简易电路特性测试仪设计
简易晶体管输出特性曲线测试仪的设计.pdf
实验题目：简易晶体管输出特性曲线测试仪的设计1.课程简要信息电子技术综合实验，1周，电气、电子、信息、通信、测控、自动化、电网等工科专业，大二（下）和大三（上）2.实验内容与任务（限500字）晶体管，被认为是现代历史中最伟大的发明之一，是电子设计中最重要的器件。
晶体管的特性曲线是描述晶体管各个电极之间电压与电流关系的曲线，又称为晶体管的伏安特性曲线。
它们是三极管内部载流子运动规律在管子外部的表现。
三极管的特性曲线反映了管子的技术性能，是分析放大电路技术指标的重要依据。
本文要求设计一种简易的晶体管输出特性测试仪。
框图如图1所示。
图1 简易的晶体管输出特性测试仪框图（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（60%～90%）,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。
3.实验过程及要求（限300字）本实验包含理论课程学习、实物制作、报告撰写、作品展示及答辩等四个阶段。
要求学生三人一组完成作品设计，共同拟定设计方案，分工合作完成作品的制作。
通过作品的设计与制作收获以下知识及能力：1）讲解晶体管输出特性曲线测试仪的结构和原理；2）结合数字和模拟电路中所学知识，讲解几种解决方案，引导学生分析并确定设计方案；3）结合题目要求查阅相关资料，进行器件选型；4）利用Multism软件进行仿真，在搭建仿真电路的过程中，分模块进行调试；5）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；6）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；7）进行作品展示、交流和答辩；8）整理设计文档，完成课程设计报告。
简易频率特性测试仪的设计
简易频率特性测试仪的设计加在前面：术业有专攻。
一般写一些东西我也不会在空间瞎发，弄的别人以为自己瞎显摆。
不过我觉得我们电子设计的过程确实值得其他小组学习一下，比如说老葛焊板子那种芯片的布局，还有我们用4个按键解决所有数字的设置的思想。
我希望大家看到文章的时候不是觉得怎么吊炸天，其实我们这种水平比我们吊炸天的多了去。
我们之所以有敢厚着脸皮把这么次的设计思想分享出来，主要希望能把其中的某一些发光点分享给大家，同时希望他人给我们的更宝贵的意见和建议。
----end----电子设计三中，仪器仪表组的第一个题目，是简易频率特性测试仪的设计。
这个题目取自2013年的E题：简易频率特性测试仪（E 题）。
为了纪念近一个月的工作，特撰以此文纪念我们第七小组历经了的艰辛岁月。
在此，感谢组长葛家瑾大神、还有范一华同学的辛勤付出，还有李煜及其他一些学长的帮助。
特发上图，以作纪念。
在本次完成题目的过程中，葛大神早早完成了公式推导、电路理论和原理的分析，并组织我们在工作上分工（虽然他好像对“被我和范一华排挤去焊电路板”很不满意私下抱怨并耿耿于怀，哈哈）。
下面我简单的回顾一下我们的这次设计：其中，有关硬件电路的部分是葛大神负责的，我只是略懂了原理，故仅仅略述。
我主要承担的是AD采样部分的程序，还有就是通过操作液晶屏和按键实现的程序的总体逻辑控制程序。
范一华同学主要完成的是AD9854部分的程序，正弦波输出及其幅度补偿，还有扫频部分的程序。
下面，我从入手这道题目的开始状态，来一步步回顾一下。
下面，先把题目贴出来：/*=======================开始贴题目=======================*/【本科组】一、任务根据零中频正交解调原理，设计并制作一个双端口网络频率特性测试仪，包括幅频特性和相频特性，其示意图如图 1 所示。
