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1、 一、设计任务1.1 设计目的： （1）、掌握设计放大电路测试三极管值的方法，以及组装与调试方法。（2）、进一步熟悉模拟，数字集成电路的使用方法。1.2 设计内容及要求1、设计制作一个自动测量三极管电流放大系数值范围的装置，将被测NPN型三极管值分三档；值的范围分别为80120及120160，160200对应的分档编号分别是1、2、3；待测三极管为空时显示0，超过200显示4。2、用数码管显示值的档次及三极管的值；3、组装、调试三极管值测试仪。4、画出完整的电路图，写出设计报告。二、设计方案2.1 设计思路设计电路测量三极管的值，将三极管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
2、三极管电流IC=IB的关系，当IB为固定值时，IC反映了的变化，电阻RC上的电压VRC又反映了IC的变化）。因为题目要求分三档显示三极管的值（即值的范围分别为80120、120160及160200，对应的分档编号分别是1、2、3），所以对转换后的物理量进行采样,将取样信号同时加到具有不同基准电压的比较电路输入端进行比较，相应的一个比较电路输出高电平，其余比较器输出为低电平，实现AD转换。比较后再进行分档显示。要实现分档显示，则必须对比较器输出的高电平进行二进制编码和显示译码器译码，驱动数码管显示出相应的值档次代号。从而实现该档次代号的显示。-v转换电路基准电压比较电路编码译码显示基本部分设计思
3、路框图图1在发挥部分,设计电路测量三极管的值，将三极管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=IB的关系，当IB为固定值时，IC反映了的变化，电阻RC上的电压VRC又反映了IC的变化，对VRC进行伏频转换，转换后的频率f就反映了值的大小，然后再用计数器对f的信号进行一定时间的计数，最后通过计数器的保持输出经译码电路就可以显示值。被测三极管-v转换电路压控振荡器计数时间产生电路计 数 器译码电路数码管显示电路发挥部分设计思路框图&图2 关键一：将变化的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。上述转换过程可由以下方案实现：根据三极管电流IC=IB
4、的关系，当IB为固定值时，IC反映了的变化，电阻RC上的电压VRC又反映了IC的变化，对VRC取样加入后级进行分档比较。关键二：将取样信号同时加到具有不同基准电压的比较电路输入端进行比较，对应某一定值，只有相应的一个比较电路输出为高电平，则其余比较器输出为低电平。对比较器输出的高电平进行二进制编码，再经显示译码器译码，驱动数码管显示出相应的档次代号。 考虑的问题： IB的选择应在30A40 A之间为宜。 VCE的选择应不小于1V,以使三极管工作在合适的状态。 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
5、取样及隔离放大作用。 2.2设计方案基本部分：基本部分由-v转换电路、电压比较电路和显示实现电路构成，其详细构成与原理说明如下：-v转换电路：转换电路：此电路用来把不能直接用仪器测量的NPN型三极管值转换成可以直接被测量的集电极电压，再把电压采样放大，为下一级电压比较电路提供采样电压，其中包括提供恒定电流的微电流源电路和起放大隔离的差动放大电路。图3 -v转换电路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，用于检测基极电流的大小，R4是集电极电流取样电阻，用于检测集电极电流的大小同时检测出被测三极管值的大小，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，
6、为电压比较电路提供采样电压。所用器件LM324 是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的管脚图：图4 LM324的管脚图微电流源电路原理：当要求得到极其微小的输出电流（如三极管基极电流
