电流转换电压电路

第2章    设计要求…………………………………………(2)

第3章    电子系统设计的基本方法………………………(2)

第4章    电路基本原理……………………………………(3)

第5章    实验过程…………………………………………(7)

第6章    结束语……………………………………………(12)

第7章    元件清单…………………………………………(14)

附图……………………………………………………………(14)

参考文献………………………………………………………(16)

一、设计目标

半导体三极管的β值可用晶体管特性图示仪测量，但存在读数不直观和误差较大等缺点。本题目要求用数字显示测量电路来测量三极管的β值，既直观又方便，而且误差小。

二、设计要求

设计并制作一个半导体三极管β值数字显示测量电路，电路制作好后，测试中不需人工调节便能满足测试条件。并且插入三极管到指定位置，打开电源后，即显示被测三极管的β值，其响应时间不超过1s。

其功能指标如下：

（1）设计指标

1．可测量NPN硅三极管的直流放大系数β值（设0<β<199.9），其测试条件如下：

  ，允许误差±2％   

 ，且对应于不同的三极管的不同β值，的值基本不变；

 测量精度要求<±1％。

2．在测量过程中不需要进行手动调节，便可自动满足上述测试条件。

3．测量电路设有被测三极管的三个插孔，分别标上e、b、c，当三极管的发射极、基极和集电极分别插入e、b、c插孔时，打开电源后，数字显示器自动显示出被测三极管的β值，响应时间不超过1s。

4．数字显示的读数要清晰，无重叠或跳动现象。

（2）设计要求

    1．画出电路框图；

    2．每单元的电路图；

    3．元器件清单及参数选择（包括芯片、型号、数量、电阻、运放等）。

（3）制作要求

     电路自行安装与调试，并能发现问题和解决问题。

（4）总结

     编写设计报告，包括安装与调试的过程说明，数据与波形，心得体会及意见等等。

三、电子系统设计的基本方法

传统的电子系统设计一般是采用搭积木式的方法进行，即由器件搭成电路板，由电路板搭成电子系统。系统常用的“积木块”是固定功能的标准集成电路，如运算放大器、74系列TTL，4000/4500系列CMOS芯片和一些固定功能的大规模集成电路。设计者根据需要选择合适器件，由器件组成电路板，最后完成系统设计。

首先大概猜想系统由哪几部分组成，各个部分按功能划分，依据功能查找能够实现该功能的芯片，找到一系列的相关芯片，然后考察各种芯片的具体性能和具体电路，选择性能满足设计而电路设计又可行简单的方案。

功能的划分依据所学的模电和数电知识，而要实现该功能则可以参考书本的例子，进行加工以便完全满足需要。主要参考书本的例子和常用的集成电路来进行设计。

具体芯片的资料，一般要靠百度搜索，只要在百度上输入芯片型号，一般都能链接到很多专门的芯片参考资料，综合提取出我们所需要的。

然后，我们设计出数显三极管β值测量电路的电路原理图，同时也就得到了主要元器件的明细表。设计的工作主要是在Protel99SE和Multisim 8下进行，前者用来画电路图，后者是用来仿真实验。

最后，我们在电子楼实验室进行了三天的电路安装与调试，最后一天时间写报告和上交给老师检查。

四、电路基本原理

基本设计思想及原理框图

    此三极管β值数字显示测量电路能对β值为0~199.9范围内的NPN三极管进行测量并能以数字形式显示其β值。

1、三极管是CCCV器件，要测量三极管的电流放大系数，必须给三极管以合适的静态工作点，使三极管处在线性放大区，若一定，则正比于β值，即= β。 

2、要对三极管β值进行测量，可将三极管集电极电流转换为相应的电压输出，的大小也正比于β值，然后再由A/D转换器将电压信号转换为数字信号，再由译码驱动电路将此数字信号译成BCD码，最后由显示电路（数码管）显示。

