电子电路综合实验报告
实验名称： 专业：
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班内序号：
指导老师
实验名称：简易晶体管图示仪的设计与实现
一、 实验目的：
1. 通过实验进一步掌握集成运放的基本使用方法。
2. 进一步提高工程设计和实践动手能力，加强系统概念。
二、 报告摘要：
本报告主要介绍简易晶体管的设计及实现方法，给出了其中给出了各个分块电路的电路图，原理和设计说明，功能说明，还有总电路的仿真，电路图，展示了实验中示波器上的波形和其他一些重要的数据。在后半部分会提及实验设计中遇到的问题及解决方法，以及在实际操作过程中遇到的困难和解决方法，还有本次实验的结论与总结。
三、关键词：
方波、锯齿波、阶梯波、特征曲线。
四、设计任务要求：
1. 基本要求：
⑴设计一个阶梯波发生器，f ≥500Hz, Uopp≥3V，阶数=6, ;
⑵设计一个三角波发生器，三角波Vopp≥2V;
⑶设计保护电路，实现对三极管输出特性的测试，能清晰显示NPN 管输出特性曲线。
2. 提高要求
⑴可以识别NPN,PNP 管，并正确测试不同性质三极管;
⑵设计阶数可调的阶梯波发生器。
五、设计思路：
试验要求用示波器稳定显示晶体管输入输出特性曲线。
我选择使用NE555时基振荡器产生方波和带直流的锯齿波(此时后面锯齿波发生电路的设计就有两种选择，其舍取原因将在后文解释) 。
第二步则是将产生的方波作为16进制计数器74LS169的时钟信号(74LS169是模16的同步二进制计数器) ，通过四位二进制输出来计时钟沿的个数，用它的三位输出为多路开关CD4051提供地址。
第三部分：CD4051是一个数据选择器，根据16进制计数器74LS169给出的地址进行选择性的输出，产生阶梯波，并通过一个电阻接至NPN 管的基极。
第四部分：从NE555产生的锯齿波经由双运放LF353进行放大处理，产生幅度和频率符合要求的锯齿波通过一个电阻输入到三极管集电极。
需要双踪示波器观测时记录数据为X 轴的接晶体管射级，Y 轴接至三角波输出端。
六、总体结构框图：
图一总体结构框图
七、设计关键单元电路及设计方案的比较：
⑴用NE555产生方波及锯齿波：
图二方波产生电路 图三NE555引脚图
原理：NE555内部含有两个电压比较器，一个分压器，一个RS 触发器，一个放电晶体管和一个功率输出级。
NE555的3口输出方波，2口输出锯齿
波。由资料可知: 电阻
R1、R2和电容C1
构成定时电路。多谐振荡器的放电时间常
数分别为
tPH ≈0.693×（R1+R2）×C1
tPL ≈0.693×R2×C1
振荡周期T 和振荡频率f 分别为
占空比D = R1+R2 /(R1+2R2) , 为使阶梯波频率足够大，选C1=0.01uF，C2=100nF(只要频率，幅度，占空比合适其他电容值搭配也是可以的。) 同时要产生锯齿波，方波的占空比越大越好，当R1远大于R2时，占空比接近1，但是考虑实际电路中过小电阻易发烫，故选择R1为10K Ω，R21为1K Ω（实际操作时证明R1为100K Ω，R21为10K Ω产生的方波也很合适）
⑵阶梯波电路：
用NE555时基振荡器产生的方波作为
16进制计数器74LS169的时钟信号，74LS169
是模16的同步二进制计数器。
可以通过四位二进制输出来计时钟沿
得个数，实验中利用它的三位输出为多路开
关CD4051的输入Qa 、Qb 、Qc 提供地址（但
是multisim 元件库没有CD4051，故仿真时
图六 74LS169功能表
用功能相近的ADG408代替，它们连接实际电路时管脚不同！）。直流通路是由5个100Ω的电阻组成的电阻分压网络以产生6不同的电压值，根据16进制计数器74LS169给出的地址进行选择性的输出，而它的管脚按照一定的顺序接入5个等值电阻然后在第一个电阻接入5V 的电压。
当用它的管脚接7个电阻可以产生8阶阶梯波，将三个管脚短接，即可产生6阶，这里选择了4，2，5接地，使输出为6阶阶梯波，以满足基本要求中的阶梯波幅度大于3V 的要求。另一路信号通道的输入则接被显示的信号；通过地址信号Qa 、Qb 、Qc 对两回路信号同步进行选通。这样，用示波器观察便可得到有6阶的阶梯波。
图七 产生阶梯波电路部分的仿真图及其波形
注：
