晶體管圖示儀的設(shè)計與制作

晶體管圖示儀器是用來測量晶體管輸入、輸出特性曲線的儀器。在實驗、教學(xué)和工程中通過使用圖示儀，可以獲得晶體管的實際特性，能更好的發(fā)揮晶體管的作用。這款簡易晶體管圖示儀制作簡單、價格低廉、使用方便，可以滿足對于數(shù)值精度要求不高的場合。

與普通示波器配合使用，即可測量小功率NPN、P:NP管的輸入、輸出特性曲線。另外本設(shè)計還擴展了晶體管極性判別，晶體管放大倍數(shù)測量、顯示和語音播報功能。

一、系統(tǒng)原理

下圖為系統(tǒng)框圖。晶體管的輸出特性是指在一定的基極電流Ib時，晶體管集電極與發(fā)射極之間的電壓Uce同集電極電流IC之間的關(guān)系。每個lb對應(yīng)一條輸出特性曲線。將多個lb對應(yīng)的曲線同時顯示在示波器上，就可以得到一簇輸出特性曲線。

晶體管的輸入特性是指在一定的Uce下，晶體管基極與發(fā)射極之間的電壓Uhe同基極電流Ib之間的關(guān)系。每個Uce對應(yīng)一條輸入特性曲線。將多個Uce對應(yīng)的曲線同時顯示在示波器上，就可以得到一簇輸入特性曲線。

因此，一個簡易晶體管圖示儀主要由以下三部分組成，即：基極電流產(chǎn)生電路、集電極掃描電壓產(chǎn)生電路和放大倍數(shù)測量顯示電路，如下圖所示。當(dāng)顯示晶體管的輸出特性時，基極階梯電流產(chǎn)生電路是由單片機控制DAC2直接產(chǎn)生基極階梯電流；集電極掃描電壓產(chǎn)生電路由單片機控制DAC1產(chǎn)生從零開始增大的電壓，再經(jīng)電壓放大電路放大以產(chǎn)生所需的掃描電壓。當(dāng)顯示晶體管的輸入特性時，由單片機控制DAC2直接產(chǎn)：生基極鋸齒電流；并由單片機控制DAC1、DAC2產(chǎn)生所需的階梯電壓和鋸齒波信號再經(jīng)電壓放大電路放大以產(chǎn)生所需的掃描電壓。并通過凌陽SPCE061A單片機上的按鍵，完成上述兩模式轉(zhuǎn)換。放大倍數(shù)測量顯示電路由單片機、數(shù)碼管和儀表放大電路組成。單片機接收處理采樣電壓，多次采樣取平均、得到放大倍數(shù)，再經(jīng)單片機BCD譯碼送至外接數(shù)碼管顯示。

在電路實現(xiàn)中，本設(shè)計同時考慮了提高精確度、精簡電路以及低成本等多種因素，做出了多方面的創(chuàng)新與改進。

二、硬件設(shè)計

凌陽SPCE061A單片機功能較強、兼容性好、性價比高，具有體積小、集成度高、易擴展、可靠性高、功耗小以及具有較商的數(shù)據(jù)處理和運算能力，系統(tǒng)最高時鐘頻率可達(dá)49MHz，運行速度快。由于單片機內(nèi)部集成了A/D、D/A轉(zhuǎn)換器，故不需外加A/D、D/A器件。通過采樣取樣，結(jié)合內(nèi)部A/D、D/A，構(gòu)成閉環(huán)反饋調(diào)整控制，簡化r硬件電路，提高了測量精度，同時也能利用軟件對測量誤差進行補償，這給調(diào)試、維護和功能的擴展、性能的提高，帶來了極大的方便。利用凌陽SPCE061A單片機強大的語音播報功能，只要運用簡單的凌陽自帶音頻壓縮文件與庫文件，就能播報晶體管放大倍數(shù)。

