1引言

在职业技术院校的电子类专业课程中，模拟电子电路是一门理论与实践并重的核心课程。该课程要求学生不仅掌握元器件的基本特性和电路设计原理，还需要具备较强的实践操作能力，以应对未来的工程需求和技术挑战。然而，传统的教学方式往往侧重于理论传授，缺乏有效的实验验证手段，无法充分锻炼学生的实际操作能力和创新思维。因此，如何通过实验教学提高学生的综合应用能力成为了一个重要课题。

本文针对这一教学需求，设计并实现了半导体三极管β值测量电路，以期为模拟电子电路课程中的实验教学提供一个具有实践性和创新性的实验平台。通过该电路，学生不仅可以掌握三极管β值的测量方法，还能深入理解电子电路的工作原理，提升动手操作和电路调试能力。本设计旨在帮助学生将理论知识应用于实际操作，进而增强他们的学习兴趣和技术水平。

2模块结构与方框图

根据三极管的集电极放大特性可知三极管β值与电压的关系，再把电压转换为频率，若计数时间及电路参数选择合适，在计数时间内通过的脉冲个数即为被测三极管的β值。实现三极管β值的测试可以有两种方案。方案一是把三极管的β值转换成对应的电压V，再通过积分电路和滞回比较器把电压转换成频率f。方案二是由微电流源及取样隔离组成的β-V转换电路把三极管的β值转换成对应的电压，然后再通过压控振荡器把电压转换成频率，计数电路使用555定时器组成的多谐振荡器。

通过对比，方案二的精确度远高于方案一。其总体设计如下图1所示，共分六大模块：β-V转换电路、压控振荡器、计数电路、计数器、七段显示译码器、清零单稳触发器。

图1 半导体三极管β值测量电路的总框图

3各模块电路与设计

3.1  β-V转换电路

β-V转换电路的功能是实现β值与电压值的转换，转换电路由T1、T2、R1、R2构成前级微电流源电路，R3是被测管T3的基极电流取样电阻，R4是集电极电流取样电阻。由运算放大器构成的差动放大电路，实现电压取样及隔离放大作用。T1，T2为PNP管，采用9012；T3为NPN管，采用9013。如图下2所示。

图2  β-V转换电路

设T2集电极电流为，T1集电极电流为，则有

=，=

为了使电路工作在最佳状态，I0应取30—40uA。这里取=35uA，=0.7V，则=1mA,R2=3.3KΩ，R1=4.3KΩ，R3是作偶合用，取R3=22KΩ。

运算放大器741、电阻R4、R5、R6、R7、R8构成取样隔离电路。这是一个量化电路，它把流经R2集电极的电流量改变为R4两端的电压量然后由运算放大器741的输出端输出。运算放大器741输出等于R4两端的电压。而=β，则

