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1、近代电子学实验电技 081 张正丽 1近代电子学实验之晶体管特性曲线测试电路实验设计项目名称：晶体管特性曲线测试电路实验设计摘要：该电路可以实现 NPN 型晶体管输出特性曲线（IcVce）的测试。在晶体管的基极通入恒定的电流，在集电极加载一定的电压，集电极就会产生放大后的电流输出。此时，便得到了晶体管的一条 IcVce 曲线，即是晶体管的特性曲线的一条。若往基极通阶梯波，集电极加载锯齿波，那么输出特性曲线就是一簇曲线。该曲线可以得到晶体管的工作状态，对于研究晶体管特性静态特性有很大的用处。搭好电路后，最终的波形将在数字示波器上显示。实验设计目的：1、应用运算放大器产生一些基本脉冲波：矩形波、锯
2、齿波、阶梯波。2、熟悉掌握运算放大器运用与设计。3、应用这些脉冲波形构成简单的晶体三极管特性曲线测试电路。实验设计内容及要求：1、矩形波：频率为 500Hz，幅度-10V+10V。近代电子学实验电技 081 张正丽 22、锯齿波：幅度010V连线可调，输出极性可变。3、阶梯波：310阶连线可调。4、电压电流变换器：0.001=I1=0.2(mA)，输出电流方向可变（每阶0.001=Ib=0.02(mA)）。实验设计的基本原理：三极管特性曲线测量电路的基本原理：晶体三极管为电流控制器件，他们特性曲线的每一根表示当 Ib 一定时Vc 与 Ic 的关系曲线，一簇表示不同 Ib 时 Vc 与 Ic 的
3、关系曲线的不同关系曲线，就称为单晶体三极管的输出特性曲线，所以在晶体三极管的基级加上阶梯电流源表示不同 Ib。在每级阶梯内测量集射极电压 Vc 和集电极定值负载电阻上的电压 Vr,通过电压变换电路将 Vr 换算成集电极电流 Ic, 以 Ic 作为纵轴, Vc 为横轴, 在数字示波器上即可显示一条晶体管输出特性曲线。示波器的地线与测量电路地不可相通。即测量电路的稳压电源不能接大地。 （因为示波器外壳已接大地）晶体三极管特性曲线测量电路原理框图如下:框图在本测量电路中，两种波形的准确性直接影响到了输出曲线的好坏。故在实验中需准确调整主要电阻电容的参数。实验设计中使用到的元件：集成运放（UA741）
4、四片 74ls00 一片 数/模转换器（D/A0832）一片 计数器（74ls161） 稳压管两只 NPN 晶体管一只 电阻若干 电容两只 导线若干 实验设计的各部分构造：1、锯齿波产生部分：产生锯齿波的原理：由同相输入迟滞比较器 U1 和充放电时间常数不等的积分器 U2 两部分组成。同相输入迟滞比较器 U1 反相端 UN1 虚地, 即 UN1 = 0V, 故比较电压为 0V。UT= - UO1, 而 UO1=UZ, 因此 U T + = UZ、 U T- = -UZ。当接通电源,有 UO1 = - UZ , 则 - UZ 经 R6 向 C1 充电, 使输出电压按线性规律增长。当 U 0 上升
5、到比较器 U1 的门限电压 U T + = UZ 使 UP1 = UN1= 0V 时, 比较器 U1 输出 UO1 由 -UZ 跳到 + UZ, 同时门限电压下跳到 UT -。以后 UO1= + UZ 经 R5 和 D1、 R6 两支路向 C1 反向充电,由于充电时间常数减小, U0 迅速下降到负值。当 U0 下降到门限电压 UT1 使 UP1 =UN1 时,比较器输出 UO1 又由 + UZ 下跳到 - UZ, 如此周而复始,产生振荡。由于电容 C1 的正向和反向充电时间常数不相等,输出波形 U0 为锯齿波电压 ，UO1 为矩形波电压。总得说来，锯齿波就是对脉冲方波的积分，通过调整脉冲的占空
6、比而调节锯齿波的陡度。产生脉冲之后通过积分器即可得到效果较好的锯齿波。产生锯齿波原理图如下：近代电子学实验电技 081 张正丽 3近代电子学实验电技 081 张正丽 4电阻 R10 右边输出的波形就是脉冲方波，之后经过 U6 积分后，在 U6的 6 脚即可输出锯齿波。电路中，R5 和 C1 的参数会直接影响到输出锯齿波的波形好坏，所以应注意参数。2、阶梯波产生部分电路产生阶梯波的原理：阶梯波电路如下, 十进制同步计数器 (异步清零 ) 74ls161 构成八进制计数器, 将比较器 U1 输出矩形波接至其脉冲端作为触发信号,进行计数。八进制计数器四位输出经过八位 DAC0832 进行转换成八级阶
7、梯波电压信号, 再经过放大电路进行放大。电路中的与非门用于调节阶梯波的阶数，从而实现输出特性曲线中的曲线条数可调。由于 74ls161 的输出 Q0Q3 是四个数的组合，对于该电路使用二输入端与非门作为闸门控制，那么可以得到 310 阶之间的任意数字的阶梯。譬如：Q1、Q0 组合，分别接入与非门的两端，那么就可以得到 3 阶的阶梯波；若Q2、Q3 组合，分别接到与非门的两端，即可得到 10 阶的阶梯波。该阶梯波是下降的阶梯波，对于实验的结果是不会影响的。电路图如下：近代电子学实验电技 081 张正丽 574ls161 的 clk 引脚接入锯齿波产生电路部分的前一个运放在受稳压管钳位之后的输出端