二、要求1．基本要求制作一个正交扫频信号源。
（1）频率范围为1MHz~40MHz，频率稳定度≤10^-4；频率可设置，最小设置单位100kHz。
简易BJT特性图示仪
简易BJT 特性图示仪摘要：设计了一种简易BJT 特性图示仪；系统电路由以乘法型数模转换器DAC7811为核心的基极程控电流源（-10mA —10mA ）/电压源（-2V —2V ）、集电极程控电压源（-10V —10V ）和集电极电流测量电路组成，程控电压源、程控电流源及电流检测电路的百分误差均低于1%。
系统可以显示一般NPN 或PNP 晶体管的I C −V CE 、I CE −V BE 、ℎFE −I CE 和β−I CE 曲线，测量迅速，误差低。
此外本系统可以做NPN 和PNP 晶体管配对测试、存储晶体管特性曲线等功能；系统人机交互界面友好，操作方便。
关键词： BJT 特性；程控电压源；程控电流源；电流检测一、系统方案1.1 系统方案描述REF5020OPA132-1XINA282电流检测ADS 1115DAC 7811OPA 2277FPGASPII2CNios IINios II 集电极程控电压源基极程控电流/压源电流检测电路0.1Ω人机交互参考源电路2V -2V BUF 634DAC 7811OPA 2277INA 2134OPA 132I VREF5025按键TFT触摸屏图1 系统整体框图系统整体框图如图1所示，2V 基准源经过反相放大获得-2V 基准源，它们为电流/电压源提供基准，通过继电器的选择可以实现电源的正负输出。
电压/电流源的程控是通过改变DAC7811的控制字实现的，经过运放OPA2277 I -V 转换得到的输出电压作为基极程控电压源（-2V —2V ）。
程控电压源输出的电压经过差分接收器INA2134和运放OPA132构成的Howland 电流源实现了-10mA —10mA 的输出。
另外一路DAC7811控制集电极电压源，经过OPA2277 I-V 转换并放大5倍后，使用3片并联的BUF634作缓冲即可实现-10V —10V 的输出。
集电极电流测量则是利用电流并联监视器INA282将0.1Ω采样电阻两端的电压差输入至模数转换器ADS1115，测出其差模电压即可得到集电极电流。
简易电路特性测试仪
简易电路特性测试仪一、任务设计并制作一个简易电路特性测试仪。
用来测量特定放大器电路的特性，进而判断该放大器由于元器件变化而引起故障或变化的原因。
该测试仪仅有一个输入端口和一个输出端口，与特定放大器电路连接如图 1 所示。
图 1 特定放大器电路与电路特性测试仪连接图制作图 1 中被测放大器电路，该电路板上的元件按图 1 电路图布局，保留元件引脚，尽量采用可靠的插接方式接入电路，确保每个元件可以容易替换。
电路中采用的电阻相对误差的绝对值不超过 5%，电容相对误差的绝对值不超过 20%。
晶体管型号为 9013，其β 在60~300 之间皆可。
电路特性测试仪的输出端口接放大器的输入端 Ui, 电路特性测试仪的输入端口接放大器的输出端 Uo。
二、要求1. 基本要求（1）电路特性测试仪输出 1kHz 正弦波信号，自动测量并显示该放大器的输入电阻。
输入电阻测量范围1kΩ~50kΩ，相对误差的绝对值不超过10%。
（2）电路特性测试仪输出 1kHz 正弦波信号，自动测量并显示该放大器的输出电阻。
输出电阻测量范围500Ω~5kΩ，相对误差的绝对值不超过10%。
（3）自动测量并显示该放大器在输入 1kHz 频率时的增益。
相对误差的绝对值不超过 10%。
（4）自动测量并显示该放大器的频幅特性曲线。
显示上限频率值，相对误差的绝对值不超过 25%。
