晶體管特性圖示儀作為一種可通過屏幕觀察和測(cè)試半導(dǎo)體管特性曲線和直流參數(shù)的測(cè)量?jī)x器，具有動(dòng)態(tài)性好,、實(shí)時(shí)跟蹤,、特性顯示直觀等優(yōu)點(diǎn)。隨著測(cè)試技術(shù),、微控制器技術(shù)及虛擬儀器技術(shù)的進(jìn)步,，出現(xiàn)了以微控制器或數(shù)據(jù)采集卡作為下位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，在PC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ),、顯示等功能的數(shù)字式晶體管圖示儀，其具有數(shù)據(jù)顯示直觀,、測(cè)試結(jié)果精確,、分析功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)[1],。但此類圖示儀需要借助PC、并采用有線方式傳輸數(shù)據(jù),。

　　2008年Google公司推出Android移動(dòng)終端平臺(tái),，目前基于Android的智能手機(jī)穩(wěn)居市場(chǎng)份額第一，且其性能遠(yuǎn)超早期PC,。有鑒于此,，及針對(duì)數(shù)字式晶體管圖示儀存在的問題，本文提出了一種基于Android平臺(tái),，通過藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線傳輸?shù)木w管特性圖示儀方案,。該方案中，以最新的性能卓越的Cortex-M0+微控制器為下位機(jī)核心,，實(shí)現(xiàn)晶體管特性曲線測(cè)量數(shù)據(jù)的采集,，并通過藍(lán)牙模塊向Android 移動(dòng)終端上傳數(shù)據(jù)，采用智能手機(jī)代替PC作為上位機(jī),，完成測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),、顯示、分析等功能,。

1 基本原理及系統(tǒng)框架

　　1.1 晶體管特性曲線測(cè)量原理[2]

　　晶體管共發(fā)射極輸出特性曲線是描述基極電流IB為一常量時(shí),，集電極電流iC與集電極和發(fā)射極之間的電壓uCE之間的函數(shù)關(guān)系，即：

　　對(duì)于每一個(gè)確定的IB,，都有一條確定的曲線與之對(duì)應(yīng),，因此當(dāng)IB改變時(shí)，相應(yīng)的曲線亦隨之變化,，進(jìn)而輸出特性是一組曲線,。

　　以NPN型晶體管共發(fā)射極輸出特性曲線為例，其測(cè)量原理如圖1所示,。在基極施加階梯電流的同時(shí),，在集電極施加鋸齒波掃描電壓，并確保當(dāng)IB恒定為一個(gè)值時(shí),，集電極電壓完成一個(gè)周期的掃描變化,。這個(gè)變化周期由195個(gè)小階梯組成，在每個(gè)小階梯周期內(nèi),，通過A/D轉(zhuǎn)換電路測(cè)量集電極負(fù)載電阻上的電壓,，從而以計(jì)算出集電極電流iC作為縱坐標(biāo)，以測(cè)出的集-射電壓uCE作為橫坐標(biāo),，這樣就可以確定輸出特性曲線上的一個(gè)點(diǎn),，進(jìn)而一個(gè)集電極電壓掃描周期就可以畫出一條晶體管輸出特性曲線[3]。

　　1.2 系統(tǒng)框架

　　整個(gè)系統(tǒng)的框架如圖2所示,。晶體管輸出特性圖示儀主要由電源模塊,、控制面板,、基極階梯波電流發(fā)生器、集電極掃描電壓發(fā)生器,、測(cè)量電路及藍(lán)牙通信模塊等構(gòu)成,。當(dāng)進(jìn)行晶體管輸出特性測(cè)量時(shí)，基極階梯波電流發(fā)生器在主控制器作用下依次為基極提供5 A,、10 A,、20 A、30A,、35 A和50 A的階梯電流,，在每一個(gè)基極階梯電流期間，集電極掃描電壓發(fā)生器為集電極提供0～20 V階梯變化(見前述)的掃描電壓,，并且在每個(gè)掃描周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)195組iC～uCE數(shù)據(jù)所需的A/D轉(zhuǎn)換,、計(jì)算等數(shù)據(jù)采集處理工作，同時(shí)通過藍(lán)牙模塊將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸給Android智能手機(jī),，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸出特性曲線的顯示,、分析及管理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 Cortex-M0+主控芯片

　　主控制芯片采用Freescale公司基于Cortex-M0+處理器的Kinetis L系列的微控制器MKL25Z128(簡(jiǎn)稱KL25),。Kinetis L系列MCU特別適用于價(jià)格敏感,、能效比相對(duì)較高的領(lǐng)域，是8/16位MCU應(yīng)用領(lǐng)域的理想升級(jí)換代產(chǎn)品,。KL25微控器主要特點(diǎn)有：CPU工作頻率為48 MHz,；具有128 KB片內(nèi)Flash、16 KB片內(nèi)RAM,、64 B Cache,；具有DMA、UART,、SPI,、IIC、TSI,、16位ADC,、12位DAC等模塊。

