半导体三极管β值测量仪设计报告.docx

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模拟电子技术课程

设计报告

学校名称：

青岛大学

学院名称：

自动化工程学院

专业班级：

电气 2班 学 号：

200940600239

姓 名：

唐玉龙

2011年9月15日

一、课题名称：

半导体三极管β值测量

仪

二、内容摘要：

本课题综合运用了数电和模电的基本知识，利用集成运放LM324、编码器

CD4532、译码器CD4511、数码显示管、555定时器等器件搭接而成，实现了对待测三极管b值的分档及显示，电路原理简单易懂，使用了常见的元器件，容易实现。

在基本部分，运用微电流源电路产生恒定电流，作为待测三极管的基极电流，避免因更换三极管导致待测三极管的基极电流IB变化，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，集电极电阻上的电压又反映了IC，通过比较器电路从待测三极管的集电极采集电压，即将变化的β值转化为与之成正比变化的电压量，再与设定好的基准电压比较、分档，将连续变化的模拟量转化成高低电平0和1，再用CD4532编码、CD4511译码，显示部分采用共阴七段数码显示管。

在发挥部分，通过压控振荡器，将采集的电压量转化成与之成正比变化的频率，合理设定参数使在一定时间内通过的脉冲个数即为被测三极管的β值；用555定时器构成的单稳态触发器产生计数时间控制信号，该信号只有一个正脉冲，从电路连通到计数时间结束，确保了不会重复计数；将两个脉冲信号通过与门送到74LS90构成的十进制计加法计数器，用于计数脉冲的个数，同时将计数信号送至CD4511译码，最后由共阴七段数码显示管显示计数值。

本课题运用了所学电子技术大部分知识，其中前半部分的微电流源、采样电路、电压比较电路以及压控振荡电路均属于模电所学知识，而后半部分的编码、译码、定时、计数及显示部分则属于数电部分。

前期的设计的工作只是根据课题要求生成的理论部分，要通过公式运算产生各部分的大体参数值，作为以后实际仿真调试、电路连接的参考，在实际调试中，各参数及电路连接都要根据实际情况另作变通，直至出现预期的结果，当然结果可能会由于

元器件本身的参数不精确或电路中的理想近似存在误差，只要结果相差不大，即达到了设计要求。

三、设计内容及要求：

1）、设计内容：

设计制作一个自动测量NPN型硅三极管β值的显示测试仪。

2）、设计要求：

基本部分：

1、对被测NPN型三极管β值分三档；

2、β值的范围分别为80～120及120～160，160～200对应的分档编号分别是

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值的档次；

发挥部分：

1、用三个数码管显示β的大小，分别显示个位、十位和百位。

显示范围为0-

199。

2、响应时间不超过2秒，显示器显示读数清晰。

四、选定设计方案，画出系统框图：

1）、基本要求部分方案说明及系统框图

方案说明

（1）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，所以可以将变化的β值转化为与之成正比变化的电流量；

（2）电阻RC上的电压VRC又反映了IC的变化，故得到取样电压；

（3）得到取样信号后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，对应某一确定的信号电压Uo，对应档位的比较电路和低于该档位的比较电路均输

出为高电平，高于该档位比较器输出为低电平；

（4）对比较器输出的高、低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的档次代号。

系统框图

关键一：

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。

关键二：

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，相应的比较电路输出为高电平，其余比较器输出为低电平。

对比较器输出的高、低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。

2）、发挥部分方案说明及系统框图

方案说明

（1）被测三极管通过发射极输出电压与基极电流和β的线性运算关系，把三极管的β值转换成对应的电压，然后再通过压控振荡器把电压转换成频率，若计数时间及电路参数选择合适，在计数时间内通过的脉冲个数即为被测三极管的

β值。

（2）将三个74LS90串行连接，构成3位的计数器，再将计数结果通过CD4511译码，驱动数码显示管显示相应的计数值即为测得的β值。

（3）由于β值范围为0-199，因此百位数只有0和1两种情况，因此百位显示可以考虑不用译码管直接输出显示（0时无显示，1时显示1），总共只用两个译码管即可。

系统框图

五、单元电路设计、参数计算、元器件

选择：

1）、单元电路设计思路

基本部分：

（1）、被测三极管构成放大电路

方案1：

说明：

T1是被测三极管，其基极电流可由R1、RW限定，把三极管β值转换为电压输出：

VR2＝βIBR2

优点：

电路简单；

缺点：

IB精度难以调整

方案2：

说明：

Q1、Q2、R1构成微电流源电路，Q3为待测三极管，其基极电流由微电流源提供，R6提供输出电压，调节滑动变阻器R1的阻值可以改变微电流源的输出电流IB，IB的选择应在30μA～40μA之间为宜。

