晶體三極管特性曲線測(cè)試儀設(shè)計(jì)

PAGEPAGEIII晶體三極管特性曲線測(cè)試儀設(shè)計(jì)摘要晶體管特性曲線測(cè)試儀廣泛用于科研，實(shí)驗(yàn)教學(xué)和工業(yè)中，論文選題具有實(shí)際意義。本文在學(xué)習(xí)和查閱相關(guān)文件的基礎(chǔ)上，介紹了實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)易晶體管伏安特性曲線測(cè)試儀基本原理和實(shí)現(xiàn)方案。在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，以MCS-51單片機(jī)最小系統(tǒng)為核心，擴(kuò)展了人機(jī)對(duì)話接口、A/D轉(zhuǎn)換接口；采用555振蕩器實(shí)現(xiàn)了方波和三角波的輸出信號(hào)，利用計(jì)數(shù)器74161和DAC0832產(chǎn)生梯形波，通過(guò)比較器LM311構(gòu)成識(shí)別晶體管類型的判斷。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是在Keil51的平臺(tái)上，使用C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言混合編程編寫了系統(tǒng)應(yīng)用軟件；包括主程序模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。關(guān)鍵詞：晶體管圖示儀；伏安特性；單片機(jī)ABSTRACT：Transistorcurvetracersusedinresearch,teachingandindustrialexperiments,thepracticalsignificanceoftopics.Inthispaper,learningandaccesstorelevantdocuments,basedontherealizationofasimpletransistorintroducedvoltammetriccurvetracersbasictheoryandprograms.InthesystemhardwaredesigntoMCS-51microcomputerasthecore,extendingtheman-machinedialogueinterfaces,A/Dconversioninterface;Achievedby555squarewaveoscillatorandtrianglewaveoutputsignal,generatedusingcounters74161andDAC0832trapezoidalwave,ConstituterecognitionbythecomparatorLM311transistortypejudgments.ThesoftwaredesignistheplatformKeil51usingClanguageandassemblylanguageprogrammingpreparedhybridsystemapplicationsoftware;Includingthemainprogrammodule,displaymodule,dataacquisitionmoduleanddataprocessingmoduleKEYWORDS:TransistorTracer,Volt-amperecharacteristics,Singlesliceofmachine目錄第1章前言 11.1設(shè)計(jì)的背景及意義 11.2晶體管及晶體管特性曲線測(cè)試儀歷史及研究現(xiàn)狀 1第2章晶體管特性曲線測(cè)試儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 32.1晶體三極管原理及工作狀態(tài)分析 32.2系統(tǒng)整體框圖設(shè)計(jì) 42.3各模塊方案設(shè)計(jì)與選擇 52.3.1555振蕩器方波和階梯波發(fā)生模塊 52.3.2晶體管放大倍數(shù)的顯示模塊 52.3.3電源供電模塊 6第3章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 73.1MCS-51單片機(jī)最小系統(tǒng) 73.2電源電路的設(shè)計(jì) 83.3AD采樣電路設(shè)計(jì) 93.3.1ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) 93.3.2ADC0809引腳結(jié)構(gòu) 93.3.3ADC0809應(yīng)用說(shuō)明 103.3.4A/D電路的設(shè)計(jì)原理 113.4波形電路的設(shè)計(jì) 113.4.1階梯波與三角波產(chǎn)生電路 113.4.2555振蕩器的管腳功能 123.5顯示電路設(shè)計(jì) 13第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 174.1系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖 174.2數(shù)據(jù)采集電路的軟件設(shè)計(jì) 174.3顯示電路的軟件設(shè)計(jì) 19第5章系統(tǒng)的調(diào)試與測(cè)試 215.1調(diào)試和測(cè)試儀器 215.2系統(tǒng)的調(diào)試 215.3測(cè)試結(jié)果與分析 23結(jié)論 27致謝 28參考文獻(xiàn) 29附錄 30本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）PAGE32第1章前言1.1設(shè)計(jì)的背景及意義晶體三極管，是半導(dǎo)體基本元器件之一，具有電流放大作用，是電子電路的核心元件。