3、若所测三级管β值超过量程，则蜂鸣器会自动报警。

报警电路

原理框图：

I/V转换电路

译码驱动电路

LED显示电路

模数转换电路

电压调整电路

被测三极管

静态工作电路

 直流稳压电源

单元电路设计和分析

1．被测三极管

    被测三极管选用NPN型： 

2．静态工作电路及电流电压转换电路

三极管有合适的静态工作点，设置基极偏置电阻1.43MΩ。由于已经规定测试条件：①，允许误差②，而且对应于不同的三极管的不同β值基本不变。按要求得出以下电路：

假定BE压降为0.7V，那么基极电流为10微安，集电极电流为10微安的β倍，CE电压由C的电位决定。

使用集成运放电路进行信号处理。由于BJT是CCCS器件，其输出等效为受控电流源，所以采用反相比例运算电路进行电流-电压的转换，因为反相比例运算电路的输入电阻低。同时反相比例运算电路对运放的共模抑制比要求低，其输出电阻很低，这是优点。在理想运放下，输入电阻为0，所以输出电压为（Is*Rf）。实际输入电阻不为零，所以信号源内阻比输入电阻越大，电路的转换精度就越高。

为便于I/V转换，设为定值，采用集成运算放大器组成反相输入负反馈放大电路，放大器的输出电压。

                                       Rf=1K

                                 +5V

                                8

                          2  

                                            1

               NPN           3

Rb=                                  LM358

1.43                             4

MΩ       U= -15V

                       工作点设置及电流电压转换电路

使，则：

                         = 0.1β  

  =0.7V，当β=199.9时，=1999

3．电压调整电路

前面一个运放是反向输入，因而输出电压为负值，需再接一个反向输入的运放使电压为正。且当β值为199.9时，转换成对应的电压信号输出为1.999V，那么显示的电压值要趋近于1.999，通过微调电位计R来达到。

3位数字电压表电路原理图

4．模数转换电路

5．译码驱动电路

上图为3位数字电压表电路原理图。图用了4块集成片和一块由七段数码数码管组成的LED显示器，其中：

     CC14433用作A/D转换器，MC1403作为基准电压电源电路，提供稳定的基准电压，调节1 KΩ电阻，可以获得所需的基准电压值，本例VREF=2V。

     MC14511用作译码驱动器，它可将1位8421BCD码（Q0Q1Q2Q3）译码后，由a，b，c，d，e，f，g端输出，再经外接限流电阻去分别驱动七段显示管的7个字段。

     MC1413为7路达林顿管驱动器，用它分别驱动各七段显示管的公共阴极，各路的输入是位选通信号（DS1~DS4）以及Q2等控制信号。

6．LED显示电路

显示电路由四个数码管构成。从的四个输出分别用于四个数码管的片选，而从的输出则跟四个数码管的输入一起连接，四个数码管显示是通过片选的控制而轮流显示。只是时间快，人眼无法区别而已。电路如下：

首先，数据选择器输出千位数据，这时Q3代表千数位，Q3=0时表示千数位为1；Q3=1时，千数位为0。Q2 Q0经MC14511译码后，驱动各七段显示管对应显示0或1，同时输出千位选通信号DS1、推动MC1413，使千位显示管发亮，其他3个管都不亮。

然后，数据选择器输出Q0Q1Q2Q3输出百位8421BCD码，同时输出百位选通信号DS2，去驱动百位七段显示管发亮，接着是十位、个位分别发亮、如此使4个显示管不断快速循环发亮，利用人眼的视觉暂留效应，即可看到完整的测量结果。一般称这种显示方法为动态显示。