优点：

当待测三极管改变时，IB不会随着β值的改变而明显变化，这样能够使测量值更加精确；

缺点：

电路连接比较复杂。

方案比较：

两方案不同之处在电路转换过程部分。

方案一优点在于电路转换部分结构比较简单，所用的元器件较少，缺点是当β值变化时，即被测三极管变换，三极管不同，内阻不同导致IB不稳定，所以VO不仅随β变化而变化也与IB变化有关，使得测量结果不准确，该方案不足采纳。

因此，我选用方案2。

方案2参数计算：

此处我们使待测三极管的IB值为40μA，即IR=40μA，根据公式：

IR=Vcc-VBE1

R



可得：

R1=VCC-VBE1

IR

VCC=15v，VBE1=0.7v，IR=40μA 得：

R1=357.5kΩ（理论值）最终输出电压VO=βIBR6=0.04βv.

a） 1档，β=80，VO=3.2v，V1≤3.2v，电位器应调节至21.3％

b） 2档，β=120，VO=4.8v，V2≤4.8v，电位器应调节至32％

c） 3档，β=160，VO=6.4v，V3≤6.4v，电位器应调节至42.6％

d） 4档，β=200，VO=8.0v，V4≤8.0v，电位器应调节至53.3％

电位器实际百分比在实际仿真和连接电路时，要经过反复测量校正，此处为理论计算值，作为参数调整的参考。

（2）、取样、比较电路

当同相输入端电压值大于反相输入端电压值时，运算放大器的输出为正，发光二级管正向导通，点亮二极管，分别调节4个电位器的阻值，以改变基准电压，使其分别能在β值4个档的临界值时点亮各二级管。

仿真时，根据计算值，通过电压表的测量与之比较，然后调节电位器，使其反相输入端电压在特定β值下，能够保证小于正相输入端，使发光二级管点亮。

在实际连接电路时，用相同的方法调节电位器，使发光二级管点亮。

（3）、编码、译码电路

编码、译码、显示原理表：

编码、译码、显示电路图

利用8-3优先编码器CD4532，将比较器的输出结果进行编码，利用显示译码器

CD4511进行译码，然后驱动共阴数码管显示被测量的NPN型三极管β值的档次，

编码译码原理见上表

发挥部分

（1）、压控振荡电路

由555定时器和电阻、电容构成压控振荡器，用于将取样信号转换成频率信号,根据β值得大小与频率的关系，在一定时间内计数脉冲的个数即可反映β值的大小。

压控振荡器的波形图如下，每一次脉冲，计数一次，直到定时控制器变为负，此时数码管显示的值即为测得的β值。

注意：

占空比应大于90%，以确保数码管显示数值时，不闪烁，更加稳定。

（2）、定时控制器

由555定时器与电阻、电容组成的单稳态触发器作为定时控制电路，由于压控振荡器转化的频率与b值的关系，设0.13s内通过的脉冲个数就是待测三极管的直流放大系数b值，通过设定R、C的值，使定时高电平持续时间为0.13s，根据单稳态触发器暂稳持续时间公式：

取C=1𝜇F，计算可得：

𝑇𝑤=𝑅𝐶𝑙𝑛3=1.1𝑅𝐶=0.13𝑠

R=120KΩ

选R=120kΩ，在实际电路连接时可适当调整压控振荡器电位器阻值，使其在0.13s定时区间内产生的脉冲数量正好等于此时的β值。

通过仿真使设计方案更加接近实际情况，使计数时间准确，然后利用信号的下降沿计数，最后将两个频率信号通过与门接到计数器74LS90的低位输入端，将计数结果通过译码器译码，然后驱动数码管显示出相应的数值。

单稳态触发器的波形图如下，单脉冲的高电平时间为0.13s，即定时计数时间为0.13s，显然响应时间不超过2秒，在单脉冲计数区间内，压控振荡器产生的脉冲数量，即为测得的β值。