7、比较小），这时可令比例电流源中的Re1=0，便成了微电流源电路其电路图如图（5）所示：图（6）差动放大电路图（5）微电流源电路 根据电路原理分析得： 由此可知：只要确定IO和Re2就能确定IR，由此可以确定电阻R的值。差动放大电路原理：根据三极管电流IC=IB的关系，被测物理量转换成集电极电流IC 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图（6）所示。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。其中运算放大器采用集成电路LM7
8、41。LM741采用单电源供电，其内部只由一个运算放大器构成。由题意，图中各电阻的参数取值确定如下：1、T1与T2性能匹配，为PNP三极管2、IB的选择应在30A40 A之间为宜,因为：（1） 值与Ic有关；（2）小功率管的值在Ic 23mA时较大，而在截止与饱和区较小，测量不准确。因此，取输出电流Io30uA3、因为参考电流约为1mA左右,则，由已知 VBE1=0.7V 得： R1=4.3K，取R1=4.3K。再把 R1=4.3K代回，得出=1.35mA,符合要求。4、再由： 已知：VT=26mV 得 R3=3.0K5、R2是基极取样电阻，由于基极电流Io30uA，所以为了便于测量，R2应取
9、大一点，这里取R2=20K6、R4是集电极取样电阻，考虑到VR4 5-0.7=4.3V，VR4=Io*R4的范围为0200，即R4800，为了便于计算，这里取R4=500。7、为了使差动放大电路起到隔离放大的作用， R5R8应尽量取大一点，这里取R5=R6=R7=R8=30K。综合上述转换电路的电阻值为：R1=4.3K R2=20K R3=3.0K R4=510 R5=R6=R7=R8=30K（二）电压比较电路图7 电压比较电路由于被测量的物理量要分档（即值分别为080、80120及120160，160200对应的分档编号分别是0、1、2、3），还要考虑到大于200的状况，于是比较电路需要把结
10、果分成五个层次。需要四个基准电压，于是有一个串联电阻网络产生四个不同的基准电压，再用四个运算放大器组成的比较电路，将取样信号同时加到具有不同基准电压的比较电路输入端进行比较，对应某一定值，相应的一个比较电路输出为高电平，其余比较器输出为低电平。通过上级电路计算出的元件取值求得各档次的基准比较电压边值。由R4、被测三极管值即可计算出对应的基准比较电压：当=80时，Ui=VR4=Io*R4=0.00003*80*500=1.2V当=120时，Ui=VR4=Io*R4=0.00003*120*500=1.8V当=160时，Ui=VR4=Io*R4=0.00003*160*500=2.4V当=200时
11、，Ui=VR4=Io*R4=0.00003*200*500=3.0V可以计算出电压比较电路串联网络中各个分压电阻的阻值，5V电源供电，分压总电阻取R=150k：=80时，R 36k=120时，R54k =160时，R72k =200时，R=90k 电压比较电路的电阻为：R9=60k R10=18k R11=18k R12=18k R13=36（三）显示实现电路图10 CD4532管脚图图9 CD4532引脚图图8 显示实现电路输 入输 出EII7I6I5I4I3I2I1I0Y2Y1Y0GSEOLLLLLLHLLLLLLLLLLLLHHHHHHHLHLHHHLHLHLLHHLHHLHLLLHLH
12、LLLLHHLLHLHLLLLLHLHHHHLHLLLLLLHLLHHLHLLLLLLLHLLLHL图11 CD4532真值表显示实现电路又可细分为编码电路、译码电路和显示三部分。其中编码电路：将电压比较电路的比较结果（高低电平）进行二进制编码。该编码功能主要由集成芯片8位优先编码器CD4532完成。由于该器件为输入高电平有效，所以，要将I0，I5,I6,I7接地，将I1，I2，I3，I4分别接四个电压比较器的输出，使能端EIN接高电平。译码电路：主要是把编码电路编成的二进制编码译码成十进制数，以便于人机交流。该电路功能主要由芯片CD4511完成。显示：该电路功能是用共阴数码管显示被测量的NP
13、N型三极管值的档次。器件使用说明：CD4511其功能介绍如下： BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。 LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。 A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。 a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。其管脚图和真值表为：BCD七段数码管
