晶體管特性圖示儀作為一種可通過屏幕觀察和測試半導(dǎo)體管特性曲線和直流參數(shù)的測量儀器,，具有動態(tài)性好、實(shí)時(shí)跟蹤,、特性顯示直觀等優(yōu)點(diǎn),。隨著測試技術(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、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移動終端平臺,，目前基于Android的智能手機(jī)穩(wěn)居市場份額第一，且其性能遠(yuǎn)超早期PC,。有鑒于此,，及針對數(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，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)晶體管特性曲線測量數(shù)據(jù)的采集,，并通過藍(lán)牙模塊向Android 移動終端上傳數(shù)據(jù),，采用智能手機(jī)代替PC作為上位機(jī)，完成測量數(shù)據(jù)的存儲,、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：

　　對于每一個確定的IB，都有一條確定的曲線與之對應(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恒定為一個值時(shí)，集電極電壓完成一個周期的掃描變化,。這個變化周期由195個小階梯組成,，在每個小階梯周期內(nèi)，通過A/D轉(zhuǎn)換電路測量集電極負(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點(diǎn),，進(jìn)而一個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(簡稱KL25)。Kinetis L系列MCU特別適用于價(jià)格敏感,、能效比相對較高的領(lǐng)域,，是8/16位MCU應(yīng)用領(lǐng)域的理想升級換代產(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)換電路是為了測量NPN和PNP管時(shí)改變輸出極性而設(shè)的,。當(dāng)對NPN管進(jìn)行測量時(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PNP管進(jìn)行測量時(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12位的DAC模塊，可用來產(chǎn)生階梯電壓,，當(dāng)階梯步長取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,。

　　測量電路的功能是實(shí)現(xiàn)測量電壓的極性轉(zhuǎn)換和信號調(diào)理，使之滿足A/D轉(zhuǎn)換時(shí)對極性和幅度的要求,。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),，能夠有效地簡化固定與移動設(shè)備、移動設(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)測量及藍(lán)牙通信等子程序模塊,。圖4為測量主程序流程圖。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)測量等相關(guān)子程序?qū)崿F(xiàn)1條輸出特性曲線測量,；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量,；最后調(diào)用藍(lán)牙傳輸子程序完成測量數(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連接,，在開始傳輸數(shù)據(jù)之前需對藍(lán)牙進(jìn)行手動連接。藍(lán)牙設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸主要分為6個步驟[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)建一個自定義的畫波形的視圖類,；(2)獲取Canvas畫布,，每一個視圖類都提供一個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4種不同型號晶體三極管測量hFE值進(jìn)行比較，其結(jié)果如表1所示,。三者測得的hFE值相近,，說明本圖示儀的測量值是可靠的。

　　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晶體管圖示儀測試比較,，二者在小電流低電壓范圍內(nèi)的測試結(jié)果非常接近，相似度很高,，說明本圖示儀的測量精度是很高的,。

　　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)對晶體管輸出特性的測量,，既使得測量裝置體積減小,、重量變輕，同時(shí)測量響應(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)作為測量數(shù)據(jù)上傳方案,， 采用市場上廣泛使用的移動終端操作系統(tǒng)Android作為平臺,，借助智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)晶體管特性曲線的存儲、顯示,、分析等功能,。實(shí)際測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有測量精度高,、使用方便和測量結(jié)果直接明了等特點(diǎn),。此外，該系統(tǒng)很容易擴(kuò)充功能,，如測量輸入特性曲線,，測量場效應(yīng)管特性等。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[6] 鄧繁．基于Android系統(tǒng)的心電儀的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[D]．北京：北京交通大學(xué),，2011．