I晶体三极管特性曲线测试仪设计摘 要晶体管特性曲线测试仪广泛用于科研，实验教学和工业中，论文选题具有实际意义。本文在学习和查阅相关文件的基础上，介绍了实现一个简易晶体管伏安特性曲线测试仪基本原理和实现方案。在系统硬件设计中，以 MCS-51 单片机最小系统为核心，扩展了人机对话接口、A/D 转换接口；采用 555 振荡器实现了方波和三角波的输出信号，利用计数器 74161 和 DAC0832 产生梯形波，通过比较器 LM311 构成识别晶体管类型的判断。系统的软件设计是在 Keil51 的平台上，使用 C 语言与汇编语言混合编程编写了系统应用软件；包括主程序模块、显示模块、数据采集模块和数据处理模块。关键词：晶体管图示仪； 伏安特性； 单片机IICrystal three transistor characteristic cure testerABSTRACT：Transistor curve tracers used in research, teaching and industrial experiments, the practical significance of topics. In this paper, learning and access to relevant documents, based on the realization of a simple transistor introduced voltammetric curve tracers basic theory and programs.In the system hardware design to MCS-51 microcomputer as the core, extending the man-machine dialogue interfaces, A / D conversion interface; Achieved by 555 square wave oscillator and triangle wave output signal, generated using counters 74161 and DAC0832 trapezoidal wave, Constitute recognition by the comparator LM311 transistor type judgments.The software design is the platform Keil51 using C language and assembly language programming prepared hybrid system application software; Including the main program module, display module, data acquisition module and data processing moduleKEY WORDS: Transistor Tracer , Volt-ampere characteristics, Single slice of machineIII目录第 1 章 前 言1 1.1 设计的背景及意义.1 1.2 晶体管及晶体管特性曲线测试仪历史及研究现状.1 第 2 章 晶体管特性曲线测试仪的系统设计3 2.1 晶体三极管原理及工作状态分析.3 2.2 系统整体框图设计.4 2.3 各模块方案设计与选择.5 2.3.1 555 振荡器方波和阶梯波发生模块.5 2.3.2 晶体管放大倍数的显示模块.5 2.3.3 电源供电模块.6 第 3 章 系统的硬件设计7 3.1 MCS-51 单片机最小系统 .7 3.2 电源电路的设计.8 3.3 AD 采样电路设计 .9 3.3.1 ADC0809 的内部逻辑结构.9 3.3.2 ADC0809 引脚结构9 3.3.3 ADC0809 应用说明10 3.3.4 A/D 电路的设计原理11 3.4 波形电路的设计.11 3.4.1 阶梯波与三角波产生电路11 3.4.2 555 振荡器的管脚功能.12 3.5 显示电路设计.13 第 4 章 系统的软件设计17 4.1 系统的软件结构图.17 4.2 数据采集电路的软件设计17 4.3 显示电路的软件设计19 第 5 章 系统的调试与测试21 5.1 调试和测试仪器21 5.2 系统的调试.21 5.3 测试结果与分析23 结论27 致谢28 参考文献29 附录30本科毕业设计（论文）0第第 1 1 章章 前前 言言1.11.1 设计的背景及意义设计的背景及意义晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的 PN 结，两个PN 结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有 PNP 和 NPN 两种， 从三个区引出相应的电极，分别为基极 b 发射极e 和集电极 c。 发射区和基区之间的 PN 结叫发射结，集电区和基区之间的 PN结叫集电结。基区很薄，而发射区较厚，杂质浓度大，PNP 型三极管发射区“发射“的是空穴，其移动方向与电流方向一致，故发射极箭头向里；NPN 型三极管发射区“发射“的是自由电子，其移动方向与电流方向相反，故发射极箭头向外。发射极箭头向外。发射极箭头指向也是 PN 结在正向电压下的导通方向。硅晶体三极管和锗晶体三极管都有 PNP 型和 NPN 型两种类型。 晶体三极管具有电流放大作用，其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。这是三极管最基本的和最重要的特性。我们将 Ic/Ib 的比值称为晶体三极管的电流放大倍数，用符号“”表示。电流放大倍数对于某一只三极管来说是一个定值，但随着三极管工作时基极电流的变化也会有一定的改变。 晶体管特性图示仪它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。