晶体管图示仪的设计与制作

晶体管图示仪的设计与制作,Transistor characteristic exhibit instrument

作者：杜智铨 王虹 薛云 任维政 晶体管图示仪器是用来测量晶体管输入、输出特性曲线的仪器。在实验、教学和工程中通过使用图示仪，可以获得晶体管的实际特性，能更好的发挥晶体管的作用。这款简易晶体管图示仪制作简单、价格低廉、使用方便，可以满足对于数值精度要求不高的场合。
　　与普通示波器配合使用，即可测量小功率NPN、P:NP管的输入、输出特性曲线。另外本设计还扩展了晶体管极性判别，晶体管放大倍数测量、显示和语音播报功能。
　　一、系统原理
　　下图为系统框图。晶体管的输出特性是指在一定的基极电流Ib时，晶体管集电极与发射极之间的电压Uce同集电极电流IC之间的关系。每个lb对应一条输出特性曲线。将多个lb对应的曲线同时显示在示波器上，就可以得到一簇输出特性曲线。
　　晶体管的输入特性是指在一定的Uce下，晶体管基极与发射极之间的电压Uhe同基极电流Ib之间的关系。每个Uce对应一条输入特性曲线。将多个Uce对应的曲线同时显示在示波器上，就可以得到一簇输入特性曲线。
　　因此，一个简易晶体管图示仪主要由以下三部分组成，即：基极电流产生电路、集电极扫描电压产生电路和放大倍数测量显示电路，如下图所示。当显示晶体管的输出特性时，基极阶梯电流产生电路是由单片机控制DAC2直接产生基极阶梯电流；集电极扫描电压产生电路由单片机控制DAC1产生从零开始增大的电压，再经电压放大电路放大以产生所需的扫描电压。当显示晶体管的输入特性时，由单片机控制DAC2直接产：生基极锯齿电流；并由单片机控制DAC1、DAC2产生所需的阶梯电压和锯齿波信号再经电压放大电路放大以产生所需的扫描电压。并通过凌阳SPCE061A单片机上的按键，完成上述两模式转换。放大倍数测量显示电路由单片机、数码管和仪表放大电路组成。单片机接收处理采样电压，多次采样取平均、得到放大倍数，再经单片机BCD译码送至外接数码管显示。
　　在电路实现中，本设计同时考虑了提高精确度、精简电路以及低成本等多种因素，做出了多方面的创新与改进。 　　二、硬件设计
　　凌阳SPCE061A单片机功能较强、兼容性好、性价比高，具有体积小、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗小以及具有较商的数据处理和运算能力，系统最高时钟频率可达49MHz，运行速度快。由于单片机内部集成了A/D、D/A转换器，故不需外加A/D、D/A器件。通过采样取样，结合内部A/D、D/A，构成闭环反馈调整控制，简化r硬件电路，提高了测量精度，同时也能利用软件对测量误差进行补偿，这给调试、维护和功能的扩展、性能的提高，带来了极大的方便。利用凌阳SPCE061A单片机强大的语音播报功能，只要运用简单的凌阳自带音频压缩文件与库文件，就能播报晶体管放大倍数。
　　1．仪表放大器
　　出于提高精确度的考虑，采集电路用三运放组成仪表放大器。如下图所示。利用该电路求出集电极电阻和基极电阻上电压，该电压与电流成正比、故得到电流信号。仪表放大器具有精度高、功耗低、共模抑制比高、工作频带宽和输入阻抗大等优点，可以较精确地测得Ic和Ib。再将Uce、Ic传送至示波器得到输出特性曲线．Ube、lb传送至示波器得到输人特性曲线。 　　
　　2．极性判别电路
　　晶体管类型判别电路利用同相比较器。如下图所示。由于NPN型和PNP型晶体管的电流流向相反，根据理论并反复测量得到，当两种晶体管按图中电路结构且连接方式相同时（即集电极接上端，发射极接下端），若晶体管为NPN型时，射极电压最大约为1V，而PNP型时射极电压最小约为6V。据此将设定合适门限电压，接入反相输入端。当晶体管为NPN型时，射极电压一直小于门限电压，因此发光二极管不亮；当晶体管为PNP型时，射极电压超过门限电压，输出高电平，发光二极管亮，即可判别晶体管类型。
　　
　　3．显示电路
　　对显示电路，本设计放弃了复杂的多个数码管译码器7448驱动数码管显示的传统电路，利用软件编程完成译码过程，通过10口直接驱动数码管显示。
　　4。制版与焊接
　　为了更好的实现本设计，设计印刷电路板时，应注意敷铜线要尽可能短、并避免相互平行以减少寄生电容。敷铜线的拐弯处应为圆角或斜角。敷铜线宽度与相邻敷铜线之间的间距最好不要低于0.3mm。敷铜线的公共地线应该尽可能放在电路板的边缘部分。在电路板上应该尽可能多地保留铜箔做地线，这样可以使屏蔽能力增强。模拟电路与数字电路单点接地以消除干扰。
　　另外对数字电路的PCB可用宽的地导线组成一个环路或网格——即构成一个地网来使用，而模拟电路的地线则不能这样排布。
　　印刷电路板完成后，按照尺寸由小到大焊接元件，次序：电阻，电容，二极管，三极管，其他元件等。集成电路安全焊接顺序为：地端→输出端→电源端→输入端。
　　焊接时间在保证焊接质量的前提下尽可能短，每个焊点最好用3s，以免损坏器件。随时去烙铁头杂质，避免使用过多的焊剂。焊接结束后，需要检查有无漏焊、虚焊现象。检查时，可用镊子将每个元件轻轻提一提，看是否动摇。 　　三、软件设计
　　总的工程程序包括初始化程序、DAC同步输出一路锯齿波和一路阶梯波程序、I/O定时采样进行AD转换程序以及语音播报程序。其中，通过按键选择输出特性模式（DAC2产生阶梯电流，DAC1产生锯齿电压）与输入特性模式(DAC2产生锯齿电流，DAC1产生阶梯电压)。总流程图如下图所示。 　　经检测，本图示仪运行稳定、可靠，采集数据比较准确，能正确判断晶体管极性并配有语音播报，取得了令人满意的效果。放大倍数测试数据如下表所示。输出特性曲线如下图所示。
　　下表放大倍数测试数据（采用DT9806型四位半数字万用表）