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1、电子设计报告半导体三极管参数测量仪设计小组成员院系名称专业名称班 级二一四年 7 月 30 日半导体三极管参数测量仪设计内容提要：本次设计的是一个基于TMS320F28335(DSP核心处理芯片)的半导体三极管参数测量仪。系统以TMS320F28335为核心控制芯片，该系统拥有三极管管脚插错，损坏指示报警的功能，同时能够较准确的测量小功率晶体管的交流和直流放大倍数，可以在液晶上描出半导体三极管在共射极接法时的输入和输出特性曲线。在系统的设计中，共设计了控制电路、测试电路以及显示电路三大模块。通过DSP控制DAC0832进行DA转换，再通过后续电路实现数控直流电压源和电流源的设计以对晶体管的集电
2、极和基极提供适当的控制电压和控制电流；然后分别通过DSP控制A/D转换器分别对基极电压、基极电流、集电极电压、集电极电流进行采样处理，再将采样得到的数据通过DSP中的程序处理后通过液晶显示三极管的各项参数和描出输入输出特性曲线，具有较大的实际意义。关键词：TMS320F28335 三极管 控制电路 特性曲线 A/D转换目 录1 引言22 系统设计方案及工作原理22.1总体方案设计与论证22.2系统工作原理22.2.1系统总体框图22.2.2晶体管类型判断原理32.2.3输入输出特性曲线32.2.4放大倍数的计算43 硬件电路设计43.1取样电路设计43.1.1集电极取样电路设计53.1.2基极
3、取样电路63.2控制电路设计73.2.1恒流源设计73.2.2数控直流电压源设计83.3切换电路设计83.4基准电压源电路设计83.5D/A转换电路设计94软件设计95 系统调试及数据分析105.1测试仪器105.2系统调试105.2.1控制电路调试105.2.2测试电路调试105.3误差分析116参考文献111 引言在现代的电子线路的设计中，三极管的应用十分广泛，在三极管的应用中，我们又经常需要了解三极管的各项特性参数。而三极管也有电流放大系数、反向击穿电压、反向饱和电流、输入输出特性曲线、延迟时间、开启时间等各项特性参数。所以拥有一个三极管参数测量仪对我们以后的电子设计具有较大的实际意义。
4、在传统的测试仪中，基本上只能测试晶体管的好坏，虽然功能较强大、操作简单、精确度高，但是体积较大、价格昂贵，不太适合我们个人使用。在学校的实验室中一般用数字万用表测量晶体管的直流放大系数，虽然价格相对便宜，但是功能单一、精确度不高。有时我们需要知道晶体管的交流放大系数和输出特性曲线，这就需要一个可以绘出三极管输出特性曲线的系统。基于以上的原因，本次我们设计了以TMS320F28335（DSP核心处理芯片）为控制芯片的简易三极管参数测量仪，这对我们以后的电子设计中都有重要的实际意义。2 系统设计方案及工作原理2.1总体方案设计与论证方案一：采用基极和集电极电阻两端直接测电压的方法。即在规定的条件下
5、将基极和集电极的电压直接进行同相放大到一定的放大倍数后利用AD进行采样进行数据处理，其中电流转化成电压进行处理。这种方法虽然简单，但是电路比较复杂，同时也需要多个运放，精确度不高，不太容易达到题目的要求。方案二：采用两路数据采集电路分别对基极和集电极电阻两端进行采样。基极电压通过TL084组成的同相电路进行放大后使用DSP控制A/D转换器进行采样。集电极电阻两端电压采用仪用放大器进行放大，要测量PNP管则将所采集的信号接入一个反相比例放大器后进行A/D转换。方案三：采用差分放大的方式对基极和集电极两端电压进行采样，即将基极和集电极两端电压输入差分比例放大器后再进行同相放大，这样可以更精确的检测
6、基极和集电极的电压，使误差更小。基极和集电极电流的测量转化成电压测量，即利用采样电阻后测量电阻两端电压，再将电阻两端电压进行放大，放大后输入A/D转换器中进行采样，采样后除以电阻阻值和放大倍数后就可以得到相应的基极和集电极电流。综合考各种因素，我们最终选择方案三进行测量，其可以较为精确的测量三极管的各项参数，故采用方案三2.2系统工作原理2.2.1系统总体框图三极管参数测量仪主要由测试模块和控制模块构成。测试模块主要完成的是对集电极电压（VCE）及基极电压（VBE）和基极电流（）、集电极电流（）进行信号的放大以及采样等的处理，主要由信号处理电路构成。控制模块的核心处理芯片是TMS320F283
