三极管参数自动测量仪的软硬件设计学士学位论文.docx
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三极管参数自动测量仪的软硬件设计学士学位论文
分类号：
TN320.7UDC：
D10621-408-（2013）1585-0
密级：
公开编号：
2009073132
三极管参数自动测量仪的软硬件设计
论文作者姓名：
申请学位专业：
自动化（楼宇）
申请学位类别：
工学学士
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日期：
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日期：
年月日
三极管参数自动测量仪的软硬件设计
摘要
三极管是电子设计中的常用器件，在使用三极管时，三极管类型的辨别与放大倍数的测量是必不可少的工作。
本论文提出了实现三极管类型的辨别与直流放大倍数测试的方案；详细阐述了系统测试原理，给出了主要测试电路的硬件设计；介绍了系统软件设计思路并给出了主程序流程图，最后给出了系统测试结果。
此系统以AT89C52单片机最小系统为核心，由TLC5615和TLC1549共同组成的采样放大电路，三个CD4051组成的自动切换电路，实现PNP三极管和NPN三极管放大倍数测量电路的自动切换。
整个系统采用模块化设计，可以实现PNP三极管和NPN三极管自动辨别，还可以较精确的对三极管直流放大系数进行测量。
最后利用单片机对采集所得数据进行处理，并通过LCD1602对三极管的直流放大倍数和三极管的类型进行显示。
关键词：
STC89C52RC；自动测量仪；直流放大倍数
DesignofHardwareandSoftwareinTriodeParameterAutomaticMeasuringInstrument
Abstract
Triodeiscommonlyusedinthedesignofelectronicdevices,whenusingatransistor,transistortypeofdiscriminationandmagnificationmeasurementisessentialtothejob.Thispaperputsforwardtheimplementationtriodetypesofdiscriminationanddcmagnificationtestplan;Elaboratedthesystemtestingprinciple,givesthemaintestcircuithardwaredesign;Introducesthesystemsoftwaredesignideaandmainprogramflowchartisgiven,andfinallygivesthesystemtestresults.AT89C52singlechipmicrocomputerminimumsystemasthecore,thissystemiscomposedofTLC5615andTLC1549commonsamplingamplifiercircuit,composedofthreeCD4051automaticallyswitchingcircuit,realizethePNPtransistorandNPNtransistormagnificationmeasurementcircuitofautomaticswitch.ThewholesystemUSESmodulardesign,canrealizethePNPtriodeautomaticidentificationandNPN,canalsobethetriodedcamplificationcoefficientismeasuredmoreaccurately.Finallyusingsinglechipmicrocomputertogatheringthedataforprocessing,andthroughLCD1602intypeofdcmagnificationandtriodetransistorfordisplay.
Keywords:
STC89C52RC;automaticmeasuringinstrument;Dcmagnification
论文总页数：
40页
1引言
1.1课题背景
三极管能够放大信号，并且具有较好的功率控制、工作速度快、持久力强等特点，故三极管常被用来构成放大电路，开关电路，以及各种电气设备，广泛的应用于电子、机械等领域。
因此三极管的参数的测量在实际的工作中十分必要。
按晶体管的结构分类，晶体三极管可以分为NPN型和PNP型，而在我们使用三极管之前，要知道三极管的基本参数，我们通常最关心的参数无非是三极管的类型和三极管的放大系数，因此，测量这两项参数显得尤为重要。
现在市场上的测量晶体管参数的仪器种类繁杂，其功能也因测试的参数不同而千差万别，较为普遍的是测量三极管的放大系数，还有很多三极管参数测量仪可以测量反向击穿电压、反向饱和电流、晶体管的输入输出特性曲线、延迟时间、晶体管开启时间、存贮时间等多种参数。
最为常用的就是用数字万用表测量三极管的直流放大系数。
现在市场上的三极管测量仪虽然功能强大、操作方便、精度高。
但是体积较大、价格也相对昂贵。
而本设计主要设计并制作一个测量精度达到5%以上，要求仪器有良好的人机界面，能够自动辨别NPN型与PNP型的半导体三极管参数测试仪。
