数字电子基础实验

简易晶体管特性曲线测试仪的设计 参赛教师 : 赵东孙淑艳 华北电力大学电工电子示范中心 2017.5.6 天津 NorthChinaElectricPowerUniversity 1

1 课程背景 目录 CONTENTS 2 教学目的 3 项目设计思想 4 教学实施进程 5 考核内容与方式 6 教学效果 NorthChinaElectricPowerUniversity 2

1 课程背景 电子技术综合实验 是我校工科学生在学习电子技术课程 ( 模拟电子技术基础及实验 数字电子技术基础及实验 电子技术基础 ) 之后集中进行的实践类的必修课程, 是培养学生电子系统设计能力和综合工程素质的重要实践教学环节 理论基础 大二 ( 下 ) 模拟电子技术基础 (56 学时 ) 模电实验 (20 学时 ) 大三 ( 上 ) 数字电子技术基础 (48 学时 ) 数电实验 (20 学时 ) 电网 (3) 电气 (15) 通信信息 综合实验 能动 (12) 建环 (1) 核电核安 理论基础 大二 ( 下 ) 电子技术基础 (64 学时 ) 大三 ( 上 ) 电子技术基础 (64 学时 ) NorthChinaElectricPowerUniversity 3

2 教学目的 分析电路的能力 设计电路的能力 构建电路的能力 测试电路的能力 实践能力 素质 创新素质 工程素质 综合素质 理论知识 课程之间 电路有机联系 电子技术基础 模拟电子技术基础及实验 数字电子技术基础及实验 学习工程 NorthChinaElectricPowerUniversity 4

3 项目设计思想 简易晶体管特性曲线测试仪的设计 涵盖知识点 题目应用背景 区分度 工作量 可测试性 制作成本 应同时涵盖模拟电子技术和数字电子技术的内容 题目背景与实际工程应用相结合, 适当提高系统的实用性 趣味性和可观赏性, 以提高学生的学习热情, 调动学生的积极性 题目分基本要求 (70% ) 和发挥要求 (30%), 各项难度要有阶梯性 保证大部分学生能在一周内完成作品及报告 题目中的各项要求应该方便量化考查, 需要制作详细的评分表, 同时应避免复杂的测试方法 尽量使用通用器件, 不采用单价较高的芯片和传感器, 器件由实验中心提供, 可以使用面包板或者通用板制作 NorthChinaElectricPowerUniversity 5

3 项目设计思想 1 项目背景晶体管的问世, 是 20 世纪的一项重大发明, 是微电子革命的先声 晶体管出现后, 人们就能用一个小巧的 消耗功率低的电子器件, 来代替体积大 功率消耗大的电子管了 晶体管的发明又为后来集成电路的诞生吹响了号角 1947 年 12 月, 美国贝尔实验室的肖克利 巴丁和布拉顿组成的研究小组, 研制出一种点接触型的锗晶体管 1950 年, 威廉 邵克雷开发出双极晶体管 (Bipolar Junction 第一枚晶体管模型 Transistor), 这是现在通行的标准的晶体管 NorthChinaElectricPowerUniversity 6

3 项目设计思想 1 项目背景 晶体管, 被认为是现代历史中最伟大的发明之一, 具有电流放大作用, 是电子电路的核心元件 NorthChinaElectricPowerUniversity 7

3 项目设计思想 1 项目背景 晶体管的输入和输出特性曲线是描述晶体管电极电流与极间电压关系的曲线, 又称为晶体管的伏安特性曲线 晶体管特性曲线测试仪是一种能对晶体管的特性参数进行测试的仪器, 是用来测量晶体管输入 输出特性曲线的仪器 T XIV1 IB 1A UCE 12V Q1 NorthChinaElectricPowerUniversity 8

3 项目设计思想 2 设计题目 设计一种简易的晶体管输出特性测试仪, 并观察一组输出特性曲线 系统框图如下图所示 NorthChinaElectricPowerUniversity 9

