[课程设计实验报告.]

北京化工大学

信息科学与技术学院自动化专业

课 程 设 计

题目： NPN硅三极管 β值数显式测量电路

说明书 ___23___页

图 纸____3__ 页

班 级: 信实 0901 班

姓 名: 王矩华

学号 : 200943156

同组人 : 陈吉勇

指导教师 : 韩雪岩

2011年 9 月 17 日

目 录

一 课程设计的任务及基本要求

二 逻辑框图设计

三 逻辑电路的设计及参数计算

四 安装调试步骤及遇到的问题

五 印刷线路板设计

六 体会及建议

七 参考文献

八 附录 ( 元件使用说明 )

九 附图 ( 框图 逻辑图 印刷线路板图 )

一 课程设计的任务及基本要求

三极管的电流放大系数—— β可以用晶体管特性图示仪来进行测量， 但存在着读数不直观和误差较大等缺点， 因此本课题要求设计一个 “三极管 β值的数显式测量电路”。

. 具体任务和要求

可测量 NPN硅三极管的直流电流放大系数 β＜ 199. 测试条件为

I B =10uA，允许误差 +2%。

14V＜ VCE ＜16V，且对不同 β值的三极管， VCE 的值基本不变。

该测量电路制作好以后，在测试过程中不需要进行手动调节，便可自动满足上述测试条件。

用两只 LED 数码管和一只发光二极管构成数字显示器。发光二极管用来显示最高位，它的亮状态和暗状态分别用来代表 1 和 0，两只数码管分别用来显示十位和个位，即数字显示器可显示不超过 199 的正整数和 0。

测量电路设有测三极管的三个插孔，分别标上 E、B 和 C。当被测三极管的发射极、基极和集电极分别插上 E、B 和 C 插孔时，接通电源后，数字显示器就自动显示出被测三极管的 β值，响应时间不超过 2 秒钟。

在温度不变的情况下， 本测量电路的误差之绝对值不超过 5N/100+1. 这里的 N 是数字显示器的读数。

数字显示器显示的数字应当清晰，而且显示周期的长短要合适，例如，

当 β=24.5 时 , 个位数码管可能交替显示 4 和 5, 在这种情况下 , 如果显示周期太短

( 例如 0.01S ) ，由于人的眼睛的滞留效应（滞留时间大约是 0.1S），就不能清楚地看到 4 和 5 这两个数字，反而看起来像 9，它是 4 和 5 迭加的结果（对于 LED 七段数码管而言）。显然，不允许出现这种现象。

. 限定使用的主要元器件通用型集成运放 LM324 高阻型集成运放 LF351

通用型集成电压比较器 LM311 集成定时器 NE555

2/5 十进制计数器 74LS90

BCD—七段译码器 74LS47

双 D 上升沿触发器 74LS74

2 输入与非门 CC4011

共阳极 LED七段数码管 β值测量的方框图

β值测量和夹断电压 VP测量的方框图有何区别 ?

二 逻辑框图设计

七段译码器 七段译码器

10进制 10进制

1位锁存器

计数器 计数器

被

测

／ V X

三

压控振荡器

极

转换电路

与

管

门

计数时间产生电路

清零信号产

生电路

三、逻辑电路的设计及参数计算

1、 β— VX 的转换电路

如图 1-1 所示， β — VX 的转换电路是由运放 LM324和电阻 R1、 R2、 R3 等元件

组成的固定偏流电路。

　对于三极管， 在饱和区 I C 随 VCE 的增加而增加； 再放大

区 I C 基本保持不变，并且对于不同的 IB ， I C 的值也不同，因此要求固定

I B =10uA,14V＜ VCE ＜16V，且对于不同的 β值， V 不变，来计算参数。

为满足固定偏流

I B =10uA

的测试条件，由图可得

1

V

—

VBE )/

R=(

CC

I B = VCC / I B =1.5MΩ。

根据运放的反相端为虚地， 可将管子的射极直接接到 -15V 的电源上，即可

满足 14V＜ VCE ＜16V。

运放 LM324和 R2、R3构成的电压并联负反馈使 VX ∝ I C ，所以取 I C为运放电路的输入电流。

　由图不难看出， 由于运放虚地条件以及它不取电流， 并且 I C=βI B，所以 VX =βI C=βIB R2。，当β为最大值 (199) 时 Vmax =13V确定 R2，则