三極管是在一塊半導(dǎo)體基片上制作兩個(gè)相距很近的PN結(jié)，兩個(gè)PN結(jié)把正塊半導(dǎo)體分成三部分，中間部分是基區(qū)，兩側(cè)部分是發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，排列方式有PNP和NPN兩種，從三個(gè)區(qū)引出相應(yīng)的電極，分別為基極b發(fā)射極e和集電極c。發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)叫發(fā)射結(jié)，集電區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)叫集電結(jié)。基區(qū)很薄，而發(fā)射區(qū)較厚，雜質(zhì)濃度大，PNP型三極管發(fā)射區(qū)"發(fā)射"的是空穴，其移動(dòng)方向與電流方向一致，故發(fā)射極箭頭向里；NPN型三極管發(fā)射區(qū)"發(fā)射"的是自由電子，其移動(dòng)方向與電流方向相反，故發(fā)射極箭頭向外。發(fā)射極箭頭向外。發(fā)射極箭頭指向也是PN結(jié)在正向電壓下的導(dǎo)通方向。硅晶體三極管和鍺晶體三極管都有PNP型和NPN型兩種類型。晶體三極管具有電流放大作用，其實(shí)質(zhì)是三極管能以基極電流微小的變化量來(lái)控制集電極電流較大的變化量。這是三極管最基本的和最重要的特性。我們將ΔIc/ΔIb的比值稱為晶體三極管的電流放大倍數(shù)，用符號(hào)“β”表示。電流放大倍數(shù)對(duì)于某一只三極管來(lái)說(shuō)是一個(gè)定值，但隨著三極管工作時(shí)基極電流的變化也會(huì)有一定的改變。晶體管特性圖示儀它是一種能對(duì)晶體管的特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)試的儀器，是用來(lái)測(cè)量晶體管輸入、輸出特性曲線的儀器。在實(shí)驗(yàn)、教學(xué)和工程中通過(guò)使用圖示儀，可以獲得晶體管的實(shí)際特性，能更好的發(fā)揮晶體管的作用。1.2晶體管及晶體管特性曲線測(cè)試儀歷史及研究現(xiàn)狀晶體管是半導(dǎo)體做的固體電子元件。導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，就叫半導(dǎo)體。晶體管就是用半導(dǎo)體材料制成的。最常見(jiàn)的是鍺和硅兩種。半導(dǎo)體是19世紀(jì)末才發(fā)現(xiàn)的一種材料。許多科學(xué)家都投入到半導(dǎo)體的深入研究中。經(jīng)過(guò)緊張的研究工作，美國(guó)物理學(xué)家肖克利、巴丁和布拉頓三人合作發(fā)明了晶體管——一種三個(gè)支點(diǎn)的半導(dǎo)體固體元件。晶體管被人們稱為“三條腿的魔術(shù)師”。他們?nèi)艘惨蜓芯堪雽?dǎo)體及發(fā)現(xiàn)晶體管效應(yīng)而共同獲得1956年最高科學(xué)獎(jiǎng)——諾貝爾物理獎(jiǎng)。巴丁和布拉頓實(shí)驗(yàn)成功的這種晶體管，是金屬觸絲和半導(dǎo)體的某一點(diǎn)接觸，故稱點(diǎn)接觸晶體管。這種晶體管對(duì)電流、電壓都有放大作用。晶體管圖示儀是用來(lái)測(cè)量晶體管輸入、輸出特性曲線的儀器。在實(shí)驗(yàn)、教學(xué)和工程中通過(guò)使用圖示儀，可以獲得晶體管的實(shí)際特性，能更好的發(fā)揮晶體管的作用。晶體管的輸出特性是指在一定的基極電流Ib時(shí)，晶體管集電極與發(fā)射極之間的電壓Uce同集電極電流Ic之間的關(guān)系。每個(gè)Ib對(duì)應(yīng)一條輸出特性曲線。將多個(gè)Ib對(duì)應(yīng)的曲線同時(shí)顯示在示波器上，就可以得到一簇輸出特性曲線。晶體管的輸入特性是指在一定的Uce下，晶體管基極與發(fā)射極之間的電壓Ube同基極電流Ib之間的關(guān)系。每個(gè)Uce對(duì)應(yīng)一條輸入特性曲線。將多個(gè)Uce對(duì)應(yīng)的曲線同時(shí)顯示在示波器上，就可以得到一簇輸入特性曲線。第2章晶體管特性曲線測(cè)試儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1晶體三極管原理及工作狀態(tài)分析晶體三極管由集電結(jié)和發(fā)射結(jié)兩個(gè)PN結(jié)構(gòu)成。根據(jù)兩個(gè)PN結(jié)的偏置極性，三極管有截止、放大、飽和3種工作狀態(tài)。此處以NPN三極管共射極連接為例（如圖a、圖b所示），簡(jiǎn)要分析三極管的工作原理及各組態(tài)：圖2-1三極管共射極連接圖截止?fàn)顟B(tài)：當(dāng)加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓小于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓，基極電流為零，集電極電流和發(fā)射極電流都為零，三極管這時(shí)失去了電流放大作用，集電極和發(fā)射極之間相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)狀態(tài)，稱三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)，uB＜0，兩個(gè)PN結(jié)均為反偏，iB≈0,iC≈0,uCE≈UCC。三極管呈現(xiàn)高阻抗，類似于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。放大狀態(tài)：當(dāng)加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓大于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓，并處于某一恰當(dāng)?shù)闹禃r(shí)，三極管的發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置，這時(shí)基極電流對(duì)集電極電流起著控制作用，使三極管具有電流放大作用，其電流放大倍數(shù)β＝ΔIc/ΔIb，這時(shí)三極管處放大狀態(tài)。