3 项目设计思想 (1) 基本要求 (70 分 ): 1) 设计一个频率和占空比可调的矩形波发生器, 占空比可调范围 (50%~95%), 频率调整范围为 (500Hz~2kHz), 峰峰值 U 1 5V 2) 设计一个与矩形波同步的锯齿波发生器, 要求峰峰值 U 2 5V, 低电平尽量低, 电压上升时间占空比 90% 3) 设计一个阶梯波发生器, 阶梯数 n 可设置 (5 n 10), 相邻阶梯幅度差 ΔV=0.5V (2) 发挥要求 (30 分 ): 1) 用以上电路所产生的同步阶梯波和锯齿波, 设计一个晶体管特性曲线测试仪, 调整阶梯波阶梯数, 使示波器显示曲线数 m 6 2) 其他 NorthChinaElectricPowerUniversity 10

4 教学实施进程 根据设计题目查找相关参考资料, 对设计要求进行分解和刨析 利用 Multism 软件进行仿真, 并分模块进行调试 按照评分表进行测试, 记录测试结果, 并对结果进行分析和总结 1 2 3 4 5 6 7 发布设计题目, 提出设计任务要求 结合课程知识, 讲解几种解决方案, 引导学生分析并确定设计方案 搭接实物电路, 用示波器进行测试, 要求学生了解示波器的 X-Y 模式 完成综合实验报告, 并进行答辩 NorthChinaElectricPowerUniversity 11

4 教学实施进程 1 实验原理 晶体管的输出特性曲线, 是以基极电流 i B 为参变量, 反映集电极电流 i C 与管压降 u CE 的函数关系曲线, 即 i ( ) C f u CE i 常数 B 要设计一个简易的晶体管输出特性曲线测试仪, 需要产生一个等幅变化的阶梯波作为基极电流 i B 的驱动, 同时要产生一个与之同步的锯齿波作为 u CE 的扫描电压, 测试时需要使用示波器的 X-Y 模式,X 轴信号以 u CE 作为扫描电压, 以 i C 作为 Y 轴测量量 NorthChinaElectricPowerUniversity 12

4 教学实施进程 2 实验方案 方案一 该方案采用矩形波振荡电路产生矩形脉冲电压 u O1 同时该矩形波输入到锯齿波产生电路变换成锯齿波 u O2, 作为晶体管集电极的扫描电压 ; 另一方面该矩形波输入到阶梯波产生电路产生阶梯波, 通过电阻送至晶体管的基极, 作为基极驱动电流 锯齿波和阶梯都由矩形波变换而来, 因此可以完全同步, 电阻 R C 将集电极电流取样, 经电压变换电路转换成与电流 i C 成正比的对地电压 u O3, 加至示波器的 Y 轴输入端 NorthChinaElectricPowerUniversity 13

4 教学实施进程 (1) 矩形波产生电路 (2) 锯齿波产生电路 R4 10kΩ R3 151kΩ D1 1N4148 VEE R1 200kΩ C2 0.01µF D1 1N4148VEE C1 0.01µF 2 3 R2 10kΩ U1 6 LM741H (1) 矩形波仿真结果 4 7 12 V 1 5 VCC 12 V R1 10kΩ IO1 矩形波 方案一 IO1 矩形波 R4 10kΩ D3 1N4148 U1 LM741H (2) 锯齿波仿真结果 2 3 R2 10kΩ D2 1N4148 4 7 1 12 V 5 6 VCC 12 V IO2 锯齿波 NorthChinaElectricPowerUniversity 14

4 教学实施进程 (3) 阶梯波产生电路 (4) 电压变换电路 R1 Q2 2N2905* R6 R4 10kΩ Q1 2N914* C4 8kΩ R5 10kΩ 100kΩ VEE IO1 C3 矩形波 0.01µF R4 20kΩ R3 1kΩ D3 1N4148 R2 10kΩ 2 3 0.01µF VEE 4 U1 12 V 6 LM741H 7 1 5 D4 1N4148 VCC IO3 阶梯波 R7 92kΩ IO2 锯齿波 IO3 阶梯波 R5 1kΩ R6 100kΩ R1 100kΩ R2 100kΩ Q1 2N914 2 3 R3 100kΩ 4 U1 7 1 12 V 6 LM741H VCC 5 12 V IO4 输出 12 V (3) 阶梯波仿真结果 方案一 (4) 特性曲线仿真结果 NorthChinaElectricPowerUniversity 15

