯片的驱动功率问题，本次

5、作品中选用两片 LM317来对+12V实现两级降压，最终降到+5V；-5V则是直接用一片LM337将-12V转换到-5V，从而完成了所需电源的设计。 晶体管伏安特性曲线测试模块所设计的电路要能够完成对晶体管伏安特性曲线的“绘制”，即必须为晶体管的基极提供阶梯波，为集电极提供三角波（或者锯齿波），这两种波形可以用单片机结合DAC的方式产生，也可以用模拟电路产生，前一种方案会使得单片机程序负担太重，本组成员目前又只会用51单片机，考虑到51单片机硬件资源上的局限性和软件上的编写、调试时间，我们采用后一种方案来产生所需要的波形，对三极管的基极和集电极进行扫描，就可以得到晶体管的伏安特性曲线。晶体管放

6、大倍数的测量和显示以及晶体管类型的显示模块 利用单片机通过ADC0809来采集晶体管集电极电阻Rb和基极电阻Rc的电压，计算放大倍数并显示出来。另外，单片机也能够根据测试不同类型晶体管时的不同，来判断晶体管类型，并能够动态显示出来，整个过程一直在循环进行。2） 具体方案 电源模块的制作：整个系统由外界提供电源，用LM317、LM337来降压得到正负5V。其电路如下图1：+12V-12V-5V+5V+10V5k50k50k5k2k10kLM317LM317LM337ININOUTOUTGNDGNDGNDINOUT1uF1uF0.1uF0.1uF LM317 LM317 LM337 图1 电源电路

7、阶梯波与三角波产生电路： 在本设计中需要的是阶梯波和类三角波形，我们首先想到了搭建一个方波发生电路，再利用积分电路产生三角波,或者先搭建三角波发生电路，再通过比较器产生方波信号。关于梯形波的产生，我们这里利用计数器和DAC0832来产生，具体做法是让产生的方波经过处理后作为脉冲信号送入计数器的CLK端，使计数器能够循环计数，并把计数值送入DAC0832，即可输出循环的阶梯波。 但是上面这个方法对输入计数器的CLK信号品质要求较高，用一般运放搭建的方波发生电路输出的信号送入计数器会使得输出阶梯波形不稳定，究其原因，是因为计数器对CLK信号要求很严，而用一般运放搭建的方波发生电路产生的方波有一定的

8、毛刺。后面我们另外用555触发器搭建了方波信号发生电路，所产生的方波很标准，作为CLK信号可以使计数器正常工作。 波形发生电路原理图如下图2所示： 图2 阶梯波和三角波产生电路0-2.2V阶梯波-110V 三角波555振荡电路加法比例电路计数器芯片74161DAC0832同相比例电路反相比例电路1.6-3.2V类三角波 0-5V标准方波0-2.2V阶梯波-6.60V阶梯波四位数字信号0-11V 三角波0-6.6V阶梯波反相比例电路0-11V 三角波0-6.6V阶梯波-110V 三角波-6.60V阶梯波 继电器 三角波 阶梯波 晶体管类型检测电路和放大倍数测量环节： 晶体管类型检测：在测NPN的

9、电路中接入NPN型晶体管时，当集电极的电压超过一定值时，晶体管处于放大区，发射结正偏，加在发射结上（即基极与射极）之间的电压不会超过0.7V，此时可以判断所接入的晶体管为NPN型；当将晶体管换为PNP型晶体管时，由于当集电极的电压增加到一定值后，其发射结上的电压可能超过0.7V，甚至更大，其直接受基极电压的影响，因此，只要能够检测发射结的电压即可判断接入的是NPN型还是PNP型的晶体管。 同理，在测PNP的电路中接入了PNP型晶体管时，加在发射结的电压不会低于-0.7V，如果换为了NPN型晶体管，其发射结上的电压可能低于-0.7V,甚至更低。 放大倍数的测量：通过实时测量接在集电极的电阻上的电

10、压和基极的电阻上的电压，就能够通过ADC0809将其作为数字量送入单片机，这两个电压 和 能够反映基极电流和集电极电流的关系，利用单片机计算就能够算出，这里注意的一点是：在基极电流增加到最大值的一半时测量出来的能够比较好的反映晶体管的伏安特性，所以在阶梯波的中间阶段测量。 下图3为晶体管类型测量与放大倍数测量电路：仪表放大AD620（减法电路）绝对值电路绝对值电路仪表放大AD620（减法电路）比较器LM311比较器LM311Ub UcRcRb+3V基准电压-3V基准电压中断1中断0 U（Rb）U（Rc） 图3 晶体管类型检测与放大倍数测量环节 |U（Rc）| |U（Rb）| 单片机测量与显示模

11、块： 单片机通过ADC0809来测量晶体管基极与集电极的电压，通过各自的采样电阻及其伏安关系，能够计算出两个电流的关系，即可得到晶体管的放大倍数，只要在程序中能够将放大倍数各位逐个的分离出来，并逐位动态显示，即可在数码管上显示出放大倍数，顺便在第四个数码管上显示出此时接入电路中的晶体管类型，NPN则显示“n”，PNP型则显示“P”，加以区分。本方案中选用四位共阴极数码管，通过74HC573进行驱动。ADC0809STC89C5474HC573百十个n|U（Rb）|U（Rc）|中断0中断1 图4 单片机测量与显示环节 3） 性价比分析 我们设计的电路所用的器件列表如下：由表中所知，本作品中选用的