　　2.2 基極階梯波電流發(fā)生器

　　基極階梯波電流發(fā)生器為晶體管輸出特性曲線的測(cè)量提供工作基礎(chǔ),，其性能的好壞至關(guān)重要,。從圖3可知，基極階梯波電流發(fā)生器電路由電壓基準(zhǔn),、極性轉(zhuǎn)換,、V/I轉(zhuǎn)換3部分電路組成。基準(zhǔn)電路中的R1,、R2分別為精度1%以內(nèi)的100 k,、10 k的電阻，通過二者的分壓為V/I轉(zhuǎn)換電路提供基準(zhǔn)電壓(Ui=0.455 V),。虛線框中的極性轉(zhuǎn)換電路是為了測(cè)量NPN和PNP管時(shí)改變輸出極性而設(shè)的。當(dāng)對(duì)NPN管進(jìn)行測(cè)量時(shí),， MAX-S1閉合,，MAX-S2斷開，基準(zhǔn)電壓直接加至V/I轉(zhuǎn)換電路,；當(dāng)對(duì)PNP管進(jìn)行測(cè)量時(shí),，MAX-S1斷開， MAX-S2閉合,， 基準(zhǔn)電壓經(jīng)反相后變?yōu)樨?fù)電壓加至V/I轉(zhuǎn)換電路,。MAX-S1、MAX-S2為MAX4602內(nèi)部的2路電子開關(guān),，MAX4602是一款導(dǎo)通電阻僅為2.5 Ω的CMOS模擬開關(guān),，內(nèi)部有4個(gè)常開開關(guān)，具有低功耗,、小尺寸,、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

　　運(yùn)算放大器A3,、A4,，電阻R6～R9(均為10 k)及數(shù)字電位器RW1構(gòu)成了典型的電壓-電流轉(zhuǎn)換電路。經(jīng)過簡(jiǎn)單計(jì)算可知[3]：

　　顯然,，當(dāng)Ui保持恒定時(shí),，只要RW1保持恒定，由于A4的隔離作用,，IB就保持恒定,，而與UBE的大小無關(guān)。若改變基極電流IB,，只需要改變數(shù)字電位器RW1的阻值即可實(shí)現(xiàn),。MCP42100是一款具有256個(gè)抽頭的雙100 kΩ的數(shù)字電位器，與MCU 通過SPI口相連,，操作十分方便,，具體使用方法可參考文獻(xiàn)[4]。

　　2.3 集電極掃描電壓發(fā)生器和測(cè)量電路

　　集電極掃描電壓發(fā)生器由D/A模塊,、極性轉(zhuǎn)換,、功率放大等電路構(gòu)成。主控芯片KL25片上提供1個(gè)12位的DAC模塊,，可用來產(chǎn)生階梯電壓,，當(dāng)階梯步長(zhǎng)取21時(shí),，可提供195梯階梯電壓。由于DAC模塊最大輸出電壓僅為3.3 V,，而集電極掃描電壓一般不低于20 V,，因此需要對(duì)DAC輸出電壓進(jìn)行功率放大。極性轉(zhuǎn)換電路與基極階梯波電流發(fā)生器中的相應(yīng)電路原理,、功能基本相同,，為此不再贅述。

　　測(cè)量電路的功能是實(shí)現(xiàn)測(cè)量電壓的極性轉(zhuǎn)換和信號(hào)調(diào)理,，使之滿足A/D轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)極性和幅度的要求,。0～20 V間階梯變化的集電極掃描電壓無法直接送至KL25的ADC模塊，經(jīng)調(diào)理后,，電壓變化范圍為0～2 V,，鑒于KL25高達(dá)16 bit的A/D轉(zhuǎn)換精度，并不會(huì)降低采樣電壓的分辨率,。

　　2.4 藍(lán)牙通信模塊設(shè)計(jì)

　　藍(lán)牙技術(shù)作為一種非常流行的低成本,、短距離的無線通信技術(shù)，能夠有效地簡(jiǎn)化固定與移動(dòng)設(shè)備,、移動(dòng)設(shè)備之間的通信連接,。選用的BLK-MD-BC04-B藍(lán)牙模塊只需配備少許外圍元件，就能實(shí)現(xiàn)所有功能,。本設(shè)計(jì)中僅需將TXD端,、RXD端依次連接到主控制器KL25的PTA19端、PTA18端即可,。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 下位機(jī)軟件