随着科学技术的发展和三极管的广泛应用，晶体管测试仪体积趋于小型化，便于携带；功能趋于全面，测试范围广；测试精度高。
但是这样的产品会增加相应的成本，如何降低成本并且测试指定的参数成为今后三极管测试仪发展的趋势。
1.2本课题研究意义
学校的实验室一般使用万用表测量晶体管的放大倍数，其性能基本可以满足需求。
但是在用万用表测量晶体管的放大系数的过程中，PNP三极管和NPN三极管的插孔不同，这样就要区分三极管的类型，方才能测量其放大倍数。
而在不知道其类型的情况下，测量过于繁琐。
这时候，我们就需要一种可以直接自动辨别三极管类型且可以测量其放大倍数的参数测量仪器。
因此本课题提出了解决这一问题的方法。
1.3本课题的研究方法
通过D/A芯片TLC5615给三极管的基极的电阻提供一定的电压，从而为基极提供电流，以及对三极管发射极（PNP型三极管）或集电极（NPN型三极管）电压的采集送至单片机进行相应的处理运算，得出三极管的直流放大倍数。
并对三极管的放大倍数进行判断，实现PNP管与NPN管的自动切换，反复测量，并将结果送至LCD1602显示。
主要的研究工作包括：
设计、制作并调试三极管参数测量仪硬件电路系统。
本设计主要偏重硬件电路的设计、组建和PCB板的绘制、电路板的制作以及程序的编写，并且完成了全部硬件电路与软件的调试。
2三极管参数自动测量仪的总体设计
2.1三极管参数自动测量仪实现的功能
本系统是基于单片机89C52RC[1]的三极管参数自动测量仪。
该系统由测量主板和电源板两部分组成。
其中电源板部分为单片机、D/A芯片、A/D芯片、LM324、TL431、以及3个单8通道数字控制模拟电子开关CD4051提供5V电压。
测量主板部分主要为三极管参数的测量提供相应的硬件电路以及测量结果的显示电路。
该测量仪器能够自动辨别三极管的类型，测量之前无需知道三极管是NPN还是PNP类型，只要将三极管插到测量主板的相应位置，即可自动辨别三极管类型并测量其放大系数。
是一个测量精度达到5%以上要求，仪器有良好的人机界面，半导体三极管参数测试仪。
2.2系统软硬件主要部分
2.2.1系统硬件主要部分
系统硬件主要部分如图2-1所示。
图2-1系统硬件主要部分
系统硬件分为电源电路、放大电路、单片机控制电路和液晶显示电路四大主要部分。
其中，放大电路包括NPN型和PNP型两种放大电路；单片机控制电路是整个系统的核心部分，也是设计中相对繁琐的部分，主要包含单片机最小系统、D/A赋值电路、自动切换电路、A/D采样电路四部分；本设计的液晶显示用的是LCD1602，所以液晶显示电路主要就是LCD1602的驱动电路。
系统电路的每一部分功能将在下文逐一介绍。
2.2.2系统软件主要部分
系统软件主要部分如图2-2所示。
在本系统中，单片机程序主要需要完成对D/A芯片赋值、电压采集、数据处理以及送显功能。
故本设计的程序部分从整体上采用模块化设计，将程序主要分为D/A赋值子程序、A/D电压采集子程序、数据处理与三极管类型辨别子程序和送显子程序。
这样模块化设计，有助于程序的调试，方便程序的阅读和改进与主程序的调用，同时也使得程序的组织结构更富有层次感，立体感。
图2-2系统软件主要部分
3系统硬件电路的设计
3.1系统硬件电路总体设计图
三极管参数自动测量仪总体分为四大部分，即上文所说的电源电路、放大电路、单片机控制电路和液晶显示电路四大主要部分。
在实际制作的过程中，本设计将电源电路单独设计，制造成单一的电路板；而将其余的放大电路、单片机控制电路和液晶显示三大部分制作成另一块电路板，即如图3-1中的测量主电路部分，这样就方便电路的调试，提高稳定性，也方便供电。
三极管参数自动测量仪是通过单片机对D/A芯片TLC5615赋值，使D/A芯片输出1V电压，其中D/A的基准电压由TL431输出的2.5V电压提供，D/A的输出电压后接由LM324组成的跟随器，用以保证后级输出电压1V，起到隔离缓冲的作用。
之后后接一个100K的电阻连接到三极管测量电路的基极，相当于给基极一个电流。
经过三极管的放大后，通过A/D芯片采集三极管发射极（PNP三极管）或是集电极（NPN三极管）的电压，就可算出三极管的基极电流和三极管的集电极的电流，这样，通过单片机就可以算出三极管的放大系数。
而三极管自动测量仪中的由三个CD4051组成的自动切换电路，则可以通过单片机所测量出的三极管的放大倍数，判断三极管的类型一般的三级管的放大系数所在范围，一般三极管的放大系数在50—600倍之间，而当单片机所测量的倍数不在这一范围内的时候，通过单片机控制可以自动切换三极管的测量电路，再次运算之后，单片机得到符合要求的放大倍数，这时，就可以将相应的放大倍数和三极管的种类送到LCD1602进行显示。
系统的总体设计图如下图3-1所示。
图3-1系统硬件电路总体设计图
3.2系统测量主电路图
系统测量部分的电路如图3-2所示。
系统的这个测量主电路部分硬件电路是本设计功能实现的部分，图中TLC5615用以实现D/A转化，为基极的电阻提供电压；TLC1549器件用以采集三极管集电极或发射极的电压；三个CD4051中，CD4051（A）与CD4051（B）用以实现NPN放大电路与PNP放大电路的切换；因为不同的放大电路其电压的测量点也不同，CD4051（C）用以实现电压测量点的切换；图中NPN三极管的位置是以后被测三极管所插得位置。
图3-2系统测量主电路图
3.3单片机最小系统电路