（3）、计数、译码、显示部分

该部分接收定时控制器和压控振荡器相与所得的脉冲信号，先送74LS90计数器，每一次低电平，计数器计数一次，同时送译码器译码，然后驱动数码管显示数值，由

于计数时间非常短只有0.13s，所以我们在实际插板电路中只看到最后的计数结果，

（在multisim仿真中，我们可以看到计数的跳变过程），并没有看到计数过程。

响应时间短这也是设计的一个要求。

电路图中的触发开关用于计数器清零。

运行电路时，首先用触发开关清零，然后开始计数

六、完整电路图及其工作原理

基本部分完整电路图

工作原理：

微电流源电路产生恒定电流，作为待测三极管的基极电流，避免因更换三极管导致待测三极管的基极电流IB变化，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，集电极电阻上的电压又反映了IC，通过比较器电

路从待测三极管的集电极采集电压，即将变化的β值转化为与之成正比变化的电压量，再与设定好的基准电压比较、分档，首先驱动发光二级管点亮高电平，然后将连续变

化的模拟量转化成高低电平0和1，再用CD4532编码、CD4511译码，显示部分采用共阴七段数码显示管。

发挥部分完整电路图

工作原理：

微电流源为待测三极管提供恒定电流，确保待测三极管输出电流不因其更换而变化，然后通过压控振荡器，将采集的电压量转化成与之成正比变化的频率，

合理设定参数使在一定时间内通过的脉冲个数即为被测三极管的β值；用555定时器构成的单稳态触发器产生计数时间控制信号，该信号只有一个正脉冲，从电路连通到计数时间结束，确保了不会重复计数；将两个脉冲信号通过与门送到74LS90构成的十进制计加法计数器，用于计数脉冲的个数，同时将计数信号送至CD4511译码，最后由共阴七段数码显示管显示计数值。

七、组装调试

1）、使用的主要仪器仪表

1）计算机 1台 2）直流稳压电源 1台

3）示波器 1台 4）万用表 1台

5）函数信号发生器 1台 6）剥线钳、镊子、螺丝刀 1个

2）、调试电路的方法和技巧

按单元模块调试：

把一个总电路按框图上的功能分成若干单元电路，分别进行安装和调试，完成各单元模块电路调试后，再整合各单元模块电路，综合调试，最后完成整体电路的调试。

调试时应注意做好调试记录，准确记录电路各部分的测试数据和波形，以便于分析和运行时参考和撰写设计报告。

（1）接通电源前的检查

电路连接完成后，首先对照电路图检查电路各部分接线是否正确，检查电源、地线、信号线、元器件引脚之间有无短路，器件有无接错。

（2）运行过程中的检查

接通电源后，观察电路中各部分器件有无异常现象。

如果出现异常现象（如：

烧焦味、器件鼓包等），则应立即关断电源，待排除故障后方可重新通电。

（3）单元电路调试

在调试单元电路时应明确本部分的调试要求，按调试要求测试性能指标和观察波形。

调试顺序按信号的流向进行，这样可以把前面调试过的输出信号作为后一级的输入信号，为最后的整机联调创造条件。

（4）精确数值调试

首先按照理论计算值，准确连接电路，待连接完成通电后，使用仪表测量各关键位置的电压、电流，然后与理论值比较，根据比较结果，适当调节各元器件参数值，使测量结果等于或接近理论值。

（5）出现问题后按连接顺序调试

若接通电源后出现问题，首先对照电路图再仔细检查一遍电路，若检查无误，则按照连接顺序从起始端按照信号的流向依次测试关键引脚的电压、电流等参数，与理论值比较，调整器件参数，直至问题解决。

（6）最后整合全部电路

待各个单元模块电路调试完成后，将各个模块整合在一起，接通电源，观察结果，若误差较大，首先应测试各模块电路整合前后，输出结果是否一样，根据各模块电路之间的逻辑关系，推测问题原因，然后调整；最后分析测量的数据和波形是否符合设计要求，细微调整，追求更加精确地结果。