此時(shí)，uB＞0，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，iC=βiB。飽和導(dǎo)通狀態(tài)：當(dāng)加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓大于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓，并當(dāng)基極電流增大到一定程度時(shí)，集電極電流不再隨著基極電流的增大而增大，而是處于某一定值附近不怎么變化，這時(shí)三極管失去電流放大作用，集電極與發(fā)射極之間的電壓很小，集電極和發(fā)射極之間相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)。三極管的這種狀態(tài)稱之為飽和導(dǎo)通狀態(tài)。此時(shí)，uB＞0，兩個(gè)PN結(jié)均為正偏，iB≥IBS(基極臨界飽和電流)≈UCC/βRc,此時(shí)iC=ICS(集電極飽和電流)≈UCC/Rc。三極管呈現(xiàn)低阻抗，類似于開(kāi)關(guān)接通。根據(jù)警惕三極管工作時(shí)各個(gè)電極的電位高低，就能判別三極管的工作于何種狀態(tài)。2.2系統(tǒng)整體框圖設(shè)計(jì)根據(jù)任務(wù)要求及電路的實(shí)際情況，考慮到單片機(jī)具有物美價(jià)廉、功能強(qiáng)、使用方便靈活、可靠性高等特點(diǎn)，擬采用MCS-51系列的單片機(jī)為核心來(lái)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)如圖2-1所示。圖2-2系統(tǒng)整體原理框圖該系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成：(1)555振蕩器產(chǎn)波形產(chǎn)生模塊(2)DA階梯波產(chǎn)生模塊(3)AD采樣模塊(4)AT89S52單片機(jī)核心最小系統(tǒng)(5)LED顯示模塊(6)電源供電模塊。2.3各模塊方案設(shè)計(jì)與選擇2.3.1555振蕩器方波和階梯波發(fā)生模塊要對(duì)晶體三極管進(jìn)行輸出特性曲線繪制，則需要將ib作為參變量，一個(gè)變化的Vce，采樣ic通過(guò)示波器進(jìn)行繪制，即需要在三極管基極加個(gè)階梯波，在集電極加一個(gè)鋸齒波或者三角波。方案一：采用運(yùn)算放大器產(chǎn)生一個(gè)方波發(fā)生電路，此種波形產(chǎn)生電路雖然簡(jiǎn)單，成本低廉，但是電路復(fù)雜并且精度不高。方案二：利用軟件編程，通過(guò)單片機(jī)發(fā)出所需要的階梯波和三角波形，具體做法是在程序中設(shè)兩個(gè)循環(huán)，使送入DAC的數(shù)字信號(hào)依次增大，當(dāng)增大到一定值是使其循環(huán)至最小值再送入DAC并循環(huán)輸出，這樣通過(guò)DAC輸出的即為階梯波和三角波，波形的幅度可以通過(guò)數(shù)字量來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，波形的頻率可以通過(guò)發(fā)送數(shù)字量的頻率來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，即可添加一定的延時(shí)來(lái)改變輸出波形的頻率。方案三：利用硬件搭建信號(hào)發(fā)生電路。在本設(shè)計(jì)中需要的是階梯波和三角波形，首先想到了搭建一個(gè)方波發(fā)生電路，再利用積分電路使得產(chǎn)生三角波；或者先搭建三角波發(fā)生電路，再通過(guò)一路比較器電路使其能夠產(chǎn)生方波信號(hào)。關(guān)于階梯波的產(chǎn)生，利用計(jì)數(shù)器74161和DAC0832來(lái)產(chǎn)生，具體做法是讓產(chǎn)生的方波作為脈沖信號(hào)送入計(jì)數(shù)器的CLk端，使得計(jì)數(shù)器能夠循環(huán)計(jì)數(shù)，并把所得的數(shù)字量送入DAC0832，當(dāng)輸入達(dá)到一定的數(shù)字量時(shí)，數(shù)字量第四位出現(xiàn)“1”，即記數(shù)到“8”時(shí)，能夠通過(guò)邏輯門接入自動(dòng)清零。故通過(guò)DAC0832輸出的信號(hào)為循環(huán)的階梯波。方案一會(huì)使得單片機(jī)程序負(fù)擔(dān)太重，考慮到51單片機(jī)硬件資源上的局限性和軟件上的編寫、調(diào)試時(shí)間，方案二來(lái)產(chǎn)生所需要的波形，對(duì)三極管的基極和集電極進(jìn)行掃描，就可以得到晶體管的伏安特性曲線。2.3.2晶體管放大倍數(shù)的顯示模塊利用單片機(jī)通過(guò)ADC0809來(lái)采集晶體管集電極電阻Rb和基極電阻Rc的電壓，計(jì)算放大倍數(shù)并顯示出來(lái)。方案一：采用八位共陰極數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示。方案二：采用LCD液晶顯示。由于LCD液晶顯示的驅(qū)動(dòng)程序復(fù)雜，且成本相對(duì)較高，因此采用了八位共陰極數(shù)碼管顯示測(cè)得的晶體管放大倍數(shù)。2.3.3電源供電模塊本次作品的任務(wù)中已經(jīng)提供了直流電源，而要用到的電源只有。方案一：采用以LM323為主的電源調(diào)節(jié)模塊將15V電源電壓調(diào)節(jié)至5V。方案二：采用LM317為主的模塊，實(shí)現(xiàn)電壓可調(diào)。方案三：采用以LM7805的恒壓輸出。方案四：采用9V電池經(jīng)7805得到+5V電源?？紤]到本次設(shè)計(jì)對(duì)電源沒(méi)有正負(fù)要求，故使用方案四即可。