V₀₁=βI₀R₄

与R4都是定值，则就是一个只跟随β的变化而变化的量。从而将一个不可测量的量变成了一个方便测量与比较的电压量。取值：

R4=510Ω，R5=R6=R7=R8=10KΩ。

则可知，当β=200时，=3.57V，电压值比较适中。

3.2  压控振荡器

压控振荡器电路图如图3所示。

图3   压控振荡器电路

LM331组成高精度压控振荡器电路，CL的充电时间T1，也就是电容Ct上的电压从0充电到  Vcc的时间，故得

CL在充电期间获得的电荷为

式中的为流过电阻RL上的电流。

若振荡周期为T、放电时间为T2，则T2＝T-T1。又知CL的放电电流为=,因而放电期间CL释放的电荷为

根据Q1与Q2相等，即得到

故电路的振荡周期为

将       、T1＝1.1RtCt代入上式，另由于VREF＝1.9V，故得到

可见，f与VO1成正比关系。将V01=βI0R4 代入上式中，得

若令

则数值上有f＝β，所以下面选择计数时间Tw为1秒即可。

当参数取值：RL＝47 KΩ，CL＝1.5μF，Rt＝13.7KΩ，Ct＝0.1μF，Rs＝7.5 KΩ

得

f＝β

3.3  计数时间产生电路

如图4为555定时器组成的多谐振荡器。

图4   555接成的多谐振荡器

电容C1的充电时间Tw和放电时间T3 各为

故振荡周期为

要求Tw＝1秒，则取    C1＝10μF ，C2＝0.01μF

得  R9+R10＝144 KΩ

取  R9＝48 KΩ，R10＝96 KΩ

3.4  计数器

根据设计要求，计数器的最大容量为199。高位可用一个D触发器，个位和十位各用一个BCD码计数器。

由于CMOS集成电路功耗小、价格便宜，故选用CD4518作为该电路的个位和十位BCD码计数器。

由CD4518的逻辑特性可知，将衰减后的标准脉冲发生器的输出信号接到它的1CP端，而将LM331压控振荡器计数控制信号接至1EN端，从而省去标准脉冲信号发生器与计数器之间的与门。

若从1EN端输入计数脉冲，则CD4518的触发器由计数脉冲的下降沿触发。而当个位计数器为1001状态时，它的1Q4＝1，若再来一个计数脉冲，则1Q4由1变为0，即出现下降沿，因此1Q4可作为个位计数器的进位输出端。也就是说只要把1Q4和2EN相连便可实现级联。同理，可将2Q4作为十位计数器的进位输出端。

高位触发器的接法如下图5所示。根据设计要求，若十位计数器的2Q4端在计数时间内出现下降沿，高位触发器的3Q1端应当由0状态变为1状态。在3Q1＝1以后，若2Q4再出现下降沿，3Q1应保持状态不变，直至清零信号到来为止。选用D触发器74LS74作为高位触发器，它是由上升沿触发的，因此2Q4必须经过反相后才能接到D触发器的时钟输入端，如图5所示。图中D触发器的输入端接LM331压控振荡器输出信号，为了使计数脉冲波形好，反相器采用了施密特反相器。

图5高位触发器的接法

3.5  清零单稳触发器

计数器CC4518及D触发器所需的清零信号由下图6清零单稳态电路中的输出Uo2提供，CC4518清零端的延时时间较大，因此选清零信号tw＝30μs，作为选择单稳电路主要参数的依据。

图6 清零单稳态电路

由于对tw的稳定性要求不高，可选用单稳态电路，单稳态电路的时间常数RC应比U1的周期小得多，输出脉冲宽度可按下式估算

tw＝0.7RC

tw＝30μs 代入上式，得

RC≈42.8μs           

因此选取C＝1000pF，R＝43KΩ。R’为限流保护电阻；它的阀值定在10－100 KΩ范围内选择。

3.6 七段显示译码器

BCD七段显示译码－驱动器CD4511的作用是将BCD计数器的输出译码成LED数码管所需的七段输入形式。根据设计要求，此译码器具有消隐功能。具体接法见总接线图7所示。

4电路安装调试与性能测量

4.1  电路安装

根据上述各模块电路图的功能，最后的总电路图如下图7所示。

图7 电路总图

由于本电路设计主要用于实验教学，考查学生对模拟电路的综合应用能力，综合成本低廉、搭建简单、调试方便、元器件更换容易等因素，同时也为了锻炼学生的电路搭建能力，故采用万用板搭建的方式。搭建好的电路实图如下图8所示。

图8  电路实图

4.2 电路调试

为了体现出本电路的实验教学性，同时也方便对电路各模块数据的测量与记录，本电路在调试时采用先分级测试再整机测试的原则。

4.2.1调试步骤及测量数据

（1）分级调试

为了单独测试β-V转换电路的数据结果，可在Tx处插上9013，用示波器观察运算放大器741管脚6的输出波形，如图9所示。由图可知，输出的电压约为2.5V，输出波形稳定，符合理论上的输出要求。

图9  β-V转换电路输出电压波形

独立压控振荡器电路，在LM331管脚7接入2V电压源，用示波器观察LM331管脚3输出波形正常，波形如图10所示。由图可知，输出方波波形稳定，高电平时间稳定在1S，误差符合设计要求。

