新型晶体管特性图示仪扫描信号发生器电路设计
时间：07-21
来源：互联网
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引 言
晶体管特性图示仪是电子测量常用仪器之一，日前通用的晶体管特性图示仪的扫描信号和阶梯信号由50 Hz工频市电变换而来，扫描频率低，显示的特性曲线闪烁严重，稳定性差；X轴扫描为正弦脉冲，线性度差，在显示晶体管特性曲线时亮度不均匀(前亮后暗)，而且波形变换电路复杂。本文介绍一种基于555定时器的晶体管特性图示仪扫描信号发生器设计方法。通过555定时器产生同步的X轴扫描锯齿波和Y轴扫描阶梯波，其扫描频率不受工频市电限制，扫描信号同步性能好，显示波形稳定。
1 扫描信号发生器设计
1.1 晶体管特性测量原理
图1为晶体管输出特性测量原理，需测量的2个物理量是晶体管的集电极电流Ic和集电极电压Uce。待测管的集电极和基极分别接入锯齿波和阶梯波扫描信号。集电极输出接示波管X轴输入，发射极输出接示波管Y轴输入，Rc为集电极功耗限制电阻，Re为集电极电流取样电阻。
1.2 锯齿波产生电路
图1中由555定时器组成的多谐振荡器同时产生锯齿波和阶梯波的触发脉冲，以保证锯齿波和阶梯波的同步。图1中由电阻R1、R2构成电容C1的充电回路，其中R2略大于2R1，由555定时器内置的放电三极管构成电容的放电回路。接通电源时，电源通过R1、R2对电容C1充电，电容C1两端电压线性上升，当充电至555定时器2、6脚的电压大于2／3Vcc时，555定时器3脚由“1”跃变为“0”，同时555定时器内置的放电三极管导通，电容通过三极管迅速放电至0 V。由于R2略大于2R1，此时555定时器2、6脚的电压略小于1／3Vcc，555定时器3脚由“0”跃变为“1”，同时555定时器内置的放电三极管截止，电容C1进入下一个充、放电周期，555定时器7脚获得锯齿波，3脚获得占空比接近1的同步方波。锯齿波的幅值由式(1)计算，得：
则其频率可由式(2)计算，得：
可见该锯齿波的输出电压幅值为1／2cc，大于一般555多谐振荡器的1／3Vcc，且波形线性度优于一般555多谐振荡器，电容从0 V开始充电至1／2Vcc，起始扫描电压满足扫描信号的要求。该锯齿波通过电压跟随器U1输入到同相比例运算放大器U2进行电压放大，调节Rp3可以改变锯齿波幅度，通过后置功率放大后输入到待测晶体管集电极。同时，该信号作为X轴扫描信号输入到示波管的X轴偏转系统。
1.3 阶梯波产生电路
555定时器3脚输出的方波作为计数器CD4518的计数脉冲接入CD4518的CP端，计数输出端Q1～Q4分别接到由运算放大器U1构成的反相加法器的输入端，反相加法器的输入电阻R3：R4：R5：R6=8：4：2：1，则反相加法器的输出电压可由式(3)表示为：
式中：A=Rp1／R3
可见，当计数输出端Q1～Q4以4位二进制计数方式从0～9依次递增时，从反相加法器的输出端uo可以得到反向递增的阶梯波。该反向阶梯波经运算放大器U2进行反相比例运算得到正向的阶梯波，调节Rp1可以改变锯齿波的级数，调节Rp2可以改变锯齿波的级高。电容C3用于阶梯波的高频干扰信号，该阶梯波通过后置功率放大后输入到待测晶体管基极。集电极电流经取样电阻Re取样后，输入到示波管的Y轴偏转系统。
2 实验结果及分析
图2为扫描信号发生器的阶梯波和锯齿波，锯齿波上升沿近乎直线，线性度良好。锯齿波下降沿与阶梯波上升严格同步。
基于图1电路原理，以数字示波器为显示终端测试NPN晶体管的输出特性曲线，如图3所示，波形显示稳定。作为参照，以CRT示波器为显示终端显示波形，与通用晶体管特性图示仪(SAKO HZ4832型晶体管特性图示仪)比较，具有如下优点：
(1) 波形显示亮度均匀：这是由于该电路的水平扫描电压为线性度良好的锯齿波；
(2) 波形没有闪烁现象：由于该电路的水平扫描频率达到1 700 Hz，而对照的通用晶体管特性图示仪的水平扫描频率仅为100 Hz，显示波形存在闪烁现象，当显示的Ic级数较多时尤为明显。
(3)波形没有抖动：由于该电路锯齿波和阶梯波均由同一个555多谐振荡器产生，存在严格的同步关系，而对照的通用晶体管特性图示仪的阶梯波由水平扫描的正弦脉冲触发产生，触发电压存在一定误差，使显示波形存在一定的抖动现象。
3 结束语
由于扫描信号采用555定时器同时作为阶梯波和锯齿波发生器，电路结构简单，信号同步性能好，扫描频率可按需要设置，在扫描系统加装必要的转换开关及波段开关，就可以实现对不同类型的二极管、三极管的各种性能指标的测量。
