电子测量与电子电路
综合实验报告
（简易晶体管图示仪的设计与实现）
专业：通信工程
班级：2013211116
学号：2013210460 ：刘志浩
班内序号：06
目录
一、摘要1
二、关键词1
三、设计任务要求1
1.基本要求1
2.提高要求1
四、设计思路、总体结构框图2
1.设计思路：2
2.总体结构框图：2
五、分块电路与总体电路的设计3
1.方波电路3
2.阶梯波电路4
3.三角波电路6
4.总体电路8
六、实现功能说明9
1.基本功能的实现9
(1)阶梯波的实现9
(2)三角波的实实现10
(3)晶体管特性曲线的实现11
2.拓展功能的实现12
(1)PNP晶体管输出特性曲线12
(2)设计阶数可调的阶梯波发生器13
3.测试方法13
七、故障及问题分析13
1.实验中出现的故障和问题13
2.分析14
八、总结和结论15
1.结论15
2.总结15
九、Multisim仿真原理图、波形图16
十、PROTEL绘制的原理图17
十一、所用元器件及测试仪表清单18
十二、参考文献19
一、摘要
本报告主要介绍了晶体管图示仪实验中一些元件的了解过程和具体应用，以及设计思路，设计过程和设计中遇到的问题。其中给出了各个分块电路的电路图和设计说明、功能说明，还有总电路的框图、电路图、PCB板、实验结果的手绘截图等。在最后提到了在实际操作过程中遇到的困难和解决方法，并给出本次实验的结论与总结。
二、关键词
方波、锯齿波、阶梯波、特征曲线
三、设计任务要求
1.基本要求
(1)设计一个阶梯波发生器，f≥500Hz,U UUU≥3U，阶数N=6；
(2)设计一个三角波发生器，三角波U UUU≥2U；
(3)设计保护电路，实现对三极管输出特性的测试。
2.提高要求
(1)可以识别NPN,PNP管，并正确测试不同性质三极管；
(2)设计阶数可调的阶梯波发生器。
四、设计思路、总体结构框图
1．设计思路：
本试验要求用示波器稳定显示晶体管输入输出特性曲线。我的设计思路是先用NE555时基振荡器产生的方波和带直流的锯齿波。然后将产生的方波作为16进制计数器74LS169的时钟信号，74LS169是模16的同步二进制计数器，可以通过四位二进制输出来计时钟沿的个数，实验中利用它的三位输出为多路开关
CD4051提供地址。CD4051是一个数据选择器，根据16进制计数器74LS169给出的地址进行选择性的输出，来输出阶梯波，接入基极。由运放LF353对NE555产生的锯齿波进行处理，产生符合要求的锯齿波作为集电极输入到三极管集电极。最后扫描得到NPN的输出特性曲线。
2．总体结构框图：
五、分块电路与总体电路的设计
1.方波电路
我的设计思路是直接用NE555时基振荡器产生方波，只要做一个积分电路，再做一个滤波电路滤去直流分量即可。
由555 定时器构成的多谐振荡器如图5.1.1(a)所示，其工作波形见图5.1.1(b)。接通电源后，电源VDD通过R1和R2对电容C充电，当Uc<1/3V DD时，振荡器输出Vo=1，放电管截止。当Uc充电到≥2/3V DD后，振荡器输出Vo翻转成0，此时放电管导通，使放电端(DIS)接地，电容C通过R2对地放电，使Uc下降。当Uc下降到≤1/3V DD后，振荡器输出Vo又翻转成1，此时放电管又截止，使放电端(DIS)不接地，电源VDD通过R1和R2又对电容C充电，又使Uc从1/3V DD上升到2/3V DD,触发器又发生翻转，如此周而复始，从而在输出端Vo得到连续变化的振荡脉冲波形。脉冲宽度TL≈0.7R2C，由电容C放电时间决定；TH=0.7(R1+R2)C，由电容C充电时间决定，脉冲周期T≈TH+TL。
图5.1.1
当R2>>R1时，方波占空比接近等于50%，考虑到实际电路要求与器件工作条件，取R2=51kΩ，R1=1kΩ，C1=C2=0.01uF。Multisim仿真图如图5.1.2，可以在管脚5的输出得到方波，在管脚2的输出得到三角波。方波的波形图如图5.1.3。
图5.1.2 图5.1.3
2.阶梯波电路
