半導(dǎo)體三極管值范圍測量儀設(shè)計2.doc

電信03級（4）班編號：第一部分：設(shè)計任務(wù)一、設(shè)計任務(wù)和要求設(shè)計制作一個自動測量三極管直流放大系數(shù)值范圍的裝置。1、對被測NPN型三極管值分三檔；2、值的范圍分別為5080、80120及120180，對應(yīng)的分檔編號分別是1、2、3；3、用數(shù)碼管顯示值的檔次；4、電路采用5V或正負5V電源供電。二：設(shè)計思路指南1將變化的值轉(zhuǎn)化為與之成正比變化的電壓或電流量，再取樣進行比較、分檔。上述轉(zhuǎn)換過程可由以下方案實現(xiàn)：根據(jù)三極管電流IC=IB的關(guān)系，當(dāng)IB為固定值時，IC反映了的變化，電阻RC上的電壓VRC又反映了IC的變化，對VRC取樣加入后級進行分檔比較。以下給出采用上述方案的參考電路如圖1、圖2所示。oU圖1T1、T2、R1、R3構(gòu)成微電流源電路，R2是被測管T3的基極電流取樣電阻，R4是集電極電流取樣電阻。由運放構(gòu)成的差動放大電路，實現(xiàn)電壓取樣及隔離放大作用。oU圖2T1是被測三極管，其基極電流可由R1、R2限定，運算放大器的輸出oUIBR3。2將取樣信號同時加到具有不同基準電壓的比較電路輸入端進行比較，對應(yīng)某一定值oU，只有相應(yīng)的一個比較電路輸出為高電平，則其余比較器輸出為低電平。對比較器輸出的高電平進行二進制編碼，再經(jīng)顯示譯碼器譯碼，驅(qū)動數(shù)碼管顯示出相應(yīng)的檔次代號。3、參考方案：圖3第二部分：設(shè)計方案一：設(shè)計方案分析論證：設(shè)計電路測量三極管的值，將三極管值轉(zhuǎn)換為其他可用儀器測量的物理量來進行測量（如電壓，根據(jù)三極管電流IC=IB的關(guān)系，當(dāng)IB為固定值時，IC反映了的變化，電阻RC上的電壓VRC又反映了IC的變化）。1、值與電流電壓的轉(zhuǎn)換（方案一）轉(zhuǎn)換電路比較電路基準電壓編碼譯碼顯示T1、T2、R1、R3構(gòu)成微電流源電路，R2是被測管T3的基極電流取樣電阻，R4是集電極電流取樣電阻。由運放構(gòu)成的差動放大電路，實現(xiàn)電壓取樣及隔離放大作用。根據(jù)三極管電流IC=IB的關(guān)系，當(dāng)IB為固定值時，IC隨著的變化而變化，電阻RC上的電壓VRC正好反映了IC的變化，所以，我們對VRC取樣加入后級，進行分檔比較。從而實現(xiàn)目的。該電路用微電流源為基極取樣電阻提供穩(wěn)恒的電流，這樣便于測量值。2、值與電流電壓的轉(zhuǎn)換（方案二）T1是被測三極管，其基極電流可由R1、R2限定，運算放大器的輸出oUIBR3。3、方案比較結(jié)果：通過兩個方案的比較：可以看出，由于微電流源具有較好的穩(wěn)定性，而且能夠減小電路的直流功率損耗，它的輸出具有更好的恒流特性，能夠輸出具有uA量級的電流，所以選擇方案一，采用微電流源提供取樣電阻的恒定電流。4、其余部分方案論證：因為題目要求分三檔顯示三極管的值（即值的范圍分別為5080、80120及120180，對應(yīng)的分檔編號分別是1、2、3），所以對轉(zhuǎn)換后的物理量進行采樣,將取樣信號同時加到具有不同基準電壓的比較電路輸入端進行比較，相應(yīng)的一個比較電路輸出高電平，其余比較器輸出為低電平，實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換。比較后再進行分檔顯示。要實現(xiàn)分檔顯示，則必須對比較器輸出的高電平進行二進制編碼和顯示譯碼器譯碼，驅(qū)動數(shù)碼管顯示出相應(yīng)的值檔次代號，從而實現(xiàn)該檔次代號的顯示。（1）轉(zhuǎn)換電路部分：提供一個穩(wěn)定的電流源，使值的變化不會影響到電流源，而導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生。因此，我采用上圖所示的微電流源電路，供給待測NPN三極管基極穩(wěn)恒的電流。