ADG408管脚与CD4051对应转化：
ADG408引脚图
CD4051引脚图
⑶三角波电路（为了区分，将NE555输出的三角波称为锯齿波，LF353输出的称为三角波）：
由于NE555时基振荡器能产生方波和带直流的锯齿波，所以三角波电路这里可以有两种设计。我可以将NE555从2端口输出连接运放LF353，然后设计一个积分电路以此产生三角波，并且由于LF353是双运算放大器，可用一半来搭建积分电路，一半来搭建运算放大器，产生的三角波线性性也比NE555产生的好，但是操作中发现了一些问题使得我最终选择直接将NE555从3端口输出锯齿波连接至LF353，并通过加法电路产生合乎要求的三角波，其理由如下：
1. 正如前言，积分电路出来的三角波其线性特点优于加减法电路所放大的。所以积分电路可用于产生精密锯齿波电压或线性增长电压，以作为测量和控制系统的时基; 也可用于脉冲波形变换电路中。并且实验室的电压源一桌配置两个，用积分电路可以不用分压，只用两个电源就能实现。但是：搭建积分电路各种元件的数值较难确定，通过不断的调试，我发现连接NE555和LF353之间的电阻设置在几十千欧左右时，会比较合适，这样满足要求的同时可以保证电路不容易受到前级信号源输出阻抗的影响，但是调整其他参数的过程中，LF353极易发烫，考虑时间常数同时调整电容、其他电阻时很可能会烧坏运放。而且提高实验要求测试PNP （8550）的输入输出曲线，这个时候锯齿波要变成负压，用LF353实现的话要改变积分电路及放大电路各种参数的值，非常复杂。
图八 产生三角波的电路
2. 将NE555从3口输出直接产生锯齿波大大减化了电路，不用考虑积分，只需要把LF353用来放大锯齿波幅度即可。具体实现是：通过LF353的双运放特点，可以先搭建一个放大电路去实现三角波幅度值，使其大于3V ，再搭建一个减法运算器减掉直流分量。虽然NE555产生的三角波线性不是很好，需要调整占空比到很大的比例，但是通
过改变几个电阻的值就能实现，非常方便，即便有一定程度的失真，也不会十分影响实验结果。虽然这样搭建电路需要三个电压输入值，但是可以通过一个分压电路实现二输入电压值提供电路工作。
注意：
这里调整电路时调节连接在正电
源上的电阻（6脚输出的电阻），可以
改变锯齿波的幅度，也能调整三角波
的直流分量。但绝对不是这个电阻越
大越好，因为此电阻过大，会使输出
信号无法通过反馈电路回到输入端，
波形失真，同时，三角波最好不要有
负分量，这样扫描出的NPN 输出特性曲线0点部分才会清晰，同时三角波的幅度不够大时，一定会影响到输出特性曲线的条数。
图九 三角波输出曲线
图十 三角波没有负分量时NPN 输出曲线 图十一 三角波有负分量时曲线
八、电路整体设计：
（1）NPN 输出特性曲线：
输出特性曲线是指在基极电流不变的情况下，输出电压Uce和输出电流Ic的关系曲线，用Y 轴表示测得的电压U e可以表示Ic的大小（将示波器探头连至阶梯波输到NPN 管发射极的地方），用X 轴测得的电压Uc可以表示Uce的大小（将示波器探头连至三角波波输到NPN 管集电极极的地方）。当电压Uce反复扫描时，示波器显示Uce和Ic的关系，就会呈现一条稳定不动的输出特性曲线。改变基极电流Ib 值，再重复扫描一个周期，就可以得到另一条输出特性曲线。因为要求能够同时显示出一簇输出特性曲线，所以用一个阶梯电压作为基极电压的输入。每扫描阶梯波的一阶，得到一条输出特性曲线。每扫描一次完整的阶梯波，得到一组稳定的输出特性曲线。
图十二.NPN 输出特性曲线测量电路图
注意：
NPN 管基极电阻若接小电阻(几十欧姆的) 需要用大功率电阻，实际实验时可以接较大的电阻。
（2）PNP 输出特性曲线：
原理与NPN 一样，但是用三角波和阶梯波扫描PNP 的集电极和基极时，所用的三角波波和阶梯波必须是负值，修正步骤如下：
1. 把阶梯波产生电路中几个分压的电阻所接的+5V的电压接为-5V 。2. 重新调节LF353所接的滑动变阻器，使锯齿波为负值，以保证PNP 可以正常工作。
这样就可以得到PNP 的输出特性曲线了。（示波器上显示出的输出特性曲线位于第三象限就是因为此时修改使电压为负了。）
图6.PNP 输出特性曲线测量电路图
九、测试数据及结果分析：