2. 发挥部分（1）该电路特性测试仪能判断放大器电路元器件变化而引起故障或变化的原因。
任意开路或短路 R1~R4 中的一个电阻，电路特性测试仪能够判断并显示故障原因。
（2）任意开路 C1~C3 中的一个电容，电路特性测试仪能够判断并显示故障原因。
（3）任意增大 C1~C3 中的一个电容的容量，使其达到原来值的两倍。
电路特性测试仪能够判断并显示该变化的原因。
（4）在判断准确的前提下，提高判断速度，每项判断时间不超过 2 秒。
（5）其他。
（1）不得采用成品仪器搭建电路特性测试仪。
电路特性测试仪输入、输出端口必须有明确标识，不得增加除此之外的输入、输出端口。
简单电路特性测试仪
简单电路特性测试仪一．题目分析与测量原理此题设计两部分电路，一个是由S9013组成的基本放大电路，另一个是电路特性测试仪。
前者是被测对象，涉及一个输入测试信号（1KHz，Vpp=10mV）和一个输出信号；后者是一个智能型的测量仪表，它可以提取出来输入的测试信号和输出的放大信号，进而经过运算求解出基本放大电路的动态特性参数：输入电阻、输入电阻、放大倍数和截止频率，此仪表也有两个两个端口，一个输入端口和一个输出端口。
两者端口的对应关系为，测试仪的输出端口接放大电路的输入端口，放大电路的输出端口接测试仪的输入端口。
如题目中的图1所示。
本题要求制作一个电路特性测试仪，用来测量待测放大器的特性参数，包括输入阻抗、输出阻抗、增益以及幅频特性，并同时判断放大器工作是否正常，及其引起故障的原因。
其中重点和难点如下：（1）满足输入阻抗1k-50kΩ，输出阻抗500-5kΩ的动态范围，并保证测量精度优于10%；（2）能实现激励信号的宽范围动态扫描，以实现电路幅频特性的测量；（3）能在2秒内，实时自动完成电路故障的判别，并定位故障原因。
（4）分析输出信号失真度，自动调节输入信号幅度，保证电路正常工作时，工作在线性工作区，并在线性工作区间完成输入阻抗，输出阻抗和增益的测量。
这里着重强调一下第四点:放大器特性准确测量的前提是电路特性测试仪产生的信号经过被测网络后必须不失真，否则输入阻抗、输出阻抗、增益将没有任何意义。
因此，系统必须不断去检测被测网络的输出端信号的波形，一旦检测到失真，则通过调节输出幅度的手段将波形的失真度调整到满足要求为止。
放大器的增益与三极管的β值有关，题目指定晶体管型号9013的β值为60~300，当输入信号幅度太大时，会导致输出信号失真，例如，β值为285的9013，实验中发现，当输入信号大于15mVpp时，输出开始失真，此时需要减小输入信号幅度。
其中，电路特性测试仪为设计的重点内容，其测量原理为：输入电阻测量：利用单片机的AD采集功能，采集到电阻R1两端电压的有效值为U1，如果此时函数信号发生器的输出的有效值为US，ri为输入电阻，则等式U1/R1=US-U1/ri。
基于STC89C51的简易电路特性测试仪设计
科学技术创新2020.24基于STC89C51的简易电路特性测试仪设计赵娟娟祁鸿芳赵亚明（兰州工业学院电气工程学院，甘肃兰州730050)）1设计要求设计并制作一种简易电路特性测试仪。
用来测量特定放大器电路的特性，该测试仪仅有一个输入端口和一个输出端口。
2系统方案该系统由控制平台（STC89C51单片机）、信号产生电路（MAX038模块）、信号处理电路（OP07运放模块）、给定放大电路（三极管9013）、峰峰值检测电路（AD763模块）、A/D 转换电路（AD7705模块）、显示模块（LCD12864液晶模块）等部分构成。
系统总体框图如图1所示。
图1系统总体框图2.11KHz 的正弦波信号产生电路采用函数信号发生器MAX038产生1KHz 正弦波信号。
MAX038信号发生器电路图如图2所示。
