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1、1.前言： 由于物理学的重大突破，电子技术在20世纪取得了惊人的进步，特别是近四十多年来，微电子技术和其他高技术的飞速发展，致使工业，农业，科技和国防等领域以及人们的社会生活发生了令人瞩目的变革。随着21世纪的到来，世界将进入信息时代，作为其发展基础之一的电子技术必将以更快的速度前进。当今世界上集成电路产品日益更新，层出不穷。人们在掌握基本电子电路的工作原理，主要特性以及电路之间的互联匹配等基本知识之后，通过阅读器件产品手册，就有可能以最少量的集成电路芯片设计出满足技术要求，性能可靠，成本低廉的应用电子电路，乃至构成某种功能完善的电子系统。半导体器件是现代电子技术的重要组成部分，由于它具有体积
2、小，重量轻，使用寿命长，输入功率小和功率转换效率高等优点而得到广泛的应用。集成电路特别是大规模和超大规模集成电路不断更新换代，致使电子设备在微型化，可靠性和电子系统设计的灵活性等方面有了重大的进步，因而电子技术成为当代高新技术的龙头。 二极管和三极管作为电子技术电路中最基本器件，在电子设计中起着重要的作用，研究各种类型的二极管和三极管对分析电路的功能和构建新电路有着及其重要的意义。半导体二极管按其结构的不同可分为点接触型和面接触型两类。点接触型是由一根很细的金属触丝和一块半导体的表面接触，然后在正方向通过很大的瞬时电流，使触丝和半导体牢固地熔接在一起，三价金属与锗结合构成PN结，并做出相应的电
3、极引线，外加管壳密封而成。由于点接触型和二极管金属丝很细，形成的PN结面积很小，所以极间电容很小，同时，也不能承受高的反向电压和大的电流。这种类型的管子适于做高频检波和脉冲数字电路里的开关元件，也可以用来作小电流整流。 二极管的类型繁多，主要有齐纳二极管，变容二极管，光电二极管，发光二极管和激光二极管等。齐纳二极管又称稳压二极管，是一种特殊工艺制造的面结型硅半导体二极管，这种管子的杂质浓度比较大，空间电荷区内的电荷密度也大，因而该区域很窄，容易形成强电场。当反向电压加到某一定值时，反向电流急增，产生反向击穿，形成反向击穿电压。即稳压管的稳定电压。稳压管的稳压作用在于，电流增量I很大，只引起很小
4、的电压变化Vz。稳压管的稳定电压Vz,低的为3V，高的可达300V，它的正向压降约为6V。稳压管在直流稳压电源中获得广泛的应用。 BJT又常称晶体管，它的种类很多。按照频率分，有高频管，低频管；按照功率分，有小，中，大功率管；按照半导体材料分，有硅管，锗管等等。BJT都有三个电极，发射e,基极b和集电极c。BJT的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。为了保证这一个传输过程，一方面要满足内部条件，即要求发射区杂质浓度要远大于基区杂质浓度，同时基区厚度要很小；另一方面要满足外部条件，即发射结要正向偏置，集电极要反向偏置。在半导体器手册中，有时画出某些BJT的
5、典型特性曲线，但由于BJT本身特性的分散性，即使是同型号的器件，他们的特性也不完全一致。所以手册中给出的这些特性曲线只能作为使用时的参考。在实际应用中，通常是利用专用的图示仪对输入，输出特性进行显示，获通过实验进行测量。2总体方案设2.1方案论证方案一：三端稳压直流电源为设计电路中的器件提供了稳定的直流电源，恒流源分别为稳压管提供5mA，为三极管提供10uA的稳定电流。稳压管的稳压值可以直接通过CC7106 A/D转换器构成的电压数字显示电路显示出来。三极管的值可以先通过I/U转换器，以电压的形式表示出来，再通过数字显示电路测出电压值（即的值）。当稳压管的电压超过6V，三极管的放大倍数超过20
6、0的时候，即可以通过系统报警器报警。三端稳压直流电 源恒流源稳压管三极管I/U转换器数字显示电路系统报警器 图2.1.1 方案一的方框图方案二：本设计与方案一不同的是以AT89C51单片机最小系统为核心，用汇编语言编程，用多组放大器组成恒流源采样电路，可靠地实现了对三极管基极和集电极电流的检测，通过ADC118和放大器组成数据采集电路。系统能准确地测量交直流放大系数。单片机对采集到数据进行处理，并用液晶显示各项参数。直流电源恒流源稳压管三极管采样电路AT89C51单片机最小系统显示电路系统报警器 图2. 2 .1 方案二的方框图2.2方案比较和选择方案一：此方案原理简单，测量精度高，所需要的元
7、器件也相对简单，电路图相对简单容易，对于一般的学生可以容易掌握。方案二：由于此方案设计涉及的器件比较复杂而且需要汇编语言进行编程这就要求设计者要对单片机有一定的认识和熟悉掌握汇编语言。且电路图比较复杂，这对一般的初学者有一定的难度。通过对比，可以发现方案一的精度不如方案二的，但考虑到测量一般的稳压管和三极管时，方案一的精度足够了。且方案一比较简单，器件容易找。所以在做设计的时候选择方案一。3.单元模块设计3.1直流恒压电源3.1.1 直流恒压电源设计电路T3D9C15100uF-POLC160.3uF U3LM7815CTU4LM7915CTC170.33uF C180.33uF C190.1
