一种多功能数字式晶体管图示仪的设计

王 龙，柴志军

(黑龙江大学 电子工程学院，哈尔滨 150080)

0 引 言

晶体管在电路中具有检波、放大、整流、开关、信号调制等多种功能[1]。常用的晶体管包括二极管、三极管、场效应管等。晶体管图示仪可用于选择晶体管类型、测量晶体管特性参数[2]。模拟式晶体管图示仪是基于模拟电路的纯硬件电路设计，通过显像管显示输入、输出特性曲线，测量过程中读数误差较大，无法对测量数据进行保存和处理。

2008年，林益平[3]实现了晶体管特性曲线的LCD显示，但无法保存和处理测量数据；2013年，刘举平等[4]利用SPCE061A单片机把测量数据发送给PC机，通过LabVIEW软件进行图示处理并保存，显示结果依赖LabVIEW软件；2015年，刘士兴等[5]采用STM32处理器通过LCD液晶屏绘制三极管特性曲线和显示特性参数，但晶体管测量类型单一且测量数据无法保存；2016年，冯婷婷[6]设计出基于微处理器的晶体管图示仪，通过LCD显示多类型晶体管特性曲线，但晶体管各项特性参数显示依赖PC上位机；2019年，日本岩通计测(IWATSU)公司研制的半导体曲线图示仪CS-3000可以通过LCD显示晶体管的特性曲线和各项特性参数，但此仪器售价高，维护不便[7]。

本文提出的数字式晶体管图示仪(以下简称图示仪)以STM32F103作为嵌入式处理器，通过外围电路测量晶体管输入、输出特性曲线数据，数据经过保存和处理得到晶体管特性参数，测量结果通过LCD显示。可以通过按键选择实现多种晶体管曲线和晶体管参数的测量，具有数字化程度高、数据可以长期存储等特点。

1 晶体管特性曲线测量原理与电路设计

1.1 晶体管特性曲线测量原理

晶体管的输入特性曲线和输出特性曲线为各电极之间的电压、电流的关系，用于对晶体管的性能、参数和晶体管电路的分析估算。以三极管为例，输入特性曲线为集电极与发射极间电压uCE一定的情况下，基极连续可调电流iB与发射结电压uBE之间的关系曲线；输出特性曲线为基极电流iB为常量时，集电极电流iC与管压降uCE之间的关系曲线[8]。

三极管特性曲线测量原理见图1。测量输入特性曲线：设定扫描电压uCE为定值并在基极施加阶梯电流iB，经发射结电压采样得到uBE，可绘制输入特性曲线。测量输出特性曲线：设定iB为定值并在集电极施加可调电压uCE，经集电极采样电阻采样得到集电极电流iC，可绘制输出特性曲线，改变iB大小绘制一簇输出特性曲线[9]。

图1 三极管特性曲线测量原理Fig.1 Principle of triode characteristic measurement

1.2 图示仪电路设计

图示仪系统框图见图2。由图2可见，图示仪系统由LCD显示模块、按键控制、存储器、核心处理器、DAC模块、ADC模块、基极电流源、集电极电压源、集电极电流采样、发射结电压采样组成。嵌入式处理器采用意法半导体公司的STM32F103芯片，内嵌SPI、I2C、UART、I/O等硬件资源，使本系统的电路结构简单[10-11]。存储器采用华邦电子公司的W25Q64BV芯片，采用SPI通信协议，存储大小为8 MB，数据掉电不丢失。DAC采用美国MICROCHIP公司的12位MCP4725芯片，采用I2C通信协议，输出范围0～5 V，分辨率为1.2 mV[12]。ADC采用美国德州仪器公司的16位4通道ADS1117芯片，采用I2C通信协议，采集范围0～5 V，分辨率为0.76 mV[13]。LCD采用正点原子公司的11.55 cm TFT液晶屏。通过按键选择晶体管的类型和测量模式，根据设定好的程序进行测量，并将测量结果显示在LCD液晶屏上[12]。由于DAC的输出和ADC的采集范围都为0～5 V，需要经过平移、放大电路，才能满足不同类型晶体管的测试条件。

图2 图示仪系统框图Fig.2 Diagram of graphic instrument system

1.3 基极电流源

DAC1输出电压uDA1与参考电压UREF做平移运算后，经过V—I(电压—电流)转换电路得到基极电流iB，电路见图3。

图3 基极电流电路Fig.3 Circuit of base current source

由图3可见，运放A1构成差分电路[14]，可知运放A1输出电压uO1：

(1)

其中：R1=R3，R2=R4=2R1，UREF=2.5 V，uDA1电压范围为0～5 V，分辨率为1.2 mV，则电压输出范围为-5～5 V，分辨率为2.4 mV。运放A2和A3组成V-I转换电路，输出电流iB：

(2)

其中:电压uO1范围-5～5 V，分辨率为2.4 mV，RS为1 kΩ，则基极电流iB输出范围-5～5 mA，分辨率为2.4 μA。

1.4 集电极电压源

DAC2输出电压uDA2与参考电压UREF做平移运算后，经过放大电路输出电压uCE，电路见图4。由图4可见，运放A4组成的差分放大电路，DAC2输出电压uDA2范围为0～5 V，分辨率为1.2 mV。三极管Q1、Q2组成功率放大电路[15]，拓展输出电流范围提升带负载能力。根据式(1)可知，电阻R16、R13和R11控制整个放大电路的增益A：

