简易晶体管图示仪的设计与实现

简易晶体管图示仪的设计

与实现

专业：班级：姓名：学号： 实 验 报 告 信息工程 指导老师 ：

课题名称：简易晶体管图示仪的设计与实现

一． 摘要：

本报告主要介绍了对本实验中一些元件的了解过程和具体应用，还有这个实验的设计

思路，设计过程，以及设计中遇到的问题。其中给出了各个分块电路的电路图和设计说明，功能说明，还有总电路的框图，电路图，PCB 板，实验结果的手绘截图，在最后提到了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。

二．关键词：方波，锯齿波，阶梯波，特征曲线， 三．设计任务要求：

1． 基本要求：

a) 设计实现一个简易晶体管图示仪，设计指标及给定条件为：

1) 基极扫描电压Ub 为0~~3V阶梯波，基极扫描电压Uc 为0~~12V锯齿波； 2) 在示波器上清晰稳定的显示NPN(8050)型晶体管管输入、输出特性曲线； 3) 输入、输出特征曲线>=8条；

b) 设计+12V电源电路(部要求实际搭建) ，用PROTEL 软件绘制完整的电路原理

图(SCH)；

2．提高要求：

a)NPN(8050)型三极管基极与集电极电流放大系数值测量与显示；

b) 在示波器上清晰稳定的显示PNP(8550)型晶体管管输入、输出特性曲线； c) 用PROTEL 软件绘制电路的印刷电路板图(PCB)。 3．探索要求：

a) 采用其他设计原理及方法设计晶体管图示仪；

四．设计思路：

本试验要求用示波器稳定显示晶体管输入输出特性曲线及值得显示及测量。我的设计思路是先用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提供地址。CD4051相当于一个数据选择器，根据16进制计数器74LS169给出的地址进行选择性的输出，以输出阶梯波，然后把阶梯波作为基极输入输入到三极管的基极，再由双运放FM353对NE555产生的锯齿波进行处理，产生符合要求的锯齿波作为集电极输入到三极管集电极用来扫描。然后对必要的量进行监测，输出所需要的波形。

总体结构框图：

五．分块电路和总体电路的设计：

a) 方波电路：

我的设计思路是直接用NE555时基振荡器产生方波，只要做一个积分电路，再做一个滤波电路滤去直流分量即可。下图是NE555的原理图

图2.NE555原理图

由图中可以看出，NE555可以产生方波与锯齿波。

在这个设计中，NE555组成的时基振荡器产生的振荡周期T=0.693(R1+2R2)C，振荡频率f=1/T,即f=1.443/(R1+2R2)C，输出振荡频率波形的占空比D=t1/T=(R1+R2)/(R1+2R2)，t1为输出脉冲的持续时间，t1=0.693(R1+R2)C，当R2>R1时，则D 约等于50%，即输出为方波，但是由于产生阶梯波还要用到NE555，所以R1R2的值待定

如图可以在管脚3的输出得到方波，在管脚2的输出得到三角波。具体电路图如下图所示

图3. 方波产生电路

表1. 方波产生电路所用仪器表 b) 阶梯波电路：

这个电路中主要用到了NE555时基振荡器，16进制计数器74LS169，多路开

关CD4051。

我的设计思路是先用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。一路为直流通路，另一路为信号通路。两路信号通过衰减器后在示波器水平位置上同时显示8路不同的信号。其中直流通路是由滑动变阻器R=10K和7个100Ω的电阻组成的电阻分压网络，一路为直流通路，另一路为信号通路。两路信号通过衰减器后在示波器水平位置上同时显示8路不同的信号。其中直流通路是由滑动变阻器R=22K和7个100Ω(电阻阻值得选择是根据分压电阻阻值相等，及滑动变阻器可调范围尽量大，以包含3V 的幅度要求) 的电阻组成的电阻分压网络，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7个等值电阻然后在第一个电阻前接一个滑动变阻器再接入一个+5V的电压，使输出为阶梯波，且幅度可调，以满足基本要求中的阶梯波幅度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8阶的阶梯波