3）、测试的数据和波形并与计算结果比较分析

挑选了几个特定β值进行测定，结果如下表

发挥部分计数的波形图，黑线为单脉冲触发器的计数脉冲，时间如图显示约为

130ms；灰线为振荡器产生的脉冲，计数区间内的脉冲个数即为测得的β值。

4）、调试中出现的故障、原因及排除方法

a）、面板布线：

到实验室领到器材后开始布线，在确保正确的基础上力求合理、美观，尽量使线不重叠。

一边布线一边检查，每完成一个模块就测量输出是否正确。

其中由于是第一次使用面包板布线，所以对其格局还不是很了解，经常会因为是否短路或开路出问题，通过检测出输出值与理论值比较，发现错误后检查纠正，从而使输出正确。

因此这个

过程比较繁琐，花的时间也很长。

b）、基本部分的调试：

开始按照仿真的电力路图连接好，检查无误后接通15V电源，微电流源无法调节大小，恒定保持在20μA左右，查找原因，实际所用器件的供电电压均为5V，更改电压后，电流可调，调至40μA，发光二极管开始出现了显示结果，调整电位器，使显示顺序符合设计要求。

当连接上数码显示部分时，没有结果，询问同学得知，CD4532和CD4511的空闲管脚要接地处理，最后数码管出现了显示结果，但电路未经调试显示的数字比较乱，检查了数码管的连接是否出了问题，结果是数码管的管脚连接出错了。

重新连接后能显示3，拔出被测三级管之后能显示0，我们以为已经正确了很高兴，但是换β值为183的三极管应该显示3的，但是却显示2，初步判断，是3档基准电压的过大，然后用电压表测量，基准电压果然大于取样电压，调整控制3档基准电压的电位器阻值，直至显示出正确结果；由此总结出计算值和实际电路存在误差，于是更换不同档位的三极管，使

β值尽量接近临界值，通过不断的调试和测试，最终使各档位的测量结果接近了理论值：

无三极管，显示0

80~120，

显示1

120~160

显示2

160~200

显示3

大于200

显示4

c）、发挥部分的调试：

首先对压控振荡器模块进行连接调试，刚开始连接完电路，示波器无波形输出，然后检查了电路，确认连接无误后，进行各管脚电压测试，发现输入电压基本为零，调整了微电流源的电位器，增大电流，使压控振荡器的输入电压增大，终于有了输出波形，最后继续调整，增大其占空比，90%以上，输出了正确波形。

其他部分，连接后调试无果，怀疑是电路原理及器件参数问题。

八、总结电路的优缺点，课题核心价值

及实用价值，提出改进意见和展望

该电路不仅完成了实验的基本要求，对发挥部分也有较深的探索，但发挥部分最终未能调试成功，总结起来，利弊如下：

优点：

在基本部分中实现了对待测三极管b值的分档，电路简单易懂，尽量使用了常见的器件，容易实现，所用原理知识，课本及指导书上均可查到。

缺点：

发挥部分中，能够有仿真软件multisim仿真出来，也在误差允许的范围内，不过由于电路比较复杂，硬件搭接过程中出现许多问题，没能成功实现，只是压控振荡电路能正确显示。

核心及实用价值：

该课程设计将理论与实际相联系在一起，深化了所学理论知识，让我们跳出了课本，了解到更多的实际问题及解决方法，使我们深刻认识到课本中的理论知识很多都是建立在理想条件下的，在现实中很多情况下是不能拿来就用的，要根据实际情况经过不断地测试和调整，才能达到我们预期的要求，课本中理论计算时很多所忽略的因素，都在实际操作时被放大，要综合考虑进去，想办法消除或减小其影响，这一过程，培养了我们综合运用知识的能力，增强了我们独立分析与解决问题的能力，训练培养了严肃认真的工作作风和科学态度，为以后从事电子电路设计和研制电子产品打下初步基础。

改进和展望：

课程设计性实验涉及到了我们所学各科知识，包括数字电子电路、模拟电子电路、电路及电子线路实验及multisim软件的应用，综合性较强，我们只有结合所学知识才能设计出满足特定要求的电路；设计性实验对于我们运用所学的知识要求较高，因此在准备实验的过程中要全面复习所需的基础知识，重点掌握相关的章节，预先根据要求确定所用电路和器件，熟悉掌握各种典型电路的设计、功能和各种元器件的原理、功能等等；然后根据需要组装连接各功能电路，注意连接过程中元件的排布和布线，尽量使之匀称、美观；最后计算参数，确定参数是要多方面考虑每一个参数的改变所造成的影响，要有整体把握、综合考虑的眼光；用仿真软件改变参数以提高精确度和测量范围，减少干扰；合理布线，便于排错和检查，且方便他人检查