图2MAX038信号发生器电路图2.2信号处理电路通过分析给定放大电路可知，该电路输入为毫伏级信号，需要对信号发生器输出信号进行缩小处理，本设计采用集成运算放大器OP07进行处理。
信号处理电路图如图3所示。
图3信号处理电路图2.3峰峰值检测电路经前述处理后的信号，通过峰峰值检测模块AD763测量信号的有效值，为后续的分析计算做准备。
峰峰值检测电路图如图4所示。
3系统待测放大电路的理论分析与计算按照放大器系数的最大值200计算；三极管的内阻r be 暂定为1000Ω（这两个值均可以在程序设计中进行矫正）。
采用C 语言编写程序，通过多次逼进采集正弦信号峰峰值，计算平均值获得四个电压值，再经过相关计算获得输入电阻、输出电阻和放大倍数。
图4峰峰值检测电路图摘要：本文设计制作了一种以STC89C51单片机为控制核心的简易电路特性测试仪系统，采用函数信号发生器MAX038产生1KHz 正弦波信号，经过信号处理电路OP07后，输入给定放大电路，其输出信号经过峰峰值检测、A/D 转换电路处理后，送给单片机进行信息处理，可在LCD12864屏显示放大电路的输入电阻、输出电阻和增益等参数。
基于简易电路特性测试仪系统设计
基于简易电路特性测试仪系统设计作者：谢祥兵来源：《商情》2020年第13期【摘要】本设计采用STM32F407微控制器，TI公司的运放等制作一台简易电路特性测试系统，本设计利用精密整流滤波电路将交流信号转化成直流电信号送入单片机A/D，测量出自建正弦信号发生电路输出的电压与被测电路净输入电压的值从而计算出电路的输入电阻以及测放大电路在不同负载时的输出电压，计算出电路输出电阻，电路输出值比上净输入值即为该电路的增益，将信号频率线性改变，电路的增益变化两者的关系为该电路的幅频特性，根据A]量电路特性发生改变，可以判断出电路中故障的位置。
【关键词】精密整流输入输出电阻幅频特性一、方案总体描述本系统主要有：信号发生电路，信号衰减电路，信号放大电路，精密整流滤波电路，负载切换电路，信号转换电路，单片机检测控制显示电路以及电源电路构成，系统整体設计如图一所示：正弦波信号发生电路设计由集成运算放大器组成RC桥式正弦波振荡器，当中RC串、并联电路构成正反馈支路，同时作为选频网络，加入二极管等元件构成负反馈和稳幅环节，调节反馈电阻，可改变负反馈深度，从而满足振荡的振幅条件和波形改善，达到改善波形失真的目的。
本设计中为桥式正弦波振荡器，其中RC串、并联电路构成正反馈支路，同时兼作选频网络，选频网络中的电阻与电容的值均相等及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节，调节可变电阻即，可以改变负反馈的深度，从而满足振荡的振幅条件和改善波形。
采用两个反向并联二极管正向电阻的非线性特性来实现稳幅。
稳幅二极管采用硅管（温度稳定性好），且要求特性匹配，才能保证输出波形正、负半周对称。
在二极管两端并上一电阻可削弱二极管非线性的影响，以改善波形失真，电路振荡频率：f=1/2IIRC。
信号衰减电路根据反比例运算放大器的原理，按比例设置反馈电阻与反相输人端连接的电阻将信号进行衰减，有运放将两级隔离，基本不影响后级放大电路输入电阻的测量，按比例设置反馈电阻与反相输入端连接的电阻将信号进行衰减，有运放将两级隔离，基本不影响后级放大电路输入电阻的测量本设计中衰减100倍。
2019年全国大学生电子设计竞赛D题简易电路特性测试仪
2019年全国大学生电子设计竞赛简易电路特性测试仪（D题）2019年8月7日摘要本系统以STM32为核心控制芯片，通过单片机对信号产生模块、电子开关模块、AD采样模块等控制，实现对放大器电路的相关电路特性的测量。