14、显示译码器图是共阴式LED数码管的原理图。使用时，公共阴极接地，7个阳极a-g由相应的BCD七段译码器来驱动(控制)，C、B、A表示)，输出是数码管各段的驱动信号(以Fa-Fg表示)，也称47译码器。若用它驱动共阴LED数码管，则输出应为高有效，即输出为高(1)时，相应显示段发光。例如，当输入8421码DCBA=0100时，应显示 ， 即要求同时点亮b、c、f、g段， 熄灭a、d、e段，故译码器的输出应为Fa-Fg=0110011，这也是一组代码，常称为段码。同理，根据组成0-9这10个字形的要求可以列出8421BCD七段译码器的真值表。 图12 显示译码器原理图13 基本部分整体电路发挥部分
15、设计要求为：（1）用三个数码管显示的大小，分别显示个位、十位和百位。显示范围为0-199。（2）响应时间不超过2秒，显示读数清晰，注意避免出现“叠加现象”。（3）自制所需直流稳压电源。（4）其它。 （一）设计思路：设计电路测量三极管的值，将三极管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=IB的关系，当IB为固定值时，IC反映了的变化，电阻RC上的电压VRC又反映了IC的变化，对VRC进行伏频转换，转换后的频率f就反映了值的大小，然后再用计数器对f的信号进行一定时间的计数，最后通过计数器的保持输出经译码电路就可以显示值。（二）模块结构示意图：被测三极管-v转换电路压
16、控振荡器计数时间产生电路计 数 器译码电路&数码管显示电路图14 发挥部分模块框图各功能模块原理说明：-v转换电路这部分转换电路已在基本部分中设计过，其具体原理和分析见基本部分的转换电路模块（包括其中的微电流源电路和差分放大电路）防震设计图为：图15 -v转换电路压控振荡器：压控振荡器又称为伏频转换电路，此电路所实现的功能为将值对应的电压转化为频率，转换后的频率f就反映了值的大小。仿真设计图为：如图所示，假如外加电压（值对应的电压）为2.5v时，通过该图的压控振荡器后输出地波形为图17 压控振荡器输出波形图16 压控振荡电路原理说明：此多谐振荡器由555定时器和外接元器件R1、R2、C构成。（
17、1）、555定时器内部结构555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成电路,其内部结构如图（A）及管脚排列如图（B）所示。它由分压器、比较器、基本R-S触发器和放电三极管等部分组成。分压器由三个5的等值电阻串联而成。分压器为比较器、提供参考电压，比较器的参考电压为，加在同相输入端，比较器的参考电压为，加在反相输入端。比较器由两个结构相同的集成运放、组成。高电平触发信号加在的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本R-S触发器端的输入信号；低电平触发信号加在的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器端的输入信号。基本R-S触发器的输出状态受比较
18、器、的输出端控制。多谐振荡器工作原理由555定时器组成的多谐振荡器如图(C)所示，其中R1、R2和电容C为外接元件。其工作波如图(D)所示。设电容的初始电压，t时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端，比较器1输出为高电平，输出为低电平，即，（1表示高电位，0表示低电位），触发器置，定时器输出此时，定时器内部放电三极管截止，电源经，向电容充电，逐渐升高。当上升到时，输出由翻转为，这时，触发顺保持状态不变。所以0t期间，定时器输出为高电平。时刻，上升到，比较器的输出由变为，这时，触发器复，定时器输出。期间，放电三极管导通，电容通过放电。按指数规律下降，当时比较器输出由变为，触发器的，的
