三极管β值测量.docx

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三极管β值测量

报告

批改老师

三极管β值测量仪设计与制作

摘要：

在电子产品设计、制作与维修中，经常需要测量三极管的放大系数β，而万用表自带的简易β测试装置准确性很差，为此本项目设计一个高精度β值测量仪。

关键词：

恒流源，伏频转换，AT89C51

1．设计要求

1.1基本要求

（1）被测三极管为NPN型，β值范围为β<300。

（2）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0-299。

（3）响应时间不超过2秒，显示器显示读数清晰，注意避免出现“叠加现象”。

（4）β值超过测量范围时声光报警。

（5）电源采用5V或±5V供电。

1.2扩充要求

（1）可以测量任意极性（NPN、PNP）的三极管。

（2）三极管内部断路或短路时能发出警报声。

1.3设计提示

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，对VRC进行A/D转换或伏频转换，转换后的值就反映了β值的大小。

系统总体方框如下图1-1所示。

图1-1系统总体方案框图

2．方案设计

2.1β值转换方案

方案一：

如下图2-1所示。

图2-1方案一

如图3-1，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。

根据三极管电流IC=βIB的关系，当IB为固定值时，IC随着β的变化而变化，电阻RC上的电压VRC正好反映了IC的变化，所以，我们对VRC取样加入后级，进行分档比较。

从而实现目的。

该电路用微电流源为基极取样电阻提供稳恒的电流，这样便于测量β值。

方案二：

电路如下图3-2所示.

图2-2方案二

如图3-2所示，T1是被测三极管，其基极电流可由R1、RW限定，运算放大器的输出：

VR2＝βIBR2

方案分析比较：

两个方案得原理都是要将变化得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。

方案一和方案二都是按这个思路设计的，比较和分档的电路一样。

两个方案的区别在于，方案一用电流源电路为被测三极管提供Ib，这样能比较精确地把Ib控制在想要的值附近，其缺点是电路较方案二复杂；方案二是利用电阻分压把Vbe控制在想要的值附近，从而获得一个较稳定的Ib值，电路较简单，但Ib的控制不如方案一精确。

为了能取到比较精确的比较电压，进行下一步的比较、分档，以获得较精确的显示结果，方案一是首选。

2.2模数变换方案

β值变换成电压后,需要再把电压变换为数字信号,有两种方法，一种是A/D转换，另一种是V/F转换。

方案一，A/D转换电路

A/D转换电路，亦称“模拟数字转换器”，简称“模数转换器”。

将模拟量或连续变化的量进行量化（离散化），转换为相应的数字量的电路。

最常用的A/D转换芯片是ADC0809，该芯片是一个逐次逼近型的A/D转换器，外部供给基准电压；单通道转换时间116us；分辨率为8位，带有三态输出锁存器，转换结束时可由CPU打开三态门，读出8位的转换结果；有8个模拟量的输入端，可引入8路待转换的模拟量。

A/D转换电路的连接如下图2-3所示。

图2-3A/D转换在电路中的连接

方案二，V/F变换

V/F变换器的原理是将输入的模拟电压信号线性地变换成频率值正比于所测模拟电压的数字脉冲信号。

这种V/F变换器的输出脉冲对其输入信号直接跟踪，不需要采样时钟脉冲信号、转换命令信号或任何形式的外部逻辑电路，只需要微机在一定时间内直接对其输出脉冲进行计数处理即获得二进制或十进制数据，该数据即表示计数期间内输入信号的平均值。

