电子课程设计第7题FET场效应管输出特性图示仪
：董文亮
学号：3160503013
班级：电子信息工程1601
1.设计要求
1．1基本要求
1.1.1设计一可控恒压源电路，可输出0~5V电压。
1.1.2设计一手动控制电路，每按一次键恒压源逐个循环输出不同等级的电压：0V - 0.5V – 1V – 1.5V – 2V –
2.5V – 3V –
3.5V – 4V -
4.5V - 5V – 0V
1.1.3设计一自动控制电路，使电路自动循环输出上述电压等级，每10ms改变一次电压输出；
1.1.4设计一三角波振荡电路，频率100Hz；
1.2提高要求
1.2.1增加电压输出的等级；
1.2.2利用阶梯电压作为Ugs，三角波为Uds，保证两信号同步，利用运放构成流压变换电路，为FET的源极提供虚地，并将Is变为输出电压，用软件提供的示波器为显示，构成FET输出特性图示仪。
1.3限制
1.3.1不得使用理想运放、二极管、三极管、场效应管；
1.3.2不得使用继电器；
1.3.3负载电阻一端接地；
2.总体方案设计
2.1方案选择
方案一：
矩形波发生电路，它由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。因为方波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以电压比较器是它的重要组成部分；因为产生振荡，就是要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈。RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充放电实现输出状态的自动转换。对方波进行积分即可得到三角波，因为不需要负的三角波所以用一个加法电路，将三角波上移至约等于0V
方案二：
第一级采用的RC自激谐振回路生成一个正弦波，第二级采用稳压管将正弦波变换成方波。
方案三：
电阻网络即四个分别成比例的电阻，分别串接计数器的QA——QD的输出。计数器每个高低电平的不同状态，通过电阻分压可形成阶梯波。
方案四：
单元电路不同方案的混合，在此不再赘述。
方案五：
四个电源分别为0.5V，1V，2V，4V。计数器控制双向模拟开关的使能，四个电源为输入，模拟开关输出需分别接几个电阻调节输出电流大小，再后接两个反相器进行流压变换，最后作为阶梯波输入到FET的栅极。
方案六：
单元电路不同方案的混合，在此不再赘述。
方案七：
该方案为选择的方案，下面会进行详细描述。
2.2方案选择
最终选择了方案七，该方案的总体框图如上，多谐振荡器输出100HZ矩形波，且其TRI端输出与矩形波同步的三角波，为了将三角波的信号取出且不被干扰，后面加了一个电压跟随器，在运用加法器调整三角波的上下幅值。同时矩形波的信号作为计数器的输入脉冲，每次捕获上升沿是进行一次计数。计数的输出信号作为DA转换器Q1——Q4的输入，通过对输入的数字信号的转换，输出为实际的模拟电压，每次计数，电压会上升约0.02V，为达到较大的电压阶梯变化，需对该电压进行放大，所以后接一个放大电路，实际放大的倍数可以自行选择。三角波作为FET漏极的输入，阶梯波作为栅极的输入，通过反相器将源极电流输出为电压，此时电压为负，为得到较好看的波形，输出电压最好为正，所以后再接一个反相器。最后利用虚拟示波器，分别接输入到FET漏极的三角波和经流压变换后的源极电压，按下示波器的【B/A】按钮就可以看到FET的输出特性图示。
3.单元电路设计
3.1矩形波电路设计
电路设计如图1所示：
图1矩形波电路
多谐振荡器主要是由555定时器组成，其选型没有太大要求，用VCC５V 供电，C2电容是为了防止引入干扰，C１为定时电容，配合R１和R2的取值可确定周期T的大小，公式为T=T1+T2=0.7(R1+2*R2)C1。因为周期要求为100ms,假定C1为1uf*R2=10*R1,所以R1取687Ω,R2取6780Ω,仿真显示周期约等于100ms，满足要求。
3.2三角波电路设计
电路设计如图2所示：
图2三角波电路
运放的选型此次设计统一使用TL082CD，正负12V供电。第一级为电压跟随器，为将UI电压进行跟随且放大，Uo2=（1+R4/R5）*UI=Au1*UI,R5=R4=1kΩ时即将跟随电压放大了一倍，R3为平衡电阻，减小失调参数影响，选取1koh m 较为合适。第二级为差动输入的减法电路，为了将三角波电路的波谷值调到0V 左右，使特性方程波形绘制时较为美观。当R8=R9,R6=R7时，满足公式：Uo2=R8/R6(Uo1-V1)。经仿真测试，UI的波谷为1.677V经第一级放大后，波谷为3.354V，所以选取V1=3.35V较为合适，再调整R8=2.2kΩ，调整波形幅度较为合适，后期也会因为FET特性对V1取值和R8再进行调整.
3.3阶梯波电路设计
电路设计如图3所示：
图3阶梯波电路
计数器选择的时十六进制的74163N，主要为了输出较多的电压等级而特意选择了十六进制的计数器。DA转换器选择的时八位的VDAC8，因为对于阶梯电压的阶梯精度不高，八位转换就足够了。每次上升沿来临时，计数器进行一次计数，由于DA转换器的性质，每次计数DA转换器值+2，每份=5/255，每次计数电压值增加2/51，根据要求，阶梯为0.5V，则需要放大0.5*51/2，所以最后一级的放大电路根据公式：Uo4=(1+R11/R10)*Uo3, 增益Au2=1+R11/R10=12.75,假定R10=1KΩ，则R5=11.75KΩ,根据仿真，微调至11.8KΩ时每次阶梯为0.5V。
3.4FET特性图示仪电路设计
电路设计如图4所示：
图4 FET特性图示仪电路
栅极为阶梯波输入，漏极为三角波输入，源极输出Is，对Is进行流压变换，使用的反相器，源极满足虚地要求。反向比例输入运算电路公式：Is=UI/R13,Au3=Uo5/UI=-R15/R13,取增益为1，所以假定R15=1kΩ,则R13=1kΩ，但此时输出电压与输入电压相反，为使输入波形较为好看，选择再加一个相同的反相器，Uo6=-Uo5,R14和R16为平衡电阻。再通过虚拟示波器观察三角波输入和Uo6的输出即可。
4.测试结果
