基于51单片机的简易晶体管输出特性图示仪原理与设计

基于51单片机的简易晶体管输出特性图示仪原理与设计
摘    要：介绍了一种基于51单片机的简易晶体管输出特性测试仪的设计原理。详细说明了该系统的基本原理、硬件结构和软件框架。该仪器配合普通的示波器可用来观察一般的各种常见晶体管的输出特性曲线。
关键词：晶体管；输出特性；51单片机；示波器
引言
    晶体管特性图示仪是用来观察晶体管各种输入输出特性的仪器。目前市场上存在很多这种仪器，但它们虽然可以测量的参数较多，性能、精度高、使用方便程度也比较好，但这些晶体管特性图示仪一般都采用模拟电路制作。它们有一个共同的弱点就是价格昂贵，一般这种仪器都要几千甚至上万元，而且制作复杂。晶体管的主要特性就是它的输出特性。而本文所介绍的晶体管输出特性图示仪可专门用来测量观察晶体管的输出特性曲线。虽然相对于专门的图示仪，该仪器的测量精度以及可以测量的参数不如专业的仪器好，但是它有一个很大的好处就是该系统主要采用数字电路制作，制作简单且成本低廉，具体使用也很方便。配合人们常见的普通示波器，该系统基本可以满足一般研究人员的要求。
系统基本原理
    晶体管的输出特性是指在一定的基极电流Ib时，晶体管集电极与发射极之间的电压Uce同集电极电流Ic之间的关系。每个Ib对应一条输出特性曲线。将多个Ib对应的曲线同时显示在示波器上，就可以得到一簇输出特性曲线。所以，我们要完成的任务：一是提供一簇基极阶梯电流；二是提供一个从小到大变化的集电极扫描电压；三是将Uce和Ic的数据取出并送到普通示波器上显示。因此，一个简易晶体管输出特性图示仪主要由以下三部分组成,即：基极阶梯电流产生电路、集电极扫描电压产生电路和测量显示电路。
    基极阶梯电流产生电路可由51单片机控制DAC0832(1)直接产生所需的电流；集电极扫描电压产生电路由51单片机控制DAC0832(2)产生从零开始增大的电压，再经电压放大电路放大以产生所需的扫描电压；显示观察电路由电流/电压转换电路将电流Ic转换成示波器所需的电压值，而将Uce直接接到示波器上测量即可。图1所示是系统的整体框图。
系统主要硬件电路介绍
本系统硬件电路由阶梯电流产生电路、扫描电压产生电路和测量显示电路三部分组成。其中阶梯电流产生电路由AT89C51控制DAC0832(1)产生每秒20 Hz的8级阶梯电流做为基极电流(考虑到一般示波器的余辉效应，此频率不能太低，而太高则需要的集电极扫描电压频率也必须相应提高，因而会增大设计成本)；扫描电压产生
电路由AT89C51控制 DAC0832(2)来产生每秒20 Hz×8级(即160 Hz)的锯齿波，之所以为160 Hz，是因为两个DAC产生的波形在每个周期开始均须保持同步，同步效果如图2所示，否则会使显示的波形变形；在测量显示部分可将Uce直接取出接到示波器的X轴。而对于集电极电流I■，则可在I■回路上接一个取样电阻Rs，利用Ic在这个电阻上的电压降等于IcRs，就可以取得正比于Ic的电压，这个电压便直接反映了Ic 的变化。
◇  基极阶梯电流和集电极扫描电压产生电路
    这两部分电路由同一片AT89C51控制两片DAC0832来分别产生所需的电流和电压，其参考电压均为5 V，要想示波器上显示的图形不失真，基极阶梯电流和集电极扫描电压必须接成同步方式，而DAC0832是带两级缓存的数模转换芯片，可以很方便的接成同步方式，其具体接法如图3所示。 由于DAC0832是电流输出型数模转换芯片，其输出电流为：
I= (VREF/Rfb)(Dx/256)(1)
式中，DAC0832的Rfb为15 kΩ，Dx为输出的数字量，最大输出电流约为0.33 mA，而晶体管基极所需的动态电流最大只有1/5 mA左右就可以满足要求了，因此通过控制数字量的输出大小就可以得到所需大小的动态阶梯电流。当然，还需要在基极加一直流电源为其提供合适的静态工作电压，由于电源的设计非常简单，这里就不再做介绍了。
    对于扫描电压，在参考电压为5V的情况下，有：
Uo=5（Dx-128）/128(2)
由于其最大输出为5 V，而集电极扫描电压一般须能达到20 V以上才能完全将输出特性显示出来，所以我们需要在其后加一个电压放大电路将Uo放大，这里，笔者加了一个放大倍数为16倍的电压放大电路，此时得到的集电极扫描电压为：
Ucc=5（Dx-128）/128×16(3)
这样就可以满足扫描电压大小的要求了。
◇  测量显示部分
    当基极阶梯电流和集电极扫描电压都准备好后，便可将其接到晶体管的对应地方，具体接法如图4所示。
即可将图3中的U■直接接到普通示波器的X轴。而对于集电极电流，因为示波器上需要的是电压，所以，在图4的I■回路中接一个采样电阻Rs，利用I■在这个电阻上的压降I■R■，来得到正比于I■的电压，这个电压可直接反映I■的变化，只要Rs取得小，是不会影响电路的测试结果的，这里取1Ω。
软件设计
    软件设计分为基极阶梯电流产生部分和集电极扫描电压产生两部分，可分别由两个定时器中断服务程序来完成。而主程序只负责完成系统自检、定时器初始化和中断优先级设置(由于同步的关系，设置定时器0的优先级应高于定时器1)，这一部分比较简单，就不多做介绍了。下面对基极阶梯电流产生部分和集电极扫描电压产生部分分别予以介绍。
◇  基极阶梯电流产生部分
    这一部分由定时器0来完成，定时器0的输出频率为20 Hz×8级，以12 MHz晶振计算，每隔1/160 s就需要更新一次输出，即定时器0的定时间隔为6 250 μs。其输出的值是阶梯性变化的，所以，可事先将需要输出的阶梯电流所对应的数字量以表格的方式存储起来，以便在中断服务程序中采用查表的方式直接得到所需的值(根据公式(1)，当所选数字量为0、10、20、30、40、50、60、70时，取得所对应的输出电流为0、0.021、0.042、0.063、0.083、0.104、0.125、0.146 mA)；又由前文所述的阶梯电流和扫描电压的开始必须同步的要求可知，定时器0每输出一次，都对应一个锯齿波的新的周期的开始，所以定时器0每中断一次，还要将DAC0832(2)输出清为0 V，以使其能够开始一个新的输出周期。其定时器的中断服务程序请参照图5的流程图。
◇  集电极扫描电压产生部分
    集电极扫描电压的产生由定时器1来完成。定时器1产生的锯齿波是从0 V开始连续变化的，当其到达所设定的最大值时，又从0 V重新开始输出。同时，由于定时器1的输出频率比较高。如按每周期锯齿波输出50个数字量来计算，定时器1每秒输出次数为20 Hz×8级×50。当采用12 MHz晶振时，每隔125 μs就需更新一次，所以为了节省时间，定时器1采用自动重装模式，其定时间隔为125 μs。因为集电极对输入的扫描电压的精度要求不高，所以根据公式3，我们只需要简单地设定定时器1的输出数字量为从128开始到177(对应的扫描电压的大小从0~31 V)，然后再从128开始循环即可。具体的定时器2的中断服务程序请参照图5的流程图。