单片机最小系统电路[2]如图3-3所示，本设计所用的单片机是STC89C52RC，这种单片机是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。
图3-3单片机最小系统电路
这种单片机是增强型的8051单片机，其工作电压有两种类型，这里使用的是5V单片机，工作电压范围是5.5V～3.3V（5V单片机），工作频率范围：
0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz。
本单片机应用程序空间为8K字节，本设计的程序在5K左右，完全可以满足本系统的设计要求。
这款单片机片上集成512字节RAM；通用I/O口（32个），复位后为：
P1/P2/P3/P4是准双向口，弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。
这里采用P0口作为LCD1602的数据总线，没有接上拉电阻。
ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RXD/P3.0,TXD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片，这里我们没有用到这两个接口，而是使用单片机开发板下载系统程序。
此单片机还具有EEPROM功能和看门狗功能，其工作温度范围：
-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级），完全适合我们平时所使用时的环境。
如下图3-4为单片机PDIP封装的单片机引脚图，其40引脚为VCC，在本系统中STC89C52RC引脚图结5V的电源电压；20引脚为VSS，在系统中我将其接地；P0端口（P0.0～P0.7，39～32引脚）：
P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。
作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入“1”时，可以作为高阻抗输入。
在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线。
此时，P0口内部上拉电阻有效。
在FlashROM编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。
验证时要求外接上拉电阻。
本系统的P0口全用作LCD1602的数据总线。
图3-4PDIP封装的单片机引脚图
P1端口（P1.0～P1.7，1～8引脚）：
P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。
P1口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流（
）。
在本系统中。
而在如图3.2所示中，本系统将P1口全部作为双向的I/O口使用，其中P1.0、P1.1、P1.2与LCD1602的RS、R/W和使能信号端相连。
P1.3、P1.4、P1.5与TLC1549的I/O、数据输出端、片选端相连。
而P1.6和P1.7将其做成按键，虽然在后来的系统中不适用，但这里是为了方便程序的调试。
在本设计中P2口不曾用到，所以这里不加详尽的介绍。
RST（9引脚）：
复位输入。
当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机的复位初始化操作。
看门狗计时完成后，RST引脚输出96个晶振周期的高电平。
特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。
DISRTO默认状态下，复位高电平有效。
如图3.2所示，在本系统中我们将其接一个复位电路。
P3端口（P3.0～P3.7，10～17引脚）：
P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。
P3做输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流。
在本系统中P3端口部分使用，使用部分全部作为普通的I/O口使用，其中，P3.0与三个CD4051的地址线的A线相连，作为控制切换电路的引脚。
P3.1～P3.3与TLC5615的片选端、时钟端和串行二进制数据输入端相连。
而P3端口的引脚复用功能，本系统不曾用到。
/VPP（31引脚）：
访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，
必须接GND。
注意加密方式1时，
将内部锁定位RESET。
为了执行内部程序指令，本系统将
接VCC。
18与19引脚作为振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端和振荡器反相放大器的输入端。
这里我们将18与19引脚与12M的晶振相连，这样就够成了稳定的自激振荡器。
3.4电源电路
图3-5中的电源电路中的J3所接的是输出9V的USB电源，这种USB电源输入为220V的交流电，输出为9v的直流电。
后接肖恩特二极管，用以做电源保护，防止反接。
测量电路部分所需的电压为5V。
为得到所需的5V电压，本设计这里使用LM7805，LM7805是一种三端集成稳压电路，输出电压为5V，LM7805在电子产品中十分常见，这种稳压集成电路只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。
