晶體管特性圖示儀掃描信號發生器電路設計

　　摘要：晶體管特性圖示儀是電子測量常用儀器之一，日前通用的晶體管特性圖示儀的掃描信號和階梯信號由50Hz工頻市電變換而來的。本文介紹一種基于555定時器的晶體管特性圖示儀掃描信號發生器設計方法。通過555定時器產生同步的X軸掃描鋸齒波和Y軸掃描階梯波，其掃描頻率不受工頻市電限制，掃描信號同步性能好，顯示波形穩定。
　　
　　引言
　　
　　晶體管特性圖示儀是電子測量常用儀器之一，日前通用的晶體管特性圖示儀的掃描信號和階梯信號由50Hz工頻市電變換而來，掃描頻率低，顯示的特性曲線閃爍嚴重，穩定性差;X軸掃描為正弦脈沖，線性度差，在顯示晶體管特性曲線時亮度不均勻（前亮后暗），而且波形變換電路復雜。本文介紹一種基于555定時器的晶體管特性圖示儀掃描信號發生器設計方法。通過555定時器產生同步的X軸掃描鋸齒波和Y軸掃描階梯波，其掃描頻率不受工頻市電限制，掃描信號同步性能好，顯示波形穩定。
　　
　　1、掃描信號發生器設計
　　
　　1.1晶體管特性測量原理
　　
　　圖1為晶體管輸出特性測量原理，需測量的2個物理量是晶體管的集電極電流Ic和集電極電壓Uce。待測管的集電極和基極分別接入鋸齒波和階梯波掃描信號。集電極輸出接示波管X軸輸入，發射極輸出接示波管Y軸輸入，Rc為集電極功耗限制電阻，Re為集電極電流取樣電阻。　　
　　1.2鋸齒波產生電路
　　
　　圖1中由555定時器組成的多諧振蕩器同時產生鋸齒波和階梯波的觸發脈沖，以保證鋸齒波和階梯波的同步。圖1中由電阻R1、R2構成電容C1的充電回路，其中R2略大于2R1，由
　　
　　555定時器內置的放電三極管構成電容的放電回路。接通電源時，電源通過R1、R2對電容C1充電，電容C1兩端電壓線性上升，當充電至555定時器2、6腳的電壓大于2/3Vcc時，555定時器3腳由“1”躍變為“0”，同時555定時器內置的放電三極管導通，電容通過三極管迅速放電至0V。由于R2略大于2R1，此時555定時器2、6腳的電壓略小于1/3Vcc，555定時器3腳由“0”躍變為“1”，同時555定時器內置的放電三極管截止，電容C1進入下一個充、放電周期，555定時器7腳獲得鋸齒波，3腳獲得占空比接近1的同步方波。鋸齒波的幅值由式（1）計算，得：　　
　　則其頻率可由式（2）計算，得：　　
　　可見該鋸齒波的輸出電壓幅值為1/2cc，大于一般555多諧振蕩器的1/3Vcc，且波形線性度優于一般555多諧振蕩器，電容從0V開始充電至1/2Vcc，起始掃描電壓滿足掃描信號的要求。該鋸齒波通過電壓跟隨器U1輸入到同相比例運算放大器U2進行電壓放大，調節Rp3可以改變鋸齒波幅度，通過后置功率放大后輸入到待測晶體管集電極。同時，該信號作為X軸掃描信號輸入到示波管的X軸偏轉系統。
　　
　　1.3階梯波產生電路
　　
　　555定時器3腳輸出的方波作為計數器CD4518的計數脈沖接入CD4518的CP端，計數輸出端Q1～Q4分別接到由運算放大器U1構成的反相加法器的輸入端，反相加法器的輸入電阻R3：R4：R5：R6=8：4：2：1，則反相加法器的輸出電壓可由式（3）表示為：　　式中：A=Rp1/R3
　　
　　可見，當計數輸出端Q1～Q4以4位二進制計數方式從0～9依次遞增時，從反相加法器的輸出端uo可以得到反向遞增的階梯波。該反向階梯波經運算放大器U2進行反相比例運算得到正向的階梯波，調節Rp1可以改變鋸齒波的級數，調節Rp2可以改變鋸齒波的級高。電容C3用于階梯波的高頻干擾信號，該階梯波通過后置功率放大后輸入到待測晶體管基極。集電極電流經取樣電阻Re取樣后，輸入到示波管的Y軸偏轉系統。
　　
　　2、實驗結果及分析
　　
　　圖2為掃描信號發生器的階梯波和鋸齒波，鋸齒波上升沿近乎直線，線性度良好。鋸齒波下降沿與階梯波上升嚴格同步。　　
　　基于圖1電路原理，以數字示波器為顯示終端測試NPN晶體管的輸出特性曲線，如圖3所示，波形顯示穩定。作為參照，以CRT示波器為顯示終端顯示波形，與通用晶體管特性圖示儀（SAKOHZ4832型晶體管特性圖示儀）比較，具有如下優點：　　
　　（1）波形顯示亮度均勻：這是由于該電路的水平掃描電壓為線性度良好的鋸齒波;
　　
　?。?）波形沒有閃爍現象：由于該電路的水平掃描頻率達到1700Hz，而對照的通用晶體管特性圖示儀的水平掃描頻率僅為100Hz，顯示波形存在閃爍現象，當顯示的Ic級數較多時尤為明顯。
　　
　?。?）波形沒有抖動：由于該電路鋸齒波和階梯波均由同一個555多諧振蕩器產生，存在嚴格的同步關系，而對照的通用晶體管特性圖示儀的階梯波由水平掃描的正弦脈沖觸發產生，觸發電壓存在一定誤差，使顯示波形存在一定的抖動現象。
　　
　　3、結束語
　　
　　由于掃描信號采用555定時器同時作為階梯波和鋸齒波發生器，電路結構簡單，信號同步性能好，掃描頻率可按需要設置，在掃描系統加裝必要的轉換開關及波段開關，就可以實現對不同類型的二極管、三極管的各種性能指標的測量。