4 教学实施进程 方案一 优点 电路结构明确 成本较低 缺点 使用分立器件过多电路参数调试复杂电路制作难度较大 NorthChinaElectricPowerUniversity 16

4 教学实施进程 2 实验方案 方案二 该方案采用 555 定时组成的多谐振荡器同时产生同步的锯齿波和矩形波, 再由矩形波作为计数脉冲接入 n 进制计数器的时钟端, 输出端和运放组成的加法器构成简单的 D/A 转换器, 同时对输出进行放大, 产生阶梯波 NorthChinaElectricPowerUniversity 17

4 教学实施进程 (1) 矩形波产生电路 D1 C2 0.01µF VDD 1N4148 5V R1 56kΩ Key=A 6 % D2 1N4148 C1 RST DIS THR TRI CON 0.01µF VCC GND OUT (1) 矩形波仿真结果 A1 555_VIRTUAL 矩形波 方案二 (2) 锯齿波产生电路 D1 C2 0.01µF VDD 5V R1 56kΩ Key=A 6 % D2 1N4148 1N4148 C1 RST DIS THR TRI CON 0.01µF VCC GND 9 10 555_VIRTUAL OUT 11 4 A1 U2C 8 R14 LM324AD 矩形波 10kΩ Key=D (2) 特性曲线仿真结果 50 % VDD 5V R11 5.1kΩ R12 5.1kΩ 30 % 50kΩ Key=C 13 12 11 4 R13 U2D 14 LM324AD 锯齿波 NorthChinaElectricPowerUniversity 18

4 教学实施进程 (3) 阶梯波产生电路 (2) 锯齿波产生电路 (3) 矩形波仿真结果 方案二 (2) 特性曲线仿真结果 NorthChinaElectricPowerUniversity 19

4 教学实施进程 3 实物作品 +5V 电源 GND -12V 电源 -12V 电源 集电极发射极 NorthChinaElectricPowerUniversity 20

5 考核内容与方式 多段式 多方位的考核方式 ( 课程考核 + 过程评估 + 学生自评 + 学生互评 ) 总成绩 作品测试 (50%) 设计报告 (30%) 答辩 (20%) 多段式 多方位 作品及测试 设计报告 答辩 总的实验考核 每个阶段的成 按照测试评分 理论分析方案合理 对小组中三人 成绩来自于整 绩来自实验过 表逐项打分 设计过程电路规范 分别提问, 涉 门课程进行中 程中的多个方 数据完整实事求是 及实验原理, 的各个阶段成 面 字迹清晰文理通顺 技术方案, 测 绩 图表整洁结论明确 试方法等 NorthChinaElectricPowerUniversity 21

5 考核内容与方式 评分表 NorthChinaElectricPowerUniversity 22

5 考核内容与方式 设计报告 NorthChinaElectricPowerUniversity 23

6 教学效果 1 仿真原理图 锯齿波 矩形波 阶梯波 NorthChinaElectricPowerUniversity 24

6 教学效果 2 实物作品 NorthChinaElectricPowerUniversity 25

6 教学效果 3 测试结果 基本要求 发挥部分 NorthChinaElectricPowerUniversity 26

总结 该项目将理论知识与实际产品设计相结合, 让学生了解实际仪器的工作原理 既考查知识的灵活应用又锻炼学生的动手能力 引导学生对问题进行深入的分析, 在典型应用的基础上进行改进, 使学生对知识能够活学活用 理论 仿真与实践环节有机结合, 锻炼学生结合所学知识构建完整系统的能力, 通过作品的制作, 提高学生分析问题 解决问题的能力 NorthChinaElectricPowerUniversity 27

谢谢专家和评委的聆听! 恭请批评指正! 华北电力大学电气与电子工程学院电工电子中心赵东 NorthChinaElectricPowerUniversity 28