图4 集电极电压电路Fig.4 Circuit of collector voltage source

(3)

其中：R16=10 Ω，R13=30 kΩ，R11=50 kΩ得到A≈6。差分放大电路将DAC2输出电压范围平移放大6倍得到电压uCE为-15～15 V，分辨率为7.2 mV。

1.5 集电极电流采样和发射结电压采样

集电极电流采样电路见图5。RSC为0.1%精度的1 Ω采样电阻，通过采样电阻将待测电流iC转换为电压，经仪表放大器放大后送入ADC通道1采集数据，采集精度为0.76 mV。仪表放大器选用TI公司的INA214，参考电压UREF为2.5 V，放大倍数为100倍，具有低漂移、高共模抑制比、宽电源供电范围及小体积等优点[16]。电压uAD1输出关系为

图5 集电极电流采样电路Fig.5 Collector current sampling circuit

uAD1=100iCRSC+2.5

(4)

发射结电压采样电路见图6。运放A6为电压跟随器，防止测量电路分流iB，其输出接入由运放A7组成的平移电路。发射结电压uBE经过电压跟随器，与参考电压UREF做运算后得到uAD2，送入ADC2采集数据，采集精度为0.76 mV。

图6 发射结电压采样电路Fig.6 Voltage sampling circuit of transmitting junction

1.6 场效应管和二极管测量

场效应管特性曲线测量与三极管相似，只需将基极电流源变换为栅极电压源，通过与三极管类似的测量可得到场效应管特性曲线。二极管的伏安特性曲线测量可以利用集电极电压源电路部分，通过电流采样可得到伏安特性曲线。

2 图示仪系统软件设计

图示仪系统软件流程图见图7。由图7可见，图示仪系统软件部分包括系统初始化、检测按键、DAC输出数据、ADC采集数据、数据处理、LCD显示等。首先图示仪系统对定时器、DAC和ADC、LCD、存储器、按键等进行初始化，初始化后，系统进入等待状态，等待按键触发中断，按键选择被测管类型、极性和测量模式，执行相应功能的子程序，完成本次测量等待下次测量。

图7 图示仪系统软件流程Fig.7 Flow of graphic instrument system software

以三极管输出特性曲线的LCD显示子程序为例，子程序流程图见图8。由图8可见，进入子程序后，LCD初始化界面显示坐标轴、晶体管类型、测量模式等，STM32控制DAC输出阶梯和扫描信号，分别经过转换电路得到阶梯电流iB和uCE，同时控制ADC采集iC并存储显示此时坐标点(uCE，iC)，然后增加uCE采集iC并存储显示此时坐标点(uCE，iC)，判断uCE是否溢出，不是则LCD进行描点连线，继续增加uCE直至uCE溢出，再判断iB是否溢出，不是则赋初值uCE并增加iB，重复上述步骤直至iB溢出，最后处理器对所测数据计算选定条件下共射电流放大系数β，完成本次测量。其他类型晶体管的特性曲线流程与本流程类似。

图8 NPN型三极管输出特性曲线测量流程Fig.8 Flow of NPN transistor output characteristic curve measurement

3 图示仪系统测试分析

设计以NPN型三极管2N5551和PNP型三极管2N5401的输出特性曲线为例进行测试。对于NPN型三极管2N5551，在室温下分别取iB为10.0、20.0、30.0、40.0、50.0 μA，对应uCE由0.00 V逐渐增加至6.00 V，处理器对测量数据进行处理并保存后，通过LCD显示输出曲线和共射电流放大系数β见图9(a)。对于PNP型三极管2N5401，在室温下分别取iB为-10.0、-20.0、-30.0、-40.0、-50.0 μA，对应uCE由0.00 V逐渐增加至-6.00 V，通过LCD显示输出曲线和共射电流放大系数β见图9(b)。

图9 图示仪测量三极管输出特性曲线Fig.9 Output characteristic curve of the triode measured by tracer

从处理器保存的数据中，选定iB和uCE的条件下，得到共射直流放大系数β与市售图示仪YB4811测试得到的测试结果见表1。

表1 测试结果

由表1可见，本仪器的测量精度高于YB4811型晶体管图示仪，使用者可以根据需要查看测量数据，测量数据通过处理器进行解析得到相应晶体管的特性参数。

4 结 论

设计以STM32F103作为处理器，实现了集数据采集、处理、保存及显示于一体的数字式晶体管图示仪。基于嵌入式处理器的模块化设计，解决了测量数据无法保存和数据处理的问题； 通过LCD显示屏可以观测晶体管特性曲线和具体参数；采用16位ADC和12位DAC的设计，使采样精度高。经测试本仪器不仅达到了与模拟式晶体管图示仪一样的显示特性曲线功能，还完成了保存测量数据、显示晶体管特性参数的设计目标，测试精度高于YB4811型晶体管图示仪。