简易三极管放大倍数测量计参考模板.docx

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简易三极管放大倍数测量计参考模板

第一部分设计任务

设计题目及要求

设计制作一个自动测量三极管直流放大系数β值范围的装置。

1、对被测NPN型三极管值分三档；

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；

4、电路采用5V或正负5V电源供电。

二、设计思路

1．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。

以下给出采用上述方案的参考电路如图

（1）、图

（2）所示。

图

（1）参考电路

T1、T2、R1、R3构成微电流源电路，R2是被测管T3的基极电流取样电阻，，R4是集电极电流取样电阻。

由运放构成的差动放大电路，实现电压取样及隔离放大作用。

图

（2）参考电路

T1是被测三极管，其基极电流可由R1、R2限定，运算放大器的输出

＝βIBR3。

2．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

，只有相应的一个比较电路输出为高电平，则其余比较器输出为低电平。

对比较器输出的高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。

3、参考方框图如图（3）：

图（3）参考方案方框图

第二部分设计方案

一、设计任务分析

经过查阅书籍和相关资料，还有设计要求上的提示方案，对设计有如下简单分析：

设计电路测量三极管的β值，将三极管β值转换为其他可用仪器测量的物理量来进行测量（如电压，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）。

因为题目要求分三档显示三极管的β值（即

值的范围分别为50～80、80～120及120～180，对应的分档编号分别是1、2、3），所以对转换后的物理量进行采样,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，相应的一个比较电路输出高电平，其余比较器输出为低电平，实现AD转换。

比较后再进行分档显示。

要实现分档显示，则必须对比较器输出的高电平进行二进制编码和显示译码器译码，驱动数码管显示出相应的β值档次代号。

从而实现该档次代号的显示。

得出系统方框图如图（4）：

图（4）系统方框图

二、各部分电路功能的简单说明

1.转换电路：

用于把不能直接用仪器测量的NPN型三极管

值转换成可以直接被测量的集电极电压，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的微电流源电路和起放大隔离的差动放大电路。

2.电压比较电路：

由于被测量的物理量要分三档（即

值分别为50～80、80～120及120～180，对应的分档编号分别是1、2、3）所以还要考虑到少于50，和大于180的状况，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的基准电压，再用四个运算放大器组成的比较电路，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

，相应的一个比较电路输出为高电平，其余比较器输出为低电平。

3.编码电路：

将电压比较电路的比较结果（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。

4.译码电路：

主要是把编码电路编成的二进制编码译码成十进制数，以便于人机交流（即要显示的数为人类易懂的十进制数1、2、3）。

该电路功能主要由芯片CD4511完成。

5.显示：

该电路功能是用共阴数码管显示被测量的NPN型三极管

值的档次。

三、各个元件具体参数的计算

1.转换电路如图（5）所示

图（5）转换电路

依题意有：

〈1〉.T1与T2性能匹配，为PNP三极管

〈2〉.IB的选择应在30μA～40μA之间为宜,因为：

（1）β值与Ic有关；

（2）小功率管的β值在Ic＝2～3mA时较大，而在截止与饱和区较小，测量不准确。

因此，取输出电流Io＝30uA

〈3〉.因为参考电流

约为1mA左右,则，由

已知VBE1=0.7V得：

R1=4.3K，取R1=4.3K

再把R1=4.3K代回，得出

=1.35mA,符合要求。

〈4〉.再由：

已知：

VT=26mV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

的范围为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的作用，R5—R8应尽量取大一点，这里取R5=R6=R7=R8=30K。

综合上述转换电路的电阻值为：

R1=4.3K

R2=20K

R3=3.0K

R4=510

R5=R6=R7=R8=30K

2.电压比较电路：

由课题设计要求可知，设计要求显示被测三极管β值范围为50～180，而且，分档显示50～80，80～120，120～180，因此，应通过上级电路计算出的元件取值求得各档次的基准比较电压边值。