晶体管特性图示仪是电子测量常用仪器之一，日前通用的晶体管特性图示仪的扫描信号和阶梯信号由50 Hz工频市电变换而来，扫描频率低，显示的特性曲线闪烁严重，稳定性差；X轴扫描为正弦脉冲，线性度差，在显示晶体管特性曲线时亮度不均匀(前亮后暗)，而且波形变换电路复杂。本文介绍一种基于555定时器的晶体管特性图示仪扫描信号发生器设计方法。通过555定时器产生同步的X轴扫描锯齿波和Y轴扫描阶梯波，其扫描频率不受工频市电限制，扫描信号同步性能好，显示波形稳定。
1 扫描信号发生器设计
1.1 晶体管特性测量原理
图1为晶体管输出特性测量原理，需测量的2个物理量是晶体管的集电极电流Ic和集电极电压Uce。待测管的集电极和基极分别接入锯齿波和阶梯波扫描信号。集电极输出接示波管X轴输入，发射极输出接示波管Y轴输入，Rc为集电极功耗限制电阻，Re为集电极电流取样电阻。
1.2 锯齿波产生电路
图1中由555定时器组成的多谐振荡器同时产生锯齿波和阶梯波的触发脉冲，以保证锯齿波和阶梯波的同步。图1中由电阻R1、R2构成电容C1的充电回路，其中R2略大于2R1，由555定时器内置的放电三极管构成电容的放电回路。接通电源时，电源通过R1、R2对电容C1充电，电容C1两端电压线性上升，当充电至555定时器2、6脚的电压大于2／3Vcc时，555定时器3脚由“1”跃变为“0”，同时555定时器内置的放电三极管导通，电容通过三极管迅速放电至0 V。由于R2略大于2R1，此时555定时器2、6脚的电压略小于1／3Vcc，555定时器3脚由“0”跃变为“1”，同时555定时器内置的放电三极管截止，电容C1进入下一个充、放电周期，555定时器7脚获得锯齿波，3脚获得占空比接近1的同步方波。锯齿波的幅值由式(1)计算，得：
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则其频率可由式(2)计算，得：
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可见该锯齿波的输出电压幅值为1／2cc，大于一般555多谐振荡器的1／3Vcc，且波形线性度优于一般555多谐振荡器，电容从0 V开始充电至1／2Vcc，起始扫描电压满足扫描信号的要求。该锯齿波通过电压跟随器U1输入到同相比例运算放大器U2进行电压放大，调节Rp3可以改变锯齿波幅度，通过后置功率放大后输入到待测晶体管集电极。同时，该信号作为X轴扫描信号输入到示波管的X轴偏转系统。
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1.3 阶梯波产生电路
555定时器3脚输出的方波作为计数器CD4518的计数脉冲接入CD4518的CP端，计数输出端Q1～Q4分别接到由运算放大器U1构成的反相加法器的输入端，反相加法器的输入电阻R3：R4：R5：R6=8：4：2：1，则反相加法器的输出电压可由式(3)表示为：
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式中：A=Rp1／R3
可见，当计数输出端Q1～Q4以4位二进制计数方式从0～9依次递增时，从反相加法器的输出端uo可以得到反向递增的阶梯波。该反向阶梯波经运算放大器U2进行反相比例运算得到正向的阶梯波，调节Rp1可以改变锯齿波的级数，调节Rp2可以改变锯齿波的级高。电容C3用于阶梯波的高频干扰信号，该阶梯波通过后置功率放大后输入到待测晶体管基极。集电极电流经取样电阻Re取样后，输入到示波管的Y轴偏转系统。
2 实验结果及分析
图2为扫描信号发生器的阶梯波和锯齿波，锯齿波上升沿近乎直线，线性度良好。锯齿波下降沿与阶梯波上升严格同步。
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基于图1电路原理，以数字示波器为显示终端测试NPN晶体管的输出特性曲线，如图3所示，波形显示稳定。作为参照，以CRT示波器为显示终端显示波形，与通用晶体管特性图示仪(SAKO HZ4832型晶体管特性图示仪)比较，具有如下优点：
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(1) 波形显示亮度均匀：这是由于该电路的水平扫描电压为线性度良好的锯齿波；
(2) 波形没有闪烁现象：由于该电路的水平扫描频率达到1 700 Hz，而对照的通用晶体管特性图示仪的水平扫描频率仅为100 Hz，显示波形存在闪烁现象，当显示的Ic级数较多时尤为明显。
(3)波形没有抖动：由于该电路锯齿波和阶梯波均由同一个555多谐振荡器产生，存在严格的同步关系，而对照的通用晶体管特性图示仪的阶梯波由水平扫描的正弦脉冲触发产生，触发电压存在一定误差，使显示波形存在一定的抖动现象。
3 结束语
由于扫描信号采用555定时器同时作为阶梯波和锯齿波发生器，电路结构简单，信号同步性能好，扫描频率可按需要设置，在扫描系统加装必要的转换开关及波段开关，就可以实现对不同类型的二极管、三极管的各种性能指标的测量。