第3章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1MCS-51單片機(jī)最小系統(tǒng)在本設(shè)計(jì)中，考慮到單片機(jī)構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)有較大的可靠性，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)，且應(yīng)用系統(tǒng)有較高的軟、硬件利用系數(shù)。還具有可編程性，硬件的功能描述可完全在軟件上實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)還需要利用單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等等。所以，選擇以單片機(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)具有極大的必要性。MCS-51單片機(jī)包含中央處理器、程序存儲(chǔ)器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元，以及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線，現(xiàn)在分別加以說(shuō)明：·中央處理器：中央處理器(CPU)是整個(gè)單片機(jī)的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個(gè)單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運(yùn)算和控制輸入輸出功能等操作?！?shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)內(nèi)部有128個(gè)8位用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和128個(gè)專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問(wèn)，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的RAM只有128個(gè)，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運(yùn)算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。 ·程序存儲(chǔ)器(ROM)：共有4096個(gè)8位掩膜ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格?！ざ〞r(shí)/計(jì)數(shù)器(ROM)：有兩個(gè)16位的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。·并行輸入輸出(I/O)口：共有4組8位I/O口(P0、P1、P2或P3)，用于對(duì)外部數(shù)據(jù)的傳輸?！とp工串行口：內(nèi)置一個(gè)全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當(dāng)同步移位器使用?！ぶ袛嘞到y(tǒng)：具備較完善的中斷功能，有兩個(gè)外中斷、兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷和一個(gè)串口中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級(jí)的優(yōu)先級(jí)別選擇。·時(shí)鐘電路：內(nèi)置最高頻率達(dá)12MHz的時(shí)鐘電路，用于產(chǎn)生整個(gè)單片機(jī)運(yùn)行的脈沖時(shí)序。圖3-1單片機(jī)最小系統(tǒng)本電路使用單片機(jī)內(nèi)部振蕩器，12MHz的晶體諧振器直接接在單片機(jī)的時(shí)鐘端口X1和X2，電路中C2、C3為振蕩器的匹配電容。該電路簡(jiǎn)單，工作可靠。3.2電源電路的設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)由外界提供電源，擬采用9V電源經(jīng)7805得到5V電源。電源電路如圖3-2。圖3-2電源供電電路3.3AD采樣電路設(shè)計(jì)3.3.1ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)ADC0809由一個(gè)8路模擬開(kāi)關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開(kāi)關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。其結(jié)構(gòu)圖如圖3-3所示：圖3-3ADC0809的結(jié)構(gòu)圖3.3.2ADC0809引腳結(jié)構(gòu)在運(yùn)用A\D時(shí)，采用了ADC0809通用模數(shù)轉(zhuǎn)換器，取其8路輸出的一路。由于其參考電壓取5V，直接將其輸出接單片機(jī)P0口。在連接端口時(shí)注意ADC0809為逐次比較，需要將其2.1腳接P0口高位。ADC0809的引腳圖如下圖3-4所示圖3-4ADC0809的管腳排列圖ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時(shí)，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0－IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如表3-1所示。表3-1通道選擇表CBA選擇的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7CLK為時(shí)鐘輸入信號(hào)線。因ADC0809的內(nèi)部沒(méi)有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ。3.3.3ADC0809應(yīng)用說(shuō)明（1）ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與AT89S51單片機(jī)直接相連。（2）初始化時(shí)，使ST和OE信號(hào)全為低電平。（3）送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到A，B，C端口上。（4）在ST端給出一個(gè)至少有100ns寬的正脈沖信號(hào)。（5）是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC信號(hào)來(lái)判斷。（6）當(dāng)EOC變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，這時(shí)給OE為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機(jī)了。3.3.4A/D電路的設(shè)計(jì)原理ADC0809對(duì)輸入模擬量要求：信號(hào)單極性，電壓范圍是0－5V，若信號(hào)太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過(guò)程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。原理圖如圖3-5所示：圖3-5ADC0809原理圖3.4波形電路的設(shè)計(jì)3.4.1階梯波與三角波產(chǎn)生電路在本設(shè)計(jì)中需要的是階梯波和類三角波形，我們首先想到了搭建一個(gè)方波發(fā)生電路，再利用積分電路產(chǎn)生三角波,或者先搭建三角波發(fā)生電路，再通過(guò)比較器產(chǎn)生方波信號(hào)。關(guān)于梯形波的產(chǎn)生，我這里利用計(jì)數(shù)器和DAC0832來(lái)產(chǎn)生，具體做法是讓產(chǎn)生的方波經(jīng)過(guò)處理后作為脈沖信號(hào)送入計(jì)數(shù)器的CLK端，使計(jì)數(shù)器能夠循環(huán)計(jì)數(shù)，并把計(jì)數(shù)值送入DAC0832，即可輸出循環(huán)的階梯波。但是上面這個(gè)方法對(duì)輸入計(jì)數(shù)器的CLK信號(hào)品質(zhì)要求較高，用一般運(yùn)放搭建的方波發(fā)生電路輸出的信號(hào)送入計(jì)數(shù)器會(huì)使得輸出階梯波形不穩(wěn)定，究其原因，是因?yàn)橛?jì)數(shù)器對(duì)CLK信號(hào)要求很嚴(yán)，而用一般運(yùn)放搭建的方波發(fā)生電路產(chǎn)生的方波有一定的毛刺。用555觸發(fā)器搭建方波信號(hào)發(fā)生電路，所產(chǎn)生的方波相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)，作為CLK信號(hào)可以使計(jì)數(shù)器正常工作。波形發(fā)生電路原理框圖如下圖3-6所示：圖3-6波形產(chǎn)生電路框圖3.4.2555振蕩器的管腳功能555電路由電阻分壓器、電壓比較器、基本RS觸發(fā)器、放電管和輸出緩沖器5個(gè)部分組成。它的各個(gè)引腳功能如下：1腳：GND(或Vss)外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。8腳：VCC(或VDD)外接電源VCC，雙極型時(shí)基電路VCC的范圍是4.5～16V，CMOS型時(shí)基電路VCC的范圍為3～18V。一般用5V。3腳：OUT（或Vo）輸出端。2腳：TR低觸發(fā)端。6腳：TH高觸發(fā)端。4腳：R是直接清零端。當(dāng)R端接低電平，則時(shí)基電路不工作，此時(shí)不論TR、TH處于何電平，時(shí)基電路輸出為“0”，該端不用時(shí)應(yīng)接高電平。5腳：CO(或VC)為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部?jī)蓚€(gè)比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時(shí)，應(yīng)將該端串入一只0.01μF電容接地，以防引入干擾。7腳：D放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時(shí)器時(shí)電容的放電。電阻分壓器由三個(gè)5kΩ的等值電阻串聯(lián)而成。電阻分壓器為比較器C1、C2提供參考電壓，比較器C1的參考電壓為2/3Vcc，加在同相輸入端，比較器C2的參考電壓為1/3Vcc，加在反相輸入端。比較器由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的集成運(yùn)放C1、C2組成。高電平觸發(fā)信號(hào)加在C1的反相輸入端，與同相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本RS觸發(fā)器R端的輸入信號(hào)；低電平觸發(fā)信號(hào)加在C2的同相輸入端，與反相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本RS觸發(fā)器S端的輸入信號(hào)。基本RS觸發(fā)器的輸出狀態(tài)受比較器C1、C2的輸出端控制。本設(shè)計(jì)中振蕩電路的設(shè)計(jì)電路如下圖3-7所示：圖3-7振蕩電路本設(shè)計(jì)555振蕩器用來(lái)生成三角波和方波。D1、D2用來(lái)決定電容充、放電電流流經(jīng)電阻的途徑（充電時(shí)D1導(dǎo)通，D2截止；放電時(shí)D2導(dǎo)通，D1截止）。