图10  压控振荡器电路输出电压波形

独立555多谐振荡器，用示波器不能观察555定时器管脚3输出波形，用万用表的直流电压档测到管脚3的电压在0.007V-4.558V之间变化。独立单稳清零电路，从电容端输入频率为100Hz的方波信号，用示波器观察非门B输出波形正常。

为了实现在1s钟内对压控振荡器的频率进行计数，将压控振荡器的输出波形与计数时间产生电路的输出波形相与。当计数时间产生电路输出高电平时，计数器开始对压控振荡器的输出频率进行计数。其相与后产生的波形图如下图11所示，由波形图可知，输出结果符合预期要求。

图11  压控振荡器的输出波形与计数时间产生电路的输出波形

为了测试数码管显示模块的显示功能，在搭建好的实际电路上，把4518管脚1的导线断路，从信号发生器输出频率为85Hz的方波，观测到数码管显示数值为85，将信号发生器输出频率改为178Hz的方波，观测到数码管显示数值为178。由此可知，显示模块工作正常。

（2）整机调试及性能指标测量

为了测试整机的工作性能及测试数据指标，分别测量9013和9018两个型号的三级管。在实验过程中，先后将9013、9018插进Tx位置，记录数码管显示数值β、β-V转换电路输出电压U01、LM331输出电压有效值U02、R2两端电压值UR2。数据记录如下表1所示。由表1数据可知，整机工作性能良好，精确度比较高，符合预期的设计要求。

表1 整机性能指标测量数据记录

4.2.2故障分析及处理

在电路搭建与调试过程中，难免会遇到各类型的故障或问题。在实际调试里，遇到的主要问题有如下几点。

（1）uA741的输出电压和R4两端的电压不相等。

经计算验证，发现故障原因是R4的电阻值错误，更换合适的电阻后，uA741的输出电压和R4两端的电压基本相等。

    （2） 555计数器输出的电压总是为高电平。

先重新计算各无器件的数值是否有误，再检查是否有接错元器件，确定无误后，再重新检查电路搭建情况，最后发现故障原因是计数电路的电阻电容插接不牢固，经重新牢固插接后，555计数器输出的电压正常。

（3） 数码管显示错误。

经计算及检查发现，故障原因是uA741的输入输出脚接法有误，正确搭建后发现数码管的个位和十位计数显示正常，但百位不显示。经万用表和示波器检查，发现74LS74的输出总是为低电平，最后发现是由于74LS74的输入接到了CD4011的4脚，重新把74LS74的输入接到了CD4011的3脚后，百位显示正常。

5总结

在本设计中，通过对半导体三极管β值测量电路的研究与实现，本文完成了一套基于微电流源和取样隔离的β-V转换电路，结合压控振荡器及555定时器计数电路，实现了对三极管β值的精确测量。通过电路的模块化设计和分级调试，确保了各部分电路的功能性与稳定性，最终达到了预期的设计要求。实验结果表明，该电路设计简洁、成本低廉，适用于模拟电子电路课程中的实验教学，不仅能够有效测量三极管β值，还能提升学生的动手能力与综合应用技能。该设计具有良好的教学应用前景，为职业技术院校的电子电路教学提供了一种创新性实验平台。

参考文献

[1]王少辉,项永金.半导体三极管的失效分析与可靠性研究[J].电子产品世界,2022,29(01):33-36.

[2]李洁.浅析半导体三极管稳压线路的分析研究[J].科技展望,2016,26(20):95-96.

[3]周存芳.基于半导体三极管电路的教学过程研究分析[J].新课程学习(中),2013,(12):119.

[4]刘光茹.半导体三极管的识别和检测[J].职业技术,2011,(12):91.DOI:10.19552/j.cnki.issn1672-0601.2011.12.052.

[5]李雅静,刘芬.半导体三极管课堂教学设计[J].科教文汇(中旬刊),2015,(14):61-62.