因為值與Ic有關(guān)，而且小功率管的值在Ic23mA時較大，而在截止與飽和區(qū)較小，測量不準確。根據(jù)IICB，這里，IB的選擇在30A40A之間。（2）比較部分，將從前級采樣比較電路中，得出的電壓，與各個基準電壓進行比較，通過LM324比較器，得出4個高低電平數(shù)據(jù)，提供給編碼電路。因此，實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的功能是轉(zhuǎn)換電路的根本作用。（3）在編碼電路部分中，我使用優(yōu)先編碼器，將從轉(zhuǎn)換電路中得出的高低電平進行編碼，并輸出結(jié)果，提供給譯碼器。編碼對應(yīng)的值的范圍如下：值各級比較電平1級比較2級比較3級比較4級比較50以下000050-80000180-1200011120-1800111180以上1111在電壓比較電路實現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換，其后再經(jīng)過編碼電路將四位比較電平轉(zhuǎn)為BCD碼形式，其輸入輸出如下:輸入優(yōu)先編碼器的輸出電平00010001001100100111001111110100（4）譯碼以及顯示部分將從優(yōu)先編碼器得出的結(jié)果，進行譯碼，提供給7段LED顯示管進行顯示。優(yōu)先編碼器及7段顯示譯碼輸出的真值表如下：輸入編碼器輸出BCD7段顯示譯碼輸出字形YaYbYcYdYeYfYg00000000111111000001000101100001001100101101101201110011111100131111010001100114二、總方框圖如圖：三：各部分電路功能的簡單說明1、轉(zhuǎn)換電路：它是用與把不能直接用儀器測量的NPN型三極管值轉(zhuǎn)換成可以直接被測量的集電極電壓，再把這個電壓采樣放大，為下一級電壓比較電路提供采樣電壓，其中包括提供恒定電流的微電流源電路和起放大隔離的差動放大電路。2、電壓比較電路：由于被測量的物理量要分三檔（即值分別為5080、80120及120180，對應(yīng)的分檔編號分別是1、2、3）還要考慮到少于50，和大于180的，于是比較電路需要把結(jié)果分成五個層次。則至少需要四個基準電壓，該電路就是有一個串聯(lián)電阻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生四個不同的基準電壓，再用四個運算放大器組成的比較電路，將取樣信號同時加到具有不同基準電壓的比較電路輸入端進行比較，對應(yīng)某一定值oU，相應(yīng)的一個比較電路輸出為高電平，其余比較器輸出為低電平。3、編碼電路：將電壓比較電路的比較結(jié)果（高低電平）進行二進制編碼。該編碼功能主要由集成芯片8位優(yōu)先編碼器CD4532完成。4、譯碼電路：主要是把編碼電路編成的二進制編碼譯碼成十進制數(shù)，以便于人機交流（即要顯示的數(shù)為人類易懂的十進制數(shù)1、2、3）。該電路功能主要由芯片CD4511完成。5、顯示：該電路功能是用共陰數(shù)碼管顯示被測量的NPN型三極管值的檔次。第三部分電路設(shè)計一、根據(jù)設(shè)計方案的方框圖進行模塊化設(shè)計：轉(zhuǎn)換電路比較電路基準電壓編碼譯碼顯示1、轉(zhuǎn)換電路其中包括微電流源（提供恒定電流）和差動放大電路（電壓取樣及隔離放大作用）。將變化的三極管值轉(zhuǎn)化為與之成正比變化的電壓量，再取樣進行比較、分檔。上述轉(zhuǎn)換過程可由以下方案實現(xiàn)：根據(jù)三極管電流IC=IB的關(guān)系，當(dāng)IB為固定值時，IC反映了的變化，電阻RC上的電壓VRC又反映了IC的變化，對VRC取樣加入后級進行分檔比較。為了取得固定IB，采用微電流源電路提供恒定電流。微電流源電路：有些情況下，要求得到極其微小的輸出電流（如三極管基極電流比較?。?，這時可令比例電流源中的Re1=0，便成了微電流