19、状态不变，的状态仍为低电平。时刻，下降到，比较器输出由1变为0，R-S触发器的1，0，触发器处于1，定时器输出。此时电源再次向电容C放电，重复上述过程。通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出，电容放电时，0，电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。（3）、振荡周期由图（D）可知，振荡周期。为电容充电时间，为电容放电时间。充电时间 放电时间 矩形波的振荡周期因此改变、和电容C的值，便可改变矩形波的周期和频率。对于矩形波，除了用幅度，周期来衡量外，还有一个参数：占空比q，q=（脉宽）比（周期T），指输出一
20、个周期内高电平所占的时间。图（C）所示电路输出矩形波的占空比。 计数时间产生电路图18 计数时间产生电路用555定时器组成的单稳态电路，当有高电平时，可产生一个持续时间为1S的高电平V2。仿真设计图为：输出周期为1s的波形，其仿真波形见下图：图19 计数时间产生电路输出波形555工作的原理已在同压控振荡器部分做出详细说明，这里不再赘述。其功能是产生一个周期为1s的高电平，利用这个高电平来对压控振荡器的频率进行基数。计数器、译码电路与数码管显示电路将压控振荡器的输出波形与计数时间产生电路的输出波形相与，实现在1s钟内对压控振荡器的频率进行计数的功能。当计数时间产生电路输出高电平时，计数器开始对压
21、控振荡器的输出频率进行计数。其相与后产生的波形图为：图20 压控振荡器的输出波形与计数时间产生电路的输出波形利用二十进制计数器74LS90对脉冲信号进行计数，并通过CD4511显示译码管将计数值显示出来。为实现计数器的清零功能，在这里设计了一个开关，将74LS90的2号和3号管脚接在上开关，当开关打到高电平时，实现清零功能，当打到低电平时，实现计数功能。74LS90的管脚图和真值表为：图21 74LS90的管脚图和真值表CD4511的管脚图和真值表已在基本部分中做过详细说明，这里不再赘述。计数器、译码电路与数码管显示电路模块仿真设计图为：图22 计数器、译码电路与数码管显示电路模块仿真设计图发
22、挥部分整体电路图为：图23 发挥部分整体电路图三、器件选择1、主要仪器设备： 计算机：1台； 面包板：1块； 双路直流稳压电源：1台； 示波器：1台； 数字万用表：1台。2、器件清单：集成电路：LM324、LM311、NE555、A741、CD4532、74LS74、74LS47、74LS90、74LS14、CD4511，74LS138等；NPN、PNP三极管9013、9014、9015；5V稳压管；二极管；常用多圈电位器；常用定值电阻；常用电容；共阴七段数码显示管。四、安装调试4、1基本部分（一）搭建电路按照电路图在电路板上搭建电路，注意各种直插式器件的正反，并依照各器件管脚图连线，需注意显
23、像管要串联电阻，以免过热而烧坏。（二）调试与故障排除调试中我们组选用放大档次为三的三极管，接通电源，发现显像管显示0，从显像管开始向前排查，用万能表检测每根线的高低电平，核实每个器件的接线情况，最终发现是LM324器件已坏，换下后再次开通电源，显示正确。由于电路参数的选用与理想值存在一定误差，使实验数值偏大。4、2发挥部分由于该部分较为复杂，而实验时间有限，故采用分块连线。做该部分实验时，因为时间所限，只搭建到压控振荡部分，并成功输出波形。在基础部分的接线和排错中对连线较为熟练，因此在此电路的连线中并未出错。五、设计总结 本次实验设计不同于以前的实验，本次试验需要在实验前做较多的准备，从设计方
24、案到器件选择，再到电路仿真，需要结合已学过的模电及数电知识，考虑实际器件的使用。在电路接线中，由于第一次用到该电路板，电路线需要自己适当剪裁，电路板的插孔较密，在接线时容易出错。我们组搭建完后并没有立即显示正确结果，而搭建电路时也并未分块，因此在排错时占用了大量时间。在排错过程中，以万用表为主，逐一检查各线的高低电平，结合各器件的管脚图，确定是否出错。总体上说，本次试验是在与别人的合作中完成的，在实验过程中即使出错也能相互鼓励并分工继续实验，在提高了动手能力的同时也提高了合作能力。通过该实验，综合了数字电路和模拟电路的知识，加强了对理论知识的理解，收获较多。六、参考文献模拟电子技术基础（第四版） 童诗白、华成英主编 高等教育出版社逻辑与数字系统设计 李晶皎、李景宏、曹阳编著 清华大学出版社 （注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）