LM7805三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜，其输出电流为1.5A,而且短路保护和过热载保护，。
当要得到的电压为5V时，其输入电压都必须高于所需输出电压2V以上，本设计中LM7805的输入电压为9V，满足使用的全部需求。
通过实践得到了5V直流电压。
图3.4中的D2为发光二极管，检验USB电源连接是否正常，正常连接时二极管发光。
图3-5系统的电源电路
3.5D/A转换电路
如图3-6为D/A转换电路。
图3-6D/A转换电路
如图3-6所示所用的D/A器件为TLC5615，TLC5615是美国德州仪器公司1999年推出的产品，是具有10位串行接口的数模转换器，其输出为电压型，最大的输出电压为基准电压的两倍。
TLC5615具有十位CMOS电压输出，精确度较高。
5V单电源供电；输出电压具有和基准电压相同的极性；与单片机三线串行接口。
本设计中其串行二进制数输入端DIN、串行时钟输入端SCLK和片选端分别与单片机的P3.3、P3.2、P3.1相连。
当片选CS为低电平时，输入数据DIN由时钟SCLK同步输入或输出而且最高有效位在前，低有效位在后。
输入时SCLK的上升沿把串行输入数据DIN移入内部的16位移位寄存器，SCLK的下降沿输出串行数据DOUT，片选CS的上升沿把数据传送至DAC寄存器。
当片选CS为高电平时，串行输入数据DIN不能由时钟同步送入移位寄存器；输出数据DOUT保持最近的数值不变而不进入高阻状态。
由此要想串行输入数据和输出数据必须满足两个条件：
第一时钟SCLK的有效跳变；第二片选CS为低电平。
这里，为了使时钟的内部馈通最小，当片选CS为高电平时，输入时钟SCLK应当为低电平。
无论为上述哪一种工作方式，其输出电压的计算公式为：
（3-1）
其中，
是参考电压，N为输入的二进制数。
TLC5615基准电压的输入为2.5V。
为保证测量的精确性，此处的基准电压由TL431提供，TL431是一个高性价比的常用分流式电压基准，有很广泛的用途。
这里的TL431的接法是TL431的典型接法（如图3-7所示）。
输出一个固定的电压值，计算公式如公式（3-2）所示。
（3-2）
同时R3的数值应满足公式（3-3）。
（3-3）
当R1取值为0的时候，R2可以省略，这时候电路图就如D/A转换电路（图3-6）中一样，通过公式（3-3）计算可知，R3的阻值范围如公式（3-4）所示。
（3-4）
这里图3-7所用的R9即为图3.5-2中的R3，本设计R9的阻值为510欧姆，符合要求，TLC431的输出电压为2.5V，接入TLC5615的基准电压端。
图3-7TL431典型接法
这时，通过单片机的相连，程序的控制，D/A芯片的电压输出端就可以得到相应的电压值。
3.6放大电路
放大电路如图3-8所示。
图3-8放大电路
如图3-8中所示，D/A电压的输出端连接LM324组成的电压跟随器。
其中，LM324是四运放集成电路，这里我仅用其中的一个运放，可以单电源供电，且电源电压范围较广为3V-32V，这里为方便设计，也与其它芯片一样采用5V电压供电，后接一个100K的电阻，从而为三极管的基极提供电流。
三极管的发射极与集电极分别与CD4051（A）和CD4051（B）的公共端连接。
CD4051（A）与CD4051（B）的通道0与通道1分别连接5V电压和地线，其中连接电压一段，连接个1K的电阻，这样就可以组成一个放大电路。
测量PNP三极管时的放大电路如图3-9，测量NPN三极管时的放大电路如图3-10所示。
这样通过测量三极管集电极（NPN型）或发射极（PNP型）的电压，就可以计算出基极电流
和集电极电流
就可以通过公式（3-5）计算出直流放大系数。
（3-5）
图3-9PNP放大电路
图3-10NPN放大电路
3.7自动切换电路
如图3-11所示为三极管参数自动测量仪自动切换电路。
图3-11自动切换电路
自动切换电路是由三个CD4051组成，CD4051是单8通道的数字控制模拟开关，有A、B和C三个二进制控制输入端以及INH共4个输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。
幅值为4.5～20V的数字信号可控制峰峰值至20V的模拟信号。
其引脚图如图图3-12所示，可以看到，CD4051有三根地址线控制的八个通道，其通道选择的真值表如表3-1所示。
本设计所用的三个CD4051，只用到了通道1和通道0，所以三个CD4051的地址线中的B地址线和C地址线没有用到，这里我将他接地。
把通道1和通道0的选择权完全由地址线A控制。
并把地址线A与单片机的P3.0口相连，从而由单片机的程序就可以控制通道口的选通。
图3-12CD4051引脚图
表3-1CD4051真值表
INPUTSTATES
选中输出通道
INHIBIT
C
B
A
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
1
0
2
0
0
1
1
3
0
1
0
0
4
0
1
0
1
5
0
1
1
0
6
0
1
1
1
7
0
×
×
×
None
其中，图中的CD4051（A）和CD4051（B）用以切换三极管的放大电路，当单片机的P3.0口为低电平时选通CD4051的通道0，这时候就组成了
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