图4. 阶梯波产生电路

表2. 阶梯波电路元件列表

c) 锯齿波电路：

我的设计思路是先用NE555时基振荡器产生的三角波作为基本的锯齿波，当

NE555时基振荡器产生的方波的占空比比例很大时，它产生的三角波就接近于锯齿波波型，但是这时产生的锯齿波的幅度不满足要求。所以我先用双运算放大器FM353做成一个同相放大电路对这个锯齿波进行放大，然后再用双运算放大器FM353做一个减法电路对这个锯齿波进行减运算，使它的幅值满足0~~12V。

图5.LF353作为放大和减法器的电路图

对比：用NE555产生的锯齿波和用LF353自搭积分电路产生锯齿波

a) 用NE555产生锯齿波的一大好处是可以大大减化了电路，不用再去进行产生锯齿波的设计，只需要把LF353空出来专心作为运算放大器，再通过LF353的电路可搭建成减法运算器减掉其直流分量再放大而实现锯齿波幅度值为 0~3V。缺点是NE555产生的锯齿波线性不是很好而且因为需要调整占空比到很大的比例，所以会产生一定程度的失真，不过实际操作中没有对实验的现象和结果造成很大的影响。

b) 用LF353来搭建积分电路时，由于LF353是双运算放大器，则可用一半来搭建积

分电路，一半来搭建运算放大器。这样的好处是产生的锯齿波线性性可以比NE555产生的好。但是这样搭建积分电路各种元件的数值较难确定，而且在做PNP （8550）的输入输出曲线时锯齿波要变成负压，用LF353实现的话要改变积分电路及放大电路各种参数的值，增加了电路的难度。

c) 锯齿波的作用则是用于扫描，其实加于集电极的波形只要达到所要求的幅度要

求即可实现扫描功能而出现实验所需结果，未必一定是锯齿波。综上权衡，还是采用NE555产生锯齿波加LF353搭建同相减法器来实现锯齿波0~3V的要求。

六．实现功能说明：

a) 所实现的基本功能：

1) 基极扫描电压Ub 为0~~3V阶梯波，基极扫描电压Uc 为0~~12V锯齿波；

2) 在示波器上清晰稳定的显示NPN(8050)型晶体管管输入、输出特性曲线； 3) 输入、输出特征曲线>=8条；

其中一二项的功能实现说明见分块电路的设计思路； NPN 输入特性曲线功能说明：

输出特性曲线是指在基极电流不变得情况下，输出电压Uc 和输出电流Ic 的关系曲线，用Y 轴表示测得的电压Ue 可以表示Ic 的大小，用X 轴测得的电压可以表示Uce 的大小。当电压Uce 反复扫描时，示波器表示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 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族输出特性曲线，所以我用一个等差级数的阶梯电压作为基极电压。阶梯波每完成一个周期，曲线族重复扫描一次。从而得到一组稳定的输出特性曲线。下图是输出特性曲线产生的方块图，以及电路图。

图6. 输出特性曲线测量电路图

NPN 输入特性曲线功能说明：

输入特性曲线是表示Uce 一定下，测量所得Ube 与Ib 的关系曲线。所以，以锯齿波扫描集电极，X 轴测量三极管的基极电压，以表示Ube 的值；Y 轴测量Rb 上的电压，以表示Ib 的值。这样就可以得到一条输入特性曲线。如果一周期改变一个Uce 的值，就可以得到一族输入特性曲线。所以阶梯波做为集电极电压，即可得到NPN 的输入特性曲线。及电路图如下：