在基准电压=2V时，测量范围为-1.999~1.999V，输入电压超过这个范围时，由OR’端的溢出信号控制MC4511的BI’端，使显示数字熄灭。

另外，右边第二个显示管小数点dp经电阻接高电平+5V点亮。

五、实验过程

实验时间：第18周 星期一 ~ 星期日

星期一

选题，8个题目，每题选的组数不得超过两组，这是各班内部协调的，因为我去得比较晚，只选到了这个题目。

星期二 ~ 星期日

搜集信息，主要去图书馆借资料书和上网查找资料。分析和处理信息，并拟定设计。用Multisim8软件进行仿真测试，并用Protel99SE画电路图。

电流转换电压电路精度的仿真实验

【部分仿真测试条件：电阻精度5%，电压表内阻1GΩ，电流表内阻1nΩ】

放大倍数设置为10，转换输入电流为100微安，输出电压值为：

左上无二级运放：102.042mV

右上为反相比例运算：-99.14mV

左下为同相比例运算：103.941mV

理想值的绝对值应该为100.0mV。

显然，左上的电路最简单，而右上的电路比较精确。

三极管测试条件的稳定度仿真实验

以基极限流电阻和恒压源提供基极电流，仿真实验里不同型号的三极管基极电流没有变化。

后级电路对集电极电流和CE管脚间电压的影响。仿真实验显示影响可以忽略

在Protel99SE上作电路原理图：

实验时间：第19周 星期一 ~ 星期四

星期一

元器件和实验箱，向指导老师报告缺少、已坏的元器件。

②根据元器件的大小和功能，在实验箱的面包板上，拟定大概的位置。

③先确定主要器件的位置，尝试布线。这次布线只是尝试，目的在于发现需要跳线的地方并排除，所以没有考虑美观整齐。

④线路连好后，进行通电测试。本设计的数电部分实质是一个最大量程为1.999V的电压表。调整ADC的基准电压，用毫伏表观察，使其为2V。

由实验箱稳压电源提供测量电压，数码管的显示弱，而且不稳定，怀疑是数码管的限流电阻太大。更换小阻值的电阻后，情况稍微好转。但是后三位的显示相同，而且，显示的电压值严重偏差毫伏表的测量值，没有应有的线性关系。最后，经过排查，发现译码器电路MC14511的LE端没接地。排除后，数码显示的值立刻正常，但是亮度很弱。继续排查，根据原理，故障锁定在MC1413上，发现其电源端导线接触不良，造成其工作不稳定，排除故障后，数码管示数稳定而亮度也足够。实验电路的显示电压值与毫伏表有小于0.1V的偏差，调节基准电压后，使其偏差小于0.01。

星期二

①第一次布线已经避免了飞线，于是将当前的器件分布确定为最终方案。截长取短，去弯留直，耗时耗费体力的工作。

②布线完成后，检查电源是否正确，然后上电开机，电路正常工作。

③完成模拟电路的布线工作。模拟电路的线路不多，故很快完成。

④进行模拟电路的调试。

电流、电压转换电路的调整：调整R1使毫伏表示数和微安表示数的数值相同。

三极管基极电流的调整：调整电位器，使电流为10uA。

⑤以上调试正确就可以把各部分相连，然后对三极管进行测量。该电路得出的测量值比数字式万用表的hfe挡的值大，这是因为测试的条件不一样（和不同），β值并不是固定的常数。

⑥三极管β值的测量。详细的测量结果留待日后的综合调试结束时进行。

星期三

设计要求的功能已经实现，进行电路的一些细节处理和功能的扩展。

细节的处理有：添加ADC和运放的电源去耦电容；去掉第二级运放，电路正常工作，而且便于调整精度，于是最后只使用一个运放。

扩展功能：添加超量程报警，利用MC14433的超量程信号端，控制蜂鸣器，蜂鸣器由TTL门驱动。

根据电路原理和仿真实验中出现的问题，我们制订了实验调试的内容和步骤：

①不与后级相连，调整待测三极管基极限流电阻，使其不超过（9.8~10.2）uA的范围。

②不与其他功能部分相连，输入端接已经的电流源，调整电流电压转换电路的反馈电阻，从输出端测量的电压值的数值刚好是电流值的1000倍。

③ADC的调整工作为对参考电压的调整，参考电压值应该是2V。

④各部分的调整完成后，把各部分相连，此时以数字万用表的hfe挡的对同一三极管测试的结果作对比

星期四

整理课程设计报告，进一步完善电路，上交实验箱电路给指导老师检查。

实验中遇到的一些问题及解决方法

(1) 七段显示器与七段译码器的测量

把显示器与MC14511相连，第一次接好时，数码管完全没有显示数字，检查后发现是数码管未接地而造成的，接地后发现还是无法正确显示数字，用万用表检测后，发现是因芯片引脚有些接触不良而造成的，所以确认芯片是否接触良好是非常重要的一件事。

(2) 由于MC14433的输入端的电压应在0到2V之间，故数码管的量程应在0~199.9，当三端的电压超过2V时，数码管将没数字显示，由于第三个数码管的小数点位总是接5V电压，故小数点总是亮的。

