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4、测试仪 F(H)甲1012作者：汪付强 王斌 马坤指导老师：姚福安 万鹏 简易半导体三极管参数测试仪摘 要 本设计以AT89C55WD单片机最小系统为核心，用c51编程，通过多组继电器的组合，可靠地实现了对三极管基极和发射极电流的检测，通过ADC0809和运放组成数据采集电路；由DAC0832和多组继电器组成数控电压源。系统能精确测量三极管交直流放大系数、集电极发射极反向击穿电压和反向饱和电流。系统所用高压通过倍压电路获得。单片机根据采集所得数据进行处理，并通过液晶对各项参数和输入输出曲线进行显示。在此基础上，用MAX232实现了单片机和PC机的串行数据通讯，使显示更直观准确，并可进行存储打印
5、。一、 方案论证与比较根据题目的设计要求，本系统的设计可以划分为以下几个部分，下面对每个设计方案分别进行论证与比较1 三极管基极和集电极电压采样电路 方案一：采用在基极和集电极电阻两端直接测电压的方法。用这种方法虽然简单，但是电路复杂，需要多个运算放大器，精确度不高，很难达到题目要求。方案二：采用在发射极串电阻，直接在发射极测量电流Ice 的方法。这种方案由于电阻两端对地电压较低，便于放大检测。但由于发射极电阻的存在，使基极电位很难确定，不便于基极电阻的选择，对Uce的确定也会带来一定困难。方案三：用两路数据采集电路分别对基极电压和发射极电阻两端电压进行采样。基极电压经过普通运放组成的同向比例
6、放大电路进行放大后送AD采样。而极电极电阻两端的电压采用高精度低漂移仪用放大器INA126进行放大。若所测三极管为PNP型管，则经过反向比例电路转换成正电压以满足ADC0809采样的需要。综合考虑，方案三电路结构简单，测量精度较高，故采用方案三。 2 反向击穿电压测量电路 方案一：通过变压器、三端稳压器等组成可调电压源，实现0100V电压的连续输出。这种方案输出电压简单易行，但由于高压的检测存在一定困难，且大电流易对电路造成损坏，不宜采用。 方案二：将DAC0832的输出经倍压电路后得到可调高压，通过DA控制逐步增大加在三极管集电极的电压，同时对集电极电流实时检测，当检测到电流发生突变时，记录
7、下此时的DA输出电压值。根据加压倍数即可得到Uceo.这种方法控制容易，便于检测。且倍压电路输出电流小，即使出现误操作也不易对电路造成损坏。综合考虑，决定采用第二种方案。3 反向饱和电流测量电路由于反向饱和电流极小，测量中容易产生较大的误差。测量时用继电器将1M大电阻切入集电极电路，。方便检测，减小误差。根据实际测量经验，4 三极管共射极输入输出特性曲线测量三极管输入特性曲线的测量方案：固定电压|VC |=12V,通过DAC0832逐渐增大基极电压,每增大一次电压采集一次电流 iB,记入内存.单片机将采集所得的各项数据处理后，在LCD上输出曲线。三极管输出特性曲线的测量方案通过改变基极电阻,达
8、到题目要求的基极电流。同样通过DA输出改变电压VCE 每当改变一次集电极电压就采集一次电流iC,记入内存,显示输出曲线 。5. 测量结果显示方案方案一：把测量所得的参数和特性曲线通过液晶屏显示，这种方案虽然简便易行，但显示精度不高。方案二：把所有的测量结果送到上位计算机进行显示，显示精度比较高，但不够方便灵活，并且需两个全双工串行接口，实现比较困难。权衡以上两种方案，我们做了很好的折中，在电路中不仅扩设计了LCD显示，而且扩展了与PC机连接的RS232串行通讯接口，这样使用起来既方便灵活，又提高了精度，而且扩展了数据存储、打印等功能。二、主要电路工作原理分析与计算1 总体设计思路本系统信息流程
9、图如下:采样 电路AT89C52单片机最小系统显示电 路三极管数控电源PC 图22. 采样电路设计与放大系数计算（1）基极集电极电阻大小的选取。题目要求在Ib=0、10A、20A、30A的条件下绘出共射极输出特性曲线，由于发射极直接接地，在测放大倍数和输出曲线时，基极电压保持+5V（或-5V）不变。取,可计算出三种情况下的基极电阻分别为： 实际应用时，由于用固定电阻很难匹配准确，故选用电位器，将阻值精确调到上述值后再接入电路。电阻之间的切换用继电器实现。 对于集电极，电流一般在1mA10mA,由于送到ADC0809的电压要在05V,电阻两端电压又要经仪表放大器5倍放大，故集电极接一个75电阻，