12、器件都是常见而且比较廉价的，所以本次作品设计方案的性价比是比较高的。3、 理论分析和计算1）555振荡器：频率：f=占空比：幅值：2）类三角波电压放大电路：偏置电压：输出电压：3） 仪表放大电路：输出电压：4） 阶梯波电压放大电路：输出电压：5)反相比例电路：输出电压： 4硬件软件设计本作品设计分为硬件设计和软件设计两个部分。硬件设计放大倍数X轴 晶体管图示仪装置STC89C54Y轴n/p 图5 硬件总体设计框图+Vcc555VccRdOUTC-UGNDDISTHTR15k0-5V标准方波（500HZ）D115k0.01uFD20.01uF1.6-3.2V三角波 图6 初始三角波与方波发生电路

13、74161CLKCLRQAQBQCQD+5VVccDAC0832DI0DI1DI2DI3DI4DI5DI6DI7Iout1Iout2Rfb0-2.2V阶梯波 图7 方波转换阶梯波电路+5V10k10k1.6-3.2V三角波0-11V三角波6.7K1K0-6.6V阶梯波1K1K0-2.2V阶梯波2M1K6.7K 图9 同相比例电路 图8 加法比例电路3V+5V输入LM311图11 比较器电路（用于检测）AD620模拟通道 图10 仪表放大器构成的减法电路（用于测量电压）RefU（Rc） 图12 继电器控制晶体管基极、集电极波形切换电路A1A21k1k1k1k1k2k2kVD1VD2UinUout

14、 图13 绝对值电路0-11V 三角波0-6.6V阶梯波-110V 三角波-6.60V阶梯波 软件流程图：设置中断起始地址，初始化寄存器。等待，SJMP $启动ADC0809，采集通道0的信号U（Rc）送入单片机，以8位数据存入。采集通道1数据U（Rb）送入单片机，并除以2。将数据1除以数据2，存入累加器A。分解出累加器R0中数据的百位，十位，各位，动态显示中断INT0,若NPN晶体管换为了PNP，则进入中断0，CLR P2.4, MOV RO, #37H,中断返回中断INT1,若PNP晶体管换为了NPN，则进入中断1，CLR P2.4, MOV RO, #73H,中断返回定时器中断T0，开始

15、采集adc0809两个通道的信号，处理得到晶体管放大倍数，类型放入寄存器R0，并一同显示 图14 软件程序流程图5、测试方法与结果1）测试目的：检验作品各项指标是否达到题目的要求。2）测试方法：波形可以利用模拟示波器的耦合功能来测试。用通道1测试晶体管的集电极电压，用通道2测试集电极电阻两端的电压，然后将示波器置于X-Y耦合工作方式，即可观察出晶体管的伏安特性曲线。晶体管图示仪装置STC89C54放大倍数n/p 图15 测试示意图X轴Y轴。放大倍数及晶体管类型直接观察数码管显示结果即可。1） 测试结果：第一阶段：波形发生及调理： 图16 555振荡器的方波输出 图17 555振荡器的类三角波输

16、出 图18 方波经电压放大电路的输出图19 类三角波经电压放大电路的输出图20 阶梯波输出波形及扫描结果（以NPN型晶体管为代表）：图21 集电极电压图22 Rc两端电压图23 扫描出的波形图24 测试结果图25 调节Rc后的波形图26 调节Ib增量后的波形4）结果分析：指标完成情况达标程度电源用一组正负12V的电源得到了一组正负5V的电源达标波形扫描可以在示波器上清晰的观察到8条NPN晶体管的伏安特性曲线达标Rc可以通过电位器调节达标Ib可以通过调节电位器调节阶梯波的幅度，进而调节Ib增量达标放大倍数可以完成对的测量并将其显示出来，但与万用表的测量值存在10-20的偏差基本达标晶体管类型可以

17、完成对NPN型晶体管和PNP晶体管的自动识别，并将其类型通过一个数码管显示出来，同时可以自动改变通道测量伏安特性曲线达标6、结论实测结果表明，本作品达到了设计要求。1） 在电源部分，设计要求由外界提供的正负12V来设计所需要的电源，本方案中用到了正负12V和正负5V电源，作品实测达到要求。2） 在晶体管伏安特性曲线测试部分，设计要求能够针对一个给定的NPN管，利用示波器的X轴和Y轴偏转输入，在示波器上显示其标准的输出伏安特性曲线，并且可以通过电位器或者开关调节Ib和Rc，作品实测达到要求。3） 在晶体管放大倍数的测量和显示部分，设计要求能够测试并显示值，作品实测中，测得的有一定的误差，而且值越大时误差越大。4） 在晶体管类型的测量和显示部分，设计要求能自动识别时NPN还PNP， 能显示类型，并自动进行测量，作品实测达到要求。5） 在测试PNP晶体管部分，设计要求对PNP晶体管进行类似NPN晶体管的测量，作品实测达到要求。6） 总述，除开值测量存在误差以外，其它各项指标均符合设计要求。值的误差则是来源于ADC0809取样时的误差和单片机程序上的误差，本作品中的误差