和参考。

九、器件清单及芯片引脚说明

1）集成芯片：

LM324 1个

555定时器

2个

74LS90

3个

CD4511 4个

CD4532

1个

2）共阴七段数码显示管（10脚） 4个

3）发光二极管 4个 PNP三极管 2个待测NPN三极管 1个

4）电位器：

1M 2个 10K 4个

5）无极性电容：

1μF、0.1μF各两个

6）常用定值电阻器若干

7）面包板 1块

各芯片引脚说明：

十、收获、体会

课程设计性实验，是大学生必修的一门课程，它是将大学所学理论知识与实际问题相结合，是理论知识应用的一个重要途径，我们所学的知识只停留在课本理想的真

空中，是没有意义的，只有将其转化为实际的产物，才能阐明学习的真正意义，这也让我们充分意识到现代大学生闭门造车的现状，大学生毕业后只会高谈阔论，而实际操作起来，经常事倍功半，理论上完全行得通，但却得不到理论的结果。

只有在大学时代多经历类似的动手设计，尝试动手调试，将笔下的设计变成实际的产物，并能出现正确的结果，才能让我们甩掉闭门造车这个包袱，这一过程中，我们会遇到许多问题和困难，克服这些困难本身也是一种学习，是一种经验的积累，这些经验，书本中没有，老师也很难讲到，只有我们亲身经历，并进行深刻的反思，才能转化成我们自己的东西，会让我们在以后的工作研究中事半功倍。

虽然这只是一个功能很简单的一个电路，但当自己实际动手完成它时，心里也是很高兴的，这些包括解决遇到的问题的喜悦，克服困难的痛快，第一次完成设计的小激动，还有收获经验的成就感。

通过不到一周的课程设计，我觉得以前所学知识更加清晰明了，对本专业的学科也更叫感性却，以前学习数电模电的时候感觉都是为了考试，只要知道大体概况，就能考及格，但是通过这次次实际的运用，发现了自身学习的很多不足之处。

电路设计的过程中，因为基础知识掌握的不清晰，平时更没有自己设计过完整的电路，所以设计初期，没有一点头绪，然后把课本相关知识又研究了一遍，发现很多电路都是现成的，可以拿来用，于是很多模块得到了解决，也弄清楚了它们的原理。

同时很多器件的使用，也要自己查资料，了解其功能，引脚图，和供电压。

（器件供电电压接错，可能会导致器件烧毁或显示结果有误）

电路的设计和参数的测试，仿真软件是一个很方便实用的工具，Multisim在以前实验课上接触过几次，但是很不熟悉，具体应用时，很多器件和仪表都找不到，连接过程中的报错也弄得自己一头雾水，后来通过不断摸索和请教，终于对其有了大体了解，仿真对于我来说，也越来越轻松，在应用中学习是很快也很有兴趣的；通过仿真，也加强了对电路原理的理解。

最后的插板接线是对自己耐心的一个考验，当电路连接完成并多次检查无误后，仍然没有结果时，这是最需要耐心的时候，不要放弃，从头至尾检查电路，接地线，电源线，然后用万用表测试各部电压、电流、电阻值是否都符合理论值，细心排错，只要原理正确，坚信自己一定会出结果，这时适当询问他人有无类似的问题，借鉴经验能更快解决问题。

当然，排板布线的美观不是放任自由就能轻易得来的，要做好事前的规划，前提是熟悉芯片引脚的功能。

最后是设计报告的书写，设计报告需要很多调试数据和遇到的问题及其解决方案，因此在实验时，要做好适当的记录备用，免得写报告时没有题材。

最后，通过这次课题设计性实验，学到了很多，不只是知识性问题，更多的是道理和经验，这些都是弥足珍贵的，也使我对设计性实验更加感兴趣，如果有机会，我

会多做几个课题，充实课余生活。

十一、参考文献

1）模拟电子技术基础 清华大学 童诗白华成英主编

2）数字电子技术基础 清华大学 阎石主编

3）电子技术基础 康华光主编

4）模拟电子技术实验指导书 青岛大学电子实验教学中心

5）指导老师：

傅强