用NE555时基振荡器产生的方波作为16进制计数器74LS169的时钟信号，74LS169是模16的同步二进制计数器，可以通过四位二进制输出来计时钟沿得个数，实验中利用它的三位输出为多路开关CD4051的输入Qa、Qb、Qc提供地址。直流通路是由5个100Ω的电阻组成的电阻分压网络以产生6个不同的电压值，根据16进制计数器74LS169给出的地址进行选择性的输出，而它的管脚按照一定的顺序接入5个等值电阻然后在第一个电阻接入5V的电压，原本是管脚接7个电阻可以产生8阶阶梯波，将三个管脚短接，即可产生6阶，这里选择了4，2，5接地，使输出为6阶阶梯波，以满足基本要求中的阶梯波幅度大于3V 的要求。另一路信号通道的输入则接被显示的信号；通过地址信号Qa、Qb、Qc
对两回路信号同步进行选通。这样，用示波器观察便可得到有6阶的阶梯波。
仿真时在Multisim上没有现成元件CD4051，这里选择了与它功能相近的8通道模拟多路复用器ADG528F代替。它是根据A1、A2、A3口的输入来选择输出S1-S8中各路电压值。电路图如图5.2.1，阶梯波如图5.2.2。在实验中发现，可以在R3与电源之间加入一个电位器R10，从而实现对阶梯波电路最大电压值的调节。
图5.2.1
图5.2.2
3.三角波电路
图5.1.2中NE555时基振荡器的管脚2产生的三角波作为基本的三角波，如图5.3.1，但是这时产生的锯齿波的幅度不满足要求，并且有直流分量，所以利用运放LM353构造一个正向放大电路并且同时也是一个反向加法器，通过加直流+5V的电压，通过电位器R17对加法中的直流电压幅度进行调节，以满足三角波的最低值为0V。经过调节后的三角波如图5.3.2。
图5.3.1
图5.3.2
锯齿波的最低点电压值最好为0V，这样扫描出的NPN输出特性曲线0点部分才
会清晰，同时锯齿波的幅度不够大时，可能会影响到输出特性曲线的条数。这个电路与积分电路相比，电路更加简单，幅度上调整的余地也比较大。
4.总体电路
将产生的三角波输入到三极管8050的集电极用作扫描，将产生的阶梯波输入到三极管的基极。在三角波输入三级管前，串联一个定值电阻R18，通过测量R18两端的电压大小间接测量流入集电极的电流大小。示波器的两路一路测量R18两端的电压，另一路在晶体管的发射极测量V19大小，并选择X-Y模式得到晶体管的转移特性曲线。图5.4.1为整个电路的Mulitisim仿真电路图。仿真最终得到的晶体管输出特性曲线如图5.4.2。
图5.4.1
图5.4.2
六、实现功能说明
1.基本功能的实现
g(1)阶梯波的实现
f=682Hz，Uopp=3.50V，阶数N=6；波形如图6.1.1
图6.1.1 (2)三角波的实实现
三角波Vopp=2.81V，波形如图6.1.2
图6.1.2
(3)晶体管特性曲线的实现
输出特性曲线是指在基极电流不变的情况下，输出电压UUU和输出电流UU的关系曲线，用Y轴表示测得的电压U U可以表示UU的大小，用X轴测得的电压UU可以表示UUU的大小。当电压UUU反复扫描时，示波器显示UUU和UU的关系，就会呈现一条稳定不动的输出特性曲线。改变基极电流UU值，再重复扫描一个周期，就可以得到另一条输出特性曲线。因为要求能够同时显示出一簇输出特性曲线，所以用一个阶梯电压作为基极电压的输入。每扫描阶梯波的一阶，得到一条输出特性曲线。每扫描一次完整的阶梯波，得到一组稳定的输出特性曲线。实际测得晶体管特性曲线如图6.1.3
图6.1.3
2.拓展功能的实现
(1)PNP晶体管输出特性曲线
PNP输出特性曲线功能说明：原理与NPN的一致，不同之处在与用锯齿波和阶梯波扫描PNP的集电极和基极时，所用的锯齿波和阶梯波必须是负值，具体的调整方法是把阶梯波产生电路中滑动变阻器前所接的+5V的电压接为-5V即可，减法电路中的+5V电压接为+14V以保证最小值可以到达-12V的幅值，以保证PNP可以正常工作。这样就可以得到PNP的输出特性曲线了。具体改动见下面的电路图具体因为电压为负所以示波器上显示出的输出特性曲线倒转180度，位于第三象限。实际测得图像如图6.2.1
图6.2.1
(2)设计阶数可调的阶梯波发生器