7、35(DSP核心处理芯片)。主要完成的功能是数控直流电压源、数控直流电流源的控制以及对数据的采集和处理和LCD液晶显示的控制等。系统通过软件控制数控直流电流源为三极管提供合适的基极电流，通过数控电压源为集电极提供合适的集电极电压，然后再通过信号的采集与放大以及A/D转换后即可将信号送入DSP中进行处理，系统总体框图如下图1所示：数控电压源数控电流源电压跟随器放大电子开关TMS320F28335采样键盘液晶取样电阻图 1系统总体原理框图2.2.2晶体管类型判断原理在测试之中，晶体管采用共射极接法，在三极管的基极和集电极上面加正向的电压，如果晶体管是NPN型的，那么集电极上面的偏置电阻上的是正电压
8、；若集电极上偏置电阻上式负电压，那么晶体管为PNP型；如果两种情况都不符合，则认为晶体管已经损坏。2.2.3输入输出特性曲线输入特性曲线反映的是以VCE为变量，基极电流和发射极压降Vbe之间的关系。其表达式为:系统在测量NPN三极管时，固定基极电压|Vce|=12V，使用DSP通过D/A转换控制输出电压（即基极电压Vbe）逐渐增大，每增大依次电压采集一次电流Ib并且记入存储器，DSP将采集所得到的各项数据处理后在液晶上描出输入特性曲线。输出特性曲线反映的是基极电流Ib为变量，集电极电流Ic管压降Vce之间的关系，其表达式为：在测量时，通过改变基极电流，达到题目要求的基极电流。同样通过DSP控制
9、D/A转换器输出改变的电压(即集电极电压Vce),每改变一次集电极电压就采集一次集电极电流，并且记入存储器，最后通过存储的数据描出输出特性曲线。2.2.4放大倍数的计算在测量直流放大倍数时，通过DSP控制数控直流电压源和电流源为三极管提供合适的基极电流与适当的集电极电压。此时通过集电极的电流为，集电极电流经取样电阻后进行放大，可以得到一个与成正比的电流（k为放大器放大倍数，R为电阻值），然后再将信号通过A/D进行采样后送入DSP中进行处理，通过计算公式可以算出直流放大倍数，直流放大倍数的计算公式为：在测量交流放大倍数时，由于在测量直流放大倍数时已经测过一组的值，所以只需要在以上的步骤的基础上使
10、|VC|保持不变，改变|IB|使三极管的静态工作的改变，再测试一组，两次测试的结果即可算出交流放大倍数，交流放大倍数的计算公式如下：为了减小测量误差，在测试交流和直流放大倍数时，都可以采用多次测量取平均值的方法进行测量。3 硬件电路设计3.1取样电路设计采样电路主要由基极采样电路、集电极采样电路以及放大电路构成，在测试集电极电流时，使电流通过一定阻值的电阻后将电流转化成电压后再将电压信号送入放大器中进行放大后送入DSP中进行数据处理；在测试集电极电压时，首先通过电压跟随器将集电极电压取出，然后通过放大电路进行衰减三倍后送入DSP中进行数据处理。在测试基极电流时，同样通过一定阻值的电阻进行取样后
11、送入差分放大电路中进行放大，放大后将数据送入DSP中进行数据处理；在测试基极电压时，先将其通过电压跟随器采集到基极电压，然后将其送入放大电路中进行放大后送入DSP中进行数据处理。在测量PNP型三极管时需要将采集到的信号通过反相器进行反相后送入DSP中进行数据处理。测试电路的总体框图如下图图2所示：数控直流电压源数控直流电流源取样电阻跟随跟随差分放大反相放大反相功率电阻取样电阻差分放大反相衰减1/3反相电子开关 A/D图 2测试电路框图3.1.1集电极取样电路设计在取样电阻的选取上，我们选取的是1k的高精度取样电阻，在电阻的两端分别取2个点的电压，同时为了消除之后电路的影响，我们先将这两个信号通
12、过两个电压跟随器。在对集电极电压进行测量时，有射极电压,所以即有，又因为经过电压源的加压后，电压达到了0-10V，所以必须进行衰减后才能送入DSP中进行处理，故我们设计一个反相放大器，放大倍数为倍，在设计中将一个电阻换为电位器，方便我们对放大倍数进行调整，反相放大器输入输出电压关系为：倍放大器电路如下图3所示：图 3衰减1/3倍电路图在对集电极电流进行测量时，需要通过一个差分放大器对取样电阻两端的电压进行做差后得到电流的值，差分放大器的计算公式： 代入电阻值后化简可得：故三倍的差分放大器电路图如下图4所示：图 4 3倍差分放大器电路图3.1.2基极取样电路在基极取样电阻的选取中，我们选取10k