8、uF C200.1uF 220V 50HZUi6+15vUi7-15VVi 图3.1.1 直流恒压源电路图用三端式稳压器LM7815和LM7915构成正，负双电压输出电路，其中整流部分采用了由四个二极管组成的桥式整流器成品，型号为3N246。滤波电容为100uF。当稳压器距离整流滤波电路比较远时，应在输入端接入大小约为0.33uF的电容器，以抵消线路的电感效应，防止产生自激振荡。输出电容约为0.1uF用以滤波除输出端的高频信号，改善电路的暂态响应。图中T3为电源变压器，它的作用是将交流电网220V 50HZ的电压变成整流电路要求的交流电压，其值大约为22V。电源变压器的线圈匝数比应为1000：
9、100。在桥式整流电路中，四个二极管分为两组，且这两组二极管轮流导通，使的正弦波交流电压变为如图3.1.1.1的波形电压。图3.1.1.1 整流后的电压波形 电容C15起着滤波的作用，用来滤去整流输出电流种的纹波。电容在电路中有储能的作用，并联的电容器C15在电源供给的电压升高时，能把部分能量存储起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平衡，即电容具有平波的作用.图3.1.1.2就是滤波后电压输出的波形。图3.1.1.2 电容滤波后的电压波形 滤波后的电压作为三端稳压器的输入电压，LM7815具有输出电流0.5A和输出电压为正15V的功能，LM7915具有输出负15V电压的功
10、能。经过三端稳压器便能得到如图3.1.1.3所示的稳定直流电压。 图3.1.1.3 三端稳压器稳压后电压波形3.1.2 +5V直流恒压源设计电路 ViT3D9C15100uF-POLC160.3uF 220V 50HZC3100uF-POLC40.1uF U1LM7805CT 图3.1.2 +5V直流恒压源电路图3.1.3 +9V直流恒压源设计电路ViT3D9C15100uF-POLC160.3uF 220V 50HZC3100uF-POLC40.1uF U1LM7809CT 图3.1.3 +9V直流恒压源设计电路图3.2 直流恒流源 在测量稳压管稳压值，三极管值，要求流过其电流分别为5mA和
11、10uA。我们可以分别接入5mA和10uA的恒流源，恒流源可以由两个运放器及电阻搭接出来，其原理图如图3.2.1所示。Ui2I 图3.2.1 微电流恒流源电路图 U2为电压跟随器，U1为同相加法器。C1的输出电压为Uo为: 式中，Kf=1+(R4+R3).当R1=R2,R3=R4时，Uo=Ui+Ui2恒流源电流I为：I=(Uo-Ui2)/R5=(Ui+Ui2-Ui2)/R5I与负载没关，只要Ui,和R5为定值，则电流I为恒流源。当输入电压Ui为5V,开关打到R5时，电流为I=10uA,当输入电压Ui为5V,开关打到R6时，电流为I5mA。 运放器C1和C2可以用单个FO82来代替，其原理图为图
12、3.2.2所示 图3.2.2 FO82内部结构图3.3 I/U转换电路 测量三极管值时，是很难直接用仪器测出来的，只能通过与电流I和U的关系来表达，通过测出I,U来间接将表示出来。 Q1R121.00k?R131.0k?R149k? R281.0k?U21U 15VIcU1Ib 10uAUo 图3.3 I/U转换电路图 BJT集电极的直流电流Ic,与基极的直流电压Ib的比值，就是BJT的直流放大系数，但是BJT常常工作在有信号输入的情况下，这时基极电流产生一个变化量，相应的集电极电流变化量，则与之比称为BJT的交流放大系数。一般情况下，BJT的直流放大系数和交流放大系数都非常接近，可以互用。由
13、图3.3 可知,Ic/Ib ,而Ic=U1/R13,所以U1/(Ib*R13),当Ib=10uA,R13=1k时，100U1，只要测出U1的值则可求出值。当U1为1V时，则为100，但由于一般的运放器都不能放大到100V,所以不能用100V来表示的值。我们可以用100mV来表示。U21构成电压跟随器，Uo=R28/(R14+R28)*U1,当R14=9K,R28=1K时，则Uo=0.1U1，当U11V时，则Uo=100mV,则值可以通过电压显示器显示Uo的值来表达。 3.4系统报警器 在测量稳压管稳压值，三极管值时，要求当稳压值超出5V, 大于200时，系统要自动报警，发光和发声。图3.4.1
14、就是报警器的设计电路图。 图3.4.1 报警器电路图图中U1,U2是运放比较器，U1的作用是将稳压管的稳压电压与+5V电压相比较，U1的负端接入一个+5V电压，当稳压管稳压电压小于+5V时，运放比较器输出一个低电平。当稳压管稳压值大于+5V时，运放比较器输出一个高电平。U2的作用是将用表示三极管大小的电压Uo与200mV相比较，其负端接入一个200mV的电压，当Uo大于200mV时，则意味着所测三极管的大于200，比较器输出一个高电平，当Uo小于200mV时，则说明三极管的在所测的范围内，系统不需要报警，比较器输出一个低电平。U20是一个三极管在电路中起着开关的作用，当所测稳压管的稳压值和三极管的在规定的范围内时，两个比较器都输出低电平，三极管保持截止状态，发光二极管不发光，蜂鸣器不晌。当所测稳压管的稳压值或三极管的超出规定的范围内时，三极管的基极加入了一个高电平，三极管导通。发光二极管发光，蜂鸣器发声。报警器工作时，应考虑发光二极管是否会被烧坏，所以应和发光二极管串联上一个电阻。电阻的