R2=6.5K。所以取 R2=5.1K。

R3为平衡电阻， R3 略小于 R2, 取为 4.7k 。

e

c

5.1K R2

-15V

－324

b

＋

VX

R1

R3

4.7k

1.5M

图 1-1

2、压控振荡器

如图 2-1 所示，它是以运放 LF351 为主组成的反相输入积分电路和以运放

LM311为主组成的同相输入电压比较器这两部分组合而成。

①工作原理

设比较器的输出高电平 V1=13V(因为电源电压为 15V 故最大输出电压的近似值

为 13V)，则二极管 D1截止。但由于 VX 输出为高电平，所以 VX 对 Va 进行负向积分， Va 随时间呈线性递减，当 Va 减到一定程度（负值），使比较器同相输

入电压略低于



0V，它的输出即翻转为低电平，即由



V1 =13V翻转为



V1 =－13V。

当 V1 翻转为－



13V 时，二极管



D1 则由截止变为导通，积分器除了因



VX



为正值

要继续作负向积分外，还要因 V1 为负值做正向积分，但因负向积分时间常数 τ

1 = R4' C1 远远大于正向积分时间常数 τ 2 = R9 C1 ，故总的效果是做正向积分， Va 随

时间呈线性增大。如图所示，当 Va 增大到一定程度（正值）时，使比较器同相

输入端的电位略高于 0 时，它的输出即翻转为高电平， 即 V1 将由 -13V 翻转为 +13V。

当翻转为 +13V 时，二极管 D1 由导通变为截止。积分器又做负向积分。如此周而

复始，产生振荡。

图 1-2

②振荡器频率 错误！未找到引用源。

　与输入电压 错误！未找到引用源。 的关系

设积分器的负向积分时间常数远远大于正向积分时间常数，即设 R/ 4（通常取

R/ 4 >100R9）则这个压控振荡器的震荡周期就近似等于上图中积分器的负向积分时

间 t 1，即近似等于积分器的输出电压

Va 由 Vam 下降到 - Vam 所要的时间 t 1。

因为

1

t VX

dt +Vam =-

VX

+Vam

Va =-

'

'

C1

0 R4

R4C1

当 t= t1 时， Va =- Vam ，即有

- Vam =- VX

+Vam ，所以 t1 =2 R4' C1 Vam ①

R4' C1

VX

式中的 Vam 是积分器输出电压

Va 的峰值，在 Va =- Vam 时，比较器的状态发生变化

这时比较器同相输入端的电位

V =0,即V =

R7 Vam + R6V1m

, 因此 Vam = R6 V1m ②

R6 R7

R6 R7

R7

式中的 V1m 是电压比较器的最大输出电压，一般按

V1m =13V考虑（运放的电源电

压为 15V 时）。值得指出的是，为了保证积分器输出的线性度，积分器输出电

压的峰值 Vam 应当比电压比较器的最大输出

V1m 小一些，即上式中的 R6 阻值应比

R7 小一些，通常可按 R6 <0.7 考虑。若取 R6 =15K，则 R7 =24K.根据运放两端输入 R7

端电阻应尽量相等的原则，取 R8 =10K。

'

C1

R6

V1m

将②代入①式得 t1 =2 R4

R7

VX

故此压控振荡器的震荡周期为 TX =t1 +t2 =t1 =2 R4' C1

R6

V1m

R7

VX

振荡频率为

f x =

1

=

1

·

R7Vx

TX

'

R6V1m

2R4C1

可见 f x 与 VX 成正比，由于 VX = I B ·β· R2 所以 f x 与β 成正比。

计数时间产生电路⑴对于计数时间产生电路的要求

有了频率 f x 与电压 VX 成正比的压控振荡器，只要把它输出的脉冲信号 v1 与

宽度合适的计数控制信号 v2 相与后的输出 v3 送给计数器（计数前应先清零） ，

再把计数器的输出经过译码器送给数码管，便可显示出被测三极管的 β值。

下图中 TC 为计数时间，它应比人眼的滞留时间短得多，但也不能太短，否则

计数器的频率过高，一般可按（ 15ms<

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