由R4、

、被测三极管β值即可计算出对应的基准比较电压：

当β=80时，Ui=VR4=Io*

*R4=0.00003*80*500=1.2V

当β=120时，Ui=VR4=Io*

*R4=0.00003*120*500=1.8V

当β=160时，Ui=VR4=Io*

*R4=0.00003*160*500=2.4V

当β=200时，Ui=VR4=Io*

*R4=0.00003*200*500=3.0V

可以计算出电压比较电路串联网络中各个分压电阻的阻值，5V电源供电，分压总电阻取R=150k：

β=80时，R＝36k

β=120时，R＝54k

β=160时，R＝72k

β=200时，R=90k

电压比较电路的电阻为：

R9=50k

R10=30k

R11=20k

R12=15k

R13=25

第三部分电路设计

根据设计方案分析后的方框图，分别对方框图中各个模块进行设计。

一、转换电路

由微电流源（提供恒定电流）和差动放大电路（电压取样及隔离放大作用）。

将变化的三极管β值转化为与之成正比变化的电压量，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。

为了取得固定IB，采用微电流源电路提供恒定电流。

微电流源电路介绍：

当要求得到极其微小的输出电流（如三极管基极电流比较小），这时可令比例电流源中的Re1=0，便成了微电流源电路

其电路图如图（6）所示：

图（6）微电流源电路

根据电路原理分析得：

由此可知：

只要确定IO和Re2就能确定IR，由此可以确定电阻R的值。

差动放大电路介绍：

根据三极管电流IC=βIB的关系，被测物理量β转换成集电极电流IC而集电极电阻不变，利用差动放大电路对被测三极管集电极上的电压进行采样，。

差动放大电路原理如图（7）所示：

图（7）差动放大电路

根据理想运放线性工作状态的特性，利用叠加原理可求得

取电路参数：

R1=R2=R3=Rf,vo=vi2-vi1

可见，输出电压值等于两输入电压值相减之差，实现相减功能。

其中运算放大器采用集成电路LM741。

LM741采用单电源供电，其内部只由一个运算放大器构成。

综合上述得出转换电路的电路图如图（8）所示：

图（8）转换电路

电路说明：

T1、T2、R1、R3构成微电流源电路提供恒定电流，R2是被测管T3的基极电流取样电阻，用于检测基极电流的大小，R4是集电极电流取样电阻，用于检测集电极电流的大小同时检测出被测三极管β值的大小，由运放构成的差动放大电路，实现电压取样及隔离放大作用，为电压比较电路提供采样电压。

二、电压比较电路

基准电压：

由于题目要求将

值的档次分为50～80、80～120及120～180，对应的分档编号分别是1、2、3，则需要多个不同的基准电压，基准电压是采用一个串联的电阻网络对一个固定的电压进行分压得到的。

运放采用LM324,内部有四个运放构成。

综合上述得出电

压比较电路的电路图如图（9）所示：

图（9）电压比较电路

比较电路主要由741构成，转换电路输出的电压U0通过741分别与U1，U2，U3，U4进行比较，并输出相应的高电平或低电平：

比较器的N端和前转换电路的转换电压U0相接，而P端则接由两个电阻分压决定的基准电压，这两个电压进行比较，从而在输出端可输出。

比较得出的高低电平。

当U0大于基准电平，则输出低电平，即输出0；否则输出1。

在实验中，4个741由一个LM324代替：

其中LM324的结构图如图（10）所示：

图（10）LM324结构图

2、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。

图（11）LM324内部运算放大器

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。

它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，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所示的符号来表示，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的信号与该输入端的相位相反；

Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信端的相同。

三、编码电路

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：

图（12）CD4532引脚图

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的真值表如图（13）所示：

图（13）CD4532真值表

根据CD4532的真值表，要使编码电路正常工作，EI、GS应接高电平，VDD接高

电平，VSS接低电平，输入端D4——D1分别接比较电路的四个运放输出端，D0接高电平，D7——D5则接低电平。

四、译码电路

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，

、

、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的显示。

根据CD4511的真值表，要使译码电路正常工作，LE接低电平，

、

接高电平，D端悬空，C、B、A、分别接编码器的三个输出端Q2、Q1、Q0。

而八个输出端则接共阴数码管的输入端。

五、显示电路

数码显示管的管脚图如图（16）所示：

图（16）数码显示管管脚图

各管脚对应显示的部分如图（17）所示：

图（17）各管脚对应显示部分

综合编码，译码，显示电路的综合电路图如图（18）所示：

图（18）综合电路图

第四部分整机电路图

如图（19）所示

图（19）整机电路图

元器件清单

电阻：

阻值瓦数误差

4.3K

×10.125W5％

20K

×10.125W5％

3.0K

×10.125W5％

510

×10.125W5％

30K

×40.125W5％

18K

×30.125W5％

36K

×10.125W5％

56K

×10.125W5％

2K

×20.125W5％

集成芯片：

LM741×1,LM324×1,CD4511×1,CD4532×1

显示器：

共阴数码显示管×1

其他：

导线、面包板

第五部分安装调试及性能检测

一、安装调试

以三极管，集成电路为中心并根据输入输出分离的原则，以适当的间距来安排其他元件。

根据仿真好的电路图有电路图左到右安装面包板。

注意地线，电源线，尽可能归并统一。

安装完成后，需详细检查电路图，看是否会漏线，或者接错线。

拿到元件的时候首先要做的就是用仪器把每个元件测量一遍，看是否是要求中需要的与它的标称值相不相等，因为虽然元件的质量虽然比较好，但依然会有可能有故障或者误差比较大的。

