简易晶体管特性曲线测试仪的设计

NorthChinaElectricPowerUniversity1简易晶体管特性曲线测试仪的设计2017/5/8参赛教师：赵东孙淑艳华北电力大学电工电子示范中心2017.5.6天津NorthChinaElectricPowerUniversity22017/5/81课程背景3项目设计思想6教学效果2教学目的5考核内容与方式CONTENTS目录4教学实施进程NorthChinaElectricPowerUniversity3《电子技术综合实验》是我校工科学生在学习电子技术课程（模拟电子技术基础及实验、数字电子技术基础及实验、电子技术基础）之后集中进行的实践类的必修课程，是培养学生电子系统设计能力和综合工程素质的重要实践教学环节。1课程背景理论基础理论基础大二（下）模拟电子技术基础（56学时）模电实验（20学时）大三（上）数字电子技术基础（48学时）数电实验（20学时）电气（15）电网（3）综合实验能动（12）核电核安通信信息建环（1）大二（下）电子技术基础（64学时）大三（上）电子技术基础（64学时）NorthChinaElectricPowerUniversity42教学目的素质学习工程课程之间有机联系实践能力理论知识•分析电路的能力•设计电路的能力•构建电路的能力•测试电路的能力•电路•电子技术基础•模拟电子技术基础及实验•数字电子技术基础及实验•创新素质•工程素质•综合素质2017/5/8NorthChinaElectricPowerUniversity5简易晶体管特性曲线测试仪的设计涵盖知识点应同时涵盖模拟电子技术和数字电子技术的内容。题目背景与实际工程应用相结合，适当提高系统的实用性、趣味性和可观赏性，以提高学生的学习热情，调动学生的积极性。题目应用背景区分度题目分基本要求（70%）和发挥要求（30%），各项难度要有阶梯性。保证大部分学生能在一周内完成作品及报告。工作量可测试性题目中的各项要求应该方便量化考查，需要制作详细的评分表，同时应避免复杂的测试方法。尽量使用通用器件，不采用单价较高的芯片和传感器，器件由实验中心提供，可以使用面包板或者通用板制作。制作成本3项目设计思想NorthChinaElectricPowerUniversity62017/5/81947年12月，美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组，研制出一种点接触型的锗晶体管。晶体管的问世，是20世纪的一项重大发明，是微电子革命的先声。晶体管出现后，人们就能用一个小巧的、消耗功率低的电子器件，来代替体积大、功率消耗大的电子管了。晶体管的发明又为后来集成电路的诞生吹响了号角。项目背景11950年，威廉·邵克雷开发出双极晶体管（BipolarJunction第一枚晶体管模型Transistor），这是现在通行的标准的晶体管。3项目设计思想NorthChinaElectricPowerUniversity7晶体管，被认为是现代历史中最伟大的发明之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。2017/5/8项目背景13项目设计思想NorthChinaElectricPowerUniversity8•晶体管的输入和输出特性曲线是描述晶体管电极电流与极间电压关系的曲线，又称为晶体管的伏安特性曲线。•晶体管特性曲线测试仪是一种能对晶体管的特性参数进行测试的仪器，是用来测量晶体管输入、输出特性曲线的仪器。2017/5/8项目背景1TUCE12VIB1AXIV1Q13项目设计思想NorthChinaElectricPowerUniversity9设计一种简易的晶体管输出特性测试仪，并观察一组输出特性曲线。系统框图如下图所示。2017/5/8设计题目23项目设计思想NorthChinaElectricPowerUniversity10（1）基本要求（70分）：1）设计一个频率和占空比可调的矩形波发生器，占空比可调范围（50%～95%）,频率调整范围为（500Hz～2kHz），峰峰值U1≥5V。2）设计一个与矩形波同步的锯齿波发生器，要求峰峰值U2≥5V，低电平尽量低，电压上升时间占空比≥90%。3）设计一个阶梯波发生器，阶梯数n可设置（5≤n≤10），相邻阶梯幅度差ΔV=0.5V。（2）发挥要求（30分）：1）用以上电路所产生的同步阶梯波和锯齿波，设计一个晶体管特性曲线测试仪，调整阶梯波阶梯数，使示波器显示曲线数m≥6。2）其他。2017/5/83项目设计思想NorthChinaElectricPowerUniversity114教学实施进程1234567发布设计题目，提出设计任务要求根据设计题目查找相关参考资料，对设计要求进行分解和刨析结合课程知识，讲解几种解决方案，引导学生分析并确定设计方案利用Multism软件进行仿真，并分模块进行调试搭接实物电路，用示波器进行测试，要求学生了解示波器的X-Y模式按照评分表进行测试，记录测试结果，并对结果进行分析和总结完成综合实验报告，并进行答辩NorthChinaElectricPowerUniversity12晶体管的输出特性曲线，是以基极电流iB为参变量，反映集电极电流iC与管压降uCE的函数关系曲线，即2017/5/8BCCE()iifu常数要设计一个简易的晶体管输出特性曲线测试仪，需要产生一个等幅变化的阶梯波作为基极电流iB的驱动，同时要产生一个与之同步的锯齿波作为uCE的扫描电压，测试时需要使用示波器的X-Y模式，X轴信号以uCE作为扫描电压，以iC作为Y轴测量量。