因此，V/F变换器相对于Δ-Σ变换器在电路设计上简单很多。

V/F变换的简易方案如下图2-4所示。

图2-4V/F变换方案

综合上述，采用方案一能够满足设计要求。

2.3计算电路方案

方案一

计算电路可用数字电路实现，简单容易实现，但存在精度不高、布线复杂、扩展能力并有等问题。

方案二

计算电路采用单片实现，精度高，可扩展性高，容易实现智能化，缺点是要编写程序，对没有编程经验的同学有一定难度。

综合上述选择方案二。

3．单元电路设计与器件选择

3.1β-V转换电路

β-V转换电路的原理如下图3-1所示。

包括微电流源（提供恒定电流）和差动放大电路（电压取样及隔离放大作用）。

恒流源加在被测三极管的基极，再在基极和集电极上分别加一采样电阻。

根据三极管电流IC3=βIB3的关系，当IB3为固定值时，IC3反映了β的变化，电阻R3上的电压VR3又反映了IC3的变化，在集电极电阻上加一差动放大电路求出该采样电阻两端的电压，输出为V1，这样使三极管的放大倍数β转化为电压V1，关系为V1=βIB3R3，这样实现了β-V转换。

图3-1差分转换电路的原理

3.1.1恒流源电路参数计算

由于被测三极管基极电流比较小，为了取得固定IB3，通常采用微电流源电路提供恒定电流，其电路上图所示。

根据电路原理分析得：

由此可知：

只要确定IC2和R2就能确定IR，由此可以确定电阻R1的值。

依题意有：

T1与T2性能匹配，为PNP三极管。

被测晶体管IB3的选择应在30μA～40μA之间为宜。

因为：

（1）β值与Ic3有关；

（2）小功率管的β值在Ic3＝2～4mA时，工作在放大区，测量较准确。

Ic3较大时工作在饱和区，Ic3较小时工作在截止区，结果是测量不准确。

因此，取输出电流IC2＝30uA

取参考电流IR约为1.3mA左右，则，由

，得

，

=870×3.7612=3272Ω，取村称值为3.3K。

3.1.2差分转换电路

根据三极管电流IC3=βIB3的关系，被测物理量β转换成集电极电流IC3，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下图3-2所示。

图3-2差动放大电路图

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。

为了使差动放大电路起到隔离放大的作用，R3-R7应尽量取大一点，这里取R4=R5=R6=R7=100K。

运放采用LF351单运放。

其中运算放大器采用集成电路LM311。

3.2伏频（V-F）转换电路

3.2.1LM331简介

LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。

供电电压为+5V。

LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。

LM331的动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大非线性失真小于0.01％，工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路，并且容易保证转换精度。

LM331为双列直插式8脚芯片，其引脚如图4-4所示。

图3-3

LM331内部有

（1）输入比较电路、

（2）定时比较电路、（3）R-S触发电路、（4）复零晶体管、（5）输出驱动管、（6）能隙基准电路、（7）精密电流源电路、（8）电流开关、（9）输出保护点路等部分。

输出管采用集电极开路形式，因此可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，从而适应TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。

此外，LM331可采用单/双电源供电，电压范围为4～40V，输出也高达40V。

IＲ（PIN1）为电流源输出端，在f０（PIN3）输出逻辑低电平时，电流源ＩＲ输出对电容ＣＬ充电。

引脚2（PIN2）为增益调整，改变ＲＳ的值可调节电路转换增益的大小。

f０（PIN3）为频率输出端，为逻辑低电平，脉冲宽度由Ｒt和Ｃt决定。

引脚4（PIN4）为电源地。

引脚5（PIN5）为定时比较器正相输入端。

引脚6（PIN6）为输入比较器反相输入端。

引脚7（PIN7）为输入比较器正相输入端。

引脚8（PIN8）为电源正端。

3.2.2V-F转换电路

图3-4是由LM331组成的电压频率变换电路，LM331内部由输入比较器、定时比较器、R-S触发器、输出驱动、复零晶体管、能隙基准电路和电流开关等部分组成。

输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。

图3-4

当输入端V1＋输入一正电压时，输入比较器输出高电平，使R-S触发器置位，输出高电平，输出驱动管导通，输出端f0逻辑低电平，同时电源Vcc也通过电阻RT对电容CT充电。

当电容CT两端充电电压大于Vcc的2/3时，定时比较器输出一高电平，使R-S触发器复位，输出低电平，输出驱动管截止，输出端f0为逻辑高电平，同时，复零晶体管导通，电容CT通过复零晶体管迅速放电；电子开关使电容CL对电阻RL放电。