图7.8050输入特性曲线电路图

b) 所实现的提高要求：

1)NPN(8050)型三极管基极与集电极电流放大系数值测量与显示；

2) 在示波器上清晰稳定的显示PNP(8550)型晶体管管输入、输出特性曲线； PNP 输出特性曲线功能说明：

原理与NPN 的一致，不同之处在与用锯齿波和阶梯波扫描PNP 的集电极和基极时，所用的锯齿波和阶梯波必须是负值，具体的调整方法是把阶梯波产生电路中滑动变阻器前所接的+5V的电压接为-5V 即可，减法电路中的+5V电压接为+14V以保证最小值可以到达-12V 的幅值，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。具体改动见下面的电路图具体因为电压为负所以示波器上显示出的输出特性曲线倒转180度，位于第三象限。电路图如下：

图8.8550输出特性曲线电路图 PNP 输入特性曲线功能说明：

原理与NPN 输入特性曲线的测定类似，将阶梯波和锯齿波改为负值，具体改动方法与PNP 输出特性曲线测量时的改动方法一致，目的也是保证PNP 管的正常工作，即可的到PNP 的输入特性曲线。具体电路图见下图：

图9.8550输入特性曲线电路图

七．故障及问题分析

实验中出现的故障和问题： 1． 出现过器件被烧得现象

2． 设计的参数值不能得到正确的波形 3． 电源短路

4． 方波电路失真现象严重 分析：

1． 器件被烧最主要的原因是过载或管脚接错，因为再接电路以前都会进行计算，所以基

本没有出现过因为过载而导致的器件被烧，最后查明是因为电源要接四路而接线时粗心导致电压正负接反，出现器件被烧的问题。 2． 出现设计值不能得到正确波形的问题时，我会根据设计值选取适当的滑动变阻器，通过

改变阻值以找出正确的波形和符合实际要求的阻值。

3． 因为实验室仪器有限，而我的设计中需要4路电源，但是每个人只能得到两路电源，于

是就伙同我附近与我做同一实验的同学共用电源，以满足同时需要4路电源的要求，这时就会发生电源短路现象。后经我们试验发现有可能是我们正负级界的位置不同，造成了短路，经改正避免了这一问题。 4． 方波电路失真严重原因是滤波电容太小，于是我把103的电容换成了104的，换掉后在

调节到适当的电阻，失真现象就不很明显，而且因为要产生锯齿波，在占空比调节到很大时，也不会产生很明显的失真。

八．总结和结论

结论：

1. 输入特性曲线:描述了三极管C.E 极之间的管压降Uce 一定的情况下, 基极电流Ib 和

发射结压降Ube 之间的关系. 当Uce=0时, 特性曲线呈指数关系. 随着Uce 的增大, 曲线将右移(左移) 。

2. 输出特性曲线:描述以基极电流Ib 为参量, 集电极电流Ic 与三极管C.E 极之间的管压

降Uce 之间的关系. 对于每一个确定的Ib 都有一条曲线. 对于某一条曲线, 当Uce 从零逐渐增大时,Ic 逐渐增大, 当Uce 增大到一定数值时,Ic 基本不变, 表现为曲线几乎平行与横轴, 即Uce 大小几乎仅仅取决于

Ib.

总结：

通过这次实验，不仅得到了想要得到的实验结果，也即8050和8550的输入输出特性曲线，而且对555定时器的工作原理有了一个大致的了解，基本应用得到了初步的掌握，以及对74169计数器和CD4051和运放的进一步了解。最大的收获是提高了自我独立完成实验的能力，以及在实际中的问题解决能力，还有与他人的协作沟通交流能力。本次试验通过自己对相关资料的查询，以及向其他同学的请教、相互间的讨论，基本顺利地完成了实验，能够实现简易晶体管图示仪。

九．PROTEL 绘制的原理图

图10. 原理图

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图11. PCB板图

图12. 电源PCB 板

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十．所用元器件及测试仪表清单

十一. 参考文献

《电子电路基础》 北京邮电大学出版社 《电子技术基础实验与课程设计》 电子工业出版社

《数字系统与逻辑设计》 北京航空航天大学出版社

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