其中：頻率：(3-1)占空比：(3-2)幅值：3.5顯示電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)采用數(shù)碼管顯示晶體管的放大倍數(shù)，單片機(jī)通過(guò)ADC0809來(lái)測(cè)量晶體管基極與集電極的電壓，通過(guò)各自的采樣電阻及其伏安關(guān)系，能夠計(jì)算出兩個(gè)電流的關(guān)系，即可得到晶體管的放大倍數(shù)，只要在程序中能夠?qū)⒎糯蟊稊?shù)各位逐個(gè)的分離出來(lái)，并逐位動(dòng)態(tài)顯示，即可在數(shù)碼管上顯示出放大倍數(shù)。本方案中選用共陰極數(shù)碼管，通過(guò)74HC573進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。顯示電路原理框圖如下圖3-8所示：圖3-8顯示電路原理框圖數(shù)碼管要能夠正常顯示，就需要用驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各個(gè)段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式兩類。靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)：靜態(tài)驅(qū)動(dòng)也稱直流驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)是指每個(gè)數(shù)碼管的每一個(gè)段碼都由一個(gè)單片機(jī)的I/O端口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或者使用如BCD二-十進(jìn)制譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單，顯示亮度高，缺點(diǎn)是占用I/O端口多，實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須增加譯碼驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，增加了硬件電路的復(fù)雜性。動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)：數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開(kāi)，該位就顯示出字形，沒(méi)有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。通過(guò)分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的的COM端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過(guò)程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為1~2ms，由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。經(jīng)過(guò)對(duì)兩種顯示方式的比較分析：靜態(tài)方式需要大量I/O，而動(dòng)態(tài)掃描顯示方式能夠節(jié)省大量的I/O口，且電路結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，顯示效果良好，因此最終采用動(dòng)態(tài)掃描顯示方式。原理如3-9所示：圖3-9數(shù)碼管顯示電路電路由3個(gè)共陰極數(shù)碼管、一片74HC573構(gòu)成。數(shù)碼管字形編碼表如表3-2所示：表3-2共陰極數(shù)碼管字型編碼表顯示字型段位編碼對(duì)應(yīng)十六進(jìn)制編碼gfedcba001111110x3f100001100x06210110110x5b310011110x4f411001100x66511011010x6d611111000x7d700001110x07811111110x7f911001110x6f第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖軟件設(shè)計(jì)部分就是圍繞51單片機(jī)來(lái)完成相應(yīng)部分的匯編程序，與硬件設(shè)計(jì)部分共同完成整個(gè)設(shè)計(jì)，從而達(dá)到自己設(shè)計(jì)所要達(dá)到的一起效果。本設(shè)計(jì)在測(cè)量晶體管放大倍數(shù)時(shí)，需對(duì)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)軟件編程處理，最后將放大倍數(shù)輸出顯示。啟動(dòng)ADC0809等到鋸齒波上升到合適的位置采集通道0的信號(hào)Rc兩端電壓，并送入單片機(jī)，以8位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，再采集通道1的信號(hào)Rb兩端電壓，并送入單片機(jī)，以8位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)1存入累加器A，再通過(guò)分解出累加器A中的數(shù)據(jù)，并在數(shù)碼管各個(gè)位上顯示，從而得出晶體管放大倍數(shù)。軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖4-1所示：圖4-1軟件流程圖根據(jù)總的流程圖來(lái)具體書(shū)寫各個(gè)部分的匯編程序。軟件編程是以51單片機(jī)為核心進(jìn)行外圍設(shè)備的擴(kuò)展。4.2數(shù)據(jù)采集電路的軟件設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)采集中，通過(guò)匯編語(yǔ)言編寫相應(yīng)的程序，首先初始化子程序，再通過(guò)啟動(dòng)ADC0809采集通道0的信號(hào)Rc兩端電壓，并送入單片機(jī)，以8位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，再采集通道1的信號(hào)Rb兩端電壓，并送入單片機(jī)，以8位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)框圖如4-2所示：圖4-2數(shù)據(jù)采集流程圖經(jīng)過(guò)軟件編程采集到的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并存入累加器，在由顯示部分輸出顯示。