信号产生模块利用DDS技术，选用成熟稳定的DDS模块AD9851产生信号波形，通过单片机技术采样和处理电路相关参数，且在被测放大器电路前后级进行阻抗隔离。
系统可自动完成相应功能，并且在oled中显示结果。
关键字：STM32；DDS技术；单片机技术；阻抗隔离目录1系统方案 (1)1.1主要模块的论证与选择 (1)1.2系统组成及实现方法 (2)2系统分析与计算 (2)2.1系统理论分析...........................................................................错误！未定义书签。
2.2误差分析 (5)3电路与程序设计 (6)3.1主要电路的设计 (6)3.2程序的设计 (6)4测试结果 (7)4.1测试条件与仪器 (7)4.2测试结果及分析 (7)简易电路特性测试仪（D题）【本科组】1系统方案由题意，使该电路测试仪能满足题目所要求的相应功能，结合题目的精度要求，本系统由信号产生模块、液晶显示模块、键盘输入模块、A/D采集模块、辅助电源模块和单片机控制模块等组成。
1.1主要模块的论证与选择1.信号产生模块方案一：采用正弦波振荡电路。
使用振荡电路产生正弦波电路较简单，满足一定的参数条件即可起振，但缺点是很难稳定输出波形，另外输出正弦波形失真较大、频率有限。
方案二：采用先进的DDS技术。
利用DDS专用芯片产生信号，可根据需求对芯片编程控制设计出任意的信号波形，具有频率分辨率高、转换速度高、信号纯度高、输出波形无电流脉冲叠加等优势。
在对题目进行仔细分析后，DDS模块最高可产生100MHz 的信号且实现容易，可满足题目要求的上限频率范围，提高可靠性，符合产品设计的思路。
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简易电路特性测试仪设计
作者：游玮郭梦瑶许志鸿
来源：《科学大众》2019年第10期
摘; ;要：简易电路特性测试仪以STM32为微处理器，配置其内部的12位数字乘法器实现更为精确的0.1 dB步进的衰减网络，使用电流反馈型运算放大器AD8032作为信号调理及放大电路，利用AD8302实现幅度相位检测。
通过ADC（模拟-数字转换）对被测量信号进行采样，通过单片机处理完成对集成运放的失调电压、失调电流、共模抑制比、开环放大倍数等参数的测量，最后利用显示装置显示结果。
文章对此展开了分析。
关键词：STM32;电路特性测试仪;AD8032;集成运放;运放同向跟随
1; ; 系统设计方案选择
集成运算放大器是一个高增益的多级直接耦合放大器，具有很大的开环电压放大倍数和极高的输入阻抗。
由于集成运放本身的高增益特性AD8032是一款单电源电压反馈型放大器，具有高速特性，小信号带宽为80 MHz，压摆率为30 V/µs，建立时间为125 ns。
实现以上特性只需采用+5 V单电源供电，功耗小于4.0 mW。
这一低功耗特性可以在不牺牲动态性能的情况下延长高速、电池供电系统的工作时间，可以满足需求。
2; ; 测量理论及故障判断分析
2.1; 测量原理
单片机根据选择参数控制相应的参数测试电路，输出高频信号源，控制增益等一系列操作。
被测运放在单片机的控制下经过运放同向跟随电路输出电压，该电压经过数据采集转换输入单片机，单片机根据输入电压和测试参数类型进行计算处理。
2.2; 电路参数测量分析
2.2.1; 电路设计
设计电路三极管满足放大系数β在60～300，按最大值600进行计算。
放大电路的负载
RL连接到测试仪的输入端口，所以负载可认为是无穷大。
另外，假设三极管的内部输入电阻R为1 000 R，该值可在程序设计中进行矫正。
2.2.2; 计算
输入阻抗Ri=R1//R2//rbe=43 K//15 K//1 K≈917 R。