8、输出的脉冲方波，使用这个方波，并且对这个方波进行计数。由于同作为测量一只管子的特性，所以需要使用相同频率和时间周期的波形，便于分析，构造电路也简单，故使用以上电路产生的脉冲波。74ls161 的四个输出分别接 DAC0832 的 D0D3，以便得到合适增益的输出。从 DAC0832 的 11、12 脚输出的都是微弱的电流信号，故需要在后级加上运放，将信号放大。从运放 U3 的 6 脚输出的信号就是效果较好的下降的阶梯波。3、电压电流转换部分的电路：电压电流转换对于整个电路来说是相当重要的一个部分，因为整个测量电路最终要实现测量的是电流和电压的曲线，所以必须要得到电流的输出，之后才将两个波形进行
9、叠加，得到最终的特性曲线。电路中的转换部分使用一个运放，接上电阻，使通过该点的电路用等效的方法得以测量。电路图如下：转换电路产生的波形效果：因为要同时使用两种波形，所以必须将两种波形同时显示，进行观察其结果是否符合要求。连好电路后，在同一个示波器下产生的波形的拍照效果如下：两种波形效果近代电子学实验电技 081 张正丽 6实验完整电路：实验整体电路是由各个功能模块组合而得，各个模块在电路中都承担着重要的责任。不仅是锯齿波、阶梯波还是转换电路，都有着重要的意义。重要的一点就是将所有的部分联合起来，做到在同一个电路中不同功能模块的稳定工作。由各元件构造的完整电路如下：整体电路图为各功能模块组成的简
10、单图，SC3 为锯齿波产生的模块，SC1 为阶梯波产生的模块，SC2 为电压电流转换的模块，通过外接连线脚连在一起。将晶体管接入电路，进行测量，在示波器这边进行波形的监测。电路具体情况：U17413247651 U27413247651R110kR210kR31kR410kR51.25kR610kR71kVCC12VVEE-12VD31N5823C191nFVEE-12VVCC12VD41N4735AD51N4735AU37413247651R81kR910kR1010kR1110kR1210kVCC12VVEE-12VU47413247651U6VDAC8D0 D1 D2 D3 D4 D5
11、D6 D7OutputVref+Vref-R131kR14960R1524kVCC12VVEE-12VU7A7400N VDD5VVDD5VU574LS160DQA 14QB 13QC 12QD 11RCO 15A3 B4 C5D6 ENP7ENT10 LOAD9CLR1 CLK2R16100kVDD5VQ22N2221R17100XSC1A BExt Trig+_ + _近代电子学实验电技 081 张正丽 7实际搭建面包板调试以及其中遇到的问题和解决方案： 调试中的问题：1、只出现锯齿波波形，没有阶梯波波形，而且锯齿波的波形效果不理想，上升的过程中，波形略有幅度，并非直线上升。2、显示的阶梯
12、波不成形，每个阶梯的高度不一样，而且在应该平直的地方出现陡变（也非线性变化） 。3、在最终波形的叠加中，得到的特性曲线较正确的曲线来说按原点对称了，整个曲线变到了第三象限。4、整体曲线效果不理想，有很多干扰，看到的线很粗，好像是很多同向波形叠在了一起。5、+15V 和-15V 电源的构造。 解决的方案：1、由于电路的调试中，看到了锯齿波，说明电路的锯齿波部分连接成熟，从而得到了阶梯波部分的触发信号是有的，而且是正确的脉冲方波信号，而对于整个电路不产生阶梯波的分析也只有看到 74ls161 的接法以及 DAC0832 的接法是否有问题。DAC0832 对于我来说是一个陌生的芯片，在我的整体电路仿
13、真中，使用的不是该芯片，但是实验室能够提供的也就只有这种可编程的数模转换器。在mutisim 的仿真中，我未找到该芯片，于是我改变思路，找到了 ptreus 软件。借助于它，我找到了连接的正确方法，经过多次的校正和调试，得到了仿真的理想阶梯波形。 （具体原因是数模转换器的接法错误）2、得到了数模转换器的正确接法之后，示波器上显示出阶梯波的趋势，但是始终还不是阶梯波，因为每个阶梯的高度不一样，而且在应该平直的地方出现陡变。后来惊奇的发现是电路中参数的问题，脉冲方波的占空比对该波形都会产生影响，在调整好相关参数后，得到了稳定的阶梯波。 （主要影响两种波形的元件参数是：积分电容 C1 和电阻 R6
14、的数值必须很精确，才可以得到理想波形）3、示波器的信道接错，就是集电极和发射极接法有误，需调换过来。近代电子学实验电技 081 张正丽 84、阶梯波的阶数太多，而且幅度不够，导致两个不同的电流差别不大，外加噪声干扰，得到的就是模糊的图像。5、实验室的电源是多个正负电源的组合，可以利用这一优点构造不同电压值的电源，在同一电路中有效的使用。首先要选择两组电源，都调节到 15V，之后将一组的正接到另一组的负，这个节点作为整个电路的零点，另调一组电源，压值为 5V，将这组电源的负与上述的零点处连接，这就是整个电路的地。其余的三个点分别为+15V、-15V、+5V，分别引出连线即可使用。实验总结及对设计的展望：本实验设计的重中之重就是得到两个相对较理想的波形，该测试电路中，这两个波形充当的角色就相当于是任何