數(shù)據(jù)采集的具體程序?qū)崿F(xiàn)如下所示：ORG0000HMAIN:SETBP2.4;寄存器初始化，開(kāi)中斷MOVR0,#37HCLRP3.5;采集通道0數(shù)據(jù)，放入R2SETBP2.7CLRP2.7LCALLDELAYSETBP2.6MOVA,P0MOVR2,ASETBP3.5;采集通道1數(shù)據(jù)，放入R3SETBP2.7CLRP2.7LCALLDELAYSETBP2.6MOVA,P0MOVR3,A4.3顯示電路的軟件設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)的模塊中，每個(gè)模塊都是以單片機(jī)為核心，在測(cè)量放大倍數(shù)的設(shè)計(jì)中，便于直觀性，通過(guò)數(shù)碼管顯示測(cè)得的晶體管放大倍數(shù)。單片機(jī)通過(guò)ADC0809來(lái)測(cè)量晶體管基極與集電極的電壓，通過(guò)各自的采樣電阻及其伏安關(guān)系，能夠計(jì)算出兩個(gè)電流的關(guān)系，即可得到晶體管的放大倍數(shù)，只要在程序中能夠?qū)⒎糯蟊稊?shù)各位逐個(gè)的分離出來(lái)，并逐位動(dòng)態(tài)顯示，即可在數(shù)碼管上顯示出放大倍數(shù)。具體程序如下所示：ORG0000HMAIN:MOVR0,#37HMOVR2,#1MOVA,R2;顯示放大倍數(shù)的百位MOVDPTR,#KMOVCA,@A+DPTRMOVP1,AMOVA,P2ANLA,#0FEHORLA,#08HMOVP2,AACALLDELAYINCR2MOVA,R2;顯示放大倍數(shù)的十位MOVDPTR,#KMOVCA,@A+DPTRMOVP1,AMOVA,P2ANLA,#0FDHORLA,#01HMOVP2,AACALLDELAYINCR2MOVA,R2;顯示放大倍數(shù)的個(gè)位MOVDPTR,#KMOVCA,@A+DPTRMOVP1,AMOVA,P2ANLA,#0FBHORLA,#02HMOVP2,AACALLDELAYDELAY:MOVR1,#200;200us延時(shí)DL1:NOPNOPNOPDJNZR1,DL1RETK:DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH;共陰極數(shù)碼管七段碼表END第5章系統(tǒng)的調(diào)試與測(cè)試5.1調(diào)試和測(cè)試儀器1.數(shù)字示波器：2.模擬示波器：帶寬20M，雙蹤模擬示波器。3.萬(wàn)用表：四位半。5.2系統(tǒng)的調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試的目的是通過(guò)控制程序和硬件電路的配合工作，進(jìn)行一些操作，以驗(yàn)證系統(tǒng)的軟、硬件是否能夠完成設(shè)計(jì)的功能。調(diào)試的過(guò)程是按照系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能來(lái)劃分的。硬件電路系統(tǒng)調(diào)試首先是保證各個(gè)元件之間以及各個(gè)模塊之間的連接正確并且接觸良好，這是整個(gè)硬件電路系統(tǒng)正常工作的前提。接著分別測(cè)試各個(gè)硬件模塊的性能。按照測(cè)試性質(zhì)的不同可分為電壓測(cè)試和信號(hào)測(cè)試兩種。1.電源模塊主要是電壓調(diào)試。調(diào)試結(jié)果為：將給定的9V電壓降至5V，電壓調(diào)試的結(jié)果與預(yù)期目的一致，從而確保了提供給其它模塊電壓的穩(wěn)定性。2.單片機(jī)輸入輸出接口主要是信號(hào)調(diào)試試。根據(jù)理論計(jì)算和軟件仿真的預(yù)期結(jié)果，再通過(guò)對(duì)響應(yīng)的信號(hào)進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試結(jié)果與預(yù)期結(jié)果基本一致，保證了系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)的思路正常運(yùn)行。3.硬件電路的調(diào)試首先是測(cè)試所產(chǎn)生的基礎(chǔ)波形，方波和三角波。方波是由555組成的振蕩器產(chǎn)生的，經(jīng)過(guò)放大后測(cè)試波形如圖5-1所示。三角波產(chǎn)生后其放大的輸出波形如圖5-2所示。圖5-1方波波形圖圖5-2三角波波形圖階梯波的產(chǎn)生是通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器將產(chǎn)生的方波作為脈沖信號(hào)送入計(jì)數(shù)端，使計(jì)數(shù)器能夠循環(huán)計(jì)數(shù)，并把計(jì)數(shù)值送入DA轉(zhuǎn)換器，從而輸出階梯波，其波形顯示如圖5-3所示。圖5-3階梯波波形圖5.3測(cè)試結(jié)果與分析波形可以利用模擬示波器的耦合功能來(lái)測(cè)試。用通道0測(cè)試晶體管的集電極電壓，用通道1測(cè)試集電極電阻兩端的電壓，然后將示波器置于X-Y耦合工作方式，即可觀察出晶體管的伏安特性曲線。放大倍數(shù)測(cè)試以單片機(jī)為核心通過(guò)ADC0809來(lái)測(cè)量晶體管基極與集電極的電壓，通過(guò)各自的采樣電阻及其伏安關(guān)系，能夠計(jì)算出兩個(gè)電流的關(guān)系，即可得到晶體管的放大倍數(shù)，只要在程序中能夠?qū)⒎糯蟊稊?shù)各位逐個(gè)的分離出來(lái)，并逐位動(dòng)態(tài)顯示，即可在數(shù)碼管上顯示出放大倍數(shù)。