实验原理14教学实施进程NorthChinaElectricPowerUniversity132017/5/8该方案采用矩形波振荡电路产生矩形脉冲电压uO1。同时该矩形波输入到锯齿波产生电路变换成锯齿波uO2，作为晶体管集电极的扫描电压；另一方面该矩形波输入到阶梯波产生电路产生阶梯波，通过电阻送至晶体管的基极，作为基极驱动电流。锯齿波和阶梯都由矩形波变换而来，因此可以完全同步，电阻RC将集电极电流取样，经电压变换电路转换成与电流iC成正比的对地电压uO3，加至示波器的Y轴输入端。实验方案24教学实施进程方案一NorthChinaElectricPowerUniversity144教学实施进程方案一（1）矩形波产生电路（1）矩形波仿真结果（2）锯齿波产生电路（2）锯齿波仿真结果U1LM741H3247651VEE12VVCC12VR110kΩR210kΩR3151kΩR410kΩC10.01µFD11N4148IO1矩形波U1LM741H3247651VEE12VVCC12VR410kΩC20.01µFD11N4148D21N4148R210kΩD31N4148R1200kΩIO1IO2矩形波锯齿波NorthChinaElectricPowerUniversity154教学实施进程方案一（3）阶梯波产生电路（3）阶梯波仿真结果（4）电压变换电路（4）特性曲线仿真结果U1LM741H3247651VEE12VVCC12VR420kΩC40.01µFR210kΩD31N4148IO1D41N4148R31kΩC30.01µFQ12N914*R110kΩQ22N2905*R510kΩR68kΩR792kΩ矩形波IO3阶梯波U1LM741H3247651VEE12VVCC12VR4100kΩIO2R3100kΩIO4阶梯波Q12N914R1100kΩR2100kΩR51kΩR6100kΩ锯齿波IO3输出NorthChinaElectricPowerUniversity162017/5/84教学实施进程方案一优点缺点电路结构明确成本较低使用分立器件过多电路参数调试复杂电路制作难度较大NorthChinaElectricPowerUniversity17该方案采用555定时组成的多谐振荡器同时产生同步的锯齿波和矩形波，再由矩形波作为计数脉冲接入n进制计数器的时钟端，输出端和运放组成的加法器构成简单的D/A转换器，同时对输出进行放大，产生阶梯波。2017/5/84教学实施进程实验方案2方案二NorthChinaElectricPowerUniversity184教学实施进程方案二（1）矩形波产生电路（1）矩形波仿真结果（2）锯齿波产生电路（2）特性曲线仿真结果A1555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRIC10.01µFC20.01µFD11N4148D21N4148R156kΩKey=A6%VDD5V矩形波A1555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRIC10.01µFC20.01µFD11N4148D21N4148R156kΩKey=A6%VDD5VVDD5VU2CLM324AD1091148U2DLM324AD121311414R115.1kΩR125.1kΩR1350kΩKey=C30%R1410kΩKey=D50%锯齿波矩形波NorthChinaElectricPowerUniversity194教学实施进程方案二（3）阶梯波产生电路（3）矩形波仿真结果（2）锯齿波产生电路（2）特性曲线仿真结果NorthChinaElectricPowerUniversity202017/5/8实物作品34教学实施进程+5V电源GND-12V电源-12V电源集电极发射极NorthChinaElectricPowerUniversity212017/5/85考核内容与方式多段式、多方位的考核方式（课程考核+过程评估+学生自评+学生互评）答辩（20%）作品测试（50%）总成绩答辩设计报告（30%）对小组中三人分别提问，涉及实验原理，技术方案，测试方法等设计报告多方位每个阶段的成绩来自实验过程中的多个方面多段式总的实验考核成绩来自于整门课程进行中的各个阶段成绩作品及测试按照测试评分表逐项打分理论分析方案合理设计过程电路规范数据完整实事求是字迹清晰文理通顺图表整洁结论明确NorthChinaElectricPowerUniversity222017/5/8评分表5考核内容与方式NorthChinaElectricPowerUniversity235考核内容与方式设计报告NorthChinaElectricPowerUniversity242017/5/86教学效果仿真原理图1矩形波阶梯波锯齿波NorthChinaElectricPowerUniversity252017/5/8实物作品26教学效果NorthChinaElectricPowerUniversity26基本要求2017/5/8测试结果3发挥部分6教学效果NorthChinaElectricPowerUniversity272017/5/8总结该项目将理论知识与实际产品设计相结合，让学生了解实际仪器的工作原理。既考查知识的灵活应用又锻炼学生的动手能力。引导学生对问题进行深入的分析，在典型应用的基础上进行改进，使学生对知识能够活学活用。理论、仿真与实践环节有机结合，锻炼学生结合所学知识构建完整系统的能力，通过作品的制作，提高学生分析问题、解决问题的能力。NorthChinaElectricPowerUniversity28谢谢专家和评委的聆听！恭请批评指正！2017/5/8华北电力大学电气与电子工程学院电工电子中心赵东