13、的电阻作为取样电阻，在Vb的测量中，我们设计的放大器放大倍数为-5倍由反相放大器的输入电压与输出电压关系式：可得基极取样电路放大电路如下图5所示：图 5基极取样电压放大电路在对基极电流Ib的测量中，同样需要对取得电压进行差分放大，故根据差分放大器计算式： 得出10倍的差分放大器如下图6所示：图 6 10倍差分放大器电路图3.2控制电路设计3.2.1恒流源设计根据设计要求，我们可以得出恒流源电路图如下图7所示：图 7恒流源电路图DAOUT1为D/A转换输出的控制电压，设流过R1的电流为，流过R2的电流为，单位为mA，设其方向向右，根据虚短和虚断可以得到：可以得到：，为基极电流Ib。只要改变控制电
14、压，就可以改变输出的电流，输出的电流不会随负载变化，是恒流源。3.2.2数控直流电压源设计恒压源电路图如下图8所示，我们通过将D/A转换输出的电压进行放大可以设计电压源，电压放大倍数计算公式如下：图 8数控直流电压源电路图3.3切换电路设计在对基极和集电极的电压和电流取样中，我们需要采集四路信号进行放大和测量，同时三极管还分为NPN型和PNP型，这同样需要采集四路信号，所以我们需要对每一路进行选择切换，在切换电路的设计中，我们选用模拟开关4051进行切换，切换电路如下图9所示：图 9切换电路电路图3.4基准电压源电路设计为了使D/A转换芯片DAC0832正常工作，我们选用精密可调基准电压源TL
15、431构成电压源，TL431提供的基准电压计算公式为：同时为了调节的方便，我们将其中一个电阻设计为电位器，基准电压源电路图如下图10所示：图 10基准电压源电路图3.5D/A转换电路设计在设计中，我们采用了DSP利用DAC0832构造数控直流电压源和电流源，D/A转换电路如下图11所示：图 11 DA转换电路图4软件设计软件的设计主要是利用D/A转换构成数控直流稳压电压源和电流源以及控制AD对采集到的信号进行取样处理，并且通过内部计算得出电流的放大倍数以及绘出三极管的输入特性曲线和输出特性曲线。软件的流程图如下图12所示：DSP键盘液晶DA转换数控电压源开始采集数据计算放大倍数绘出特性曲线数控
16、电流源开始采集数据计算放大倍数绘出特性曲线图 12软件流程图5 系统调试及数据分析5.1测试仪器 数字式万用表 双踪示波器 DDS函数发生器 直流稳压电源5.2系统调试5.2.1控制电路调试(1) 在进行调试之前，首先粗略检查电路有线路是否接错，电源是否接通，用万用表粗略检测有无短路的连接，当检查完毕后才开始接通电源；(2) 插上芯片并且接通电源，首先调整TL431基准电压电路中的基准电压到自己想要的电压；(3) 利用软件控制D/A的数据输出，首先输出0V电压，接着依次增加电压的输出，检测数控电压源和电流源是否能够正常工作并且利用万用表调试到误差较小的电压和电流值；(4) 测试模拟开关是否正常
17、：编程控制模拟开关的选通，在模拟开关上加上不同的数据，依次测试输出的值；(5) 测试对液晶的控制是否能够达到，观察能否显示放大倍数以及描出输入输出特性曲线；5.2.2测试电路调试(1) 在进行调试之前，首先粗略检查电路有线路是否接错，电源是否接通，用万用表粗略检测有无短路的连接，当检查完毕后才开始接通电源；(2) 插上芯片并且接上电源，使用函数发生器产生一个1kHz、峰峰值为3V的正弦信号，输入各个信号采集电路和放大电路，利用示波器观察输出信号的频率和幅度，检测放大电路是否正常工作，调节放大电路中的电位器，管擦输出波形的幅度变化情况；(3) 加入待测试的晶体管，分别通过示波器管擦晶体管的输入信
18、号和输出信号，计算其直流放大倍数和交流放大倍数，并且利用示波器观察输入特性曲线和输出特性曲线的形状，对比晶体管的标准输入输出曲线后得出其差异，看电路是否正常工作(4) 所有模块电路全部加入系统中进行总的调试。5.3误差分析从整个系统来看，产生误差的原因主要有以下几点： 外界环境因素与内部电路的影响会产生系统误差； PCB图在布线时以及制作电路板时会产生系统误差； 示波器与函数发生器本身存在误差； A/D采样时受转换精度限制会产生误差； 取样电阻的精度会带来误差； 运算放大器不是理想的运算放大器会带来误差。6参考文献谢自美，电子线路设计实验测试（第三版），华中科技大学出版社，2011康华光，电子技术基础（第五版），高等教育出版社，2005胡宴如，高频电子线路，高等教育出版社，2009黄坚，自动控制原理及其应用（第二版），高等教育出版社，2009