当电容CL放电电压等于输入电压V1时，输入比较器再次输出高电平，使R－S触发器置位，如此反复循环，构成自激振荡。

输出脉冲频率f0与输入电压V1成正比，从而实现了电压－频率变换。

其输入电压和输出频率的关系为：

fo=V1×RS/（2.09×RL×RT×CT）

由式知电阻RT、RL、RS、和CT直接影响转换结果f0，因此对元件的精度要有一定的要求，可根据转换精度适当选择。

电阻R1（100K）和电容C1（0.1u）组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。

由于V1=βIBR3，可以令f0=

，则计数器恰好在1s内记下所有脉冲数。

通过计算、拼凑可以得出：

Rs=13.6K，RT=6.8K，RL=100K，CT=0.1uF，CL=1uF。

3.3

值计算电路

3.3.1单片机芯片选择

单片机选择我们熟悉的AT89C51。

AT89C51是一个低电压高性能的CMOS8位单片机，片内含2kbytes的可反复擦写的制度程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器，器件采用ATMEL公司的高密度非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通过8位中央处理器和Flash存储单元，可为客户提供许多高性价比的应用场合同时AT89C51还具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM定时/计数器串行口和外中端口，系统唤醒后即进入继续工作状态在省电模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止震荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。

由单片机构成的控制电路包括AT89C51、OSC晶振和LED显示。

电路如下图3-1所示。

3.3.2OSC晶振电路

OSC晶振起振后，将在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便使MCS-51片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡通常，OSC的输出时钟频率fOSC为0.5MHz～1.6MHz电容C01和C02可以帮助起振，典型值为22pf，调节它们可以达到微调fOSC的目的。

3.3.3液晶显示电路

显示电路可以采用LCD显示电路。

LCD1602液晶，具有调节对比度的功能，能调节1602电路的对比度，同时能通过51单片机传送的数据进行编译之后显示在1602液晶上，它的15和16脚是一个分别接VCC和GND。

3脚接一个10k的滑动变阻器，然后通过控制这个引脚的电阻值，来控制其显示电容值。

4．程序设计

4.1内存地址及管脚分配

P2.0~P2.7作为1602的显示电路的数据引脚，单片机通过P2引脚传送数据，P1.3P1.4P1.5是作为1602的时能控制脚分别是RSRWEn三个引脚控制单片机的寄存器设置，和数据地址传输。

单片机P3.4口作为计数器的输入引脚，将脉冲信号进行计数从而进行处理和变化，送入1602显示。

4.2程序说明

首先程序通过初始化LCD1602显示屏，驱动1602.然后对单片机的T0和T1，然后将T0设置为计数器模式，计数过来的脉冲。

将T1设置为定时器模式，设置定时时间为1s，当在1s的定时时间内，通过T0计数计数频率的值。

然后将测得的1s时间内的数值进行处理转换得到1s内脉冲的个数，也就是频率。

将这个频率的值送入1602进行显示，由于前面电路已经经过计算，从而测得的频率就是其b的值，从而显示在1602上。

4.3相关程序设计

1602.h头文件

#include

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

Mian主程序

#include

#include"1602.h"

#defineDataPortP2

sbitRS=P1^3;

sbitRW=P1^4;

sbitEN=P1^5;

uchari=0;

ucharcodemeun[]="b=0000";

ucharcodem[10]="0123456789";

unsignedcharT0count;

unsignedchartimecount;

bitflag;

unsignedintx;

voiddelay_ms（uchart）

{

unsignedchari=0;

while（t--）for（i=0;i<120;i++）;

}

voidWriteData（uchardat）

{

EN=0;

RS=0;//********RS寄存器选择输入端，当RS=0；当进行写模块操作，指向指令寄存器。

RW=0;//********当RS=1，无论是读操作还是写操作，都是指向数据寄存器。

RS=1;

RW=0;

EN=1;

DataPort=dat;