輸出波形及掃描結(jié)果（以NPN型晶體管為代表），用示波器觀察晶體管集電極的電壓，及Rc兩端的電壓。集電極波形如圖5-4所示，Rc兩端的電壓波形如圖5-5所示。圖5-4集電極電壓圖5-5Rc兩端電壓最終的晶體管伏安特性測(cè)試如圖5-6所示，調(diào)節(jié)Rc，及Ib增量后的顯示結(jié)果如圖5-7所示。圖5-6晶體管伏安特性圖圖5-7調(diào)節(jié)Rc及基極電流后的特性圖放大倍數(shù)測(cè)試，由測(cè)試結(jié)果和萬(wàn)用的測(cè)試值對(duì)比可以知，測(cè)得的β值有一定的誤差，而且β值越大時(shí)誤差越大，范圍為10-20的偏差。如圖5-8所示圖5-8放大倍數(shù)顯示由此測(cè)試結(jié)果，可以看出本設(shè)計(jì)基本完成了設(shè)計(jì)要求，可以在示波器上清晰的觀察到8條NPN晶體管的伏安特性曲線，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)階梯波的幅度，進(jìn)而調(diào)節(jié)Ib增量。能對(duì)給定的晶體管NPN的放大倍數(shù)進(jìn)行測(cè)量并顯示，但與萬(wàn)用表的測(cè)量值有一定的誤差，范圍為10-20左右，該誤差可能來(lái)源于ADC0809取樣時(shí)的誤差和軟件編程處理時(shí)的誤差。但總體符合設(shè)計(jì)要求。結(jié)論以MCS-51單片機(jī)最小系統(tǒng)為核心的設(shè)計(jì)能夠滿足了整個(gè)系統(tǒng)的工作需求，系統(tǒng)擴(kuò)展的人機(jī)接口，A/D轉(zhuǎn)換接口有效的實(shí)現(xiàn)了數(shù)字量和模擬量的相互轉(zhuǎn)換。555振蕩器實(shí)現(xiàn)了三角波和方波的產(chǎn)生。計(jì)數(shù)器74161和DAC0832能夠產(chǎn)生階梯波。經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)各個(gè)模塊都能正常工作，成功地達(dá)到了設(shè)計(jì)的硬件要求。系統(tǒng)的軟件部分是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種工作狀態(tài)的關(guān)鍵。通過(guò)結(jié)合硬件電路，在Keil51的平臺(tái)上，使用C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言混合編程編寫了系統(tǒng)應(yīng)用程序，使程序能夠正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的要求?？傊?，整個(gè)系統(tǒng)的工作正常，完成了設(shè)計(jì)任務(wù)的全部要求。致謝參考文獻(xiàn)[1]李玲遠(yuǎn)，田化梅，宋立新．電子技術(shù)基礎(chǔ)教程：模擬部分[M]．武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2000．[2]王琦．晶體三極管輸出特性曲線教學(xué)研究[J]．市場(chǎng)周刊，2008(11)：155-156．[3]高文煥，李冬梅．電子線路基礎(chǔ)[M]．2版．北京：高等教育出版社，2005．[4]張?chǎng)?，華臻，陳書(shū)謙．單片機(jī)原理及應(yīng)用．北京：電子工業(yè)出版社，2005.8．[5]胡漢才．單片機(jī)原理及其接口技術(shù)．北京：清華大學(xué)出版社，1996.7.[6]童詩(shī)白．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]．3版．北京：高等教育出版社，2002．[7]袁南、沈平子，電磁量的單位制和單位的復(fù)現(xiàn)與傳遞，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986.[8]高文煥，張尊僑，徐振英，等．電子技術(shù)試驗(yàn)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2004．[9]劉君華.現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)與測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì).西安：西安交通大學(xué)出版社，1999.[10]郭戍生、古天祥、陸玉新、張世箕.電子儀器原理.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1989.[11]趙新民、王祁.智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ).哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1999.[12]薛鈞義，張彥斌．MCS-51/96系列單片微型計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用．西安：西安交通大學(xué)出版社，1997.8．[13]J.C.Whitaker.ThermalDesignofElectronicEquipment,CRCPressLLC.London2001[14]A.P.Knyupfer.Dynamicerrorinanalog-digitalconversion[J].MeasurementTechniques.Volue11,Number9.1225～1229[15]MariusGrundmann.ThePhysicsofSemiconductors[M].SpringerBerlinHeidelberg.2006,577～620附錄附錄一：源程序：ORG0000HAJMPMAINORG0003HLJMPINTT0ORG0013HLJMPINTT1ORG001BHLJMPTT1MAIN:CLRP2.4