　　晶體管特性圖示儀下位機(jī)測(cè)量軟件除主程序外,，還主要包括基極階梯波電流產(chǎn)生、鍵盤控制,、集電極掃描電壓生成,、數(shù)據(jù)測(cè)量及藍(lán)牙通信等子程序模塊。圖4為測(cè)量主程序流程圖,。主控制器上電后,，系統(tǒng)初始化：設(shè)定內(nèi)部功能寄存器、I/O口等初始值,，MAX4602,、MCP42100初始狀態(tài)，藍(lán)牙模塊初始化等,；調(diào)用鍵盤控制模塊查詢系統(tǒng)功能設(shè)定模式,；測(cè)量時(shí)，依次調(diào)用基極階梯波電流產(chǎn)生、集電極掃描電壓生成,、數(shù)據(jù)測(cè)量等相關(guān)子程序?qū)崿F(xiàn)1條輸出特性曲線測(cè)量,；基極階梯波電流產(chǎn)生子程序依次輸出6組電流，從而完成1組輸出特性曲線的測(cè)量,；最后調(diào)用藍(lán)牙傳輸子程序完成測(cè)量數(shù)據(jù)向Android手機(jī)的上傳,。

　　3.2 藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸

　　藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸通常不支持自動(dòng)連接，在開始傳輸數(shù)據(jù)之前需對(duì)藍(lán)牙進(jìn)行手動(dòng)連接,。藍(lán)牙設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸主要分為6個(gè)步驟[5]：(1)打開藍(lán)牙,；(2)搜索藍(lán)牙設(shè)備；(3)獲取藍(lán)牙設(shè)備,；(4)創(chuàng)建客戶端藍(lán)牙Socket；(5)創(chuàng)建數(shù)據(jù)流,，進(jìn)行傳輸,；(6)關(guān)閉藍(lán)牙。鑒于藍(lán)牙占用系統(tǒng)較多的資源,，故設(shè)計(jì)若5 min內(nèi)無數(shù)據(jù)傳輸,，將自動(dòng)斷開藍(lán)牙連接，以節(jié)約系統(tǒng)資源,，同時(shí)節(jié)省電量,。

　　3.3 特性曲線顯示實(shí)現(xiàn)

　　Android系統(tǒng)釆用改良的2D向量圖形處理函數(shù)庫Skia來實(shí)現(xiàn)字型、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以及點(diǎn)陣圖等的顯示,。主要有如下幾步[6]：(1)構(gòu)建一個(gè)自定義的畫波形的視圖類,；(2)獲取Canvas畫布，每一個(gè)視圖類都提供一個(gè)Canvas畫布,，其可以直接從視圖類中獲?。?3)獲取Paint畫筆,，畫筆類是Paint,，通過該類可以設(shè)置畫筆的風(fēng)格、顏色,、屬性等,；(4)線段繪制和文字繪制，通過Canvas提供的線段繪制方法drawLines和文字繪制方法drawText,，就可以繪制想要的線段和文字了,；(5)調(diào)用自定義View的onDraw方法，把所繪制的圖形顯示在屏幕上,。

4 測(cè)試結(jié)果

　　分別利用優(yōu)利德UT56數(shù)字萬用表,、上海新建XJ4828晶體管圖示儀及本文設(shè)計(jì)調(diào)試好的晶體管特性圖示儀，依次對(duì)4種不同型號(hào)晶體三極管測(cè)量hFE值進(jìn)行比較，其結(jié)果如表1所示,。三者測(cè)得的hFE值相近,，說明本圖示儀的測(cè)量值是可靠的。

　　圖5為利用本文設(shè)計(jì)的晶體管特性圖示儀測(cè)量的9013晶體管的輸出特性曲線,，在Android智能手機(jī)上的顯示效果,。與新建XJ4828晶體管圖示儀測(cè)試比較，二者在小電流低電壓范圍內(nèi)的測(cè)試結(jié)果非常接近,，相似度很高,，說明本圖示儀的測(cè)量精度是很高的。

　　本文提出了一種基于Android手機(jī)的晶體管特性圖示儀的設(shè)計(jì)方案,，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了軟件和硬件的實(shí)現(xiàn),。系統(tǒng)下位機(jī)采用Cortex-M0+主控制器為核心，產(chǎn)生并提供基極階梯波電流和集電極掃描電壓,，實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體管輸出特性的測(cè)量,，既使得測(cè)量裝置體積減小、重量變輕,，同時(shí)測(cè)量響應(yīng)速度快,、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好,。利用目前技術(shù)成熟的藍(lán)牙技術(shù)作為測(cè)量數(shù)據(jù)上傳方案,， 采用市場(chǎng)上廣泛使用的移動(dòng)終端操作系統(tǒng)Android作為平臺(tái)，借助智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)晶體管特性曲線的存儲(chǔ),、顯示,、分析等功能。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明,，該系統(tǒng)具有測(cè)量精度高,、使用方便和測(cè)量結(jié)果直接明了等特點(diǎn)。此外,，該系統(tǒng)很容易擴(kuò)充功能,，如測(cè)量輸入特性曲線，測(cè)量場(chǎng)效應(yīng)管特性等,。

　　參考文獻(xiàn)

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