元件会较多，但测量不要嫌麻烦，真正做到疏而不漏。

在安装之前把实验元件按要求在实验箱上联接好，接线一方面要做到令电路达到计划中的功能和指标，另一方面又要做到简单明了，兼顾整齐美观。

连线布线应注意以下几个要点：

一般以集成电路或三极管为中心，并根据输入输出分离的原则，以适当的间距来安排其他元件。

集成块与晶体管的布局，一般按主电路信号流向的顺序在插座板上直线排列，各级元器件围绕各级的集成块或晶极管布置，各元件间的间距应视周围元件多少而定。

第一级的输入线与末级的输出线、高频线与低频线要远离，以免形成空间交叉耦合。

合理布置地线。

当电路有多级时，应将各级单独接地，再分别接公共地线。

布线的顺序一般是先布电源线与地线，然后按布线图从输入到输出依次连接好各元器件和接线。

在此条件下，尽量做到接线短、接线少、测量方便。

集成电路的安装：

集成电路引脚必须插在面包板中央凹槽两边的孔中。

为便于检查，尽可能采用不同颜色的导线；尽量在器件周围连线，并不允许导线在集成块上方跨过，或从三极管下方穿过！

查线无误，才能接通电源。

查线时仍以集成电路或三极管的引脚为出发点，逐一检查与之相连的元件和导线。

二、性能指标测量及记录

1、性能指标测量记录：

当插上三极管9018时，数码显示管显示为“2”，用万用表实际测得其β值为122，在120～160范围内，结果正确。

当插上三极管9013时，数码显示管显示为“3”，用万用表实际测得其β值为163，在160～200范围内，结果正确。

当不插三极管时，数码显示管显示为“0”，结果正确。

2、当数码管显示2时其他测量结果记录：

CD4511各引脚电压情况：

Vcc=5.006V,B=5.001V,C=0.000V,D=0.000V,A=4.992V,f=0.000V,

g=4.330V,a=4.329V,b=4.331V,c=0.000V,d=4.327V,e=4.328V

LM324各引脚电压情况：

V1=-4.008V,V2=3.008V,V3=1.630V,Vcc=5.006V,V5=1.628V,

V6=2.415V,V7=-3.831V,V8=2.809V,V9=1.824V,V10=1.661V,

V11=-5.028V,V12=1.637V,V13=1.233V,V14=2.811V

CD4532各引脚电压情况：

VD4=-4.064V,VD5=VD6=VD7=VQ2=VSS=VQ0=VE0=0.000V,VE1=0.030V,

VQ1=VGS=VDD=5.000V,VD0=5.033V,VD1=0.066V,VD2=2.888V,VD3=-3.005V

对照分析后发现全电路工作正常，未经过过多调试。

第六部分心得体会

总的来说，本次课程设计是很有意义的，是一个很好的考验对课程知识掌握和应用的

机会。

由于怕时间不够，我选做的是第一个设计课题――半导体三极管

值范围测量仪设计。

在进行设计之前，我先把课本上相关的知识看了，对这次设计做了一个整体规划。

在参考了老师提供的设计思路指南后，便着手进行电路的设计。

在进行电路连接的时候最需要注意的就是选用元器件以及管脚图了。

为此我专门在网上找到了譬如741，LM324，CD4532、CD4511、共阴数码管等元器件的管脚图。

弄清楚管脚分布以及IC功能后，开始电路的设计和走线。

设计起来发现这个电路不需要电容，只有电阻，非常简单。

主要剩下的任务就是算电路中电阻值，过程也并不复杂，在参考常用电阻值、三极管正常工作点后将13个电阻值计算出来。

接下来就是实际插面包板，将这些元件连接起来是件比较辛苦的事。

我先将大块的元器件摆好大致位置，然后再用导线把他们连接起来。

对着电路图草图，一点都不能马虎。

插完以后是调试的过程，很幸运，一次就成功了。

可是在第一次老师验收的时候竟然出现了一点小问题，在没有插上待测三极管的情况下，数码管显示不是0而是1，老师走后我开始检查电路。

首先用万用表检验分压电阻部分，确定没有问题。

再检查微电流源部分，确定也没有问题。

检查CD4511后发现高低电平正常，也没有任何问题。

判断问题出在CD4532的接线上，仔细检查各引脚后发现有一根地线松了，插上后问题即告解决。

数码管正常显示，功能完全正常。

通过这次课程设计，使我对这门课有了进一步了解。

把课堂上学到的书本知识灵活的应用到了实际操作当中，这是一个很有意义的进步。

希望以后还会有类似的课程。

（本资料素材和资料部分来自网络，仅供参考。

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