(3)在工作点设置及I/V转换电路电路中，Rf应该用电位器,但是在实际过程中，实验箱上的电位器不是很稳定,所以直接用1K的固定电阻代替,误差反而会更小一些。

(4) 在模数转换电路中,应调节电位器使得电位器上的压降位2V，作为基准电压。

三极管测量以及电阻测量结果

因为，β值还受到（）的影响。这个电流与少数载流子关系密切，受温度影响较大。

六、结束语

电子技术课程设计过程大概可以划分为三个阶段：①选题、搜集信息 ②分析和处理信息、拟定设计 ③动手设计和解决问题、完成设计，整理报告。

由于每年的题目都是一样，所以一些电路在长时间的实践证明之下成为经典电路，被沿用至今。电路图可以从高年级的同学得到，甚至某些实验室老师也会把实验所需元器件以套件形式保留，以备下一届的课程设计。由于电路的设计方法是自下而上，所以解决核心功能的核心集成电路是最重要的，电路的难易程度基本由所用集成电路决定。形象的说，就是“看菜吃饭”。这是传统电子设计的不足，尤其在没有特定功能IC而使用通用IC的情况下。可以说，这是面向IC的开发过程。

只要确定核心IC，那么电路也就确定了，因为半导体厂商会提供IC的datasheet，里面有IC的各种参数和使用范例。本设计的核心在于模数转换，设计是在MC14433的基本电路上进行外围扩展得到的。外围电路的作用是做信号传输和转换，转换为MC14433能够识别的信号再进行处理。电路设计过程借助了Multisim8软件。使用该软件可以很方便检查电路是否有错，但是不能够完全证明其可行。设计思想没有错误，EDA的检查也通过了，那么电路拟定了。传统电子设计没有借助EDA，所以很多问题不能预先发现，这也是传统电子设计开发效率较低的原因之一。

有了电路图，在面包板上进行试验只不过是照葫芦画瓢，唯一的难度是避免跳线飞线。飞线跳线的存在的唯一好处是便于布线，但是其缺点也相当明显：当电路出故障时不便于排查，也不便设计者以外的人检查电路，并且会带来电磁干扰。在搭接基本电路时，常见的故障是连线的漏接和接错。只要不是电源接反，不是短路问题，一般不会烧坏元器件和设备。由于使用经典电路，可以排除电路设计本身的问题。主要问题是出在扩展功能上。一些功能的扩展有时会影响整个电路的正常工作。主电路和扩展电路均可工作，但是接连就会发生故障。在本设计中突出的一个问题是CMOS与TTL电路的连接。这种问题，在课堂上不可能遇到，考试也不考察，只有通过实践才能有所认识。在动手和动脑交替的过程，这样不仅动手能力加强了，脑子里的认识也一并加强了。

    课程设计考察了学生们动手调试的能力。因为，无论电路如何经典，都不能保证只要把线连起来就可以满足要求了。尤其是出现故障时，更需要分析和调试，找出故障的原因。本设计是数电和模电混合电路，模电的调试要求较高。要知道哪个地方要调试，要调试到什么程度。调试的过程也就是对电路原理理解的进一步加深。

    本设计有不足的地方，就是精度没有达到要求。误差不仅出现在模拟电路上，而且还出现在ADC上。模拟电路的误差已经通过微调电阻解决，但是ADC的误差却无法通过微调基准电压源解决。为了解决这个问题，在布线工艺上，我们尽量使模拟电路的接线很短。

我们还对模拟电路和模数混合电路设置了电源去耦，但是效果不明显。怀疑ADC的质量。

通过这次课程设计，我们对传统电子设计有了很直观的认识，加深了对书本知识的理解，动手能力得到很大的提高。

七、元件清单

                                连接中的电路

                             连接中的电路

                                连接完以后的电路

1

元器件分布示意图：

10

6

2

9

4

3

8

5

7

1-电位器组   2-MC1403（基准电压源）  3-MC14433（ADC）  4-LM358（电流电压转换）  5-蜂鸣器 6-MC14511（BCD译码器） 7-74LS02（4-2输入或非门）  8-MC1413（反相驱动器） 9-数码管  10-GND、电源等

参考文献：

1.《电工电子实验教程（修订版）》主编：陈明义 宋学瑞 中南大学出版社

2.《模拟电子技术基础（电类）》主编：罗桂娥 中南大学出版社 

3.《数字电子技术基础（电类）（第二版）》主编：陈明义 中南大学出版社