10、对其两端电压进行检测。同时为保证测量放大倍数时约为10V，集电极再接入一500电阻进行分压，确保在10V左右。基极采样电路:电路图如图3。图中每个继电器一端接+12V电压，一端接一个BJT的集电极，每个BJT的基极由单片机的一个I/O口控制。当单片机的I/O口输出高电平时，BJT的基极得电导通，继电器就闭合。P3.1继电器8， P3.2继电器7，P3.3继电器3，P3.4继电器5， P3.5继电器4。在,条件下，继电器1的两个开关分别接在+12V和+5V（如果被测三极管是PNP型接-5 V和-12V）。继电器3的开关闭合在接电源的一侧。为产生所需电流，继电器8的两个开关分别接在电阻和侧。继电器
11、7的开关接在1侧。由模拟数字转换芯片ADC0809读取三极管基极电压。由于电路末端接 V电压。则电路两端的电压是易得基极电流的表达式 ： 集电极采样电路：电路图如图3。同样的条件下，电路中继电器4的开关接在电阻侧，继电器5的开关接在电源V一侧。由专用仪表放大器INA126负责直接读取集电极电阻两端的电压，经过转换送给单片机。INA126是一种低电压，微功耗的放大器，对采样电路的输入信号影响很小，可尽量减小测量结果的误差，经试验测试完全能把误差控制在以内，符合题目的要求。在测三极管的的放大系数时，继电器的开关打在电阻上。电阻的电阻值是75欧姆 ，易得集电极的电流表达式：。根据三极管直流电流放大系
12、数的定义式可以算出：一般来说， 和 的大小是不一样的， 不是一个固定不变的常数，它是两个变化量之比，其值的大小与工作点密切相关。但是在恒流特向较好的区域，如果忽略了 ,两者的大小是基本相等的。由于在完成本题中前两个任务时，三极管一直工作在恒流特性较好的区域，可以认为和是相等的。只要把| |从10A 改变到20A ， |保持不变，三极管的静态工作点已经发生了改变，此时用与测直流放大倍数相同的办法就可以测出交流放大系数。也就是说只要使基极电路中的继电器8的开关改变方向，使电阻接在电路中，电流就会改变到20A，再用同样的方法测量即可。A/D转换输出电路： A/D转换器是数据测量系统的核心部件，它把采
13、集的模拟量变换成数字序列，并读回计算机。在设计中，我们对A/D的转换速度、精度和器件成本作了最好的折中，选用了8位A/D转换器ADC0809.图 4图 为与ADC0809相连接的放大电路。当测量NPN型三极管时，单片机P3.2口控制继电器3的开关，使之与放大器1A相连。当测量PNP型三极管时，由于基极和集电极电路均施加了负电压，为满足ADC0809的转换要求，电压信号需经1：1反向放大，所以开关应该接在直接与放大器2A相连的一侧。3 施压电路设计与计算倍压电路：由于三基管的反向击穿电压一般不会小于70 V 而且测量穿电压时要求用单片机控制加在集电极上的电压以一定步长逐渐变化，而单片机只能输出最
14、大12 V、的电压。我们设计了一个 由CMOS与非门组成的倍压电路。 。 图6图中为三倍压电路，当接通电源时，电路中A点电位为“0”，则B点电位为电源电压V。这时电源电压V通过对充电，使两端电压为V值，而并不导通。当反向器输出电位翻转之后，A点电位上升为V值，于是点电位相应上升为值，此时反偏，而导通.在下一个半周时，B点电位上升为V值，点电位相应上升为。经过对充电，使输出电压为。DA双极性电压输出电路：由于三极管有NPN和PNP两种型号，测量两种三极管输入输出特性曲线时所用电压极性相反。这就要求单片机输出的控制电压有正负两个极性。在此采用了一种典型的DAC0832双极性输出电路，电路图如下：图中放大器2的输入端3通过电阻与参考电压相连，因此运算放大器2的输出电压：代入、的值，可得： 我们所用的基准电压是+5V,所以当时，； 当时，； 当时，。于是我们通过单片机控制输出从0到-5V的渐变电压就可以得到从-10V到+10V连续变化的电压。4. 测量集电极发射极反向击穿电压和反向饱和电流测反向饱和电流：集电极发射极反向饱和电流定义为基极开路时，在集电结和发射极之间加反向电压，