在实验、教学和工程中通过使用图示仪，可以获得晶体管的实际特性，能更好的发挥晶体管的作用。1.21.2 晶体管及晶体管特性曲线测试仪历史及研究现状晶体管及晶体管特性曲线测试仪历史及研究现状晶体管是半导体做的固体电子元件。导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，就叫半导体。晶体管就是用半导体材料制成的。最常见的是锗和硅两种。半导体是 19 世纪末才发现的一种材料。许多科学家都投入到半导体的深入研究中。经过紧张的研究工作，美国物理学家肖克利、巴丁和布拉顿三人合作本科毕业设计（论文）1发明了晶体管一种三个支点的半导体固体元件。晶体管被人们称为“三条腿的魔术师” 。他们三人也因研究半导体及发现晶体管效应而共同获得 1956 年最高科学奖诺贝尔物理奖。巴丁和布拉顿实验成功的这种晶体管，是金属触丝和半导体的某一点接触，故称点接触晶体管。这种晶体管对电流、电压都有放大作用。晶体管图示仪是用来测量晶体管输入、输出特性曲线的仪器。在实验、教学和工程中通过使用图示仪，可以获得晶体管的实际特性，能更好的发挥晶体管的作用。晶体管的输出特性是指在一定的基极电流 Ib 时，晶体管集电极与发射极之间的电压 Uce 同集电极电流 Ic 之间的关系。每个 Ib 对应一条输出特性曲线。将多个 Ib 对应的曲线同时显示在示波器上，就可以得到一簇输出特性曲线。晶体管的输入特性是指在一定的 Uce 下，晶体管基极与发射极之间的电压 Ube 同基极电流 Ib 之间的关系。每个 Uce 对应一条输入特性曲线。将多个 Uce 对应的曲线同时显示在示波器上，就可以得到一簇输入特性曲线。本科毕业设计（论文）2第第 2 2 章章 晶体管特性曲线测试仪的系统设计晶体管特性曲线测试仪的系统设计2.12.1 晶体三极管原理及工作状态分析晶体三极管原理及工作状态分析晶体三极管由集电结和发射结两个 PN 结构成。根据两个 PN 结的偏置极性，三极管有截止、放大、饱和 3 种工作状态。此处以 NPN 三极管共射极连接为例（如图 a、图 b 所示） ，简要分析三极管的工作原理及各组态：图 2-1 三极管共射极连接图（1） 截止状态：当加在三极管发射结的电压小于 PN 结的导通电压，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，三极管这时失去了电流放大作用，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态，称三极管处于截止状态。此时，uB0，两个 PN 结均为反偏，iB0,iC0,uCEUCC。三极管呈现高阻抗，类似于开关断开。（2） 放大状态：当加在三极管发射结的电压大于 PN 结的导通电压，并处于某一恰当的值时，三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，这时基极电流对集电极电流起着控制作用，使三极管具有电流放大作用，其电流放大倍数 Ic/Ib，这时三极管处放大状态。此时，uB0，发射结正偏，集电结反偏，iC=iB。（3） 饱和导通状态：当加在三极管发射结的电压大于 PN 结的导通电压，并当基极电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增本科毕业设计（论文）3大，而是处于某一定值附近不怎么变化，这时三极管失去电流放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。三极管的这种状态称之为饱和导通状态。 此时，uB0，两个PN 结均为正偏，iBIBS(基极临界饱和电流)UCC/Rc ,此时iC=ICS(集电极饱和电流)UCC/Rc 。三极管呈现低阻抗，类似于开关接通。根据警惕三极管工作时各个电极的电位高低，就能判别三极管的工作于何种状态。2.22.2 系统整体框图设计系统整体框图设计根据任务要求及电路的实际情况，考虑到单片机具有物美价廉、功能强、使用方便灵活、可靠性高等特点，拟采用 MCS - 51 系列的单片机为核心来实现。该系统原理设计如图 2-1 所示。图 2-2 系统整体原理框图该系统主要由以下几部分构成：(1)555 振荡器产波形产生模块(2)DA 阶梯波产生模块(3)AD 采样模块(4)AT89S52 单片机核心最小系统(5)LED 显示模块(6)电本科毕业设计（论文）4源供电模块。2.32.3 各模块方案设计与选择各模块方案设计与选择2.3.12.3.1 555555 振荡器方波和阶梯波发生模块振荡器方波和阶梯波发生模块要对晶体三极管进行输出特性曲线绘制，则需要将 ib 作为参变量，一个变化的 Vce，采样 ic 通过示波器进行绘制，即需要在三极管基极加个阶梯波，在集电极加一个锯齿波或者三角波。方案一：方案一：采用运算放大器产生一个方波发生电路，此种波形产生电路虽然简单，成本低廉，但是电路复杂并且精度不高。方案二：方案二：利用软件编程，通过单片机发出所需要的阶梯波和三角波形，具体做法是在程序中设两个循环，使送入 DAC 的数字信号依次增大，当增大到一定值是使其循环至最小值再送入 DAC 并循环输出，这样通过 DAC 输出的即为阶梯波和三角波，波形的幅度可以通过数字量来进行调节，波形的频率可以通过发送数字量的频率来进行调节，即可添加一定的延时来改变输出波形的频率。方案三：方案三：利用硬件搭建信号发生电路。在本设计中需要的是阶梯波和三角波形，首先想到了搭建一个方波发生电路，再利用积分电路使得产生三角波；或者先搭建三角波发生电路，再通过一路比较器电路使其能够产生方波信号。关于阶梯波的产生，利用计数器 74161 和 DAC0832 来产生，具体做法是让产生的方波作为脉冲信号送入计数器的 CLk 端，使得计数器能够循环计数，并把所得的数字量送入 DAC0832，当输入达到一定的数字量时，数字量第四位出现“1” ，即记数到“8”时，能够通过逻辑门接入自动清零。故通过 DAC0832 输出的信号为循环的阶梯波。方案一会使得单片机程序负担太重，考虑到 51 单片机硬件资源上的局限性和软件上的编写、调试时间，方案二