阶梯波的4-8阶连续可调，晶体管输出特性曲线组3-7阶可调。
实现过程及方法：在CD4051与VCC之间不接电阻，而连接一个电位计，通过改变电位计阻值大小，改变CD4051的输出电压的范围，改变了进入晶体管截止区的输出特性曲线的条数，获得了连续可调的阶梯波和晶体管输出特性曲线条数。
3.测试方法
需要注意的是，这里调整电路时调R16时，会改变三角波的幅度，同时也会调整锯齿波的直流分量，注意调的过程中不是R16越大越好，因为R16过大，会使输出信号无法通过反馈电路回到输入端，会使波形失真，这点调试的时候要注意，同时，锯齿波的最低点电压值最好为0V（NPN时），这样扫描出的NPN输出特性曲线0点部分才会清晰，同时锯齿波的幅度不够大时，可能会影响到输出特性曲线的条数。
七、故障及问题分析
1.实验中出现的故障和问题
(1).出现过器件被烧得现象
(2).设计的参数值不能得到正确的波形
(3).电源短路
(4).方波电路失真现象严重
(5).得到的输出特性曲线条数过少
2.分析
(1).器件被烧最主要的原因是过载或管脚接错，因为再接电路以前都会进行计算，所以基本没有出现过因为过载而导致的器件被烧，最后查明是因为电源要接四路而接线时粗心导致电压正负接反，出现器件被烧的问题。
(2).出现设计值不能得到正确波形的问题时，我会根据设计值选取适当的滑动变阻器，通过改变阻值以找出正确的波形和符合实际要求的阻值。
(3)因为实验室仪器有限，而我的设计中需要4路电源，但是每个人只能得到两路电源，于是就伙同我附近与我做同一实验的同学共用电源，以满足同时需要4路电源的要求，这时就会发生电源短路现象。后经我们试验发现有可能是我们正负级界的位置不同，造成了短路，经改正避免了这一问题。
(4).方波电路失真严重原因是滤波电容太小，于是我把103的电容换成了104的，换掉后在调节到适当的电阻，失真现象就不很明显，而且因为要产生锯齿波，在占空比调节到很大时，也不会产生很明显的失真。
(5).得到的输出特性曲线条数过少，这是由于CD4051的直流电压过大，使晶体管进入截止区部分过多。在实验中我开始没有在CD4051的X0与VCC之间接电阻，在发现问题及原因后，我逐个换取电阻，最后发现430欧姆左右的电阻正好可以
得到6条输出特性曲线。并且正是在解决这个问题的过程中，我发现阶梯波及输出特性曲线条数与这个电阻大小有关，遂将这个电阻换为电位计，从而实现了阶梯波阶数的连续可调。
八、总结和结论
1.结论
输出特性曲线:描述以基极电流Ib为参量,集电极电流Ic与三极管C.E极之间的管压降Uce之间的关系.对于每一个确定的Ib都有一条曲线.对于某一条曲线,当Uce从零逐渐增大时,Ic逐渐增大,当Uce增大到一定数值时,Ic基本不变,表现为曲线几乎平行与横轴,即Uce大小几乎仅仅取决于Ib.
2.总结
这次试验中，通过设计实现晶体管图示仪，我在更加深刻地体会到了三角波，方波，阶梯波和晶体管转移特性的同时，掌握了用Multisim仿真的方法，学习到了如何自己设计一个电路。无论是利用555时基振荡器产生时钟信号，还是利用LF353作为积分器产生相应的三角波，都从中学到了独立自主学习元器件使用的能力。在产生阶梯波信号时，74LS169以及CD4051让我提前接触到了数字电路的元器件，培养了自学能力。
本次实验最大的收获是提高了自我独立完成实验的能力，以及在实际中的问题解决能力，还有与他人的协作沟通交流能力。本次试验通过自己对相关资料的查询，以及向其他同学的请教、相互间的讨论，基本顺利地完成了实验，能够实现简易晶体管图示仪。而且发现实验中戒骄戒躁，实验调试过程失败是很正常的
事，插电路板时一定要仔细认真，必要时可请别人检查电路。电路仿真跟实际电路搭建有区别，所以直接用仿真的参数搭建实际电路时不一定能出正确的结果，得耐心调试。对一个大电路的调试，可以分块调试，然后合起来调试，增强系统概念。
九、Multisim仿真原理图、波形图
分块仿真原理图见第五部分“分块电路与总体电路的设计”
总体电路原理图：
最终波形图：
十、PROTEL绘制的原理图
图10.1.1 原理图