(1)方波频率为6.8KHZ,VPP=4.7V。左侧图为修正NE555相连的电阻值以前，占空比不好，且频率仅有580HZ 。修正后为右图（示波器显示的照片没有找到但当时记录数据如图）：
（2）阶梯波：
幅度4.7伏，8阶，频率616.52HZ
（3）三角波： 幅度：7.95V 。
图十三 三角波波形
（4）NPN 输出特性曲线：
（5）PNP 输出特性曲线：
由于此时使用了分压电路，阶梯波出来的波形不是太完美，因此PNP 输出特性曲线不够理想。
十、实验器材
实验成品：
十一、实验中遇到的问题及解决方案：
实验是非常能锻炼一个人动手能力的项目，它很好地将理论与现实联系，能帮助我们提升对知识的理解。在这次综合实验中，确实出现了很多问题，不过既然有一届又一届的学生顺利完成了实验，那么我坚信问题都是可以解决的。下面是我在实验过程中出现的一些问题：
问题1：为什么按照仿真管脚连接阶梯波电路会出现失真的波形？
解决问题之前的阶梯波 解决问题之后的阶梯波
ADG408与CD4051管脚对应关系没有找对，应该分别在地，4,2,5,1,12,15,14,13，电源之间接上电阻。注意4与地接是出来向上增加的阶梯波，4与电源相接（此时13接地）会出现向下的阶梯波。
问题2：三角波总是失真，或者出不来波形。
失真的三角波 正常三角波
原因是接在LF353上的电阻设计不合理，需要调整其6脚上的电阻适当
改变锯齿波幅度。
问题3：为什么LF353输出的也是阶梯波？
这理论上是不可能发生的，但是由于我自己初次搭接电路时不够注意细
节，将输出阶梯波的电阻管腿与输出三角波短接了，故测试出来的特性曲线非常不正常。
由调试实验过程中不断发现的问题，我得到了一些结论：
1. 细节决定成败。电路要具有稳健性，电阻的腿要直，电阻位置要插得合理，要插稳。这样在使用示波器的过程中可以避免由于电阻腿相碰而短路的问题。
2. 思考清楚原理再进行下一步操作：
由于没有看清元器件是LF353P 所以仿真与实际电路有了不同之处。
3．拒绝思维盲点：
如果自己无论如何都调试不出正确波形，不妨请教他人，让别人帮忙
检查一下电路。有时候自己认为不可能出错的地方才是报错的原因。
注意:横向是分为两段连通的，不要误认为只有一段！
十二、实验结论：
输出特性曲线: 是用来描述以基极电流Ib为参量, 集电极电流Ic与三极管
集电极与发射极之间的管压降Uce之间关系的。通过阶梯波产生不同的电压送至晶体管，故而能产生输出特性曲线簇。 NE555： 内部含有两个电压比较器，一个分压器，一个RS 触发器，
一个放电晶体管和一个功率输出级。可以用来产生方波
及锯齿波。
74LS169： 是一个16进制计数器，可以通过四位二进制输出来计时
钟沿得个数，其三位输出为多路开关CD4051的输入Qa 、Qb 、Qc 提供地址。
CD4051： 是一个数据选择器，能根据74LS169给出的地址进行选择
性的输出，产生阶梯波，并通过一个电阻接至NPN 管的基极。
LF353： LF353是一个双运算放大器，在我的电路中它搭建了一个
放大电路去实现三角波幅度值，使其大于3V 和一个减法运算器减掉锯齿波的直流分量。
实验感受：
客观地说，通过这次实验，我对NE555，LF353,CD4051，74LS169等主要器件的工作原理有了一个大致的了解，并掌握了基本运用方法。我也在不断出错的实验过程中学会了细心，学会了用心用脑去分析错误，修正错误。
在调试过程中，我学会了从部分至整体：通过保证电路每部分的正常工作来保证最后电路输出的特性曲线正确。系统的整体性思维开始初步得以建立。
独立的实验意味着多样性，意味着没有统一答案，所以即使电路出现了同样的问题，每个人的解决办法都可能不一样，因此这次实验锻炼了我们独立分析问题的能力，培养了我们对自己负责的态度，这对于一个工程师而言是至关重要的。
这次实验过程中我也发现了工科的特色是学以致用，我们不能单单记忆公式，概念，还应该明白它们的用途，学会用已有的知识去设计实物，去创造知识的现实意义。
虽然实验的过程显得漫长又曲折，在这期间，我体验过不出波形的苦涩，预约的全是课外开放所以不能验收的难过，实验截止前不小心烧坏运放的心急，重新排列运放的无奈，也体会了看见波形的那一瞬间的欣喜若狂，自己检查出错误的自豪，理解原理的恍然大悟……各种滋味涌上心头，方知纸上得来终觉浅，须知此事要躬行，唯有实际才是检验知识的唯一标准，此番，收获颇丰，足矣！