EN=0;

RS=0;

RW=0;

for（i=0;i<20;i++）;

}

voidWriteCmd（ucharcmd）

{

EN=0;

RS=0;//********RS寄存器选择输入端，当RS=0；当进行写模块操作，指向指令寄存器。

RW=0;//********当RS=1，无论是读操作还是写操作，都是指向数据寄存器。

EN=1;

DataPort=cmd;

RS=0;

RW=0;

EN=0;

for（i=0;i<20;i++）;

}

voidDisChar（ucharps,uchardat）

{

WriteCmd（（0x80+ps））;

WriteData（dat）;

}

voidLcdInit（void）

{

uinti;

charpp=0;

WriteCmd（0x38）;

delay_ms（5）;

WriteCmd（0x38）;

delay_ms（5）;

WriteCmd（0x38）;

delay_ms（5）;

WriteCmd（0x01）;delay_ms（5）;

WriteCmd（0x06）;delay_ms（5）;

WriteCmd（0x38）;

WriteCmd（0x0c）;

WriteCmd（0x40）;

for（i=0;i<9;i++）

{

DisChar（i,meun[i]）;

}

}

voidDisplay（unsignedintx）

{

DisChar（7,m[x%10]）;x/=10;

DisChar（6,m[x%10]）;x/=10;

DisChar（5,m[x%10]）;x/=10;

DisChar（4,m[x%10]）;x/=10;

delay_ms（200）;

}

voidmain（void）

{

TMOD=0x15;

TH0=0;

TL0=0;

TH1=（65536-49989）/256;

TL1=（65536-49989）%256;

TR1=1;

ET0=1;

ET1=1;

EA=1;

TR0=1;

LcdInit（）;

while

（1）

{

if（flag==1）

{

flag=0;

x=（T0count*65536+TH0*256+TL0）;

timecount=0;

T0count=0;

TH0=0;

TL0=0;

TR0=1;

Display（x）;

}

}

}

voidt0（void）interrupt1using0//计脉冲个数溢出后的情形

{

T0count++;

}

voidt1（void）interrupt3using0//定时1s

{

TH1=（65536-50045）/256;

TL1=（65536-50045）%256;

timecount++;

if（timecount==20）

{

TR0=0;

timecount=0;

flag=1;

}

}

5．电路安装与调试

5.1电路仿真

将上述设计好的电路和程序在Proteus环境中仿真，为了方便本系统采用LCD液晶显示。

仿真电路如下图5-1所示。

从仿真结果可以看出，设计是成功的，现下来变可以安装调试了。

5.2画出布线图（PCB图）

先在DXP2004中画出PCB图，然后在万能板上描出。

描图时要注意线间距离，元件分布要注意避免相互干扰。

并且按照左边电源，中间单稳电路，右边单片机电路，显赫电路置于顶部合适位置。

5.3安装与调试

安装前先检测、检查所有元器件。

安装顺序：

先装电源，并检查测试输出电压是否正常。

如正常可进入下一步安装。

接下来安装NE555电路，安装完后，用示波器检查有没有输出脉冲，当然事先要给单稳一个触发信号。

最后安装单片电路、显示器等，单片机中要事先写入程序。

系统安装后的正、反面照片如下所示。

6．结束语

通过这次专业实训，我进一步的了解了模电和数电之间的联系，也强化了我的设计和动手能力，加深了对知识的运用。

7．实训总结

通过一周的实训本人已园满完成了晶体管β值测量仪的设计与制作。

在制作过程中遇到了许许多多各种各样的问题，在老师和同学们的帮助下都一一解决，现将安装与调试过程总结如下：

在做专业实训之前，必须做好充足的准备，以便在实验时更快更便捷的做出实验结果。

焊接电路时，要检查器件的完整性，以减少排除故障时的工作量。

我还深深的体会到了要将书本上的知识运用到实践中是一件非常不易的事，我们只有不断的通过实践，才能一步一步消化知识，做到融会贯通，这样才是新世纪人才应该做到的。