1．儀表放大器

出于提高精確度的考慮，采集電路用三運放組成儀表放大器。如下圖所示。利用該電路求出集電極電阻和基極電阻上電壓，該電壓與電流成正比、故得到電流信號。儀表放大器具有精度高、功耗低、共模抑制比高、工作頻帶寬和輸入阻抗大等優(yōu)點，可以較精確地測得Ic和Ib。再將Uce、Ic傳送至示波器得到輸出特性曲線．Ube、lb傳送至示波器得到輸人特性曲線。

2．極性判別電路

晶體管類型判別電路利用同相比較器。如下圖所示。由于NPN型和PNP型晶體管的電流流向相反，根據(jù)理論并反復(fù)測量得到，當(dāng)兩種晶體管按圖中電路結(jié)構(gòu)且連接方式相同時（即集電極接上端，發(fā)射極接下端），若晶體管為NPN型時，射極電壓最大約為1V，而PNP型時射極電壓最小約為6V。據(jù)此將設(shè)定合適門限電壓，接入反相輸入端。當(dāng)晶體管為NPN型時，射極電壓一直小于門限電壓，因此發(fā)光二極管不亮；當(dāng)晶體管為PNP型時，射極電壓超過門限電壓，輸出高電平，發(fā)光二極管亮，即可判別晶體管類型。

3．顯示電路

對顯示電路，本設(shè)計放棄了復(fù)雜的多個數(shù)碼管譯碼器7448驅(qū)動數(shù)碼管顯示的傳統(tǒng)電路，利用軟件編程完成譯碼過程，通過10口直接驅(qū)動數(shù)碼管顯示。

4. 制版與焊接

為了更好的實現(xiàn)本設(shè)計，設(shè)計印刷電路板時，應(yīng)注意敷銅線要盡可能短、并避免相互平行以減少寄生電容。敷銅線的拐彎處應(yīng)為圓角或斜角。敷銅線寬度與相鄰敷銅線之間的間距最好不要低于0.3mm。敷銅線的公共地線應(yīng)該盡可能放在電路板的邊緣部分。在電路板上應(yīng)該盡可能多地保留銅箔做地線，這樣可以使屏蔽能力增強。模擬電路與數(shù)字電路單點接地以消除干擾。

另外對數(shù)字電路的PCB可用寬的地導(dǎo)線組成一個環(huán)路或網(wǎng)格——即構(gòu)成一個地網(wǎng)來使用，而模擬電路的地線則不能這樣排布。

印刷電路板完成后，按照尺寸由小到大焊接元件，次序：電阻，電容，二極管，三極管，其他元件等。集成電路安全焊接順序為：地端→輸出端→電源端→輸入端。
焊接時間在保證焊接質(zhì)量的前提下盡可能短，每個焊點最好用3s，以免損壞器件。隨時去烙鐵頭雜質(zhì)，避免使用過多的焊劑。焊接結(jié)束后，需要檢查有無漏焊、虛焊現(xiàn)象。檢查時，可用鑷子將每個元件輕輕提一提，看是否動搖。

三、軟件設(shè)計

總的工程程序包括初始化程序、DAC同步輸出一路鋸齒波和一路階梯波程序、I/O定時采樣進行AD轉(zhuǎn)換程序以及語音播報程序。其中，通過按鍵選擇輸出特性模式（DAC2產(chǎn)生階梯電流，DAC1產(chǎn)生鋸齒電壓）與輸入特性模式(DAC2產(chǎn)生鋸齒電流，DAC1產(chǎn)生階梯電壓)?？偭鞒虉D如下圖所示。

經(jīng)檢測，本圖示儀運行穩(wěn)定、可靠，采集數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，能正確判斷晶體管極性并配有語音播報，取得了令人滿意的效果。放大倍數(shù)測試數(shù)據(jù)如下表所示。輸出特性曲線如下圖所示。下表放大倍數(shù)測試數(shù)據(jù)（采用DT9806型四位半數(shù)字萬用表）